黃德雨，王堅(jiān)茹，劉國(guó)棟，梁東晨，王明琨，許 栩

(1.中國(guó)人民解放軍95874部隊(duì)，南京 210022;2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

低附帶毀傷彈藥(low collateral damage，LCD)是在城區(qū)作戰(zhàn)模式不斷增加的情況下，為了減少對(duì)平民的傷害和對(duì)資源的破壞而發(fā)展起來(lái)的一種新型彈藥。傳統(tǒng)彈丸由于爆炸后產(chǎn)生大量的金屬破片，常常對(duì)目標(biāo)周?chē)斐奢^大的附帶毀傷。隨著現(xiàn)代彈藥的精確制導(dǎo)化和命中精度的大幅提高，使得精確打擊成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的普遍攻擊方式，從而使低附帶毀傷彈藥的發(fā)展具有實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外正在研制的低附帶毀傷效能彈主要為聚焦殺傷彈藥(FLM)或高密度惰性金屬?gòu)椝帲?］(dense inert metal explosive，DIME)，雖然它們都有很好的低附帶毀傷效果，但是由于采用了大量昂貴金屬，且爆轟產(chǎn)物對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重污染。因此，其使用前景并不理想。經(jīng)過(guò)增韌的Al2O3陶瓷具有高硬度、高韌性、適脆性及低比重等特性。其化學(xué)穩(wěn)定性及硬度極高(洛氏硬度HRC90，僅次于金剛石)，抗壓強(qiáng)度值可達(dá)約13～27 GP。前期已經(jīng)對(duì)其強(qiáng)度能否經(jīng)受爆炸加載做了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明強(qiáng)度完好。本文在強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)基于陶瓷微粒的低附帶毀傷戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)及其作用模式進(jìn)行了分析研究。

1 相關(guān)理論分析

1.1 低附帶毀傷彈藥殺傷機(jī)理

低附帶毀傷彈藥與裝填普通高能炸藥的彈藥的殺傷機(jī)理不同，同普通的炸彈相比，它的殺傷面積很小，如圖1所示。普通炸彈在爆炸后破片飛散的方向和距離無(wú)法控制，且其作用力大，因此附帶殺傷效果強(qiáng)。而低附帶毀傷彈藥要求要打擊目標(biāo)的同時(shí)又對(duì)周邊其他物體的傷害降到最低。

圖1 低附帶毀傷彈殺傷區(qū)域示意圖

如果將陶瓷微粒作為破片，高強(qiáng)度復(fù)合纖維材料作為殼體，這種彈藥在爆炸時(shí)殼體將會(huì)燃燒而不產(chǎn)生殺傷破片，陶瓷顆粒則會(huì)在爆轟作用下高速運(yùn)動(dòng)，這些高速運(yùn)動(dòng)的顆粒相當(dāng)于微型榴散彈片，隨著爆炸波產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)小但卻有效的毀傷半徑［5］，而在毀傷半徑外其殺傷能力迅速降低接近于零附帶殺傷。這就涉及2種裝藥結(jié)構(gòu)，一種為將陶瓷微粒作為預(yù)制破片，放在炸藥外層。這類(lèi)似于傳統(tǒng)的預(yù)制破片裝藥結(jié)構(gòu)。另一種就是將炸藥和陶瓷微?；旌?，這是一種新的裝藥結(jié)構(gòu)，其殺傷模式，能量輸出都將發(fā)生變化。在此利用LSDYNA軟件2種裝藥結(jié)構(gòu)做了對(duì)比分析，得出了一些有參考價(jià)值的結(jié)論。

由于該彈藥的外殼為復(fù)合纖維材料，爆炸后完全燃燒不產(chǎn)生破片，因此其殺傷威力主要取決于爆炸后殺傷元(即陶瓷顆粒)的飛行速度。

1.2 破片速度衰減及比動(dòng)能殺傷

陶瓷微粒的殺傷威力是用比動(dòng)能來(lái)考察的，其實(shí)也反映了對(duì)速度的要求;而要達(dá)到“一個(gè)相對(duì)小但卻有效的毀傷半徑”，這又涉及破片在空氣中飛行的速度衰減理論。破片在空氣中的運(yùn)動(dòng)方程:

