李佳軒，張 健，林溪石

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，高價(jià)值目標(biāo)是首先和主要被打擊的對(duì)象，高價(jià)值目標(biāo)的防空反導(dǎo)成為重要的研究方向。目前對(duì)于導(dǎo)彈的攔截通常采取縱深梯次攔截，攔截手段趨于多樣化?，F(xiàn)代導(dǎo)彈具有襲擊突然性強(qiáng)、飛行速度高的特點(diǎn)，防御的有效時(shí)間短，應(yīng)對(duì)倉促，在防空作戰(zhàn)中常有漏網(wǎng)之魚。因此，對(duì)于高價(jià)值目標(biāo)裝備的防御十分必要。通過對(duì)定向串聯(lián)發(fā)射彈藥的結(jié)構(gòu)和裝藥設(shè)計(jì)的研究，可進(jìn)一步提高武器作戰(zhàn)威力，節(jié)省不必要的浪費(fèi)，提高效費(fèi)比。

陣列式高射頻武器(國外稱“金屬風(fēng)暴”)是一種串聯(lián)與裝填多體系統(tǒng)。作為一種新概念武器，采用全新的發(fā)射理念，該系統(tǒng)能以極高的射頻發(fā)射彈丸，形成能量相對(duì)集中的“彈幕”，在迅速、有效摧毀目標(biāo)方面具有很大優(yōu)勢(shì)［1］。本文基于EFP具有高速、作用距離遠(yuǎn)以及能引爆來襲導(dǎo)彈失去效能等特點(diǎn)，提出一種串聯(lián)發(fā)射彈藥裝藥結(jié)構(gòu)及效能的評(píng)估。

1 串聯(lián)發(fā)射彈藥結(jié)構(gòu)及作用原理

高射頻武器系統(tǒng)身管中的每節(jié)發(fā)射藥對(duì)應(yīng)設(shè)置有電子脈沖點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)，電子控制裝置用來控制每個(gè)發(fā)射管的發(fā)射順序及同一身管中各發(fā)射藥的點(diǎn)火間隔。發(fā)射時(shí)，通過處理器控制設(shè)置在身管中的電子脈沖點(diǎn)火節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)燃最前面一發(fā)彈的發(fā)射藥，火藥燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)前面的彈藥沿槍膛加速運(yùn)動(dòng)飛出槍口。后面的彈丸在火藥燃?xì)飧邷刈饔孟庐a(chǎn)生一定的膨脹，與內(nèi)壁形成擠壓，可有效防止燃?xì)夂笮乖斐砂l(fā)射失控。當(dāng)點(diǎn)火控制裝置發(fā)出指令點(diǎn)燃下一發(fā)彈的發(fā)射藥時(shí)，彈藥才被發(fā)射，其它彈丸則繼續(xù)保持被鎖定狀態(tài)。依次程序，每發(fā)彈藥順序從炮管中發(fā)射出去。

彈丸(見圖1)由上殼體、藥型罩、主裝藥、傳爆藥、隔爆板、引信體、轉(zhuǎn)子部件與下殼體等組成。戰(zhàn)斗部由聚能元件構(gòu)成。為滿足戰(zhàn)術(shù)要求，彈藥要求在較遠(yuǎn)距離下有效毀傷薄裝甲的空襲武器即在大炸高下侵徹裝甲目標(biāo)。藥型罩用紫銅板沖壓制成，形狀為球缺形，主裝藥為鈍化黑索今。

圖1 串聯(lián)發(fā)圖

運(yùn)輸與貯存時(shí)，采用保險(xiǎn)針保險(xiǎn)，保險(xiǎn)針約束扭簧，隔爆板使火焰雷管與傳爆藥之間不接觸，實(shí)現(xiàn)隔爆。彈丸準(zhǔn)備發(fā)射時(shí)，安裝小鋼球，卸下保險(xiǎn)針，利用鋼球約束扭簧。彈丸發(fā)射，轉(zhuǎn)子在垂直于彈軸的方向旋轉(zhuǎn)，火焰雷管、傳爆藥在同一直線，時(shí)間引信作用，點(diǎn)燃火焰雷管，火焰雷管點(diǎn)燃傳爆藥，主裝藥爆炸。為節(jié)省成本，減輕彈丸質(zhì)量與提高初速，上殼體、下殼體與引信體由ABS樹脂制成。

串聯(lián)發(fā)射彈丸準(zhǔn)備發(fā)射時(shí)，4發(fā)串聯(lián)在一個(gè)槍管內(nèi)，9個(gè)槍管集成到多管發(fā)射箱內(nèi)，通過傳感器與火控系統(tǒng)，發(fā)射彈丸，形成彈幕，攔截來襲導(dǎo)彈。

