水下聚能爆破技术研究

周迪锋，唐 娟，赖建云

(中船重工第七一○研究所，湖北 宜昌 443000)

现代水下兵器为了增强自身生命力，加强了自身防护性能。有的采取了减震结构设计，如采用双壳体设计，以提高抗冲击性能;同时不敏感主装药使目标更难被摧毁。采用爆破型战斗部，靠装药爆轰波形成水中冲击波能和气泡能毁伤目标，其能量利用率较低，毁伤效能随弹/目距离增加而显著下降［1］。

为快速可靠地处理作战目标，可使用小型的水下聚能爆破装置，将其固定在目标壳体，通过聚能战斗部产生的高速射流来处理水下目标。

1 水下聚能爆破技术原理

水下聚能爆破技术是指将爆炸所产生的能量定向攻击目标的技术。在该方向的射弹能量比常规爆炸装药提高许多，可击穿单层厚壳和带夹水层的壳体目标。

聚能装药的主要作用机理是通过炸药爆炸时产生的冲击波和爆轰产物迅速压垮药型罩，使得金属罩向中心轴方向运动会聚，最后碰撞产生高速射流［2-3］。金属射流的高速度和大密度使得其具有很强的侵彻能力。

聚能装药攻击水中目标时，由于目标周围环绕有一定厚度的水(这一厚度取决于目标及目标离爆炸中心的距离)，形成聚能流的动能在水介质中形成空腔时被消耗了，这样减弱了对目标的毁伤效果。本文采用数值模拟和工程试验的方法来研究聚能装药形成和在水介质中的运动，以及不同炸高下聚能装药破坏水下目标的情况。聚能装置结构见图1。

图1 聚能装置结构

2 水下聚能爆破的数值模拟

2.1 数值模拟方法

聚能装药在水中爆炸形成和金属射流侵彻靶板是流体一固体耦合问题。利用非线性动力有限元软件LS-DYNA，使用欧拉-拉格朗日耦合算法，对聚能装药水下作用行为进行数值模拟［4］。为提高计算效率，当聚能射流形成以后删除壳体材料，装药为B炸药，口径为100 mm，钢质壳体为3 mm，药型罩为紫铜，采用圆锥罩，水层为200 mm。壳体和靶板采用拉格朗日方法，二者通过流固耦合算法作用。爆炸作用系统关于xyz轴对称，为提高计算效率，建1/4模型。在模型外表面采用压力透射边界，使能量在模型外表面传递出去。在对称边界上施加对称约束［5］，具体结构如图2所示。

图2 试验装置及模拟目标

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 射流成形过程数值模拟

如图3所示，炸药爆轰波驱动圆顶锥形罩微元向轴线压垮运动形成射流，在轴线处碰撞时，罩壁内速度极高形成射流，而外壁部分速度较低，形成杵体。在25 μm，罩锥顶开始闭合出现射流;到40 μm形成完整的射流，头部速度6934.81 m/s，杵体的最低速度为951.73 m/s。射流的直径随其延伸而减小，形成的射流又细又长。

射流从第70 μm开始进入水介质中，射流在向前运动过程中形成空腔，细长的射流形成的空腔直径远小于杵体直径，致使杵体对水介质进行侵彻，使水介质第2次形成空腔，这样射流能量在水介质中消耗过大，侵彻出水箱后，射流的后效作用变小。

图3 锥角药型罩的成形过程

2.2.2 锥角药型罩射流在水介质中速度变化

在水介质中每隔10 mm处取1点，记录射流经过每点时速度随时间的变化规律，如图4所示。从图4中可以看出，由众多的速度曲线组成了5条明显线迹。

图4中:AB是射流头部在水介质中的速度变化曲线。速度降最大，射流头部在70 μm开始侵彻水面，在230 μm侵出水介质。CD是射流段在水介质中的速度变化曲线。射流段在170 μm进入水介质，在220 μm有速度降趋势，这是因为(见图3)小锥角药型罩形成的射流又细又长，这段时间内射流头部在水介质中形成的空腔直径也很小，其后射流段的直径就大于空腔直径，这段射流的侧面也与水介质侵彻作用，从而引起速度降低。过后射流头部穿出水介质，空腔四周的水介质在惯性作用下继续对外扩展，使得射流段的直径小于形成空腔的直径，从而使射流段在水介质中保持低阻运动。EF段显示了射流段与杵体间在460～660 μm时间内射流在水介质的速度变化情况。GH是杵体断裂出的前段杵体在210～920 μm时间内射流在水介质中的速度变化曲线。从图3可以看出，在射流对水介质侵彻形成的空腔直径小于前端杵体直径时，前段杵体只能再次对水介质侵彻分流和气化形成更大的空腔，从而在水介质中受到水介质的阻力，其速度成线性衰减。IJ是杵体断裂出的后段杵体在240～1050 μm内在水介质中的速度变化曲线。从图3可以看到，后段杵体在前段杵体于水介质形成的空腔中保持高速低阻运动。在530 μm前两杵体距离逐渐拉开，在530 μm时二者的距离最大，在此之后二者的距离又减小。

图4 射流在水介质各点处的速度与时间关系

2.2.3 射流侵彻靶板图

如图5所示，侵彻出水介质的射流，由于直径较小，对靶板侵彻穿孔直径也小。杵体对靶板的侵彻中，前杵体由于在水介质中受阻，速度低于500 m/s，靶板强度的作用愈来愈明显，杵体只是对靶板进行扩空，虽然后杵体在1000 m/s左右，但所占质量比例小，且在前杵体的阻碍下，对间隔靶板侵彻不明显，在1500 μm终止侵彻，射流残渣堆积在孔底之间。

3 水下聚能爆炸试验

根据模拟数值的分析结果，进行了聚能爆破装置的设计和加工，并进行了水下作用威力验证试验。根据要求，加工了3套试验装置。在3种不同炸高情况下，进行了聚能爆破试验。模拟试验与工程试验结果数据如表1所示。从表1中数值模拟与试验结果可以看出，二者比较一致，射流在水下侵彻目标时对炸高比较敏感，炸高过高或者过低，破甲威力都会明显下降。当炸高为装药口径的1.5倍左右时，金属射流在水下对目标的毁伤效果最佳。

表1 数值模拟与工程试验结果比较

图5 射流侵彻靶板

4 结束语

采用有限元软件LS-DYNA对单锥罩聚能装药的水下作用过程进行了仿真，直观描述了金属射流在水下运动过程中的现象。射流在水介质中运动时，速度下降比较快。同时利用工程手段进行了试验，射流侵彻靶板形成的孔径和深度满足工程要求。采用聚爆破技术能明显提高处理水中目标的能力，有着广阔的应用前景。这一技术的成功应用将提高处理目标的效率和可靠性，具有很强的生命力，应用前景光明。

［1］凌荣辉.聚能型鱼雷战斗部对潜艇目标毁伤研究［J］.弹道学报，2001(2)：23-27.

［2］何广沂.聚能爆破的研究与实践［C］//第七届工程爆破学术会议论文集.成都：中国力学学会，2001.

［3］齐子风.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(2)：35-3.

［4］ANSYS/LS-DYNA中国技术支持中心.ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法［M］.北京：北京理工大学，1999.

［5］孙业斌.爆炸作用与装药设计［M］.北京：国防工业出版社，1987.