根據(jù)彈藥破片殺傷標(biāo)準(zhǔn)，在破片直徑小于10 mm的情況下，用破片的比動(dòng)能作為殺傷標(biāo)準(zhǔn)更為合理。聯(lián)立式(1)、式(2)，球型破片的瞬時(shí)比動(dòng)能Eb表示為

式(3)中:m為破片質(zhì)量;v為破片速度;t為時(shí)間;CD為空氣阻力系數(shù);ρ0為當(dāng)?shù)乜諝饷芏?ρ為破片密度為破片迎風(fēng)面積;R為破片飛行距離;r為球形破片半徑;vR為破片在R處的飛行速度;α為破片衰減系數(shù);Eb為破片比動(dòng)能。

由式(3)可看出，球形破片在空氣中的速度衰減規(guī)律跟破片密度ρ、半徑r有關(guān)。具體來(lái)說(shuō)就是:破片密度越大，衰減越慢;破片直徑越大，衰減越慢。

2 兩種裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析

建模過(guò)程中彈體取為理想的圓柱。整個(gè)模型分為3個(gè)部分:外殼、炸藥和Al2O3陶瓷微粒。為了保證2種結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有可比性，在模擬中將盡量使2種裝藥結(jié)構(gòu)中的炸藥與陶瓷配比度相同，具體見(jiàn)表1。

表1 Al2O3陶瓷材料參數(shù)

2.1 有限元模型

2.1.1 預(yù)制破片裝藥結(jié)構(gòu)

炸藥與小陶瓷顆?；旌希繉雍刑沾晌⒘?6個(gè)，共10層。陶瓷與炸藥共節(jié)點(diǎn)，采用中心起爆方式，利用LS-DYNA后處理器進(jìn)行計(jì)算分析，在建模時(shí)，TNT與陶瓷破片按一定比例混合，藥柱高度34 mm，直徑28 mm，陶瓷微粒直徑為2 mm，外殼為均勻塑性材料，厚度2 mm。裝藥具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.2 混合裝藥結(jié)構(gòu)

炸藥與小陶瓷顆?；旌?，每層含有陶瓷微粒56個(gè)，共10層。陶瓷與炸藥共節(jié)點(diǎn)，采用中心起爆方式。在建模時(shí)，TNT與陶瓷破片按一定比例混合，藥柱高度為34 mm，直徑為28 mm，陶瓷微粒直徑為2 mm，外殼為均勻塑性材料，厚度2 mm。圖3為藥柱剖視圖，可以直觀(guān)看出陶瓷破片的排列方式。

圖2 預(yù)制破片裝藥結(jié)構(gòu)

2.2 材料模型與接觸算法

本戰(zhàn)斗部中采用的主裝藥為 B炸藥，密度為1.78 g/cm3，爆速8390 m/s，CJ壓力為 29 GPa。采用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和EOS_JWL模型。陶瓷材料模型采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS材料模型，陶瓷材料參數(shù)如表1。

圖3 模型混合藥柱截面

由于陶瓷顆粒比較小，模型中的網(wǎng)格數(shù)量相當(dāng)多，計(jì)算量很大，因此計(jì)算時(shí)采用Lagrange算法，拉格朗日網(wǎng)格固定在材料上，能自然地描述材料的應(yīng)力歷程及顯示材料的界面，并且其計(jì)算量相對(duì)較小［4］。當(dāng)破片數(shù)量較多時(shí)，破片之間的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生接觸搜索困難，使程序難以計(jì)算，估計(jì)應(yīng)為接觸設(shè)置不當(dāng)所致。爆炸過(guò)程中破片之間的接觸如何定義一直是一個(gè)棘手的問(wèn)題，本文數(shù)值模型中采用基于pinball搜索方式的侵蝕自動(dòng)單面接觸算法CONTACT_ERODING-SINGLE-SURFACE同時(shí)對(duì)3個(gè)部分之間的相互擠壓碰撞作用進(jìn)行控制。侵蝕單面自動(dòng)接觸算法能夠自動(dòng)追蹤各構(gòu)件可能發(fā)生碰撞的區(qū)域。該算法對(duì)于多構(gòu)件的復(fù)雜體的碰撞追蹤非常有效，程序自動(dòng)搜尋探測(cè)可能的接觸區(qū)域，適用于構(gòu)件較多時(shí)自動(dòng)識(shí)別相互之間的接觸和碰撞作用。采用該算法，可以有效模擬預(yù)制破片之間的相互摩擦、碰撞與翻滾效應(yīng)。

