杜金益，何 勇，郭 磊，何 源，王傳婷，汪 恒

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

1 引言

隨著鉆地彈制導(dǎo)精度的提高和侵徹能力的增強(qiáng)，其在戰(zhàn)場上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。為了對抗此類大型重甲制導(dǎo)彈藥，保護(hù)我方重要的目標(biāo)與設(shè)施，需要在保護(hù)點(diǎn)附近布置陸基抑或?；臄r截系統(tǒng)。目前，新型彈藥的攔截手段主要有破片攔截、動能桿攔截、多EFP攔截等。其中破片作為最常規(guī)的攔截戰(zhàn)斗部毀傷元得到了普遍應(yīng)用，依靠殺爆戰(zhàn)斗部在爆炸作用下產(chǎn)生的高速破片場，加上爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物作為副毀傷元對目標(biāo)彈進(jìn)行侵徹、點(diǎn)燃甚至引爆，但是無法對付大壁厚彈藥造成威脅；動能桿是指高密度(鎢等重金屬材料)、大質(zhì)量的金屬桿，將其作為毀傷元，借助與目標(biāo)彈之間的巨大相對速度來獲得充足的動能，從而穿透大壁厚防護(hù)層完成對目標(biāo)彈的攔截摧毀，但是但對于空中彈幕交匯條件要求苛刻，美國非常熱衷于定向動能桿戰(zhàn)斗部的研究；多EFP戰(zhàn)斗部屬于展開式定向戰(zhàn)斗部，展開式定向戰(zhàn)斗部在識別目標(biāo)方位后將戰(zhàn)斗部展開，展開完成后所有的毀傷元打擊方向都面向目標(biāo)，然后毀傷元在主裝藥驅(qū)動下向目標(biāo)飛散，起到定向殺傷作用；多EFP戰(zhàn)斗部是其中攔截效率與毀傷強(qiáng)度兼具的佼佼者，其大致分為2種類型。一種是在戰(zhàn)斗部的端部軸向布置多個(gè)藥型罩，針對這種結(jié)構(gòu)模式，趙長嘯等研究了藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)和起爆方式對于彈丸成型的影響，初步得到了最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)論；另一種則是沿著戰(zhàn)斗部側(cè)面周向排列多個(gè)藥型罩，例如李鵬等設(shè)計(jì)了一種偏心起爆多EFP戰(zhàn)斗部，并研究表明兩點(diǎn)偏心起爆對于提高周向多EFP戰(zhàn)斗部的毀傷效能十分有效。

將線性EFP與攔截彈相結(jié)合，用展開式戰(zhàn)斗部的方式對線性EFP取長補(bǔ)短，使得其能夠成為攔截彈對抗大壁厚靶目標(biāo)的高效毀傷元。本文中提出了一種展開式戰(zhàn)斗部具有毀傷范圍大、侵徹能力強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合上引戰(zhàn)配合還具有定向毀傷的能力，可以將毀傷元更為集中地發(fā)散開來，能夠?qū)椝幍臍苓\(yùn)用得盡可能充分。本文中利用有限元軟件AUTODYN開展了EFP成型過程及攔截毀傷威力計(jì)算，分析了不同壁厚鋼板、不同類型靶后炸藥和緩沖層對于作用威力的影響，通過展開式戰(zhàn)斗部的方式將線性EFP作為攔截彈的毀傷元，既解決了傳統(tǒng)線性EFP裝藥形狀與成型尺寸難以協(xié)調(diào)普及的問題，也使得攔截彈的毀傷攔截效果得到了穩(wěn)定成型、高速打擊、定向毀傷的加持。

2 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

本展開式攔截戰(zhàn)斗部是由一根中心柱和3支展開瓣組成的傘狀展開結(jié)構(gòu)，在膛內(nèi)時(shí)候，瓣體與中心柱貼合，為“閉合”狀態(tài)，如圖1所示。利用定心部和彈帶保證彈丸在膛內(nèi)的正確運(yùn)動，當(dāng)?shù)孛胬走_(dá)探測到目標(biāo)時(shí)，火炮發(fā)射彈丸出炮口飛向目標(biāo)，彈丸滿足動態(tài)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定條件，當(dāng)彈丸到達(dá)有效作用區(qū)域，引信作用，瓣體展開沿著彈底附近軸展開，如圖2所示。當(dāng)展開到規(guī)定的角度時(shí)候，引爆3個(gè)獨(dú)立瓣體，如圖3所示。各獨(dú)立瓣體分別產(chǎn)生爆炸驅(qū)動彈丸(EFP)毀傷元，飛向目標(biāo)產(chǎn)生作用。

