徐全振，伊建亞，王志軍，尹建平

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

【彈藥工程】

串聯(lián)侵徹體侵徹防護液艙的研究

徐全振，伊建亞，王志軍，尹建平

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

設(shè)計了一種新的藥型罩結(jié)構(gòu)，通過AUTODYN仿真軟件模擬了自鍛破片侵徹防護液艙的過程。通過模擬結(jié)果可知：新型結(jié)構(gòu)能夠形成串聯(lián)侵徹體，相比于單一的自鍛破片，其對防護液艙的毀傷效果更加明顯，是毀傷防護液艙的有效手段。

防護液艙；新藥型罩結(jié)構(gòu)；串聯(lián)侵徹體

自從埃及使用“冥河”反艦導(dǎo)彈擊沉了以色列的驅(qū)逐艦后，各軍事大國都對反艦導(dǎo)彈顯示了極高的熱情，促使反艦導(dǎo)彈得到迅速發(fā)展。目前反艦導(dǎo)彈已經(jīng)發(fā)展到了第三代，掠海飛行、超音速突防等能力讓艦船主動防御系統(tǒng)難以應(yīng)對。因此，為了提高艦艇生存能力，加強艦艇被動防御能力也是有效的方法。小型艦艇由于排水量的限制，多以使用先進復(fù)合材料來加強抗毀傷能力；而大中型水面艦艇尺寸大，增加防護液艙對其機動性影響較小，卻能有效吸收破片和爆轟波能量，大大降低了反艦武器對艦船的威脅，所以防護液艙被廣泛用于大中型水面艦船上。圖1為帶有防護液艙的舷側(cè)多層防護結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 艦艇舷側(cè)多層防護結(jié)構(gòu)

為此，如何有效毀傷防護液艙也成為反艦戰(zhàn)斗部設(shè)計時多加考慮的實際問題。

1 防護液艙對破片的防御作用

1.1 液艙前板對破片的阻擋作用

現(xiàn)在的先進反艦戰(zhàn)斗部為了增加威力，改進了傳統(tǒng)的殼體結(jié)構(gòu)，即在殼體上安裝大錐角或球缺形藥型罩，爆炸后形成自煅破片[2]。由于自煅破片相比于自然破片質(zhì)量大、速度高(2 000～2 500 m/s)、飛行穩(wěn)定性好，所以侵徹能力更強，所以本文用威力更大的自煅破片來模擬防護液艙對破片的防御效果。防護液艙一般由三部分組成：前板、水、后板。前板厚度一般為5～10mm之間[3]，材料多為高強度鋼。破片侵徹防護液艙首先要侵徹液艙前板。本文用AUTODYN-2D模擬了破片侵徹液艙前板的過程，以研究前板對破片的防御作用。模型如下：破片形狀為規(guī)則的圓臺+半球形，大徑D=30 mm,小徑d=20 mm，長40 mm，速度V=2 200 m/s，材料為高強度4340鋼，Liner狀態(tài)方程，J-C強度模型。前板厚度10 mm，長寬為160 mm×160 mm,材料為1006鋼，Shock狀態(tài)方程，J-C強度模型。水采用SPH算法，Shock狀態(tài)方程。三者為Lagrange自動耦合。材料模型的具體參數(shù)均取自AUTODYN材料庫。自鍛破片侵徹液倉前板的過程如圖2，

圖2 液艙前板對破片的防御作用

由圖2可以清晰看出破片穿透前板后的變化。首先是速度變化，圖2(d)顯示了破片的速度由2 200 m/s降低到 2 000 m/s以下。其次是頭部變形，從b圖可以看出，破片在穿透前板后，頭部發(fā)生了嚴(yán)重敦粗變形，增大了破片的迎流面積。根據(jù)球形或柱形破片在水中的侵深公式[3]

(1)

式中:S為侵徹深度；Cd為破片在水中的阻力系數(shù)；ρ為水的密度；A為破片迎流面積；V0為破片初速度。

可知迎流面積越大，侵深越小。并且不規(guī)則的頭部變形會使破片在水中運動時產(chǎn)生縱向速度從而導(dǎo)致破片運動方向發(fā)生改變甚至使破片反轉(zhuǎn)，這不僅會改變侵徹軌跡，變相加厚了水介質(zhì)，還會加快速度的衰減。最后是應(yīng)力波變化對破片的影響，圖2(c)反映了破片在撞擊液艙前板時，應(yīng)力波導(dǎo)致的破片內(nèi)部壓力分布。由于破片內(nèi)的反射波與入射波來回運動、多次相互碰撞降低了破片的強度[4]。綜合上述三點可以得出液艙前板對破片的影響非常大。

