段 建,周 剛,王可慧,初 哲,王金海,李 明
(西北核技術(shù)研究所,西安 710024)
利用爆炸成型彈丸(expl osively f or med pr ojectile,EFP)原理設(shè)計(jì)的聚能裝藥戰(zhàn)斗部爆炸形成的“彈丸”具有穿孔直徑大、飛行距離長(zhǎng)、抗旋轉(zhuǎn)及侵徹后效大等特點(diǎn)而在軍事上得到廣泛應(yīng)用,用來(lái)貫穿和破壞諸如車輛、裝甲、指揮所、控制和通訊掩體、橋墩、潛艇修藏塢、飛機(jī)庫(kù)及機(jī)場(chǎng)跑道等目標(biāo)。尤其隨著一些重要的地下防護(hù)工程增設(shè)遮彈層來(lái)提高抗沖擊侵徹能力,使彈體侵徹過(guò)程面臨跳彈、偏轉(zhuǎn)和破壞效應(yīng),利用前級(jí)聚能裝藥對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)先破壞和穿孔的串聯(lián)型鉆地彈受到各國(guó)的重視和青睞,成為對(duì)付帶有遮彈層目標(biāo)的有效武器。
隨著聚能裝藥的軍事應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,對(duì)聚能裝藥爆炸形成的EFP研究顯得尤為必要。EFP的成型受多種因素的影響,如炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、外殼材料和結(jié)構(gòu)以及藥型罩材料和結(jié)構(gòu)等。文中采用三維非線性動(dòng)力有限元程序?qū)勰苎b藥的EFP成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了裝藥長(zhǎng)徑比、裝藥密度、藥型罩材料、起爆方式以及殼體性質(zhì)及厚度對(duì)EFP性能的影響規(guī)律。并根據(jù)研究結(jié)果,設(shè)計(jì)了一種較優(yōu)化的EFP聚能裝藥,開(kāi)展了EFP侵徹混凝土靶板實(shí)驗(yàn)。
計(jì)算模型如圖1所示,藥型罩為變壁厚的錐形罩,底部直徑90 mm,罩錐角150°,頂部采用半徑為50 mm的圓弧過(guò)渡,頂端厚度5 mm;裝藥采用聚黑-15高能炸藥。藥型罩采用Steinber g材料模型和Gr uneisen狀態(tài)方程,材料為紫銅;高能炸藥采用High-Explosive-Bur n模型和J WL狀態(tài)方程;殼體采用Johnson-Cook材料模型和Gr uneisen狀態(tài)方程,材料選用A3鋼。
圖1 爆炸成型彈丸計(jì)算模型
由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,文中采用四分之一模型進(jìn)行計(jì)算,炸藥、藥型罩和殼體均采用拉格朗日六面實(shí)體單元。炸藥和藥型罩之間采用*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY滑移接觸算法,炸藥和殼體采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸算法。在對(duì)稱邊界面上施加對(duì)稱約束,采用c m-g μs建模。由于30μs后炸藥基本爆轟結(jié)束,其后對(duì)EFP的成型影響很小,所以在30μs時(shí)刻暫停計(jì)算,刪除炸藥部件以及炸藥和藥型罩的接觸,并使用小型重啟動(dòng)功能對(duì)其后時(shí)間的EFP成型過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。
分別對(duì)長(zhǎng)徑比 為0.60、0.80、1.00、1.25、1.50和2.00情況下的聚能裝藥爆炸形成EFP的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)比最終形成EFP的速度、動(dòng)能和形狀,分析了裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)其速度、動(dòng)能和形狀的影響,以及EFP速度、動(dòng)能和形狀隨裝藥長(zhǎng)徑比增加的變化規(guī)律。表1給出了不同長(zhǎng)徑比下EFP速度和動(dòng)能的計(jì)算結(jié)果,圖2和圖3分別給出了EFP速度和動(dòng)能隨裝藥長(zhǎng)徑比的變化關(guān)系曲線。
