張新華，趙家其，石 晉

(1 安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司，合肥 231135；2 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

隨著軍事科技的進(jìn)步，精確打擊、高效毀傷是當(dāng)前常規(guī)武器發(fā)展的主流。與射流相比，EFP具有對(duì)炸高不敏感，反應(yīng)裝甲對(duì)其干擾小，侵徹后效大等優(yōu)點(diǎn)[1]。MEFP(多爆炸成型彈丸)所具備的一個(gè)戰(zhàn)斗部同時(shí)形成多個(gè)高速?gòu)椡璧墓δ?，可以增加彈藥的有效殺傷半徑，?duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)大密度攻擊，提高彈丸命中及毀傷目標(biāo)的概率[2]。相比于傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗部毀傷元素，MEFP因具有更高的動(dòng)能，能夠有效地提高防空反導(dǎo)的作戰(zhàn)效率[3],提升作戰(zhàn)效能。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)MEFP技術(shù)開(kāi)展了起爆方式對(duì)MEFP的成型、飛行穩(wěn)定性、侵徹能力及毀傷效能的影響相關(guān)研究[4-6]。對(duì)于周向多層分布藥型罩的戰(zhàn)斗部來(lái)說(shuō)，不同的起爆方式會(huì)直接影響彈丸飛散角，進(jìn)而影響毀傷面積。對(duì)于直線多點(diǎn)同步起爆MEFP戰(zhàn)斗部來(lái)說(shuō)，起爆裝置是影響戰(zhàn)斗部作戰(zhàn)威力的重要因素，其起爆的同步性直接影響爆轟波的傳播特性，進(jìn)而決定戰(zhàn)斗部的毀傷效能。鄭燦杰等利用LS-DYNA軟件仿真研究了5層周向MEFP戰(zhàn)斗部在單點(diǎn)起爆條件下起爆點(diǎn)高度及多點(diǎn)起爆條件下起爆點(diǎn)數(shù)、起爆同步誤差等因素對(duì)MEFP毀傷元速度和飛散角的影響[7]。黃寅生等研究了鈍感耐熱炸藥制成的柔性金屬導(dǎo)爆索作為傳遞爆轟能量的微秒級(jí)延期擴(kuò)爆裝置[8]。文中將多點(diǎn)同步起爆裝置應(yīng)用于MEFP戰(zhàn)斗部裝藥中，通過(guò)對(duì)起爆裝置的同步性測(cè)試和X光測(cè)試，說(shuō)明裝置的可行性，并進(jìn)行了有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，為多點(diǎn)起爆MEFP戰(zhàn)斗部裝藥提供具體的工程解決方案。

1 起爆裝置分析

在中心軸線采用多點(diǎn)起爆方式引爆炸藥裝藥，爆轟波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生碰撞，在一定條件下發(fā)生馬赫反射，使爆轟壓力成倍增加，形成高壓、高能量密度區(qū)域[9-10]，不僅可以大幅提高爆炸成型彈丸的飛行初速，還有利于形成帶有尾翼的爆炸成型彈丸，提高彈丸的飛行穩(wěn)定性。

如圖1所示，以起爆5層周向MEFP戰(zhàn)斗部為研究對(duì)象，在引信和MEFP戰(zhàn)斗部之間設(shè)計(jì)一個(gè)6路柔性金屬導(dǎo)爆索傳擴(kuò)爆裝置。利用引信輸出爆轟能量同時(shí)起爆6路導(dǎo)爆索同步起爆裝置，實(shí)現(xiàn)同步起爆MEFP戰(zhàn)斗部。該同步起爆裝置的特點(diǎn)是利用導(dǎo)爆索自身的爆速和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)μs級(jí)起爆；利用提高不同路的導(dǎo)爆索間起爆時(shí)間精度，實(shí)現(xiàn)多路同步起爆EFP戰(zhàn)斗部；每路起爆點(diǎn)之間采用隔爆板，解決了起爆點(diǎn)之間地隔爆和各起爆點(diǎn)獨(dú)立起爆的問(wèn)題。

圖1 多點(diǎn)同步起爆MEFP示意圖

1.1 確定起爆點(diǎn)