1.2 水介質(zhì)對破片的防護作用

破片穿透前板后進入水介質(zhì)，受水的侵蝕和減速作用，破片質(zhì)量減小并破碎為微小碎片，如圖3所示。圖4為破片在水中的速度-時間曲線。

圖3 破片在水中的形狀變化

圖4 破片在水中的速度曲線

從圖3中破片形狀變化可以看出水對破片的侵蝕作用非常明顯。0.1 ms時，破片已經(jīng)開始向后彎曲，縱向長度被拉大；0.5 ms時，破片中部開始斷裂，縱向變得更長；1 ms時；破片已經(jīng)完全斷裂，1.5 ms時，兩段破片更加分散且變的更薄。這是由于破片入水時的速度非常高,接近2 000 m/s，所以水對破片的阻力非常大；再加上破片在侵徹前板時導(dǎo)致的頭部破損增大了磨擦系數(shù)加劇了水的侵蝕效果。破片破碎為小的破片，并且質(zhì)量也大大減少，這就使得破片的侵徹能力大幅降低。

圖4可知，破片速度先是在短時間內(nèi)銳減，后來衰減趨勢減緩，最后速度趨于平緩。速度從2 000 m/s降低到1 000 m/s用時78 μs;從1 000 m/s降到500 m/s用時170 μs；從500 m/s降到170 m/s用時1.23 ms。這種現(xiàn)象是由水的慣性作用導(dǎo)致的。破片入水的瞬間，破片接觸區(qū)域的液體表現(xiàn)出巨大的慣性效應(yīng)，破片的動能快速轉(zhuǎn)化為水的動能和勢能；隨著破片速度的降低，破片與接觸水域的速度梯度減小，慣性作用減弱，速度衰減放緩[5]。由此可知，水對破片速度的影響是非常顯著的尤其是對超高速破片。

2 新型藥型罩結(jié)構(gòu)與仿真

根據(jù)破片侵徹防護液艙的現(xiàn)象，本文提出串聯(lián)侵徹防護液艙的概念，即用一前一后兩個侵徹體侵徹防護液艙。前級侵徹體在前板上開孔，并能在水中運動一段距離形成空穴；后級侵徹體再通過穿孔，并利用空穴繼續(xù)侵徹防護液艙。

要想利用串聯(lián)侵徹體侵徹防護液艙，串聯(lián)侵徹體應(yīng)滿足以下幾點要求：

1) 前級侵徹體直徑要足夠大，以便在前板上開出足夠大的孔。因為孔徑太小會阻礙后級侵徹體通過，這樣就失去了串聯(lián)侵徹的意義。

2) 前級侵徹體速度高、速度梯度小，連續(xù)性好，有利于開孔和形成空穴。

3) 后級侵徹體速度適中。速度太大會加劇水的侵蝕作用，質(zhì)量損失過大，降低了侵徹能力；速度太小，動能不足，侵徹能力必然不足。

4) 后級質(zhì)量足夠大，外形好，這樣才能擁有足夠的侵徹能力和在水中運動的穩(wěn)定性。

為了滿足以上要求，本文設(shè)計了如圖5所示的裝藥結(jié)構(gòu)。

圖5 聚能裝藥結(jié)構(gòu)

如圖5所示，為實現(xiàn)前后級侵徹體分離，罩體設(shè)計為兩部分，中間部分為密度相對較低的銅，外圍部分材料為高密度的鎢合金。炸藥選用HMX炸藥，裝藥直徑100 mm,起爆方式為環(huán)起爆。用AUTODYN仿真，80us時侵徹體的成型如圖6所示。

圖6 串聯(lián)侵徹體的成型結(jié)果

經(jīng)仿真，前后級侵徹體成型效果都很好，形狀均為圓柱+小錐角截錐狀。前級圓柱部分平均直徑約為18 mm，長106 mm;截錐部分長度47 mm，頭部直徑為4 mm，平均速度約為3 850 m/s。后級圓柱部分直徑約為18 mm,長18 mm;截錐部分長34 mm，頭部直徑約為6 mm,平均速度約為1 950 m/s。

從上述數(shù)據(jù)分析，前級為桿式侵徹體，速度高、直徑大，能夠滿足在前板上開出大口徑孔洞的要求。后級為自煅破片，速度較高，質(zhì)量大，有較強的毀傷能力。

