王 磊，姜穎資，李向陽

（海軍航空工程學(xué)院指揮系，山東煙臺(tái)264001）

爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈毀傷效應(yīng)研究

王 磊，姜穎資，李向陽

（海軍航空工程學(xué)院指揮系，山東煙臺(tái)264001）

通過對不同彈目相對距離、交會(huì)角工況下，爆破戰(zhàn)斗部沖擊起爆超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部臨界距離和結(jié)構(gòu)毀傷發(fā)動(dòng)機(jī)艙效應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算，研究、評(píng)估了爆破戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物對超音速導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)。結(jié)果表明：爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈的毀傷以結(jié)構(gòu)毀傷為主，沖擊起爆超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部能力較弱；爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙的毀傷效應(yīng)，隨彈目相對距離的增加而迅速減小；彈目相對距離相同時(shí)，各工況下的毀傷效應(yīng)，先隨彈目交會(huì)角的增大而增大，而后隨彈目交會(huì)角的增大而減小。

爆破戰(zhàn)斗部；沖擊波；超音速導(dǎo)彈；沖擊起爆；毀傷效應(yīng)

隨著制導(dǎo)精度的提高，反導(dǎo)戰(zhàn)斗部裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物對來襲導(dǎo)彈目標(biāo)的毀傷能力越來越大，甚至在反導(dǎo)戰(zhàn)斗部距離所攔截導(dǎo)彈目標(biāo)較近爆炸時(shí)，爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物的作用遠(yuǎn)大于破片、桿條等殺傷單元的毀傷作用。因此，爆破戰(zhàn)斗部再次進(jìn)入了艦空導(dǎo)彈研制專家的視野。目前，速度更快、機(jī)動(dòng)性和突防能力更強(qiáng)的超音速導(dǎo)彈正廣泛取代亞音速導(dǎo)彈；能否有效攔截、毀傷來襲超音速導(dǎo)彈，已成為制約甚至決定戰(zhàn)爭進(jìn)程和結(jié)局的重要因素。

鑒于以上考慮，本文采用LS-DYNA軟件，研究爆破戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物對超音速導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)。

1 爆破戰(zhàn)斗部等效裸裝藥當(dāng)量計(jì)算

爆破戰(zhàn)斗部分為內(nèi)爆式和外爆式，本文研究的是外爆式。外爆式爆破戰(zhàn)斗部殼體較薄，主要功能是作為裝藥的容器[1]，爆破戰(zhàn)斗部破壞目標(biāo)主要依靠裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物的壓力和沖量。一般研究爆破戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷效應(yīng)，都是把其等效為一定當(dāng)量裸裝藥。

帶殼炸藥在空氣中爆炸后，炸藥釋放出的能量一部分用于殼體的變形、破碎和破片的飛散，一部分用于爆轟產(chǎn)物的膨脹及形成空氣沖擊波。裝藥殼體變形和破碎所消耗的能量，一般只占裝藥爆炸所釋放的總能量的1%～3%，理論估算時(shí)，可以忽略。則根據(jù)能量守恒定律，質(zhì)量為W的裝藥爆炸所釋放的總能量包括：爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能、動(dòng)能和破片的動(dòng)能3個(gè)部分[2-7]：

式（1）中：QV為炸藥的爆熱；Ee為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；Eg為爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能；Ec為破片的動(dòng)能。

假定裝藥發(fā)生瞬時(shí)爆轟，則爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能為[2]：

式（2）中：R0為殼體初始半徑；R為殼體膨脹半徑；γ為多方指數(shù)；b為形狀系數(shù)，對于圓柱形殼體b=2。

假設(shè)爆轟產(chǎn)物的壓力均勻分布，則爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能為：

式（3）中：uP為殼體的膨脹速度；a為裝藥的形狀系數(shù)，圓柱形裝藥a=1。

設(shè)裝藥殼體質(zhì)量為M，則殼體的動(dòng)能為：

設(shè)破片初速為uP0、破裂時(shí)裝藥殼體半徑為則爆轟產(chǎn)物的總能量為[8]：

帶殼裝藥的等效裸裝藥質(zhì)量為：

爆破戰(zhàn)斗部殼體和裝藥長度為20cm，殼體材料為2A12鋁合金，裝藥為PBX9404炸藥，總質(zhì)量為8kg，根據(jù)式（6）計(jì)算得出，爆破戰(zhàn)斗部等效為裸炸藥當(dāng)量約為7.76kg。

2 計(jì)算模型及物理參數(shù)

爆破戰(zhàn)斗部等效裸裝藥物理模型如圖1所示，空氣域模型如圖2所示。爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈主要可造成導(dǎo)彈殼體撕裂、凹陷等結(jié)構(gòu)毀傷以及對戰(zhàn)斗部裝藥的沖擊起爆[9-12]。本文以超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部和發(fā)動(dòng)機(jī)艙為毀傷目標(biāo)，研究爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)。