表1 不同裝藥長(zhǎng)徑比下的EFP速度與動(dòng)能計(jì)算結(jié)果
圖2 EFP速度隨裝藥長(zhǎng)徑比變化的關(guān)系曲線
圖3 EFP動(dòng)能隨裝藥長(zhǎng)徑比變化的關(guān)系曲線
由計(jì)算結(jié)果可以看出,隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加,EFP的速度和動(dòng)能也相應(yīng)增加,但其增加幅度隨著裝藥長(zhǎng)徑比的變大而逐漸變小。當(dāng)長(zhǎng)徑比達(dá)到1.50時(shí),如果再繼續(xù)增加裝藥長(zhǎng)徑比,EFP的速度和動(dòng)能增加并不明顯??紤]到實(shí)際情況中,有時(shí)降低一點(diǎn)裝藥高度可以帶來(lái)裝藥量的大量減少,而且不會(huì)給EFP速度和動(dòng)能帶來(lái)較大變化,同時(shí)裝藥高度小,對(duì)減小整個(gè)裝藥結(jié)構(gòu)的質(zhì)量均有著明顯的好處。因此,炸藥裝藥的長(zhǎng)徑比設(shè)計(jì)成1.50時(shí)較為合適。如果戰(zhàn)斗部沒(méi)有足夠的空間,根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)[1],長(zhǎng)徑比設(shè)計(jì)成0.75亦已夠用。
此外,計(jì)算結(jié)果表明,裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)EFP形狀也有重要影響。隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加,EFP的長(zhǎng)度增加,直徑減小,圖4給出了200μs時(shí)刻最終形成的EFP形狀。長(zhǎng)徑比為0.60的聚能裝藥爆炸形成的EFP短粗,其最大直徑約8.0c m,最小直徑約4.5c m,長(zhǎng)度約9.0c m;長(zhǎng)徑比為1.00的聚能裝藥爆炸形成的EFP最大直徑約9.4c m,最小直徑約3.0c m,長(zhǎng)度約13.5c m;而長(zhǎng)徑比2.00的聚能裝藥形成的EFP細(xì)長(zhǎng),其最大直徑約9.6c m,最小直徑1.5c m,長(zhǎng)度約19.5c m。
圖4 不同裝藥長(zhǎng)徑比的聚能裝藥在200μs時(shí)刻的EFP形狀
炸藥是形成爆炸成型彈丸的能源,炸藥爆轟后將能量傳遞給藥型罩,藥型罩在爆炸載荷驅(qū)動(dòng)下閉合,被擠壓而形成EFP。從炸藥性能方面,炸藥的爆轟壓力是影響EFP性能的主要因素。由爆轟理論[2]可知,炸藥爆壓是炸藥爆速和裝填密度的函數(shù),即pCJ=/4。所以為提高侵徹威力,應(yīng)盡量選取高爆速炸藥,而當(dāng)炸藥選定后,盡可能提高裝填密度。
對(duì)于同一聚能裝藥,采用不同的裝藥方式會(huì)帶來(lái)裝藥密度的不同,進(jìn)一步導(dǎo)致裝藥量的不同,最終會(huì)對(duì)EFP的性能造成一定的影響。文中研究了長(zhǎng)徑比為1、不同裝藥密度的聚能裝藥爆炸對(duì)EFP性能的影響,炸藥密度分別取值為1.60g/c m3、1.78 g/c m3和1.90 g/c m3。計(jì)算結(jié)果如表2所示。
計(jì)算結(jié)果表明,提高裝藥密度,可提高 EFP的速度和動(dòng)能,但由于裝藥密度的提高有限,一般不會(huì)很大,因此,裝藥密度對(duì)EFP的速度和動(dòng)能的影響并不十分明顯。
表2 不同裝藥密度下的EFP速度和動(dòng)能計(jì)算結(jié)果