圖1 戰(zhàn)斗部閉合狀態(tài)示意圖

圖2 戰(zhàn)斗部展開狀態(tài)示意圖

圖3 戰(zhàn)斗部單獨(dú)瓣體示意圖

針對該類展開式戰(zhàn)斗部，為避免膛內(nèi)高過載和展開過程對彈體飛行產(chǎn)生的擾動，已有相應(yīng)國防專利提出可以采用機(jī)械力預(yù)緊配合電磁鐵觸發(fā)的方式，使得展開機(jī)構(gòu)盡可能地簡單，在高負(fù)載環(huán)境下足夠可靠，并減少其在展開過程中對于彈體姿態(tài)的干擾。本戰(zhàn)斗部將多枚線性EFP作為攔截靶目標(biāo)的毀傷元有機(jī)地結(jié)合到一起，在解決了傳統(tǒng)線性EFP裝藥形狀與成型尺寸難以協(xié)調(diào)普及問題的同時(shí)，也兼顧了攔截面積和攔截效率。

3 EFP成型過程仿真

由于該戰(zhàn)斗部在膛內(nèi)閉合狀態(tài)為半徑40～60 mm的圓筒，在出膛后以中心柱為軸分為3支瓣體傘狀徑向展開，又三瓣結(jié)構(gòu)相同，起爆方式為中心線起爆，因此可以將EFP成型過程簡化為單支瓣體二維問題進(jìn)行仿真研究。利用AUTODYN軟件，分為空氣(AIR)鋁制殼體(ALUMINUM)裝藥(HMX)高透無氧銅藥型罩(CU-OFHC)幾大部分，如表1表2設(shè)定材料參數(shù)后建模如圖4所示。整體采用歐拉網(wǎng)格(EULER)，設(shè)定邊界流出條件(FLOW OUT)，并設(shè)定中心點(diǎn)起爆。

表1 仿真材料參數(shù)

表2 藥形罩尺寸

圖4 線性EFP成型仿真建模型示意圖

線性EFP成型仿真截面隨時(shí)間變化如圖5所示。120 μs時(shí)彈丸形態(tài)幾乎不再變化，故取其為最終結(jié)果。長度約為30 mm,半徑約為8.5 mm，速度約為1 500 m/s。

圖5 線性EFP成型過程示意圖

4 EFP對等效目標(biāo)靶作用過程仿真

國外相關(guān)深鉆地戰(zhàn)斗部的壁厚參數(shù)如表3所示。

表3 典型靶目標(biāo)壁厚相關(guān)參數(shù)

利用AUTODYN軟件對上文成型的彈頭與下文建模的靶板進(jìn)行流固耦合，設(shè)定材料侵蝕參數(shù)后建模如圖6所示。

圖6 線性EFP著靶仿真建模示意圖

靶板整體采用拉格朗日網(wǎng)格(LAGRANGE)，在50 mm厚的鋼板(STEEL 1006)后方放置TNT炸藥(TNTCASTJJ1)模擬靶目標(biāo)彈，對靶板應(yīng)用TRANSMIT邊界條件模擬為半無限靶。為了更好地得到仿真結(jié)果參數(shù)，在靶后TNT炸藥沿中心軸等距放置了4個(gè)觀測點(diǎn)以監(jiān)視起爆過程，檢驗(yàn)攔截彈頭是否對靶目標(biāo)彈造成干擾，致使其提前觸發(fā)影響作戰(zhàn)效能。

在圖7可以看到靶后炸藥在EFP作用下的完整沖擊起爆過程：在140 μs時(shí)，彈丸對鋼質(zhì)靶板進(jìn)行開坑并持續(xù)侵徹，沖擊波向著靶后炸藥傳去；到150 μs時(shí)，靶后炸藥已受到明顯沖擊波作用；到160 μs時(shí)，靶后炸藥在沖擊波的作用下能量堆疊至起爆閾值，發(fā)生沖擊起爆；到170 μs時(shí)，靶后炸藥由于起爆發(fā)生明顯形變，并可以觀測到靶后炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波傳到鋼質(zhì)靶板中，表明起爆成功。

結(jié)合在TNT炸藥中并排設(shè)置的4個(gè)Gauge點(diǎn)，其壓力曲線如圖8所示，內(nèi)能曲線如圖9所示?？梢愿逦赜^測到靶板后方的TNT炸藥先是在線性EFP的沖擊下受壓內(nèi)能積攢至臨界點(diǎn)從而出現(xiàn)一個(gè)小的上升沿，接著有一個(gè)明顯的沖擊起爆迅速放能曲線，這說明本戰(zhàn)斗部確實(shí)對目標(biāo)彈藥實(shí)現(xiàn)了攔截干擾性質(zhì)的沖擊起爆。