目標(biāo)位置 爆破戰(zhàn)斗部位置

2.1 計(jì)算模型

真實(shí)超音速導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，研究毀傷效應(yīng)一般對其進(jìn)行簡化，建立所要研究艙等效靶模型。建立典型超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部和發(fā)動(dòng)機(jī)艙等效靶如圖3所示。其中，戰(zhàn)斗部等效靶由戰(zhàn)斗部殼體、主裝藥和后端蓋3部分組成，戰(zhàn)斗部殼體厚度為16mm，戰(zhàn)斗部長90cm；發(fā)動(dòng)機(jī)艙等效靶為雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)，外圓環(huán)模擬導(dǎo)彈蒙皮，外半徑為38cm，厚度為4mm；內(nèi)圓環(huán)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，厚度為5.5mm。

采用ANSYS/LS-DYNA軟件的流固耦合算法，數(shù)值模擬爆破戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物對超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的毀傷效應(yīng)。模型中爆破戰(zhàn)斗部裝藥、空氣使用歐拉單元；超音速導(dǎo)彈彈體蒙皮、戰(zhàn)斗部和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體使用拉格朗日單元。

2.2 物理參數(shù)

爆破戰(zhàn)斗部的主裝藥為PBX9404炸藥，參數(shù)如見表1所示[17]，采用高爆燃燒模型描述[13-16]：

式（7）中：P表示爆壓；V表示相對體積；E表示單位體積炸藥的內(nèi)能；ω、A、B、R1、R2為材料常數(shù)。

表1 PBX9404炸藥材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of PBX9404 explosive

超音速導(dǎo)彈的彈體蒙皮材料為2A12鋁合金，其戰(zhàn)斗部和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料均為4340鋼，材料模型采用J-C模型描述。2種材料主要參數(shù)見表2[18-19]。

表2 材料Johnson-Cook參數(shù)Tab.2 Material parameters of Johnson-Cook

戰(zhàn)斗部主裝藥，B炸藥的狀態(tài)方程使用Lee-Tarver三項(xiàng)式點(diǎn)火增長方程進(jìn)行描述。反應(yīng)率方程為：

式（8）中：F表示反應(yīng)分?jǐn)?shù)；ρ0表示原始密度；ρ表示當(dāng)前密度；t表示時(shí)間；p表示壓力；I、G1、G2、b、x、a、c、d、y、e、g、z為常數(shù)。

B炸藥Lee-Tarver參數(shù)見表3、4[9]。

表3 B炸藥Lee-Tarver點(diǎn)火增長參數(shù)1Tab.3 Lee-Tarver ignition and growth parameters of B explosive

表4 B炸藥Lee-Tarver點(diǎn)火增長參數(shù)2Tab.4 Lee-Tarver ignition and growth parameters of B explosive

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 沖擊起爆計(jì)算結(jié)果及分析

由于爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物在空氣中衰減速度很快，彈目相對距離如果不同，爆破戰(zhàn)斗部對目標(biāo)毀傷能力會(huì)有明顯的差異。在彈目相對距離相同的前提下，如果交會(huì)角不同，爆破戰(zhàn)斗部與超音速導(dǎo)彈速度方向夾角不同，即相對速度不同，則爆破戰(zhàn)斗部爆炸作用于超音速導(dǎo)彈的動(dòng)爆效應(yīng)不同，且爆炸沖擊波、爆轟產(chǎn)物與超音速反艦導(dǎo)彈接觸面積也不同。因此，在爆炸距離相同的情況下，彈目交會(huì)角不同，爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)也存在差異。

本文通過模擬計(jì)算爆破戰(zhàn)斗部，與超音速導(dǎo)彈交會(huì)角為0°、30°、60°工況下，臨界沖擊起爆超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的距離，來評(píng)估爆破戰(zhàn)斗部引爆超音速導(dǎo)彈的能力。

兩者交會(huì)時(shí)，爆破戰(zhàn)斗部和超音速導(dǎo)彈速度分別為 800 m/s和 700 m/s。計(jì)算得出，0°、30°、60°的交會(huì)角，臨界起爆距離分別為31cm、45cm、41cm（爆破戰(zhàn)斗部爆心與超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部垂直距離）。0°、30°、60°這3種彈目交會(huì)工況下，彈目初始相對位置、超音速導(dǎo)彈被引爆后壓力云圖，分別如圖4～6所示。