紫銅是聚能裝藥戰(zhàn)斗部常用的藥型罩材料,這是因?yàn)樽香~具備優(yōu)良的綜合性能,即塑性好,密度(8.9g/c m3)和聲速(4.7k m/s)較高,最終獲得理想的EFP。隨著材料技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)聚能裝藥技術(shù)的研究,一些高性能的藥型罩材料被運(yùn)用,這些材料包括鎢、鎳、貧鈾等合金材料。尤其是鎢合金、貧鈾合金作為藥型罩材料,使得聚能裝藥有了更廣的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。鎢合金、貧鈾合金材料的密度高達(dá)18.0~19.0g/c m3,采用該材料的聚能裝藥對(duì)裝甲和硬介質(zhì)目標(biāo)有極強(qiáng)的破甲和侵徹毀傷效果。
針對(duì)藥型罩材料對(duì)EFP性能的影響,文中研究了藥型罩材料分別為鋁合金、紫銅和鎢合金的EFP成型性能。三種材料的主要差別在于密度(鋁合金2.7g/c m3、紫銅8.9g/c m3、鎢合金17.6g/c m3),其次表現(xiàn)為聲速及其它力學(xué)性能。圖5給出了鋁合金、紫銅和鎢合金藥型罩形成的EFP速度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明,同一種結(jié)構(gòu)的聚能裝藥,密度小的鋁合金罩形成的EFP速度最高,密度大的鎢合金罩形成的EFP速度最低。分析認(rèn)為:對(duì)于同一種裝藥結(jié)構(gòu),炸藥爆炸作用于藥型罩上的能量基本相同,對(duì)于鋁合金藥型罩,由于其密度低,導(dǎo)致罩的質(zhì)量小,而鎢合金藥型罩密度高,罩的質(zhì)量相應(yīng)也大。因此,在同一能量的驅(qū)動(dòng)作用下,必將導(dǎo)致密度小的鋁合金藥型罩形成的EFP速度高,密度大的鎢合金藥型罩產(chǎn)生的EFP速度低。但三者形成EFP的動(dòng)能接近。此外,模擬結(jié)果顯示,鋁合金罩形成的EFP速度梯度大,不能形成連續(xù)的EFP,這將大大降低EFP的侵徹效果,因此,一般不選擇鋁作為藥型罩材料。
圖5 不同材料藥型罩的EFP速度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線
數(shù)值模擬了聚能裝藥中心點(diǎn)起爆、多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆對(duì)EFP性能的影響。多點(diǎn)起爆采用4點(diǎn)起爆方式,其中的一個(gè)起爆點(diǎn)為中心點(diǎn),另外3個(gè)起爆點(diǎn)為距離中心點(diǎn)2.5c m的圓周上的3個(gè)等間隔點(diǎn);環(huán)形起爆為以中心點(diǎn)為圓點(diǎn)、半徑1.5c m的圓形環(huán)起爆。
表3 不同起爆方式下的EFP速度和EFP動(dòng)能計(jì)算結(jié)果
表3給出了中心點(diǎn)起爆、多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆下的同一聚能裝藥最終形成的EFP速度和EFP動(dòng)能計(jì)算結(jié)果。
結(jié)果表明,多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆后的EFP速度和動(dòng)能明顯高于中心點(diǎn)起爆,而多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆的EFP速度和動(dòng)能相差不是很大[3]。這是因?yàn)橹行狞c(diǎn)起爆形成球面爆轟波,球面爆轟波具有散心效應(yīng);而多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆形成喇叭形爆轟波,此類型波具有聚心效果。因此,多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆所產(chǎn)生的爆轟波陣面與罩壁的夾角相對(duì)于中心點(diǎn)起爆有所減小,增大了炸藥對(duì)罩體的作用效果,使得形成的EFP具有更大的速度。