3 毀傷效果分析

為了比較串聯(lián)侵徹體的毀傷效果，本文以相同裝藥的大錐角鎢合金罩形成的自煅破片作為對比。破片形狀大致為截錐+圓柱+截錐狀，頭尾直徑為6 mm,圓柱部分直徑約為20 mm，總長56 mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用AUTODYN建立模型，分析侵徹體對防護液艙的侵徹效果。液艙前后板厚度為10 mm，材料為1006鋼，間距1 m。侵徹結(jié)果如圖7所示。

圖7 侵徹體侵徹過程

圖7為0.72 ms時侵徹體的毀傷效果圖，可見串聯(lián)侵徹體已經(jīng)穿過水介質(zhì)并擊穿后板，而單一自煅破片還未穿透水體。

經(jīng)AUTODYN仿真并整理數(shù)據(jù),得出如圖8所示的模擬結(jié)果：S1、V1分別為單一自鍛破片的侵深和剩余速度；S2、V2分別為串聯(lián)侵徹體的侵深和后級剩余速度。

據(jù)圖8(a)中曲線S1可知，單一自煅破片的侵徹深度隨時間線性增大，但增速越來越緩慢，0.7 ms時侵徹深度約為813 mm。分析S2，S2可分為三段，代表串聯(lián)侵徹體作用的三個階段。第一階段，前級開孔、侵徹水體并直至質(zhì)量耗盡，對應(yīng)時間為0到0.13 ms，侵深達350 mm左右。第二階段時間在0.13到0.31 ms,此時前級已經(jīng)耗盡但后級仍為開始侵徹水體，侵深的增加只能依靠與前級接觸的水體的慣性，所以增速十分緩慢。第三階段從0.31 ms開始，此時后級侵徹體高速通過空穴并開始侵徹水體，S2又快速增加，直至0.7 ms時擊穿后板。

分析圖8(b)，V1是遞減的，當(dāng)1.05 ms左右破片抵近后板時，速度已經(jīng)降至525 m/s左右，隨能在1.1 ms時擊穿后板，但剩余速度只有430 m/s左右，后效作用十分有限。根據(jù)V2可以看出，在0.31 ms之前，速度沒有降低，這得益于前級在前板上開孔并侵徹水體時形成的空穴。后級在0.7 ms時擊穿后板，剩余速度將近1 300 m/s，這對液艙后的防護縱壁及人員設(shè)備的威脅是非常大的。

根據(jù)上述分析可知，相比于單一自煅破片，串聯(lián)侵徹體侵徹液艙侵具有非常明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文通過分析液艙前板的防御作用并結(jié)合破片侵徹液艙時會形成空穴的現(xiàn)象提出利用串聯(lián)侵徹體侵徹液艙。通過對比單一自煅破片的毀傷效果，得出串聯(lián)侵徹體在侵徹防護液艙時具有明顯的優(yōu)勢，為攻擊防護液艙提供了新的思路。

[1] 張振華，朱錫，黃玉瑩，等.水面艦艇舷側(cè)防雷艙結(jié)構(gòu)水下抗爆防護機理研究[J].船舶力學(xué)，2006，10(1)：113-119.

[2] 李靜海.半穿甲爆破型反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部毀傷效果分析[J].飛航導(dǎo)彈，2005(7)：52-55.

[3] 沈曉樂，朱錫，候海量，等.高速破片侵徹防護液艙試驗研究[J].中國艦船研究，2011，6(3)：12-15.

[4] 張國偉.終點效應(yīng)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社.2006.

[5] 沈曉樂，朱錫，候海量，等.高速破片入水敦粗變形及侵徹特性有限元分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(7)：25-29.

TheStudyofPenetratingLiquidCabinwithTandemProjectiles

XU Quanzhen, YI Jianya, WANG Zhijun，YIN Jianping

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

This article had designed a new structure of liner and simulated the process of projectile’s penetrating to liquid cabin by the software AUTODYN. From the result of simulation we can conclude that tandem projectiles shaped from the new structure of liner could be able to destroy the liquid cabin more obviously compared with a single projectile. It is an effect way to deal with the liquid cabin.

liquid cabin; new structure of liner; tandem projectiles

2017-08-03；

2017-08-25

徐全振(1991—)，男，博士研究生，主要從事高效毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.012

本文引用格式：徐全振，伊建亞，王志軍，等.串聯(lián)侵徹體侵徹防護液艙的研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(12):48-51.

formatXU Quanzhen, YI Jianya, WANG Zhijun，et al.The Study of Penetrating Liquid Cabin with Tandem Projectiles[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):48-51.

TJ4310.34

A

2096-2304(2017)12-0048-04

(責(zé)任編輯周江川)