起爆點(diǎn)位置直接影響到毀傷元的飛散角。在同步起爆裝置設(shè)計(jì)中，藥型罩受到的起爆能量是由相鄰兩個(gè)起爆點(diǎn)的形成爆轟能量疊加而成，如果起爆點(diǎn)不對(duì)稱，藥型罩上受到的爆轟能量不均勻、不對(duì)稱，形成的EFP不規(guī)則，飛散角加大，因此各起爆點(diǎn)的起爆中心點(diǎn)位置對(duì)保證MEFP性能尤為重要。如圖2所示，設(shè)計(jì)同步起爆裝置的起爆中心位置時(shí)，一般取傳擴(kuò)爆塞的輸出端面，即A點(diǎn)。理論位置A點(diǎn)在傳擴(kuò)爆塞的輸出端，距離管殼口部39 mm。為了驗(yàn)證同步起爆裝置的起爆中心位置設(shè)計(jì)是否合理，參照鉛鑄法，將同步起爆裝置放置在鋼錠內(nèi)，如圖3所示。對(duì)其起爆點(diǎn)的實(shí)際位置進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)量5發(fā)。起爆單元作用后，對(duì)中心孔變形最大位置處距離鋼塊口部的距離進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 起爆單元爆點(diǎn)理論位置

圖3 起爆中心點(diǎn)測(cè)試前及試驗(yàn)后解剖圖

表1 起爆單元爆點(diǎn)位置測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，同步起爆裝置實(shí)際的起爆中心與理論位置點(diǎn)有所偏差，實(shí)際起爆點(diǎn)位置后移了2.5～4 mm，平均3.2 mm。JH-14藥柱是各起爆點(diǎn)爆轟能量的核心，傳擴(kuò)爆塞端面(理論爆點(diǎn)所在端面)輸出爆轟能量起爆JH-14藥柱，此時(shí)輸出爆轟能量較小、爆速較低，爆轟能量在JH-14藥柱內(nèi)成長(zhǎng)為穩(wěn)定爆轟需要一定距離，導(dǎo)致JH-14藥柱實(shí)際起爆點(diǎn)位置相對(duì)于理論爆點(diǎn)后移。為了最大限度地實(shí)現(xiàn)中心起爆，保證EFP效能，在設(shè)計(jì)同步起爆裝置時(shí)，按實(shí)測(cè)位置設(shè)計(jì)起爆中心B點(diǎn)，B點(diǎn)距A點(diǎn)距離取平均值3.2 mm。

1.2 起爆的同步性

采用中軸線多點(diǎn)起爆雖然對(duì)端部毀傷元速度提升效果不明顯，但可大幅提升中間層MEFP速度。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)口徑大于48 mm的周向MEFP戰(zhàn)斗部而言，500 ns以內(nèi)的起爆同步誤差雖然不會(huì)對(duì)MEFP毀傷元速度和飛散角產(chǎn)生明顯的影響，但起爆同步誤差的存在會(huì)使MEFP成型更加不對(duì)稱[11-12]，影響彈丸的飛行穩(wěn)定性和飛行速度，從而削弱戰(zhàn)斗部毀傷威力。因此，保證多點(diǎn)起爆同步性對(duì)于周向MEFP戰(zhàn)斗部毀傷效能至關(guān)重要。

同步起爆裝置的主要功能是將導(dǎo)爆索傳遞來(lái)的爆轟波逐級(jí)放大，并同步起爆MEFP戰(zhàn)斗部裝藥。同步起爆裝置主要由傳擴(kuò)爆件、擴(kuò)爆藥柱及管殼等組成，其中傳擴(kuò)爆件主要由導(dǎo)爆索、擴(kuò)爆裝藥等組成。傳擴(kuò)爆組件內(nèi)裝六硝基茋炸藥，傳擴(kuò)爆塞內(nèi)六硝基茋炸藥裝藥直徑依次增加。

