聚能战斗部柔性分流索环形起爆方法

徐蓬朝，黄 琨，聂 峥，牟洪刚

(西安机电信息技术研究所，西安 710065)

【装备理论与装备技术】

聚能战斗部柔性分流索环形起爆方法

徐蓬朝，黄 琨，聂 峥，牟洪刚

(西安机电信息技术研究所，西安 710065)

针对聚能装药战斗部中心单点起爆对深层加固混凝土目标开孔深度不理想的问题，提出了聚能战斗部柔性分流索环形起爆方法；该方法将引信传爆药柱改为多条柔性分流索环起爆装置，各分流索将爆轰能量同步传递到爆轰输出端子，爆轰输出端子在聚能装药末端面起爆后形成起爆炸环并引爆聚能药，爆轰波形成超高压力的喇叭波阵面压垮药型罩会形成速度更快、能量更大地射流；仿真结果表明：分流索环起爆装置的隔爆座体能可靠地隔离导爆药、扩爆药柱的爆轰能量； 聚能装药多点均布起爆能够提高射流的侵彻能力。

聚能战斗部；引信；柔性分流索；环形起爆；射流

传统意义上，攻击地下深层目标或地面加固目标是通过提高弹体飞行速度，形成高速、大动能弹丸以顺利侵入目标内部[1]。高速弹丸在侵彻深层加固目标过程受到较高的冲击过载，会对战斗部、引信等造成破坏，甚至使引战系统不能正常工作[2]。串联攻坚弹前级聚能装药战斗部起爆形成高速射流对深层加固目标进行射流开孔，后级战斗部在较低速度下即可沿孔洞随进毁伤[3]。此外，后级战斗部随进时受到的冲击过载较小，提高了后级引信发火可靠性[4]。前级战斗部的射流应能穿透目标，以便后级弹随进[5]。

串联攻坚弹在动态发火试验时出现过前级聚能战斗部单点起爆后，后级战斗部沿开孔随进时靶中炸的情况，试验后，经项目组内部讨论认为问题可能出在引信起爆参数有误、战斗部侵彻能力不够或是引战系统参数设置不匹配等方面。在考虑战斗部侵彻能力方面，怀疑前级战斗部单点起爆形成的射流能量较低，对混凝土靶开孔深度不够或是开孔效果不理想，甚至未能穿透混凝土靶。若在上述情况下，后级战斗部在沿孔洞随进过程中受到的阻力过大，造成弹体在随进过程中耗费了过多的时间，甚至会卡在靶中。针对以上问题，本文提出聚能战斗部柔性分流索环形起爆方法。

1 传统单点起爆及ANSYS/LS-DYNA简介

1.1 传统单点起爆

传统聚能装药战斗部由引信传爆药柱从底面中心点起爆，爆炸后形成的球面爆轰波沿主装药柱向下传播[6]，爆轰波阵面到达药型罩壁面时压垮罩壁微元，形成射流，如图1所示。

图1 单点起爆示意图

1.2 ANSYS/LS-DYNA简介

ANSYS/LS-DYNA仿真软件是世界上著名的通用显式动力学分析程序，它能够较好地模拟真实世界的各种复杂性问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸以及金属成型等非线性动力冲击问题，同时它还可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域中，它被广泛认可为最佳的分析软件之一，与试验结果的无数次对比证实了其计算分析的可靠性[7]。

LS-DYNA软件能够较好地分析爆炸冲击问题，通过流固耦合方法，即流体采用ALE算法，固体采用Largrange算法来实现。LS-DYNA软件拥有聚能战斗部、靶板等常用的材料模型及对应的状态方程[8]。

2 聚能战斗部柔性分流索环形起爆方法

2.1 柔性分流索起爆装置

在引信爆炸序列输出末端，去掉传统的传爆药柱，设计成多条柔性分流索环形起爆装置，如图2所示。分流索环形起爆装置为“1入n出”形式，即含有1个爆轰输入端子，n条长度相等、均匀分布的柔性分流索，分流索的末端与爆轰输出端子相连，爆轰输出端子置于聚能装药末端面。