多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆產(chǎn)生的EFP彈丸長(zhǎng)度比中心點(diǎn)起爆產(chǎn)生的EFP彈丸長(zhǎng)度更大。各起爆方式下EFP速度不同,中心起爆的EFP頭尾速度都較小,多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆的EFP頭尾速度較大。多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆所形成的EFP形狀、長(zhǎng)度和速度及速度分布都相差不大,各方面性能都優(yōu)于中心點(diǎn)起爆。因此,在戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)中,一般都采用環(huán)形起爆方式以提高戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)效能。此外,環(huán)形起爆還能降低主裝藥長(zhǎng)度,提高炸藥利用率,這對(duì)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)是極其重要的。
聚能裝藥戰(zhàn)斗部一般都帶有殼體,如何選擇和設(shè)計(jì)殼體才能使形成的EFP性能最優(yōu),是設(shè)計(jì)者們非常關(guān)心和考慮的問(wèn)題。文中研究了裝藥長(zhǎng)徑比為1的聚能裝藥的不同殼體厚度(0 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、10 mm、15 mm)對(duì)EFP速度及形狀的影響,得出了殼體厚度對(duì)EFP性能的影響規(guī)律。
圖6為EFP速度隨殼體厚度變化的關(guān)系曲線。由計(jì)算結(jié)果可以看出,裝藥殼體厚度由0至15mm變化時(shí),EFP速度首先降低,在殼體厚度為3 mm時(shí),EFP速度降到最低,約1547m/s。其后EFP速度隨殼體厚度增加而增大,并且EFP速度與殼體厚度基本呈線性關(guān)系。分析認(rèn)為,殼體厚度在0至3 mm變化時(shí),由于殼體的存在,使得炸藥的能量部分用于殼體膨脹做功而消耗,殼體厚度愈大,消耗的炸藥能量愈高,從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)藥型罩的炸藥能量降低,使得爆炸形成的EFP速度降低。當(dāng)繼續(xù)增加殼體厚度,由于殼體對(duì)炸藥的約束作用,延長(zhǎng)了炸藥對(duì)藥型罩的作用時(shí)間,使得更多的爆轟能量轉(zhuǎn)化為罩的動(dòng)能,導(dǎo)致最終形成的EFP速度增加。并且相對(duì)于無(wú)殼體的聚能裝藥,EFP速度更高。但考慮到戰(zhàn)斗部的經(jīng)濟(jì)性及重量限制,殼體厚度不可能很大,因此,對(duì)于EFP聚能裝藥,殼體設(shè)計(jì)有一個(gè)最佳厚度。不同的裝藥結(jié)構(gòu)、不同的炸藥類型將會(huì)導(dǎo)致殼體的最佳厚度不同。對(duì)于文中設(shè)計(jì)的聚能裝藥,殼體的最佳厚度約為4 mm。殼體厚度設(shè)計(jì)為4mm時(shí),聚能戰(zhàn)斗部既能有較高的EFP速度,又能達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本和減小戰(zhàn)斗部重量的目的。
圖6 EFP速度隨殼體厚度變化的關(guān)系曲線
此外,殼體厚度的變化對(duì)EFP的形狀也有一定的影響。圖7給出了聚能裝藥最終形成的EFP長(zhǎng)度與殼體厚度的關(guān)系。從圖中可以看出,EFP長(zhǎng)度隨殼體厚度的變化與EFP速度隨殼體厚度的變化趨勢(shì)相反,即EFP長(zhǎng)度先隨殼體厚度的增加而增大,當(dāng)殼體達(dá)到某一厚度,EFP長(zhǎng)度隨殼體厚度的增加反而減小。
圖7 EFP長(zhǎng)度隨殼體厚度變化的關(guān)系曲線
設(shè)計(jì)的EFP聚能裝藥如圖8所示。裝藥底部直徑90 mm;藥型罩為變壁厚的錐形罩,罩錐角150°,頂部采用半徑為50 mm的圓弧平滑過(guò)渡,頂端厚度5 mm,材料為紫銅;裝藥殼體采用圓柱與截錐形組合式的殼體,材料采用30Cr MnSi A,厚度4 mm;裝藥采用聚黑 15高能炸藥,裝藥長(zhǎng)徑比約為1.2。