導(dǎo)爆索是由金屬薄壁管內(nèi)裝六硝基茋炸藥，經(jīng)多次縮徑拉伸而成。目前常用的小直徑(Φ1 mm)金屬導(dǎo)爆索主要有鉛導(dǎo)爆索和銀導(dǎo)爆索。Φ1 mm銀導(dǎo)爆索實(shí)測(cè)爆速6 920～7 080 m/s，即(7 000±80)m/s，散布精度為±1.14% ；Φ1 mm鉛導(dǎo)爆索實(shí)測(cè)爆速4 880～5 200 m/s，即(5 040±160)m/s，散布精度為±3.17% ，銀導(dǎo)爆索爆速散布精度優(yōu)于鉛導(dǎo)爆索，有利于提高同步起爆裝置的同步性能，同時(shí)銀導(dǎo)爆索具有強(qiáng)度及韌性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好適應(yīng)力學(xué)環(huán)境，因此，優(yōu)先銀導(dǎo)爆索用于同步起爆裝置。

結(jié)合同步起爆裝置的外形尺寸及同步性要求，起爆單元導(dǎo)爆索的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L定為300 mm，公差值取±3 mm，導(dǎo)爆索的爆速v取(7 000±80)m/s，經(jīng)計(jì)算，同步起爆裝置內(nèi)起爆單元的極限起爆時(shí)間Tmax，Tmin分別為43.8 μs,41.9 μs，即同步起爆裝置最大同步性偏差值ΔT為1.9 μs。傳擴(kuò)爆組件同步性偏差理論上包括了長(zhǎng)度尺寸偏差、爆速偏差等。所以在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，每發(fā)產(chǎn)品裝配所用的導(dǎo)爆索應(yīng)盡可能取自同一根導(dǎo)爆索，避免因不同導(dǎo)爆索爆速不同而引起爆速偏差，同時(shí)，導(dǎo)爆索在截取裝配時(shí)，使用專用工裝進(jìn)行量取剪裁，最大限度減小導(dǎo)爆索的使用長(zhǎng)度偏差，進(jìn)一步提高裝置同步起爆性能。

2 同步性分析

2.1 探針?lè)y(cè)試

為準(zhǔn)確測(cè)定同步起爆裝置各爆點(diǎn)的起爆時(shí)間偏差，針對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了同步起爆裝置同步性測(cè)試工裝，該工裝主要包括套環(huán)、螺帽和探針，測(cè)試設(shè)備為BBS-1型智能爆速測(cè)試儀。同步性測(cè)試方法示意圖如圖4，測(cè)試靶線安裝狀態(tài)如圖5，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

圖4 同步性測(cè)試方法示意圖

圖5 靶線安裝狀態(tài)

表2 同步性測(cè)試結(jié)果 單位：μs

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，Δt分別為1.12 μs，1.11 μs，1.13 μs。該同步起爆裝置的最大起爆時(shí)間偏差在1.11～1.13 μs之間，起爆時(shí)間偏差跳動(dòng)性較小，且均小于理論計(jì)算得到的起爆時(shí)間偏差。由此可知，該同步起爆裝置作用可靠且穩(wěn)定性良好。

2.2 X光測(cè)試

為直觀觀察各爆點(diǎn)起爆時(shí)的同步性情況，進(jìn)行了爆炸同步性X光測(cè)試，試驗(yàn)1發(fā)。測(cè)試圖如圖6。

圖6 同步起爆裝置X光照片起爆過(guò)程

通過(guò)起爆過(guò)程的3幅X光照片可以看出，t=38 μs時(shí)，各起爆點(diǎn)沒(méi)有明顯的起爆跡象；t=40.85 μs時(shí)，各起爆點(diǎn)出現(xiàn)了鼓起，表明各起爆點(diǎn)開(kāi)始作用；t=42 μs時(shí)，各起爆點(diǎn)出現(xiàn)了較明顯的鼓起，表明40.85～42 μs的1.15 μs時(shí)間內(nèi)各起爆點(diǎn)持續(xù)同步作用。因此可以得出X光照片測(cè)試的起爆時(shí)間偏差小于1.15 μs。

