前向战斗部破片散布均匀性研究*

石志彬，高 敏，米双山，李 兵

（解放军军械工程学院，石家庄 050003）

0 引言

前向战斗部的破片位于圆柱形装药前端，起爆后形成沿轴向飞散的破片束，在目标前方形成一个破片幕，依靠高相对速度将目标毁伤，该战斗部杀伤元素相对集中，可应用于防空导弹拦截各种空中目标［1］。由于前向战斗部破片数量相对有限，为获得尽量大的破片幕面积同时保证目标不会在破片之间的缝隙中“溜走”，需要破片分布尽量均匀。破片散布均匀性是指破片在分布区内散落的均匀程度，具体包括周向均匀性和径向均匀性［2］，它是评价前向战斗部性能的重要参数。

文中通过静爆试验得出小长径比前向战斗部的破片着靶数据，然后根据破片分布特点提出与之适应的散布均匀性评价方法，定量评估前向战斗部破片散布均匀性并提出有针对性的改进措施。

1 前向战斗部静爆试验

静爆试验目的是得到前向战斗部爆炸后的破片分布数据，作为分析破片散布均匀性的基础。

试验所用的前向战斗部如图1所示。战斗部为圆柱形，整体尺寸为Φ240 mm×180 mm。采用立方体预制破片，破片材料为高密度钨合金，单枚破片质量25 g，破片数量N=261枚，均匀紧密排列在战斗部的前端。破片之间的缝隙由橡胶填充，橡胶同时起到粘接作用。起爆点位于战斗部底端中心位置。

图1 试验用前向战斗部

试验场地的布置如图2所示。用两块尺寸为1.5 m×1.5 m钢质靶板拦截破片，钢靶板与地面垂直，且每块靶板与战斗部爆心的距离为5m。前向战斗部水平卧放于托弹架上，与钢靶板中心同高，且战斗部轴线延长线经过两靶板接缝的中点。

图2 战斗部与靶板的位置关系

试验后通过研究靶板上的穿孔情况来分析破片散布均匀性。靶板上的穿孔如图3所示，拦截破片数总计196枚，破片场中间密度大，外围密度小，破片散布中心位于两靶板接缝中点附近。

图3 钢靶板的穿孔情况

2 破片分布特性总体分析

由于靶板高度限制，在其上下侧逸出了较多破片，因此需要合理估计对应区域逸出的破片数。文献［3］在处理小口径榴弹破片场分布数据时，根据对称性对落在靶板外的破片数据进行了填补，文中填补靶板上下侧逸出破片数时可参考其方法。

图4是穿孔数据的坐标化显示，其中阴影部分表示试验用钢靶板的面积，坐标原点附近星号位置是破片散布几何中心。由于战斗部结构的轴对称性，可认为破片场分布是近似轴对称的。图4中矩形区域A和B内的破片数分别为7枚和8枚，故可估计区域C和D内的破片数之和为15枚。E1、E2、E3、E4区域内破片非常稀疏，可参考A、B区域破片的分布，认为其内部各有1枚破片。综上，在图4所示3 m×3 m正方形区域内，拦截破片总数为Nl=196+15+4=215枚，占破片总数的82.4%。

靶上破片的分布是非常不均匀的，靠近散布中心的区域破片密度高，在超出一定半径处，破片密度迅速下降。除此之外仍有17.6% 的破片散布在3 m×3 m正方形区域之外，其破片分布密度比靶上稀疏区破片密度还要低很多，由于过于分散，这部分破片对拦截目标的作用更是微乎其微的。

上文所得破片分布总体特性与战斗部作用原理是一致的。战斗部起爆后，爆轰波在装药内近似以球面形状传播，边缘破片受力偏离轴线，且越靠边缘偏离越厉害，再加上装药侧向稀疏波的影响，外围破片分布更加分散。

图4 破片的分布

3 破片径向散布均匀性分析

定量评价破片散布均匀性，首先要建立与其分布特点相适应的评价方法。前向战斗部破片在散布范围成轴对称分布，因此分析其破片散布均匀性时，可参考导弹子弹散布均匀性的一些评价方法［4－6］。在评价方法建立过程中，需着重考虑前向战斗部的破片分布特点和作战需求，确定合理的均匀性标准值。

3.1 径向均匀性评价方法及其定量分析

考虑到数据的有效性，以破片散布中心为圆心，作半径R=700mm的圆如图4虚线所示，以此圆内破片为研究对象分析破片径向散布的均匀性。该圆内包含破片数为170枚，占破片总数的65.1%。将此半径为R的圆分成面积相等的若干同心圆环，若破片分布绝对均匀，则各圆环内所包含的破片数量应该相等，因此可通过落入各圆环内破片的数量分析径向散布均匀性。

