战斗部轴向双环起爆数值仿真及试验研究

付 伟，栗保华，许碧英，尹俊婷，张子敏，李公法

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

导弹是现代战争中举足轻重作用的武器装备，导弹战斗部的毁伤威力不仅与战斗部的结构设计、装药类型有关，同时与战斗部装药的起爆方式及传爆序列的设计等有着相当重要的关系。目前实现爆轰波形控制的起爆方式主要是多点起爆网络[1-4]。在多点起爆网络中，根据起爆位置与战斗部的相对位置不同，主要分为端面起爆、轴心起爆和侧面起爆。端面起爆[5-6]和侧面起爆[7]由于结构易于实现，目前大多起爆网络采用这两种方法，例如温玉全[8]等人提出的刚性面同步起爆网络，主要是应用于战斗部装药的端面同步起爆。然而当战斗部长径比较大时，要想实现沿战斗部轴线方向的特定爆轰波形，只有通过在战斗部轴心位置处布设起爆点。

本文针对长径比较大，并且需控制沿轴线方向的爆轰波形，以满足战技指标要求的战斗部，提出了一种战斗部轴向双药环起爆网络（以下简称双环起爆网络），并通过数值模拟和试验，验证双环起爆网络对波形控制和毁伤威力的影响。

1 单、双环起爆战斗部仿真计算

战斗部作用的破片初速及压力分布等随其起爆方式不同有较大区别。本文就战斗部中轴线单、双环起爆方式下的爆轰特性分别计算，包括压力分布和破片初速。

1.1 计算方法

采用ANSYS/LS-DYNA软件进行仿真计算，计算方法采用三维多物质流固耦合MMALE算法。

1.2 计算模型及网格

该计算模型由前后端盖、壳体、破片、中心管、主装药和空气8部分组成。由于本模型为轴对称结构，取模型的一部分进行三维建模，并在对称面和其他边界设置相应的约束条件，计算模型及网格见图1。

该战斗部的前后端盖和壳体为钢，中心管为2A12硬铝。为了研究战斗部在两种起爆方式下的性能，设计了图1所示的两种战斗部结构，装药外层均分布有φ5mm和φ10mm两种尺寸的钢破片，分别采用轴向单环起爆和双环起爆，分别计算爆炸后某时刻的压力和破片分布，同时取图1中的A、B、C处（φ 5mm钢珠）及D、E、F处（φ10mm钢珠）一共6点分别进行破片初速计算。

图1 单、双环起爆战斗部计算模型Fig.1 Calculation model

根据分析，在破片初速数值仿真中，炸药采用JWL状态方程，空气采用线性多项式状态方程，金属材料采用塑性硬化模型。

1.3 仿真结果及分析

1.3.1 压力和破片的分布

图2～4为两种起爆方式下，爆轰波形分布和破片分布的对比图。可以看出，在两种起爆方式下，形成的压力分布和破片飞散形态有较大区别。

图2 20μs的等压线图Fig.2 Constant pressure line in 20μs

图3 125μs的等压线图Fig.3 Constant pressure line in 125μs

图4 190μs的等压线图Fig.4 Constant pressure line in 190μs

如图2，起爆20μs时，双环起爆相对单环起爆形成了两处起爆中心，此时两端的爆轰波还没有相交，起爆位置相对其他位置有较大的压差。由于爆轰波还没有传到破片，破片尚处于静止状态。如图3，125μs时，单环起爆的压力高峰一直沿着战斗部轴线向未起爆一端移动，形成一个轴线与战斗部轴线重合的圆锥形压力波。由于战斗部左端先起爆，从而使得左端的破片相对右端破片速度大，飞行距离远。而同一时刻下，双环起爆方式下形成了与战斗部轴线重合的圆柱形压力波，破片在这种爆轰波下，不同位置的破片飞行距离大致一样。如图 4，190μs时，情况与 125μs时类似，双环起爆形成的仍然是与战斗部轴线重合的圆柱形压力波，所不同的是压力区域扩大；单环起爆形成与战斗部轴线重合的圆锥形压力波，破片的飞散状态与125μs时类似。

1.3.2 爆炸后的破片初速计算

选取计算模型中6个点处的破片计算初速，单环起爆时两种破片的速度——时间曲线如图5～6所示。

图5 φ5mm钢珠单环起爆下v——t曲线Fig.5 The velocity vs time curve ofφ5mm steel ball in one ring initiation

图6 φ10mm钢珠单环起爆下v——t曲线Fig.6 The velocity vs time curve ofφ10mm steel ball in double-ring initiation

由图5～6可见，在单环起爆下，250μs时两种破片的速度均已稳定并达到最大。双环起爆下两种破片的v——t曲线形状与图5～6类似，但两种起爆方式下的破片初速不同，具体仿真结果见表1。由表1可见，与单环起爆相比，双环起爆时，大、小破片初速分别提高了10.7%、3.8%，即大破片相对小破片，双环起爆方式下破片初速提高较大。

