钨合金破片对聚能装药破甲深度的影响机理

寇鹏飞,陈 昕,雷婧宇,梁争峰,唐 成,薛 标

(西安近代化学研究所, 西安 710065)

0 引言

聚能装药通过炸药爆轰形成射流完成毁伤,是目前重要的反装甲战斗部形式,主要用于打击点目标(坦克)或硬目标(防护工事)[1-2]。随着弹药技术的不断发展,设计用于对付多种目标的复合战斗部具有重要的科学意义和应用价值。复合战斗部是在不影响原战斗部毁伤元成型的基础上,通过在其周向填充预制破片的方式,增加装药能量的利用率同时扩展其毁伤效能。通过在常规破甲战斗部周向填充钨合金破片形成复合战斗部,从而使战斗部既能打击地面重装甲目标,也能对空中低速的直升机类目标造成有效杀伤[3-4]。

徐文旭等[5]设计了一种破甲/杀伤多用途战斗部,该战斗部通过在聚能装药周向填充预制钨球,战斗部爆炸在轴向形成金属射流击毁坦克,在周向驱动预制钨球摧毁武装直升机。但该战斗部以打击武装直升机为主,忽略了钨球对射流破甲性能的影响。王利侠等[6]设计了一种破甲/杀伤多用途战斗部,该战斗部使用了新型薄型波形控制器、半预制壳体和精密破甲战斗部技术,实现了多用途战斗部多目标打击需求,但该战斗部的破甲穿深约为8倍装药直径,无法达到10倍装药直径的理想状态。文献[7]将爆破、杀伤和破甲3种不同功能的战斗部相结合形成综合效应战斗部,虽然满足了一种武器攻击多种目标的需求,但在技术上较复杂,而且3种功能互相影响,使得每种功能都不能完美发挥。

聚能装药在周向填充破片可以实现对目标周围人员的杀伤,但也会使聚能装药的破甲穿深出现降低。本研究采用数值仿真与试验验证相结合的方法对钨合金破片对聚能装药破甲深度的影响机理进行了研究。

1 理论分析

1.1 射流形成原理

聚能装药一般由药柱和药型罩组成,装药引爆后,爆轰波以球面波的形式从起爆点开始在装药中传播,高能炸药的爆轰波速度可达8 km/s以上。药型罩在爆轰波和高压爆轰产物的共同作用下被压垮,以极高的速度向药型罩对称轴闭合。药型罩的压垮速度从顶部到口部不断降低,形成的射流微元速度也不断降低,最终使得药型罩在塑性拉伸下形成一个细长的高速侵彻体,称为射流。

1.2 钨破片对药型罩压垮速度的影响

隔板可以改变药柱中传播的爆轰波形状,将作用于药型罩的球形爆轰波变成锥形爆轰波。这种装药结构带来的爆轰波形改变可以显著地提高战斗部的破甲穿深,但增设隔板后,工艺较为复杂,破甲穿深的跳动量增大。

爆轰波在传播到药型罩顶部时的同时也传播到了装药外表面,当药柱与破片直接接触时,由于钨合金破片的声阻抗高于炸药的声阻抗,爆轰波在此处发生反射,形成反射冲击波向药柱轴线处汇聚,此冲击波会作用于部分药型罩的压垮和闭合阶段,提高受影响区域药型罩的压垮速度,使得射流速度得以提高。同时钨合金破片会增强聚能装药的边界约束,局部炸药与药型罩的装填比有所提高,使得局部射流的速度得以提高。

在这2种原因的共同作用下,部分射流的速度提高,使得已经匹配良好的射流速度梯度发生变化,造成部分射流的堆积和断裂,从而降低了射流的破甲穿深,并且跳动性变大。

1.3 冲击波在边界上的相互作用

冲击波在从一种介质向另一种介质传播时,会在两介质的接触面上会发生波的反射与透射。当冲击波从声阻抗低的介质向声阻抗高的介质传播时,会在声阻抗低的介质中反射一个冲击波,并在声阻抗高的介质中透射一个冲击波;当冲击波从声阻抗高的介质向声阻抗低的介质传播时,会在声阻抗高的介质中反射一个稀疏波,并在声阻抗低的介质中透射一个冲击波;当冲击波在两声阻抗相同的介质中传播时,不会形成反射冲击波。

2 数值仿真

2.1 计算模型

使用有限元仿真软件AUTODYN进行数值仿真。由于聚能射流形成过程为高应变、高应变率过程,因此炸药、隔板、药型罩和空气域采用Euler网格划分;破片以及靶板采用Lagrange网格划分,网格大小均为0.5 mm×0.5 mm;射流对靶板的侵彻采用Euler/Lagrange耦合算法进行求解[1]。同时在空气域边界施加非反射边界条件防止压力在边界上的反射。

