一种组合药型罩聚能战斗部

周方毅, 詹发民, 姜 涛, 张可玉



一种组合药型罩聚能战斗部

周方毅1,2, 詹发民1, 姜 涛1, 张可玉1

(1. 海军潜艇学院 防险救生系, 山东 青岛, 266042; 2. 海军航空工程学院 兵器科学与技术系, 山东 烟台, 264011)

现随着现代舰船抗爆炸冲击能力的日趋增强, 必须大幅提高鱼雷战斗部威力才能有效打击敌方舰船, 为此设想了一种组合药型罩聚能战斗部应用于新型鱼雷。设计了聚能战斗部的结构, 分析了其作用机理, 利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行了数值仿真计算, 得到了其侵彻单层靶板的应力云图。仿真结果表明, 该组合药型罩战斗部能利用前级聚能射流为后续爆炸成型射弹(EFP)弹丸随进破坏提供运动空间, 对目标的破坏效应明显强于普通聚能战斗部。该研究结果可为新型高效鱼雷战斗部设计提供参考。

鱼雷; 聚能战斗部; 药型罩; 爆炸成型射弹

0 引言

随着防护技术的不断发展, 现代舰船的抗爆炸冲击能力日益增强。主要体现在舰艇采用高强度合金钢作为壳体、以及采用双层壳体或者复合结构。因此, 普通的爆破型鱼雷战斗部很难对这些目标造成毁灭性打击[1-2]。所以, 提高新型鱼雷战斗部的破坏威力是鱼雷战斗部发展的必然趋势。聚能装药因爆炸能量相对一个方向集中, 使破坏效果极大提高。对于聚能装药鱼雷战斗部, 为了充分利用装药能量, 提高化学能量转化为有效动能的转化率, 需进行合理的药型罩结构设计, 才能获得质量大、阻力小、速度高且贯穿能力强的爆炸成型弹丸(explosively formed projectile, EFP)[3-4]。

基于此, 本文对一种组合药型罩聚能战斗部进行了研究, 并设想将其应用于鱼雷战斗部, 通过改善药型罩结构设计, 改进爆炸成形战斗部技术, 以增强鱼雷战斗部的威力。

1　聚能战斗部结构设计及原理

设想的聚能战斗部主要由起爆装置、传爆药柱、主装药、组合药型罩及空腔等组成, 其结构见图1。其中, 组合药型罩由锥形罩与球缺罩复合而成。空腔主要为装药提供炸高, 提高其破坏效能，但受鱼雷尺寸及结构限制, 无法预留这一空间。因此实际可利用导引头所占位置作为炸高。

1-起爆装置 2-传爆药柱 3-主装药 4-组合药型罩 5-空腔

该聚能战斗部将普通药型罩改为组合药型罩, 分别由后续主药型罩(球缺罩)和前级副药型罩(锥形罩)组成。其中, 前级副药型罩主要为形成金属射流对目标进行开孔作业, 后续主药型罩用于形成EFP弹丸破坏目标。

作用原理是，当鱼雷引信动作后, 首先引爆传爆药柱, 然后使主装药爆轰。前级药型罩在炸药爆炸作用下, 产生压垮运动, 其上部形成的高速射流首先完成对目标的穿孔破坏作业。随之, 前级药型罩底部在压合作用下与后续主药型罩碰撞复合形成EFP弹丸。低速弹丸在射流拉动下快速成形并加速, 完成对目标的二次侵彻作用[5]。由于前级副药型罩的作用能够为后续EFP弹丸随进破坏提供运动空间, 可减少穿孔能量损耗, 提高装药的利用率, 因此有利于对目标的破坏。

2 数值计算模型

2.1 计算模型

根据设计方案, 建立了聚能战斗部水中接触爆炸单层靶板的力学物理模型，如图2所示, 采用cm-g-μs单位制。由于模型为轴对称, 为减小计算量, 建模时取四分之一模型。模型中, 炸药采用B炸药, 装药直径30 cm，装药高度40 cm，组合药型罩材料为紫铜, 锥形罩厚度0.2 cm, 半锥角20°, 罩高6 cm, 球缺罩厚度0.4 cm, 罩高6.2 cm, 结构示意见图3。炸高(空气部分)取30 cm; 靶板材料为钢, 形状为圆板, 计算时靶板直径取100 cm, 厚度取4 cm[6]。

利用大型有限元程序(ANSYS LS-DYNA)中的SOLID164六面体单元分别对炸药、药型罩、靶板、水及空气进行网格划分。其中, 炸药、药型罩、水和空气均采用欧拉网格划分, 单元使用多物质ALE算法, 靶板采用拉格朗日网格划分, 且靶板与炸药、水之间采用耦合算法[7]。