以5點(diǎn)同步起爆為例，理論起爆時(shí)間偏差值為1.9 μs，采用探針?lè)y(cè)得起爆時(shí)間偏差范圍為1.1～1.3 μs，X光照片測(cè)試的起爆時(shí)間偏差小于1.15 μs?？紤]到理論起爆時(shí)間偏差包括的長(zhǎng)度尺寸偏差、理論爆速偏差等影響因素較多，而探針?lè)ê蚗光測(cè)試的結(jié)果更接近于真實(shí)值，且兩種方法測(cè)試的數(shù)值接近，相互印證，因此可以推斷出同步起爆裝置起爆時(shí)間偏差應(yīng)小于1.9 μs。

3 仿真驗(yàn)證

在一定裝藥結(jié)構(gòu)條件下，適度增加起爆點(diǎn)數(shù)量有利于提高EFP彈丸速度以及長(zhǎng)徑比[13]，但鑒于起爆點(diǎn)數(shù)量過(guò)多會(huì)影響起爆精度，且增加起爆點(diǎn)數(shù)量并不能減少因稀疏作用而產(chǎn)生的飛散角度[14]，故以5層周向MEFP戰(zhàn)斗部為例，分析6點(diǎn)同步起爆裝置對(duì)戰(zhàn)斗部威力的影響。

以爆轟波疊加理論為基礎(chǔ)，從提高作用在EFP上的動(dòng)能以及EFP飛散帶寬的角度進(jìn)行分析。通過(guò)仿真分析，由于馬赫碰撞而產(chǎn)生的高壓區(qū)，其波陣面壓力較單點(diǎn)起爆有明顯提升，圖7為爆轟波傳播特性及藥型罩壓力云圖。

圖7 爆轟波特性及藥型罩壓力云圖

采用裝藥端面單點(diǎn)起爆時(shí)，測(cè)得距起爆點(diǎn)最近的藥型罩所形成的EFP飛散角約為3°，距起爆點(diǎn)最遠(yuǎn)的藥型罩形成的EFP的飛散角達(dá)到約12°。而對(duì)比圖1的多點(diǎn)同步起爆方式，各層藥型罩所形成的EFP飛散角均極小，且在保證起爆裝置同步性和起爆位置精確的情況下，各EFP可視為以垂直于裝藥軸線方向飛散，此時(shí)飛散角可忽略不計(jì)。因此，采用(n+1)個(gè)起爆點(diǎn)起爆n層藥型罩時(shí)，明顯減小各層EFP飛散角，提升彈丸密集度，從而極大地提升命中目標(biāo)的概率。同時(shí)利用馬赫波碰撞效應(yīng)有效提升戰(zhàn)斗部EFP彈丸速度，提高毀傷能力。

4 結(jié)論

對(duì)直線多點(diǎn)同步起爆周向MEFP戰(zhàn)斗部技術(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:

1)采用多點(diǎn)同步起爆時(shí)，在炸藥起爆后，爆轟波在對(duì)稱線處匯聚碰撞，當(dāng)碰撞角度達(dá)到一定值時(shí)，發(fā)生馬赫反射，使爆轟壓力成倍增加，形成高壓、高能量密度區(qū)域，可以明顯提高彈丸飛行速度和調(diào)整控制波形，降低彈丸飛散角，增加毀傷元密度，從而明顯提高EFP的毀傷能力和毀傷效能。

2)沿彈的中心位置設(shè)置直線多點(diǎn)同步起爆裝置，可實(shí)現(xiàn)用一個(gè)引信同步起爆多層周向MEFP戰(zhàn)斗部。

3)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得各起爆點(diǎn)實(shí)際起爆中心位置，保證MEFP起爆性能；通過(guò)控制導(dǎo)爆索的爆速誤差，提高各起爆點(diǎn)的同步起爆性能，同步起爆起爆時(shí)間偏差小于1.9 μs。

4)采用(n+1)個(gè)起爆點(diǎn)徑向起爆n層MEFP戰(zhàn)斗部，可利用爆轟疊加效應(yīng)有效增強(qiáng)EFP威力，同時(shí)可控制MEFP飛散帶寬，提高彈藥對(duì)目標(biāo)的命中概率，顯著提升彈藥作戰(zhàn)效能。