在确定圆环数时，要既能体现出破片数量的变化规律，又不能划分太细以防随机因素引起的破片位置变化影响分析结果。经多次试分，令圆环数n=12，由内向外各圆环（圆）的半径依次为R1，R2，…，R12，如图5所示，为便于观察，第3、6、9、12个圆环用粗虚线表示。

图5 面积相等的同心圆环

统计各圆环内破片数量，作柱状图如图6所示。可以看出中间区域破片密度大，边缘部分密度小，从内向外整体呈下降趋势，分布不均匀性明显。

图6 各圆环内的破片数量

定量分析径向散布均匀性首先应确定落入各圆环内破片数量的标准值。如果以n个圆环内破片数量平均值作为标准值，则存在一定的不合理性，这是因为最靠外的圆环包含破片数量很少，相当于无效破片区，而把这部分区域纳入径向散布均匀性的计算中显然是不合理的。从图6中还可发现，各圆环内破片数量分布有明显的阶梯性，靠近中心的前5个圆环内破片数量较多且相互间差别不是很大，从第6个圆环开始，破片数量明显减少。中间破片对拦截目标起主要作用，因此可将靠近中心的前5个圆环内破片平均数作为各圆环内破片数的标准值。前5个圆环内破片数的平均值为:

在各个圆环内，定义破片数量偏离标准值的程度作为评价均匀性的参数，即均匀性指数:

显然一般情况下有0≤ui≤1，且ui值越接近1，表示对应圆环内破片数越接近标准值，整体分布也就越均匀。

依据此定义，求出各圆环内破片分布的均匀性指数如图7所示。可以看出，靠近破片几何中心的前5个圆环的均匀性较好，均匀性指数在0.73以上，平均值为0.84，此区域圆半径R5=451.8mm。从第6到第12个圆环，均匀性急剧下降。

图7 各圆环内破片分布均匀性参数的变化

半径R=700 mm的圆内所有破片径向散布均匀性的总体指标可以下式计算:

可见对于靠近散布中心占总数65%的破片而言，其总体均匀性仍不是十分理想，如果考虑更外围的破片，其径向散布均匀性更差。

3.2 径向均匀性特点及战斗部改进措施

在评价战斗部威力时，一般以90%破片散布区域为破片威力场。考虑数据的有效性，文中以靠近散布中心的65.1% 破片为对象研究了其分布的均匀性，在这部分破片之外的区域，破片分布非常稀疏。

因此根据密度变化，大致可将战斗部破片在径向分为4个区域，即中心均匀破片区、过渡区、稀疏区和外缘无效破片区，其各自的均匀性指数、面积范围和破片分布特点如表1所示。

表1 不同区域内破片分布的特点

从表1中各区域内的破片数量来看，中心均匀区包含的破片不到总数的50%，而约一半的破片分布在过渡区和之外的稀疏区，没有得到有效利用，这对于提高毁伤效能是极为不利的。因此需要从战斗部结构上改进，使边缘破片向内收敛。具体改进措施可从以下两方面考虑:

1）通过波形控制器或起爆点设置，调整爆轰波形，使战斗部外围破片的受力方向向内收敛;

2）改进破片层形状，适当调整外围破片逐渐向前凸出，形成内凹式的破片层。

4 破片周向散布均匀性分析

分析周向均匀性时，将半径为R的破片散布圆沿周向分为6个部分，考查各区域内破片数与平均值的偏离程度。

以x轴正向为起点，逆时针方向每间隔60°划分一个扇形区域，编号依次为1～6，各区域内的破片数如图8中所示。每个扇形区内的破片数平均值为÷6=32.7枚。图8中显示了依据第3节方法求出的各扇形区内均匀性指数，可见破片周向散布均匀性指数最差为0.83，平均为0.92。因此可认为破片周向散布均匀性良好，这一结论与战斗部轴对称结构相一致。

图8 破片区的周向划分及其均匀性参数

5 结论

文中在前向战斗部静爆试验数据的基础上，以靠近散布中心65.1% 破片为研究对象，针对中间破片密度高且比较均匀的特点，提出了确定破片散布均匀性标准值和分区分析的方法，并利用此方法定量分析了不同区域的破片散布特点。主要的研究结论如下:

1）破片散布从内向外可分为中心均匀破片区、过渡区、稀疏破片区和边缘无效破片区等4个部分。

2）中心均匀破片区内破片占破片总数的45%，破片场密度高，均匀性指数为0.84，是战斗部杀伤元素的核心组成部分;过渡区和稀疏破片区内破片约占破片总数的45%，破片分布密度随半径下降很快，作战时利用效率很低，应采取措施使这部分破片向中间收敛，以提高战斗部毁伤效能。

3）破片周向分布均匀性良好，均匀性指数平均为 0.92。

［1］Richard M Lloyd.Physics of direct hit and nearmiss warhead technology［M］.Alexander Bell Drive，Reston，Virginia:American Institute of Aeronautics and Astronautics，Inc.2001:246－252.

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