0°、30°、60°彈目交會(huì)角下，爆破戰(zhàn)斗部沖擊起爆超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的臨界距離顯示：30°的工況最遠(yuǎn)，這是由于彈目交會(huì)角30°時(shí)，爆破戰(zhàn)斗部有約400 m/s垂直迎向超音速導(dǎo)彈的速度，即與爆破戰(zhàn)斗部爆轟產(chǎn)物飛散方向相同的速度，增強(qiáng)了爆破戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物的能量；而彈目交會(huì)角60°的工況臨界起爆距離近于30°的工況，這是因?yàn)?，雖然60°的工況爆破戰(zhàn)斗部有約693 m/s與其爆轟產(chǎn)物飛散方向相同的速度，但交會(huì)角越大，爆炸沖擊波波陣面法向與超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部艙軸向所夾的鈍角越接近90°，傳入戰(zhàn)斗部艙的沖擊波壓力分量越小，爆轟產(chǎn)物的橫向側(cè)滑也越明顯。綜合來看，爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的沖擊起爆能力，先隨交會(huì)角的增大而增大，到達(dá)一定角度后，再隨交會(huì)角的增大而減小。

爆破戰(zhàn)斗部3種彈目交會(huì)角下臨界沖擊起爆超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的最遠(yuǎn)距離僅為45cm，說明爆破戰(zhàn)斗部沖擊起爆導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的能力較弱，在實(shí)際作戰(zhàn)中，爆破戰(zhàn)斗部很難造成超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的殉爆。

3.2 結(jié)構(gòu)毀傷計(jì)算結(jié)果及分析

本文通過模擬計(jì)算爆破戰(zhàn)斗部相距超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙1 m、2 m、3 m（爆破戰(zhàn)斗部爆心與超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙垂直距離），交會(huì)角分別為0°、30°、60°的工況，研究分析爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙的毀傷效應(yīng)。交會(huì)角0°，彈目相對距離1 m、3 m時(shí)，超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙毀傷效果，分別如圖7、8所示。

各工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙毀傷數(shù)值收集見表5、6。從表5、6可以看出，彈目相對距離1 m的各工況，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的彈體蒙皮和殼體均發(fā)生大面積的凹陷，交會(huì)角為30°和60°的工況，發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體局部破裂，而交會(huì)角0°的工況，兩者均未破裂；彈目相對距離2 m、3 m的各工況，發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體均是局部凹陷，沒有產(chǎn)生裂口。發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體凹陷面積和最大凹陷深度，均隨彈目相對距離的增加而迅速減小。彈目相對距離1 m和2 m，彈目交會(huì)角30°和60°的工況，爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體的破壞程度，明顯大于彈目交會(huì)角0°的工況。彈目相對距離3 m，從發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體凹陷深度來看，彈目交會(huì)角30°的工況最大，彈目交會(huì)角0°和60°的工況基本相當(dāng)。

綜合以上分析，彈目相對距離越近毀傷效果越佳；彈目相對距離相同時(shí)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體凹陷深度，先隨彈目交會(huì)角的增大而增大，然后隨彈目交會(huì)角的增大而減?。灰园l(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體最大凹陷深度為對超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙毀傷效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，彈目交會(huì)角30°毀傷效果最佳，彈目交會(huì)角0°最差。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體裂口長度和寬度Tab.5 Gap length and width of engine cabin missile skin and shell

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)艙彈體蒙皮和殼體最大凹陷長度、寬度和深度Tab.6 Maximum dent length，width and depth of engine cabin missile skin and shell

4 結(jié)論

通過對數(shù)值模擬結(jié)果的總結(jié)、對比，得出如下結(jié)論：

1）爆破戰(zhàn)斗部的主要?dú)绞奖憩F(xiàn)為結(jié)構(gòu)毀傷，沖擊起爆超音速導(dǎo)彈的能力較弱；只有在彈目相對距離很小時(shí)，才有可能造成超音速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的殉爆。

2）爆破戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)毀傷超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙的能力，與兩者間的相對距離密切相關(guān)，毀傷效果隨彈目相對距離的增加而迅速減弱。

3）彈目交會(huì)角對爆破戰(zhàn)斗部的毀傷能力也存在較為明顯的影向，總的來說，在彈目相對距離相同的前提下，爆破戰(zhàn)斗部對超音速導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)艙的毀傷效應(yīng)，先隨彈目交會(huì)角的增大而增大，而后隨彈目交會(huì)角的增大而減小。

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Research on Damage Effect on Supersonic Missile by Blast Warhead

WANG Lei,JIANG Yingzi,LI Xiangyang
（Department of Command,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

Through simulating the critical impact initiation distance and structural damage engine cabin of blast warhead to supersonic missile,at different relative distance and rendezvous angle conditions,the damage effect on supersonic missile under the explosive shock wave and detonation products of blast warhead was studied and evaluated.The results showed that the damage of blast warhead to supersonic missile was mainly structural damage,the capability that blast warhead det?onated supersonic missile warhead was weaker;the damage effect of blast warhead to supersonic missile engine cabin was rapidly decreased with the increase of missile and target relative distance.When the relative distances of missile and tar?get were the same,the damage effect under each working condition increased with the increase of the rendezvous angle,and then decreased with the increase of the rendezvous angle.

blast warhead;shock wave;supersonic missile;impact initiation;damage effect

TJ410.3

A

1673-1522（2017）04-0307-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.04.010

2017-03-15；

2017-05-11

王 磊（1980-），男，講師，博士。