聚能装药仿真模型的药型罩锥角为55°,直径为145 mm,壁厚为2.5 mm,无破片聚能装药的计算模型如图1所示。破片尺寸为8 mm×8 mm×2.5 mm,材料为钨合金。

图1 无破片聚能装药计算模型Fig.1 Calculation model without fragmentation charge

由理论分析可知,当爆轰波传播到药柱的斜锥段时,由于空气介质的存在,不会产生反射冲击波,因此认为在药柱的斜锥段布设破片对射流形成影响较小;而在药柱的直柱段破片与药柱直接接触,破片会产生反射冲击波对射流形成影响较大。因此设计了5种破片状态如图2所示,其中0#是不布设破片; 1#是从药柱顶部开始到药柱斜锥段终点布设破片;2#是在第一种状态的基础上再在药柱上1/3直柱段布设破片; 3#是在第一种状态的基础上再在药柱上2/3直柱段布设破片; 4#是将破片与药柱等高布设。

图2 不同破片状态装药纵截面示意图Fig.2 Schematic diagrams of longitudinal sections of all types of state charge

2.2 材料模型及参数

数值仿真选用的炸药为8701炸药,采用JWL状态方程描述,其表达式为式(1)所示,炸药的主要参数见表1[8]。

表1 8701炸药计算参数Table 1 Calculating parameters for 8701

(1)

式中:p为压力(Pa);e为内能(J);μ=ρ/ρ0,其中ρ和ρ0分别为爆轰产物密度和初始炸药密度;A、B、R1、R2、ω为炸药相关参数。

药型罩材料选用紫铜,破片材料选用钨合金,二者均使用Shock状态方程和Steinberg-Guinan本构模型,其本构参数如表2所示[9]。

表2 紫铜和钨合金的本构方程计算参数Table 2 Constitutive equation calculation parameters of copper and tungsten alloy

靶板材料为45#钢,采用Shock状态方程和Johnson-Cook本构模型来描述其力学行为,材料本构参数如表3所示[10]。

表3 45#钢的本构方程计算参数Table 3 Calculation parameters of 45# steel

(2)

式中:A、B、C、n和m为材料常数;εp为等效塑性应变;T*m=(T-Tr)/(Tm-Tr)为熔化温度,Tr为室温,Tm为常态下材料的熔化温度。

隔板使用AUTODYN软件中自带的POLYSTYRENE材料(聚苯乙烯)。聚苯乙烯的部分参数如表4所示。

表4 聚苯乙烯的材料参数Table 4 Calculation parameters of polystyrene

仿真过程中将空气视为理想气体,使用NULL材料模型和GRUNEISEN状态方程描述。对于空气:密度为0.001 25 g/cm3,声速为344 m/s。

2.3 数值计算结果及分析

2.3.1破片对射流形成的影响

破片对射流形态的影响主要是通过破片对爆轰波的反射产生的。装药爆炸产生的爆轰波在装药内部传播,当爆轰波传播到破片上时,会在破片上形成反射冲击波作用于药型罩的压垮和汇聚过程,从而使得药型罩受到的压力发生变化,使得射流形态发生改变。

图3所示为在数值仿真模型中设置的节点,通过在药柱的直柱段设置4个不随网格流动的高斯点,探究破片对装药爆轰时药柱表面压力的影响。其中1#破片仅能覆盖点1;2#破片能够覆盖点1、2;3#破片能够覆盖点1、2、3;4#破片可以覆盖所有点。

图3 药柱节点示意图Fig.3 Node diagram of charge

图4所示分别为5种不同破片状态下4个节点的峰值超压曲线图,图中黑色曲线为0#破片装药、红色为1#破片装药、蓝色为2#破片装药、紫色为3#破片装药、绿色为4#破片装药。从图中可以看出在节点1处,4种带破片装药的峰值超压均高于无破片装药;在节点2处,1#与无破片装药峰值超压基本相同,而2#、3#、4#均高于无破片装药;在节点3处1#、2#与无破片装药峰值超压基本相同,而3#、4#均高于无破片装药;在节点4处1#、2#、3#与无破片装药峰值超压基本相同,而4#高于无破片装药。可见破片产生的反射冲击波仅能作用于其能够覆盖的药柱外表面,而在其不能覆盖的区域,不会造成影响,与理论分析相符。

图4 4个节点的峰值超压图Fig.4 Pressure time history curves of four nodes

图5所示分别为5种不同破片状态下4个节点的超压时程曲线图,从图中可以看出在同一节点处即使峰值超压相同,但超压时程曲线仍是差异显著。破片布设越多的装药超压时程曲线的增幅越大,可见边界约束的增强也提高了药柱外表面的压力,与理论分析相符。