2 串聯(lián)發(fā)射彈藥的阻攔射擊面與分布密度關(guān)系

“金屬風(fēng)暴”發(fā)射時(shí)，可形成三維彈丸陣列，這種整體飛行運(yùn)動(dòng)的彈丸列陣具有通過特定區(qū)域時(shí)間短、能量密度高等特點(diǎn)，是攔截高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的有效打擊方式。反導(dǎo)作戰(zhàn)時(shí)采用彈幕射擊方式，在特定的空域，形成一個(gè)或幾個(gè)阻攔射擊面以達(dá)到對(duì)來襲導(dǎo)彈的攔截，從而保護(hù)地面設(shè)施。

阻攔射擊面是指垂直于彈丸飛行速度方向的彈幕面積。飽和阻攔射擊面是基于未來空域窗體制而建立的。未來空域窗射擊體制［2-3］是基于對(duì)高速武器合理配置彈丸散布，有效提高作戰(zhàn)效能而提出的一種射擊體制，其理論核心是將多門、多管火炮的瞄準(zhǔn)點(diǎn)從集中射擊體制下的目標(biāo)預(yù)測(cè)未來點(diǎn)轉(zhuǎn)化為數(shù)個(gè)在空間上一定排列的命中點(diǎn)。對(duì)一個(gè)N發(fā)射擊過程而言，如果采取某種技術(shù)舉措，使所有彈目偏差均勻地分布于一個(gè)有限的區(qū)域Ω*之中，則此區(qū)域稱未來空域窗。對(duì)于一個(gè)其未來點(diǎn)處于未來空域窗的目標(biāo)，不論該未來點(diǎn)在空域窗內(nèi)的哪一點(diǎn)，武器對(duì)該目標(biāo)的毀傷率都相等。將多個(gè)具有正態(tài)分布的彈幕偏差中心做適當(dāng)?shù)姆稚⑴渲?，利用尾部疊加的高斯分布效應(yīng)，可造成均勻的彈幕偏差分布區(qū)域［3］。

在預(yù)測(cè)迎彈面內(nèi)，以目標(biāo)預(yù)測(cè)位置誤差散布橢圓長(zhǎng)、短半軸分別作為x軸、y軸，建立直角坐標(biāo)系，則位于預(yù)測(cè)迎彈面內(nèi)的阻攔射擊面ω1可寫作

式中R1和R2為阻攔射擊面ω1的長(zhǎng)軸和短軸。因阻攔射擊面應(yīng)與目標(biāo)在未來點(diǎn)散布的等概率密度橢圓成一定的比例，因此有

式中，σ(x)、σ(y)為目標(biāo)散布誤差。設(shè)σ(x)/σ(y)=c1，則阻攔射擊面 ω1可表示

若僅考慮阻攔概率指標(biāo)作為確定阻攔射擊面的依據(jù)，根據(jù)式(1)求得R1，則阻攔射擊面面積

若目標(biāo)命中面積為A，毀傷必須命中數(shù)為ω，則目標(biāo)命中彈丸的期望為

3 EFP彈丸成型過程與速度

利用LS-DYNA數(shù)值仿真軟件對(duì)串聯(lián)發(fā)射彈藥爆炸成型彈丸進(jìn)行建模和成型過程的仿真。采用如圖2的簡(jiǎn)化有限元計(jì)算模型，它由主裝藥與藥型罩組成。建立四分之一模型，模型使用三維實(shí)體solid 164單元。串聯(lián)發(fā)射彈藥藥型罩用紫銅板沖壓而成，厚度為4cm，形狀為球缺形，藥型罩直徑為3.0cm壁厚從罩頂至罩底是變化的。頂部壁厚0.2cm，口部厚度0.18cm，主裝藥高2cm，網(wǎng)格采用映射畫法(Mapped Mesh)。炸藥模型有24300個(gè)單元、藥型罩模型有2025個(gè)單元。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

炸藥和藥型罩之間采用*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY滑移接觸算法，在對(duì)稱邊界施加約束，采用 cm-g-μs建模，每 2μs輸出一個(gè)文件。

計(jì)算中采用Steinberg模型和*EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程，Steinberg模型中考慮了壓力效應(yīng)、溫度和塑性延展率，藥型罩材料在熔化前的剪切模量為G。表1中列出了計(jì)算使用的材料參數(shù)表，表2中列出了狀態(tài)方程的參數(shù)。

表1 藥型罩參數(shù)