實(shí)驗(yàn)用混凝土靶板由水泥、水、骨料按《靶板施工設(shè)計(jì)說(shuō)明和要求》[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作,其中骨料最大粒徑不得大于EFP彈丸直徑的1/4?;炷涟袨閳A柱形,無(wú)配筋,直徑800 mm,長(zhǎng)度1000 mm,為減小邊界效應(yīng)的影響,圓柱靶板周圍固有6 mm厚的鋼圈套緊。加工的混凝土靶養(yǎng)護(hù)期為一個(gè)月,抗壓強(qiáng)度30 MPa。
EFP聚能裝藥侵徹混凝土靶實(shí)驗(yàn)布置如圖9所示。它由聚能裝藥、起爆系統(tǒng)、混凝土靶板及支架組成。其中聚能裝藥是由殼體、高能炸藥、大錐角藥型罩構(gòu)成。聚能裝藥起爆方式采用藥柱后端面中心點(diǎn)起爆。
圖8 設(shè)計(jì)的EFP聚能裝藥
圖9 EFP聚能裝藥侵徹混凝土靶實(shí)驗(yàn)布置圖
實(shí)驗(yàn)炸高(藥型罩口部端面距離靶板表面的高度)為375 mm,約4.2倍裝藥口徑。EFP侵徹混凝土靶形成類似漏斗形的孔洞:孔洞上部有大體積混凝土破壞,形成一個(gè)大彈坑,彈坑最大長(zhǎng)度約230 mm,深度約150 mm,彈坑周圍伴有大量的裂紋;彈坑下面形成近似圓柱形的孔洞,孔洞直徑為50 mm,約為0.56倍裝藥口徑,孔洞深575 mm,約為6.4倍裝藥口徑;孔洞長(zhǎng)徑比約為11.5。
EFP裝藥在混凝土靶板上的開(kāi)坑效果理想:開(kāi)坑孔徑接近裝藥口徑的0.6倍;開(kāi)坑深度達(dá)到6倍以上裝藥口徑。并且由于EFP對(duì)目標(biāo)的沖擊作用,造成目標(biāo)一定深度的破壞,降低了目標(biāo)的抗侵徹能力。因此,EFP聚能裝藥可用于串聯(lián)鉆地戰(zhàn)斗部的前級(jí)裝藥,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的開(kāi)孔和預(yù)破壞功能,從而降低二級(jí)隨進(jìn)侵徹彈體的跳彈幾率和提高二級(jí)隨進(jìn)彈體的生存能力,達(dá)到對(duì)帶有遮彈層加固目標(biāo)的更好打擊效果。
1)通過(guò)開(kāi)展結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)成型裝藥EFP性能影響的規(guī)律研究,結(jié)果表明,EFP聚能裝藥的裝藥長(zhǎng)徑比、裝藥密度、藥型罩材料、起爆方式以及殼體性質(zhì)及厚度對(duì)EFP的性能都有一定的影響:增加裝藥長(zhǎng)徑比和提高裝藥密度可以提高EFP的速度和動(dòng)能;多點(diǎn)起爆和環(huán)形起爆比中心點(diǎn)起爆更有助于提高EFP性能;增加聚能裝藥戰(zhàn)斗部的殼體厚度也能提高EFP性能,考慮到戰(zhàn)斗部的經(jīng)濟(jì)性及重量限制等因素,EFP殼體設(shè)計(jì)存在一個(gè)最佳厚度。
2)EFP聚能裝藥對(duì)硬介質(zhì)目標(biāo)(混凝土等)有顯著的侵徹開(kāi)坑效果以及預(yù)破壞功能,因此,EFP聚能裝藥用于串聯(lián)鉆地戰(zhàn)斗部的前級(jí)裝藥,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶有遮彈層加固目標(biāo)的更有效的打擊毀傷效果。
[1] 蔣建偉,楊軍,門建兵,等.裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)EFP動(dòng)能影響的數(shù)值模擬研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2003,23(2):134-136.
[2] 張寶平,張慶明,黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2001.
[3] 李成兵,裴明敬,沈兆武,等.起爆方式對(duì)桿式彈丸成型和穿甲的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào),2006,29(3):47-51.
[4] 李曉軍,張殿臣,等.靶板施工設(shè)計(jì)說(shuō)明和要求[Z].工程兵科研三所,2002.