1-水 2-炸药 3-组合药型罩 4-空气 5-靶板

图3 组合药型罩示意图

2.2 材料参数

1) 炸药选用炸药, 密度为1.724 g/cm3, 爆速8 080 m/s。炸药爆轰产物的状态方程采用JWL（Jones-Wilkins-Lee）方程

式中:为爆轰产物的压力;是相对体积;是单位体积炸药内能;,,1,2,分别为JWL状态方程常数。

2) 水的密度取1.025 g/cm3。水冲击压缩时, 采用GRUNEISEN状态方程

水膨胀过程状态方程为

3) 空气密度取0.0012 5 g/cm3。采用LSDYN- A3D程序中的NULL材料模型。状态方程采用气体状态方程模拟

式中:2为气体压力;为气体绝热指数;为密度;0为初始密度;0为气体体积比内能。

4) 药型罩材料为紫铜, 密度为8.96 g/cm3, 剪切模量47.7 Gpa, 泊松比0.34; 靶板采用合金钢, 密度为7.83 g/cm3, 杨氏模量为210 GPa, 泊松比0.28。药型罩和靶板均采用JohnsonCook本构方程

2.3 仿真结果

根据前述定义的物理模型及有限元网格划分, 利用大型有限元程序(ANSYS LS-DYNA)计算, 可得到该聚能战斗部水中接触爆炸单层靶板的数值仿真结果, 见图4和图5。

图4为166 us时聚能战斗部中圆锥药型罩所形成的金属射流穿透金属靶板的应力分布图, 此时穿孔直径约为6 cm。图5为800 us时聚能战斗部中球缺药型罩所形成的EFP弹丸侵彻金属靶板的应力分布图, 其穿孔直径约为29 cm。当靶板直径都取300 cm时, 计算结果基本相近。

保持装药直径及装药高度不变, 改变圆锥与球缺药型罩尺寸进行数值仿真计算, 结果表明, 该聚能战斗部均能有效穿透4 cm厚金属靶板, 并在靶板上形成直径约20~60 cm等大小的孔洞。

图4 射流穿透靶板应力分布及孔深剖面图

图5 EFP弹丸侵彻靶板应力分布及孔深剖面图

将靶板厚度增加至8 cm及12 cm, 数值仿真结果表明，当组合药型罩参数设置合理时, 该战斗部能轻易穿透12 cm厚的靶板, 且靶板正面穿孔直径最大能达60 cm, 背面穿孔直径能达25 cm。

为对比该战斗部与普通聚能战斗部对靶板的侵彻效果, 取与前述药型罩尺寸相同的单球缺罩对4 cm靶板进行数值计算, 见图6, 其穿孔直径约为25 cm。可见, 同等条件下组合型战斗部对目标的穿孔破坏效果强于单球缺罩的聚能战斗部。

从圆锥罩顶角处沿射流路径选取671, 6 771, 6 869, 16 497这4个节点, 得到其射流速度曲线(见图7)。数值仿真结果表明, 射流最大速度超过6 000 m/s, 当射流从空气中穿透4 cm厚靶板进入水中后, 速度迅速下降至3 000 m/s左右, 并很快衰减。

图6 单EFP弹丸侵彻靶板应力分布图

图7 射流速度曲线图

进一步计算表明, 当该战斗部距离靶板1 m处爆炸时, 仍能穿透对4 cm厚的靶板, 并呈花瓣形破坏效果, 如图8所示; 但是当药型罩为球缺罩时, 仅能使靶板变形, 未能形成穿孔, 如图9所示。可见, 射流能在水中开辟通道, 有利于减小后续弹丸的运动阻力, 增强对靶板的破坏能力。

图8 组合药型罩战斗部距靶板1 m爆炸效果图

通过分析数值仿真结果可知, 起爆45 us左右, 锥形罩开始形成金属射流高速冲向靶板, 将对其进行穿孔破坏; 然后, 球缺罩形成翻转弹丸紧随其后, 对靶板进行二次破坏。这种组合式的药型罩形式兼具锥形罩和球缺罩两种药型罩的特点, 既能形成金属射流, 又能产生翻转弹丸, 使成型侵彻体质量增大、速度加快, 形成了高速的杆式射流, 非常有利于破坏目标[8]。据此分析可知, 该药型罩的设计有利于对含水夹层靶板的侵彻。

