双曲线型聚焦战斗部破片的设计方法
2015-03-05袁书强沈正祥李亚哲周春华张宏亮
袁书强,沈正祥,李亚哲,周春华,陈 炯,张宏亮
(1.北方材料科学与工程研究院宁波所,浙江宁波315103;2.中国兵器科学研究院,北京100089)
双曲线型聚焦战斗部破片的设计方法
袁书强1,沈正祥1,李亚哲1,周春华1,陈炯1,张宏亮2
(1.北方材料科学与工程研究院宁波所,浙江宁波315103;2.中国兵器科学研究院,北京100089)
摘要:为解决预制破片聚焦战斗部加工中存在效率低的问题,基于正反圆柱螺旋线相交性原理,通过局部淬火预制工艺提出了一种新的高效率战斗部破片设计方法,并给出了一种聚焦式战斗部的加工实例。结果表明,局部淬火工艺对战斗部破片的控制效果良好,破片形状规则、质量分布均匀,有效破片质量分数达90%,符合毁伤要求,验证了其设计原理的正确性和可行性。
关键词:爆炸力学;聚焦破片式战斗部;双曲线型;局部淬火;控制破碎
引言
聚焦破片式战斗部是一种新型战斗部,利用装药的聚焦效应,使破片在空间一定距离处汇聚,打击能量集中[1-2]。国内也已开展了聚焦战斗部的研究,主要侧重于聚焦曲线工程设计[3]、不同起爆方式对聚焦性能的影响[4]、毁伤典型空中目标时杀伤概率的工程计算[5]以及聚焦战斗部模拟与优化设计等方面,并提出了破片聚焦战斗部的动态杀伤威力设计概念[6-9]。李向荣等人[10]指出聚焦式破片战斗部经过优化设计,杀伤半径内聚焦带中的破片分布密度通常可达80枚/m2以上,而普通非聚焦式破片战斗部的破片分布密度一般不大于10枚/m2。
作为提高防空破片式战斗部综合杀伤效能的新技术途径,聚焦破片式战斗部已成为防空反导战斗部的重要发展方向[11],但有关聚焦战斗部的破片设计及理论计算方面的研究报道较少。与传统的自然破碎相比,采用控制破碎技术预制壳体可使产生的破片按设计的质量和形态均匀分布[11],但全预制破片技术由于需要有附加结构来包纳破片,该结构会增加战斗部质量,导致破片数目减小和装药量减少,并不能有效提高效能。
局部淬火工艺是一种新型半预制技术,利用能量束使战斗部壳体局部发生高速熔化-凝结-冷却过程,其组织发生明显的局部相变,经后续热处理后形成不同力学性能的材料区域[12-13]。本研究介绍一种新型破片预制技术即局部淬火工艺,该工艺加工简单、成本低、控制效果好。将其应用于聚焦破片战斗部可使破片尺寸及质量均匀分布,并在一定区域内形成密集分布的聚焦束,为该类战斗部的设计提供参考。
1聚焦战斗部破片设计原理
1.1对目标毁伤分析
聚焦破片战斗部在单点中心起爆后,其破片飞散示意图如图1所示,可看出破片飞散角很小,而且随着曲面的变化而变化。若用来对付空中目标,破片束可在目标上形成密集穿孔,造成断裂式解体毁伤,从而形成切割式毁伤。聚焦破片战斗部的主要杀伤元素是破片,破片的数量、形状、质量、初速、威力半径和分布状况等是关键性能指标。尽管此类战斗部的杀伤威力是利用聚焦带内密集的破片毁伤目标,其单枚破片的击穿能力同样重要。如图2所示,与全预制破片技术相比,相同尺寸的壳体经过局部淬火工艺处理后,既能实现破片质量、尺寸均匀化,又能提高装药量,可有效增加其毁伤威力,提高战斗部的效费比。
图1 聚焦战斗部的破片飞散过程Fig.1 The fragments dispersion process offocusing warhead
图2 用电子束预制加工的聚焦战斗部破片的飞散过程示意图Fig.2 The dispersion process of fragments at precastfocusing warhead by electron beam
单发战斗部杀伤单个空中目标的概率PD可表示为[5]:
PD=1-(1-pm)(1-PE)
(1)
式中:Pm为破片的击穿概率;PE为冲击波场对目标的毁伤概率。
若已知目标等效硬铝厚度上的比动能Eb,则可衡量破片的打击击穿作用。
对于钢质破片,破片的比动能表达式并不唯一,其量纲通常采用kg·m/(cm2·mm),可表示为:
(2)
根据破片参数,目标厚度和遭遇速度可得Eb,即可计算单个破片的击穿概率Pmi:
当Eb<4.5kg·m/(cm2·mm)时,Pmi=0;
当Eb≥4.5kg·m/(cm2·mm)时,Pmi=1+2.65e-0.34Eb-2.96e-0.14Eb
多个破片打击命中后的击穿概率Pm可依次类推:
(3)
1.2局部淬火工艺
图3表示局部淬火工艺加工过程,当能量束作用点位置保持不变,战斗部壳体以某一固定速度同时旋转和平移,即可沿其表面形成不同间距的螺旋线型淬硬区组织,如图4所示淬硬区与基体呈连续性分布,但其晶粒明显细化,硬度变大。
图3 用电子束预制抛物型战斗部加工示意图Fig.3 The precast process to warhead of hyber-bolictype by electron beam
图4 淬硬区的组织结构Fig.4 The structure of hardened layer
假设某聚焦破片式战斗部采用双曲面型回旋体结构,如图3所示,回旋体曲面可看作XOY平面内母线绕X轴旋转一周所得,假设在XOY平面内,母线方程为:
f(x,y)=0
(4)
则回旋体曲面方程为:
(5)
回旋体表面的螺旋线可看为能量束接触点P在回旋体表面做螺旋运动的轨迹,其中P点的半径为r(x),r(x)值由母线方程确定,其半径线相对于XOY平面的夹角φ(x),则P点坐标可写成:
(6)
1.3螺旋线轨迹方程
点P沿回旋体表面运动一周即形成螺旋线,相邻螺旋线的间距则由螺旋线与XOY面夹角Δφ控制。图5为不同螺旋线相交和网格形成图。
图5 不同螺旋线相交和网格形成图Fig.5 The intersected grids by different spirals
假设右旋螺旋线为正旋,左旋螺旋线为反旋,由图5可知螺旋线1和2为正螺旋线,其轨迹方程可写成:
(7)
式中:n为常数,当n=0为正螺旋线1,n=1为正螺旋线2, Δφ为径向与XOY面的夹角。
反螺旋线轨迹方程可写成:
(8)
式中:n为常数, 当n=0为反螺旋线3,n=1为反螺旋线4,Δφ为径向与XOY面的夹角。
1.4网格尺寸
正螺旋线1、2与反螺旋线3、4、5、6在Y向和Z向的交点如图6所示。