表1 不同破片初速仿真结果Tab.1 Simulation results of fragments’ initial velocity

1.3.3 计算结果分析

从仿真结果可以看出两种起爆方式的战斗部作用有几点不同：（1）相对于单环起爆，战斗部中轴线双环起爆时破片的初速较高。战斗部破片初速是战斗部设计中的一个重要威力参数，可以看出战斗部中轴线双环起爆方式相对较优；（2）单环起爆时，压力峰值点一直沿轴线向未起爆端移动，形成与战斗部轴线重合的圆锥形压力波；双环起爆时，可以形成与战斗部轴线重合的圆柱形压力波。因此，当战斗部长径比较大时，可以设计多个起爆环，通过多环起爆网络来实现战斗部爆轰波形的控制；（3）破片飞散形态与压力分布有着直接的关系，双环起爆时形成与战斗部轴线重合的圆柱形压力波，此时的破片也形成了前后端无差异的、与战斗部轴线重合的圆柱形分布。

2 双环起爆网络

通过仿真结果可知，双环起爆相对单环起爆在破片初速、爆轰波形控制等方面有一定的优势，本文设计了一种实用的战斗部轴向双环起爆网络。

2.1 双环起爆网络的设计要求

根据战斗部的起爆需求，提出了双环起爆网络的设计要求：（1）结构紧凑、占用体积小。由于战斗部结构尺寸有限，要提高毁伤威力，需在有限的结构中尽量提高炸药的装填比，这就要求设计的起爆网络结构紧凑、占用尽可能小的体积；（2）起爆网络要安全可靠。双环起爆用传爆网络要满足一点输入双环输出来满足起爆战斗部的要求，其中传爆和隔爆的可靠性至关重要[9]，即要求传爆可靠，且爆轰波沿着传爆线路传递时不能发生窜火、熄爆等现象；隔爆方面，要求爆轰波传递时保证战斗部主装药安全；（3）起爆网络的装配匹配性要求。出于安全的考虑，起爆网络是最后才装配到战斗部中去的，其装配的难易程度很大程度影响着战斗部的总装使用过程，因此，要求设计的起爆网络应形成一个独立元件，并与战斗部结构具有良好的匹配性。

本文设计的战斗部中心管双环起爆网络装配简图如图7所示，在与战斗部装配时，先将起爆药环与网络装配成一体，然后将该部件插入战斗部中心管。通过端盖与网络头尾相连实现轴向固定，防止轴向窜动，且有必要的调节量。径向固定靠网络与中心管的公差配合实现，起爆药环不承受径向力。使用时，通过在起爆网络一端预留的孔中装配雷管或引信机构，即可实现“一入两出”的双环起爆功能。

图7 双环起爆网络装配简图Fig.7 Assemble sketch of the double-ring initiation circuit

2.2 双环起爆网络的传爆试验

用加工的双环起爆网络元件（如图8所示），进行双环起爆网络的传爆试验，在每个起爆环位置下方放置见证钢板，试验结果如图9所示，起爆环下方的两块见证板上都有爆轰输出作用下清晰可见的凹坑，证明起爆网络从输入端的雷管到输出端起爆环可靠作用，起爆网络传爆可靠。

图8 双环起爆网络的传爆试验Fig.8 Initiation experiment of the double-ring circuit

图9 传爆试验结果Fig.9 Initiation experiment result

3 战斗部双环起爆试验

3.1 战斗部双环起爆试验布置

将双环起爆网络元件装入与之匹配的战斗部样弹，按预制破片战斗部静爆试验常规方法布置试验现场（如图10所示），在距离爆心40m圆弧处布置5个测速靶，位置如图11所示。

图10 双环起爆战斗部现场布局Fig.10 Testing ground of warhead with the double-ring initiation

3.2 试验结果及分析

试验后根据实测的 40m处破片速度，通过破片速度随距离衰减计算公式[10]可得破片的初速，见表2。

表2 破片初速Tab.2 Experimental results of fragments’ initial velocity

由表 2可知，φ5mm破片初速的试验均值为 2 652.4 m/s，与仿真数据2 760.6m/s相差3.9%；φ10mm破片初速试验均值为2 198.7m/s，与仿真结果2 295.2 m/s相差4.2%。试验结果与仿真结果相差不大，说明建立的仿真计算模型正确，同时验证了双环起爆网络与战斗部匹配良好。

4 结论

（1）由仿真及试验结果可以看出，仿真模型与试验结果差别较小，建立的仿真模型正确；（2）经过单元可靠性和整弹静爆试验，验证本文设计的双环起爆网络结构紧凑，易于装配，可实现战斗部轴向双环起爆；（3）由仿真结果可知，相对单点或单环起爆，大长径比的预制破片战斗部通过采用双环或多环起爆，可以形成轴线平行于战斗部轴线的圆柱形波，破片初速得到提高，特别是对大破片，效果更为显著。

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