图9 球缺药型罩战斗部距靶板1 m爆炸效果图

3 结束语

本文设想了一种新型高效聚能战斗部, 并建立了其水中爆炸的力学物理模型, 利用大型有限元软件LS-DYNA进行数值仿真计算, 得出了其应力分布和速度曲线。研究结果表明，该结构产生的聚能射流能为后续EFP弹丸随进破坏提供运动空间, 增强了对目标的破坏效应。下一步应开展通过大量的数值仿真和试验研究, 对圆锥、球缺组合罩聚能战斗部展开结构优化设计, 为高效聚能战斗部结构设计提供理论和试验支持, 并展开该战斗部在鱼雷上的实际应用研究。因此, 研究该药型罩在鱼雷战斗部上的应用, 对于有效毁伤双壳体结构潜艇具有重要的参考价值和借鉴意义。

[1] 姜涛, 张可玉, 詹发民．一种新型鱼雷战斗部的设想[J].鱼雷技术, 2006, 14(1): 54-56. Jiang Tao, Zhang Ke-yu, Zhan Fa-min. An Idea about New Torpedo Warhead[J]. Torpedo Technology, 2006, 14(1): 54-56.

[2] 齐子凤．提高深水炸弹战斗部威力的途径探讨[J]. 水雷战与舰船防护, 2002, 10(2): 35-37.

Qi Zi-feng. Discuss on the Way of Improving the Warhead Power of Depth Charge[J]. Mine War and Defense of Warship, 2002, 10(2): 35-37.

[3] 步相东. 鱼雷聚能战斗部新型起爆技术研究[J]. 鱼雷技 术, 2003, 11(3): 25-27. Bu Xiang-dong. A Study of the New Type Initiation for the Shaped Charge of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(3): 25-27.

[4] 王团盟, 向春. 鱼雷聚能战斗部EFP侵彻潜艇结构模拟靶数值模拟[J]. 鱼雷技术, 2008, 16(1): 44-47. Wang Tuan-meng, Xiang Chun. Numerical Simulation of Penetrating Simulant Targets of Submarine Stuctures by Explosively Formed Projectile of Torpedo Shaped Charge Warhead[J]. Torpedo Technology, 2008, 16(1): 44-47.

[5] 安二峰, 杨军, 陈鹏万. 一种新型聚能战斗部[J]. 爆炸与冲击, 2004, 24(6): 546-552. An Er-feng, Yang Jun, Chen Peng-wan. Study on a New Shaped Charge arhead[J]. Explosion and Shock Waves, 2004, 24(6): 546-552.

[6] 熊瑞红, 袁志华, 王昭明. 球缺形药型罩形成EFP的数值模拟及其优化设计[J]. 沈阳理工大学学报, 2010, 29(4): 19-22. Xiong Rui-hong, Yuan Zhi-2hua, Wang Zhao-ming. The Numerical Simulation of the Spherical Segment Liner Forming the EFP and Its Optimization Design[J]. Journal of Shen-yang Science and Technology University, 2010, 29(4): 19-22.

[7] 时党勇, 李裕春, 张胜民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1 进行显式动力分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[8] 何洋扬, 龙源, 张朋军等. 圆锥、球缺组合式战斗部空气中成型技术数值模拟研究[J]. 火工品, 2008, (4): 33-37. He Yang-yang, Long Yuan, Zhang Peng-jun, et al. Simulation Study on Formation Mechanism of Tapered & Spherical Group Liner Warhead[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2008, (4): 33-37.

An Idea about Shaped Charge Warhead with Combined Charge Liner for Torpedo

ZHOU Fang-yi1,2, ZHAN Fa-min1, JIANG Tao1, ZHANG Ke-yu1

(1. Department of Rescue and Salvage, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, China; 2. Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264011, China)

To increase the power of torpedo warhead, an idea about shaped charge warhead with combined charge liner is proposed. The structure of warhead is designed, its working mechanism is analyzed, and numerical simulation is performed with the finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA to obtain the stress field distribution in the monolayer target, which is penetrated by the warhead. Simulation result shows that the warhead with combined charge liner can provide movement space by making use of former shaped charge jet for latter explosively formed projectile (EFP), which leads to higher destructive effect to target than a normal warhead does.

torpedo；shaped charge warhead；charge liner；explosively formed projectile (EFP)

TJ630; TJ760.31

A

1673-1948(2012)05-0380-04

2012-01-18;

2012-03-28.

周方毅(1978－), 男, 讲师, 在读博士，主要从事水下爆破理论与实践的研究.

(责任编辑: 杨力军)