图5 4个节点的超压时程曲线Fig.5 Pressure time history curves of four nodes

为了研究射流的速度梯度,在药型罩内表面设置了22个节点,每个节点在X方向上的间距为5 mm。图6所示为节点设置示意图。

图6 药型罩节点示意图Fig.6 Node diagram of liner

图7所示为t=50时不同破片状态装药各个节点的射流速度。从图中可以看出,在t=50时节点1～9处不同破片状态的装药形成的射流速度基本相同;从节点10处开始破片状态不同的装药形成的射流速度出现明显差异,同一节点处破片排布数量越多射流微元速度越高;。可见破片会对装药形成的射流速度造成影响,受影响区域的射流微元速度有所提高,导致此部分射流发生堆积和断裂,而未受影响区域的射流微元速度基本不变,与理论分析相符。

图7 t=50时不同破片状态射流的节点速度图Fig.7 Node speed diagram of jet speed under different fragment states at 50

2.3.2破片对射流侵彻性能的影响

使用AUTODYN有限元软件研究破片对射流破甲性能的影响。图8所示为5种不同破片状态的射流侵彻靶板效果图,图9所示为仿真结果。无破片装药射流的破甲深度最大,1#破片装药的破甲深度最为接近无破片装药,而4#破片装药的破甲深度最低,对射流破甲性能的影响最大。可见破片对聚能装药破甲性能的影响是存在的,并且在药柱直柱段破片排布越多,射流破甲性能的损失越大。

图8 不同破片状态射流侵彻靶板效果图Fig.8 Effect picture of jet penetration into target plates under different fragmentation states

图9 仿真结果Fig.9 Simulation result

3 试验验证

使用垂直静破甲试验验证不同破片排数的聚能装药的破甲威力。

3.1 试验设置

聚能装药样品装药直径约为145 mm;药型罩直径为145 mm、锥角2约为55°、材料为紫铜。破片材料为钨合金,密度为18 g/cm3,尺寸为8 mm×8 mm×2.5 mm。

由仿真结论可知,1#破片装药的破甲穿深与无破片装药的破甲穿深最为接近,随着破片排布范围的增加,射流的破甲深度也不断降低。因此试验选用了0#、1#和2#三种破片状态来验证理论分析和数值模拟得到的结论。

试验装置如图10所示。试验所用靶标为直径150 mm的45#钢柱层叠而成。主要包括聚能装药、木质炸高架以及层叠而成的45#钢靶柱,试验炸高选用600 mm。

图10 试验装置图Fig.10 Test device drawing

试验原理为雷管起爆聚能装药战斗部形成金属射流,在有利炸高下射流完全拉伸,进而侵彻一定厚度的45#钢靶,通过实际测量穿透钢靶的深度、穿孔直径以及靶面入孔状态等参数判断射流在试验炸高下的破甲威力。

3.2 试验结果分析

3.2.1试验结果

由于聚能装药的破甲深度存在一定的跳动量,因此每种破片状态进行5发试验,求得平均穿深。部分试验结果如图11所示。表5所示为所有的实验数据。

图11 部分试验靶柱图Fig.11 Partial test target columns

表5 试验结果Table 5 Test results

3.2.2结果分析

试验数据表明:

无破片聚能装药对45#钢目标靶的平均穿深为1 484 mm,大于10倍装药直径,且破甲性能稳定,一致性好,说明此结构设计合理。数值仿真得到的无破片聚能装药的穿深为1 478 mm,与试验结果仅相差1%。可见,数值计算的模型可靠。

聚能装药带2#破片后射流平均穿深为1 025 mm,约为7倍装药直径。而数值仿真得到的2#破片装药穿深为1 160 mm,与试验结果相差11%。其穿深较无破片装药出现下降约31%,可见2#破片会严重影响射流的破甲性能。

聚能装药带1#破片后射流平均穿深为1 418 mm,约为9.7倍装药直径,且破甲稳定性较好。数值仿真得到的1#破片装药的穿深为1 430 mm,与试验结果仅相差1%。其侵彻深度较无破片装药下降约5%,可见1#破片对射流破甲性能的影响较小。

4 结论

通过数值仿真与试验研究相结合的方法研究了钨合金破片对聚能装药射流形成及破甲性能的影响,得出如下结论:

1) 在药型罩微元加速装药段布设破片会使得部分射流的速度增大,从而破坏了预先设计的射流速度梯度,导致射流在中段出现堆积甚至断裂,使得射流的破甲深度降低。尤其是当裸药柱的穿深能达到较高水平时,在药型罩微元加速装药段布设的破片越多,射流的破甲深度下降越多。

2) 当装药结构形状为圆柱和圆锥相结合时,由于空气介质的存在,在药柱的斜锥段布设破片对射流的破甲深度造成的影响较小,随着在药柱直柱段布设破片越多,射流的破甲深度下降越多,最大损失约50%。

3) 为了降低钨合金破片对射流破甲深度的影响,可以在药柱和破片之间夹装一个声阻抗低于炸药的物质,爆轰波在这种物质上不会形成反射冲击波,而透射波在破片上经过反射再传播到爆轰产物时已相对滞后,从而降低破片对射流破甲深度的影响。