表2 Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

式中:G0、b、h、f為材料常數(shù);p 為壓力;v為比容;ec為冷壓縮能量、em為融化能量、e為比內(nèi)能;R'=Rρ/A，R為普適氣體常數(shù)(ρ為密度，A為摩爾質(zhì)量)。

材料的屈服強(qiáng)度由下式給出:

炸藥在計(jì)算中采用的模型為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥引爆模型，與*EOS_JWL狀態(tài)方程聯(lián)用。材料模型中的燃燒系數(shù)F為爆轟過程中化學(xué)能的釋放，燃燒系數(shù)取最大值。

式中，F(xiàn)1為密度ρ、D爆速、體積壓縮比 V/V0和CJ壓力Pcj的函數(shù)，V為爆速D、燃燒時(shí)間tb、現(xiàn)時(shí)時(shí)間t和單元特征長(zhǎng)度Δx的函數(shù)。

如果燃燒系數(shù)F≥1，則保持F為常數(shù)1，單元中的壓力P與燃燒系數(shù)F成比例:

式中Pcos表示由基于相對(duì)體積V和單位初始體積內(nèi)能密度的狀態(tài)方程所解得壓力值。

炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程由JWL定義，JWL定義壓力為相對(duì)體積V和單位體積的初始內(nèi)能E的函數(shù)，并假定爆轟波以常速率傳播。

式中ω、A、B、R1和R2是表征炸藥特性的常數(shù)，為實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù)。JWL狀態(tài)方程能準(zhǔn)確的表達(dá)高能炸藥，其在結(jié)構(gòu)金屬加速度的應(yīng)用中可確定炸藥的爆轟壓力，數(shù)值模擬中使用的炸藥材料模型在表3中列出，其中ρ為炸藥的質(zhì)量密度，D為爆速，P為炸藥爆炸時(shí)的壓力。表4為炸藥爆炸時(shí)的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，主要為炸藥特性參數(shù)［4］。

表3 炸藥材料模型參數(shù)

表4 JWL狀態(tài)方程參數(shù)

EFP戰(zhàn)斗部中的主裝藥被引爆后，形成高溫高壓的爆轟產(chǎn)物，沖擊波通過炸藥沖擊藥型罩，使藥型罩變形。圖3為EFP爆炸成型過程仿真圖，EFP成型過程中從0μs開始，每隔一定時(shí)間截取一個(gè)EFP的成型狀態(tài)。

圖3 EFP成型過程

從圖3可以看出，當(dāng)爆轟開始時(shí)，藥型罩在爆轟產(chǎn)物的作用下開始變形，24μs時(shí)藥型罩已經(jīng)有明顯的變形，但變形依然繼續(xù);在t=60μs時(shí)，EFP頭部速度明顯大于其他部分的速度，變形繼續(xù)，已初步形成侵徹體形狀;當(dāng)t=120μs時(shí)，EFP基本成型，120μs以后藥型罩的變化幅度不大。

利用LS-DYNA對(duì)彈丸頭部進(jìn)行仿真，得到前200μs藥型罩的飛行速度。圖4顯示EFP的速度與時(shí)間的曲線。

圖4 藥型罩速度圖

從圖4可以看出，當(dāng)彈丸爆炸后，爆轟產(chǎn)物產(chǎn)生足夠的壓力形成藥型罩，藥型罩在很短時(shí)間內(nèi)迅速變形，使彈丸速度達(dá)到1200m/s。

4 結(jié)論

通過對(duì)串聯(lián)高射頻武器的研究，本文設(shè)計(jì)一種滿足其要求的串聯(lián)發(fā)射彈藥，當(dāng)彈丸發(fā)射后，可在上空形成36枚三維彈丸列陣。通過LS-DYNA對(duì)所設(shè)計(jì)的串聯(lián)發(fā)射彈藥EFP的性能進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。分析結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的EFP可在120μs時(shí)完成侵徹體的成型，速度可達(dá)1200m/s，可擊毀來襲薄裝甲導(dǎo)彈，滿足戰(zhàn)術(shù)要求。

［1］余斌.超高射頻彈幕武器彈藥系統(tǒng)研究報(bào)道［J］.彈道學(xué)報(bào)，2002，14(4):92-96.

［2］菜海超，孫勝春.金屬風(fēng)暴射速與命中關(guān)系研究［J］.指揮控制與仿真，2008，30(1):50-53.

［3］郭治.現(xiàn)代火控理論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1996:137-145.

［4］尚曉江，蘇建宇.LS-DYNA動(dòng)力分析方法與工程實(shí)例［M］.中國水利水電出版社，2008.