图6 正螺旋线1、2与反螺旋线在Y向(a)和Z向(b)的交点Fig.6 The intersection of different spirals atY and Z direction
回旋体表面不同方向的螺旋线相交,即可形成网格结构。假设某聚焦战斗部根据实际要求,螺旋线夹角Δφ设为π/6,其余工艺参量不变。其正、反螺旋线轨迹方程可写成如下形式:
(9)
(10)
(11)
正螺旋线1与反螺旋线3的交点根据式(12)可得:
(12)
可知交点与XOY面的夹角值wt1,3=nπ+π/12,n为常数。
同理,正螺旋线1与反螺旋线4、5、6的交点与XOY面夹角值为:
wt1,4=nπ+2π/12;wt1,5=nπ+3π/12;wt1,6=nπ+4π/12,n为常数;
正螺旋线2与反螺旋线3、4、5、6的交点与XOY面夹角值为:
wt2,3=nπ;wt2,4= nπ+π/12;wt2,5=nπ+2π/12;wt2,6=nπ+3π/12;n为常数。
以上夹角值分别代入正、反螺旋线轨迹方程,即可得出所有交点的坐标值,四边形abcd各顶点坐标如下:
1.5破片质量
局部淬火工艺对聚焦破片式战斗部进行破片预制后,正、反螺旋线型淬硬区在战斗部表面相交形成菱形网格(见图5),在内部爆轰波作用下实现控制破碎,从而生成大量近似菱形的破片,由菱形特征并结合上述a、b、c、d4点坐标值即能估算出破片尺寸和质量。实际应用时,首先根据目标特征及其毁伤准则确定相应的破片质量,再利用式(7)和(8)得出Δφ、v、w值,最终可实现破片实际质量与设计质量一致的目的。
2设计实例
图7为某目标的双曲线型聚焦破片战斗部设计实例,首先根据表1所示的目标毁伤准则设计出相应的破片质量和尺寸。经局部淬火工艺预制处理后,战斗部壳体上淬硬区(白条状)呈螺旋线型分布并相交成网格,网格形状和尺寸直接决定着破片大小及质量。聚焦战斗部爆破后破片质量分布如图8所示,控制破碎效果较好,破片质量基本均匀分布,其中有效破片质量约占总质量的90%,初步验证了局部淬火工艺应用于聚焦破片战斗部的正确性和可行性。
表1 某目标关键部件的毁伤准则[14]
图7 某聚焦战斗部局部淬硬区的分布Fig.7 The distribution of modification zone on focusedfragmentation warhead
图8 破片形状和质量分布Fig.8 The shape and mass distribution of fragments
3结论
(1)根据聚焦破片式战斗部壳体的曲面特征,基于圆柱正反螺旋线相交性原理,探索并验证了一种利用局部淬火工艺沿壳体表面螺旋线轨迹进行破片预制的高效率战斗部技术。设计实例表明,局部淬火工艺完全适用于此类聚焦战斗部的破片设计。
(2)局部淬火工艺对战斗部壳体破碎的控制效果良好,破片形态规则、质量分布均匀,有效破片质量分数达90%,符合所针对目标的毁伤准则。
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Design Method of Fragments to Focused Warhead of Hyperbola Type
YUAN Shu-qiang1, SHEN Zheng-xiang1, LI Ya-zhe1, ZHOU Chun-hua1, CHEN Jiong1,ZHANG Hong-liang2
(1. Ningbo Institute, China North Material Science and Engineering Technology Group, Ningbo Zhejiang 315103, China;
2. The Ordnance Science Institute of China, Beijing 100089, China)
Abstract:To solve the problem on low efficiency existing in processing of prefabricated fragment focused warhead, based on intersection principle of positive-inverse cylindrical spiral lines, a new design approach of warhead fragment of high efficiency was proposed via the local quenching precast technology. A processing example of one focused warhead was given. Results show that the control effect of local quenching process to the warhead fragments is good.The regular shape and uniform mass distribution of fragments, and effective fragment mass fraction of 90% of effective fragment meet the requirements of damage, verifying the correctness and feasibility of the design principle.
Keywords:explosion mechanics; focused fragmentation warhead; hyperbola type; local quenching; controlled fragmentation
作者简介:袁书强(1961-),男,研究员,从事金属材料开发与应用研究。
基金项目:宁波市重大科技攻关项目(2009B10011)
收稿日期:2014-09-04;修回日期:2014-11-29
中图分类号:TJ55; O38
文献标志码:A
文章编号:1007-7812(2015)01-0036-05
DOI:10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.09