圖7 對于50 mm鋼板(左)靶后TNT炸藥(右) 作用仿真云圖

圖8 TNT炸藥壓力曲線

圖9 TNT炸藥內(nèi)能曲線

5 EFP對于靶后炸藥作用的影響規(guī)律

仿真設(shè)置了30 mm、50 mm、70 mm共3組不同壁厚的目標(biāo)靶進(jìn)行對照，從內(nèi)能曲線的迅速放能如圖10所示可以得知，3組目標(biāo)靶均被成功攔截沖擊起爆。將3組曲線進(jìn)行對比，主要區(qū)別在于下降沿前的內(nèi)能積攢階段，30 mm組曲線以最快的速度到達(dá)起爆內(nèi)能臨界點(diǎn)，150 μs時(shí)已處于整條內(nèi)能曲線上升沿的頂點(diǎn)，而越厚的靶板其到達(dá)臨界點(diǎn)的曲線就越平緩，歷時(shí)越長。在70 mm組的曲線中整個(gè)上升沿已經(jīng)顯得十分趨平，這就意味著同樣的EFP彈丸對于再厚一些的靶目標(biāo)可能就難以使其積攢內(nèi)能至臨界點(diǎn)觸發(fā)沖擊起爆。

因?yàn)檎ㄋ幾陨淼男再|(zhì)差異，其受沖擊起爆的內(nèi)能曲線與壓力曲線也有所不同如圖11所示，TNT在機(jī)械沖擊感度上低于B炸藥，故其在內(nèi)能積攢階段的上升沿就更平緩；同時(shí)又因?yàn)锽炸藥的威力和猛度高于TNT，所以在放能階段的下降沿會顯得更為劇烈更為波動。故可嘗試得出結(jié)論炸藥的感度差異會體現(xiàn)在能量積攢階段上升沿，炸藥的威力猛度差異會體現(xiàn)在放能階段下降沿。

圖10 3種壁厚靶后炸藥內(nèi)能曲線(左)與壓力曲線(右)

圖11 2種靶后炸藥內(nèi)能曲線(左)與壓力曲線(右)

緩沖層結(jié)構(gòu)對于沖擊起爆的影響十分大，在圖12中給出了對于30 mm鋼板加5 mm橡膠緩沖層的靶后TNT炸藥作用仿真過程，我們可以看出最后TNT炸藥得以實(shí)現(xiàn)沖擊起爆，于是進(jìn)行了加厚橡膠緩沖層的對照仿真得到了圖13中的4組內(nèi)能壓力曲線，從中可以看出，無橡膠、5 mm橡膠、10 mm橡膠都能通過能量積攢階段使上升沿達(dá)到起爆閾值，然后出現(xiàn)明顯的放能階段下降沿，這表明這幾種緩沖層設(shè)置都順利沖擊起爆，但是隨著繼續(xù)增厚橡膠緩沖層，到20 mm厚時(shí)發(fā)現(xiàn)橡膠緩沖層會導(dǎo)致靶后炸藥在內(nèi)能積攢上升過程出現(xiàn)平臺段，在此期間彈頭侵徹打擊消耗的能量被緩沖層稀釋振蕩發(fā)散出去，無法轉(zhuǎn)化為靶后炸藥的內(nèi)能，致使最后的能量積攢不足以抵達(dá)炸藥的起爆臨界點(diǎn)，未能實(shí)現(xiàn)沖擊起爆。與前文仿真圖像進(jìn)行比較，一定厚度的緩沖層比起加厚同等厚度的鋼板更能降低沖擊起爆的可能性。

圖12 對于30 mm鋼板加5 mm橡膠(左)靶后TNT炸藥(右)作用仿真云圖

圖13 4種緩沖層對照仿真內(nèi)能曲線(左)與壓力曲線(右)

6 結(jié)論

1) 所設(shè)計(jì)的反大壁厚鉆地彈展開式攔截戰(zhàn)斗部運(yùn)用多EFP作為毀傷元，成型結(jié)構(gòu)與速度俱佳，能夠?qū)?0 mm厚鋼板靶后TNT炸藥造成沖擊起爆。

2) 靶板厚度增加會使得靶后炸藥內(nèi)能積攢至起爆臨界點(diǎn)的速度減緩直至不足以起爆；對于TNT和B炸藥2種不同類型的靶后炸藥EFP都能以相同的方式進(jìn)行沖擊起爆，充能與放能的速率取決于炸藥本身的化學(xué)性質(zhì)；緩沖層對于沖擊起爆的影響很大，能夠在靶后炸藥積攢內(nèi)能的過程中通過彈性材料吸收沖擊能量并振蕩發(fā)散出去造成在內(nèi)能上升過程出現(xiàn)平臺段，使靶后炸藥受EFP作用的影響與沖擊起爆的可能性降低。