直线多点同步起爆MEFP战斗部技术研究

张新华，赵家其，石 晋

(1 安徽红星机电科技股份有限公司，合肥 231135；2 南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

随着军事科技的进步，精确打击、高效毁伤是当前常规武器发展的主流。与射流相比，EFP具有对炸高不敏感，反应装甲对其干扰小，侵彻后效大等优点[1]。MEFP(多爆炸成型弹丸)所具备的一个战斗部同时形成多个高速弹丸的功能，可以增加弹药的有效杀伤半径，对目标实现大密度攻击，提高弹丸命中及毁伤目标的概率[2]。相比于传统的战斗部毁伤元素，MEFP因具有更高的动能，能够有效地提高防空反导的作战效率[3],提升作战效能。

国内外针对MEFP技术开展了起爆方式对MEFP的成型、飞行稳定性、侵彻能力及毁伤效能的影响相关研究[4-6]。对于周向多层分布药型罩的战斗部来说，不同的起爆方式会直接影响弹丸飞散角，进而影响毁伤面积。对于直线多点同步起爆MEFP战斗部来说，起爆装置是影响战斗部作战威力的重要因素，其起爆的同步性直接影响爆轰波的传播特性，进而决定战斗部的毁伤效能。郑灿杰等利用LS-DYNA软件仿真研究了5层周向MEFP战斗部在单点起爆条件下起爆点高度及多点起爆条件下起爆点数、起爆同步误差等因素对MEFP毁伤元速度和飞散角的影响[7]。黄寅生等研究了钝感耐热炸药制成的柔性金属导爆索作为传递爆轰能量的微秒级延期扩爆装置[8]。文中将多点同步起爆装置应用于MEFP战斗部装药中，通过对起爆装置的同步性测试和X光测试，说明装置的可行性，并进行了有关试验验证，为多点起爆MEFP战斗部装药提供具体的工程解决方案。

1 起爆装置分析

在中心轴线采用多点起爆方式引爆炸药装药，爆轰波在传播过程中会发生碰撞，在一定条件下发生马赫反射，使爆轰压力成倍增加，形成高压、高能量密度区域[9-10]，不仅可以大幅提高爆炸成型弹丸的飞行初速，还有利于形成带有尾翼的爆炸成型弹丸，提高弹丸的飞行稳定性。

如图1所示，以起爆5层周向MEFP战斗部为研究对象，在引信和MEFP战斗部之间设计一个6路柔性金属导爆索传扩爆装置。利用引信输出爆轰能量同时起爆6路导爆索同步起爆装置，实现同步起爆MEFP战斗部。该同步起爆装置的特点是利用导爆索自身的爆速和长度，实现μs级起爆；利用提高不同路的导爆索间起爆时间精度，实现多路同步起爆EFP战斗部；每路起爆点之间采用隔爆板，解决了起爆点之间地隔爆和各起爆点独立起爆的问题。

图1 多点同步起爆MEFP示意图

1.1 确定起爆点

起爆点位置直接影响到毁伤元的飞散角。在同步起爆装置设计中，药型罩受到的起爆能量是由相邻两个起爆点的形成爆轰能量叠加而成，如果起爆点不对称，药型罩上受到的爆轰能量不均匀、不对称，形成的EFP不规则，飞散角加大，因此各起爆点的起爆中心点位置对保证MEFP性能尤为重要。如图2所示，设计同步起爆装置的起爆中心位置时，一般取传扩爆塞的输出端面，即A点。理论位置A点在传扩爆塞的输出端，距离管壳口部39 mm。为了验证同步起爆装置的起爆中心位置设计是否合理，参照铅铸法，将同步起爆装置放置在钢锭内，如图3所示。对其起爆点的实际位置进行试验测定，试验数量5发。起爆单元作用后，对中心孔变形最大位置处距离钢块口部的距离进行测量，结果见表1。

图2 起爆单元爆点理论位置

图3 起爆中心点测试前及试验后解剖图

表1 起爆单元爆点位置测试结果

试验结果表明，同步起爆装置实际的起爆中心与理论位置点有所偏差，实际起爆点位置后移了2.5～4 mm，平均3.2 mm。JH-14药柱是各起爆点爆轰能量的核心，传扩爆塞端面(理论爆点所在端面)输出爆轰能量起爆JH-14药柱，此时输出爆轰能量较小、爆速较低，爆轰能量在JH-14药柱内成长为稳定爆轰需要一定距离，导致JH-14药柱实际起爆点位置相对于理论爆点后移。为了最大限度地实现中心起爆，保证EFP效能，在设计同步起爆装置时，按实测位置设计起爆中心B点，B点距A点距离取平均值3.2 mm。

1.2 起爆的同步性

采用中轴线多点起爆虽然对端部毁伤元速度提升效果不明显，但可大幅提升中间层MEFP速度。研究发现，对口径大于48 mm的周向MEFP战斗部而言，500 ns以内的起爆同步误差虽然不会对MEFP毁伤元速度和飞散角产生明显的影响，但起爆同步误差的存在会使MEFP成型更加不对称[11-12]，影响弹丸的飞行稳定性和飞行速度，从而削弱战斗部毁伤威力。因此，保证多点起爆同步性对于周向MEFP战斗部毁伤效能至关重要。

同步起爆装置的主要功能是将导爆索传递来的爆轰波逐级放大，并同步起爆MEFP战斗部装药。同步起爆装置主要由传扩爆件、扩爆药柱及管壳等组成，其中传扩爆件主要由导爆索、扩爆装药等组成。传扩爆组件内装六硝基茋炸药，传扩爆塞内六硝基茋炸药装药直径依次增加。