2.3 陶瓷破片在2種裝藥結(jié)構(gòu)下的初速度

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2種裝藥結(jié)構(gòu)在起爆后能量輸出方式完全不同。2種裝藥方案中，均選取順著母線(xiàn)方向最外側(cè)8個(gè)破片，分別得到2種裝藥結(jié)構(gòu)的破片的速度曲線(xiàn)如圖4、圖5所示(單位制為cm-g-μs)。

可以看出:混合裝藥結(jié)構(gòu)的破片伴隨著爆轟波傳播過(guò)程加速，其加速過(guò)程非常短暫，基本上在5 μs左右就已達(dá)到初速度。而預(yù)制破片裝藥結(jié)構(gòu)的破片加速過(guò)程與爆轟波的短暫傳播時(shí)間不同，裝藥完全起爆后，爆轟產(chǎn)物對(duì)破片的驅(qū)動(dòng)作用會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間(80 μs左右)。在該過(guò)程中，戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)襯和破片一直受到爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)作用，破片速度呈逐漸增加狀態(tài)。

通過(guò)比較2種裝藥結(jié)構(gòu)的破片速度曲線(xiàn)可知，混合裝藥結(jié)構(gòu)的破片加速過(guò)程比預(yù)制破片裝藥結(jié)構(gòu)快得多，因此在距爆心近距離處殺傷威力更大，更適合用于低附帶毀傷戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)方案。

圖4 方案1破片速度曲線(xiàn)

圖5 方案2破片速度曲線(xiàn)

2.4 選用陶瓷的依據(jù)

由于陶瓷和鋼密度相差很大，在炸藥裝藥量相同的情況下，若將混合裝藥結(jié)構(gòu)中的陶瓷微粒替換為同直徑的小鋼珠，則兩者初速會(huì)有很大差異。在本文的數(shù)值模擬中，對(duì)基于混合裝藥的鋼和陶瓷2種破片進(jìn)行了計(jì)算。取中間最外側(cè)位置的破片作為研究對(duì)象，A為陶瓷，B為鋼，2種破片的速度、比動(dòng)能曲線(xiàn)分別如圖6、圖7所示。

圖6 陶瓷和鋼破片的速度-時(shí)間曲線(xiàn)

圖7 陶瓷和鋼破片的比動(dòng)能-距離曲線(xiàn)

由圖6、圖7可看出，陶瓷微粒的初速明顯大于鋼珠。陶瓷微粒的初速為2820 m/s，而同直徑鋼珠的初速僅為1800 m/s。根據(jù)式(4)可求得2種材料的破片在不同距離下的比動(dòng)能。2種破片初始比動(dòng)能均為2000 J·cm2左右，但是在5 m處陶瓷破片的比動(dòng)能為540 J·cm2，而鋼破片的比動(dòng)能仍可達(dá)950 J·cm2，幾乎為陶瓷的2倍，見(jiàn)圖7。這是由于陶瓷的密度較鋼低得多，因此陶瓷破片比動(dòng)能的衰減要快得多。表2是對(duì)2種裝藥結(jié)構(gòu)和2種破片進(jìn)行數(shù)值分析后的結(jié)果。

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3 結(jié)論

1)首先在前期進(jìn)行過(guò)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)想將陶瓷微粒作為低附帶毀傷彈藥殺傷元，并對(duì)2種裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)混合裝藥結(jié)構(gòu)的破片達(dá)到初速僅需5 μs左右，而同配比度條件下放在炸藥外層的破片達(dá)到初速需80 μs。說(shuō)明混合裝藥結(jié)構(gòu)可以使破片在更短的時(shí)間和距離內(nèi)發(fā)揮強(qiáng)大威力，符合低附帶毀傷彈藥第一要素:在近距離處毀傷威力優(yōu)于傳統(tǒng)彈藥。

2)通過(guò)對(duì)基于混合裝藥結(jié)構(gòu)的破片初速進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在破片材料分別為陶瓷和鋼時(shí)，前者的初速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)后者，速度衰減也比后者劇烈得多，在5 m處比動(dòng)能僅為后者二分之一。說(shuō)明基于陶瓷微粒的混合裝藥結(jié)構(gòu)符合低附帶毀傷彈藥第二要素:作用距離嚴(yán)格限定在一定范圍內(nèi)。

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