导爆索是由金属薄壁管内装六硝基茋炸药，经多次缩径拉伸而成。目前常用的小直径(Φ1 mm)金属导爆索主要有铅导爆索和银导爆索。Φ1 mm银导爆索实测爆速6 920～7 080 m/s，即(7 000±80)m/s，散布精度为±1.14% ；Φ1 mm铅导爆索实测爆速4 880～5 200 m/s，即(5 040±160)m/s，散布精度为±3.17% ，银导爆索爆速散布精度优于铅导爆索，有利于提高同步起爆装置的同步性能，同时银导爆索具有强度及韧性好等优点，能够较好适应力学环境，因此，优先银导爆索用于同步起爆装置。

结合同步起爆装置的外形尺寸及同步性要求，起爆单元导爆索的设计长度L定为300 mm，公差值取±3 mm，导爆索的爆速v取(7 000±80)m/s，经计算，同步起爆装置内起爆单元的极限起爆时间Tmax，Tmin分别为43.8 μs,41.9 μs，即同步起爆装置最大同步性偏差值ΔT为1.9 μs。传扩爆组件同步性偏差理论上包括了长度尺寸偏差、爆速偏差等。所以在实际工程应用时，每发产品装配所用的导爆索应尽可能取自同一根导爆索，避免因不同导爆索爆速不同而引起爆速偏差，同时，导爆索在截取装配时，使用专用工装进行量取剪裁，最大限度减小导爆索的使用长度偏差，进一步提高装置同步起爆性能。

2 同步性分析

2.1 探针法测试

为准确测定同步起爆装置各爆点的起爆时间偏差，针对产品的结构特点，设计了同步起爆装置同步性测试工装，该工装主要包括套环、螺帽和探针，测试设备为BBS-1型智能爆速测试仪。同步性测试方法示意图如图4，测试靶线安装状态如图5，试验结果如表2。

图4 同步性测试方法示意图

图5 靶线安装状态

表2 同步性测试结果 单位：μs

由试验结果可以看出，Δt分别为1.12 μs，1.11 μs，1.13 μs。该同步起爆装置的最大起爆时间偏差在1.11～1.13 μs之间，起爆时间偏差跳动性较小，且均小于理论计算得到的起爆时间偏差。由此可知，该同步起爆装置作用可靠且稳定性良好。

2.2 X光测试

为直观观察各爆点起爆时的同步性情况，进行了爆炸同步性X光测试，试验1发。测试图如图6。

图6 同步起爆装置X光照片起爆过程

通过起爆过程的3幅X光照片可以看出，t=38 μs时，各起爆点没有明显的起爆迹象；t=40.85 μs时，各起爆点出现了鼓起，表明各起爆点开始作用；t=42 μs时，各起爆点出现了较明显的鼓起，表明40.85～42 μs的1.15 μs时间内各起爆点持续同步作用。因此可以得出X光照片测试的起爆时间偏差小于1.15 μs。

以5点同步起爆为例，理论起爆时间偏差值为1.9 μs，采用探针法测得起爆时间偏差范围为1.1～1.3 μs，X光照片测试的起爆时间偏差小于1.15 μs。考虑到理论起爆时间偏差包括的长度尺寸偏差、理论爆速偏差等影响因素较多，而探针法和X光测试的结果更接近于真实值，且两种方法测试的数值接近，相互印证，因此可以推断出同步起爆装置起爆时间偏差应小于1.9 μs。

3 仿真验证

在一定装药结构条件下，适度增加起爆点数量有利于提高EFP弹丸速度以及长径比[13]，但鉴于起爆点数量过多会影响起爆精度，且增加起爆点数量并不能减少因稀疏作用而产生的飞散角度[14]，故以5层周向MEFP战斗部为例，分析6点同步起爆装置对战斗部威力的影响。

以爆轰波叠加理论为基础，从提高作用在EFP上的动能以及EFP飞散带宽的角度进行分析。通过仿真分析，由于马赫碰撞而产生的高压区，其波阵面压力较单点起爆有明显提升，图7为爆轰波传播特性及药型罩压力云图。

图7 爆轰波特性及药型罩压力云图

采用装药端面单点起爆时，测得距起爆点最近的药型罩所形成的EFP飞散角约为3°，距起爆点最远的药型罩形成的EFP的飞散角达到约12°。而对比图1的多点同步起爆方式，各层药型罩所形成的EFP飞散角均极小，且在保证起爆装置同步性和起爆位置精确的情况下，各EFP可视为以垂直于装药轴线方向飞散，此时飞散角可忽略不计。因此，采用(n+1)个起爆点起爆n层药型罩时，明显减小各层EFP飞散角，提升弹丸密集度，从而极大地提升命中目标的概率。同时利用马赫波碰撞效应有效提升战斗部EFP弹丸速度，提高毁伤能力。

4 结论

对直线多点同步起爆周向MEFP战斗部技术进行了研究。研究结果表明:

1)采用多点同步起爆时，在炸药起爆后，爆轰波在对称线处汇聚碰撞，当碰撞角度达到一定值时，发生马赫反射，使爆轰压力成倍增加，形成高压、高能量密度区域，可以明显提高弹丸飞行速度和调整控制波形，降低弹丸飞散角，增加毁伤元密度，从而明显提高EFP的毁伤能力和毁伤效能。

2)沿弹的中心位置设置直线多点同步起爆装置，可实现用一个引信同步起爆多层周向MEFP战斗部。

3)通过试验测得各起爆点实际起爆中心位置，保证MEFP起爆性能；通过控制导爆索的爆速误差，提高各起爆点的同步起爆性能，同步起爆起爆时间偏差小于1.9 μs。

4)采用(n+1)个起爆点径向起爆n层MEFP战斗部，可利用爆轰叠加效应有效增强EFP威力，同时可控制MEFP飞散带宽，提高弹药对目标的命中概率，显著提升弹药作战效能。