图2 环形起爆装置

分流索环形起爆装置由隔爆座体、扩爆药柱、柔性分流索、压盖等组成，其中，柔性分流索置于战斗部末端面周向均布的走线槽内，通过环氧树脂进行固定；扩爆药柱作为爆轰输入端子位于隔爆座体中心位置，可同步起爆多条柔性分流索。

引信的传爆序列：电雷管起爆导爆管，其中，电雷管、导爆管为双路并联冗余，导爆管起爆环形起爆装置中的扩爆药柱，爆轰能量通过n条柔性分流索同时传递到聚能装药内的爆轰输出端子，实现n点同步起爆。原则上，分流索数量越多起爆后越容易形成爆炸环，即环形起爆。

隔爆座体轴向设计成3层台阶状圆台，材料为硬铝2A12，在固定扩爆药住、分流索的同时还需要起到良好的隔爆作用，使导爆管、扩爆药柱的爆轰能量与战斗部聚能装药隔离。

2.2 环形起爆爆轰波波形及射流

当聚能装药多个均布点同步起爆后，爆轰波在聚能装药中心区域相互碰撞、叠加作用形成压力高于其他区域的超压区，爆轰波以喇叭波形继续传播，当中心超压区作用于药型罩顶部，罩壁压垮速度更快，会形成速度更快、能量更大地射流，如图3所示。

图3 环形起爆波形

此外，与单点起爆波形图(图1)对比，环形起爆爆轰波传爆到药型罩面时波阵面与罩壁面的夹角要小于单点起爆，因此，环形起爆爆轰波作用于药型罩法线方向的压力更大，药型罩微元的压垮速度更快，形成的射流速度也更快。

综上所述，聚能战斗部引信环形起爆方法是将引信传爆药柱改为多条柔性分流索环起爆装置，各分流索将爆轰能量同步传递到爆轰输出端子，爆轰输出端子在聚能装药末端面起爆后形成起爆炸环并引爆聚能药，爆轰波形成超高压力的喇叭波阵面压垮药型罩会形成速度更快、能量更大地射流。

3 仿真验证

3.1 隔爆性能分析

仿真计算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，数值模型由导爆药、扩爆药柱、隔爆座体、空气组成，导爆药、扩爆药柱、空气采用ALE算法，隔爆座体计算采用Largrange算法，隔爆体与导爆药和空气界面采用接触罚函数耦合算法。

整个建模过程采用cm-g-μs单位制，导爆药与扩爆药柱均为JH-14C，在建立仿真模型时将二者一体建模，同时简化了导爆管壳和扩爆药柱盖片，忽略了隔爆座体的分流索走线孔。网格单元是六面体SOLID 164单元，有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

导爆药与扩爆药柱采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，状态方程为JWL；空气采用NULL模型，状态方程为GRUNEISEN；隔爆座体采用PLASTIC_KINEMATIC模型，材料的基本参数如表1所示。

表1 材料的主要参数

仿真结束时间为100 μs，每0.5 μs输出一次计算结果文件。由计算结果可以看出，导爆药与扩爆药柱的爆轰波在44.5 μs时已基本衰减完毕，此刻，隔爆座体中心位置在爆轰波的作用下材料发生破坏、失效，形成一个宽约8.5 mm、深5.2 mm的中心坑，小台阶中心形成一个1.0 mm的凸包，如图5所示。隔爆座体中心位置未发生整体性破坏，在轴向尺寸上有60%以上的设计裕度。

图5 仿真结果

仿真计算结果表明：隔爆座体能可靠地隔离导爆药与扩爆药柱的爆轰能量，可以作为隔爆元件。

3.2 起爆性能分析

数值模型由聚能装药、药型罩、空气、混凝土靶板等部分组成，计算采用流固耦合方法，聚能装药、药型罩、空气采用ALE算法，炸药和药型罩用空气层包裹起来，并建立了射流的空气通道，靶板材料均采用Largrange算法。

由于模型结构形状、冲击载荷具有对称性，聚能装药战斗部及靶板均采取1/4模型建模，在建立仿真模型时，忽略环形起爆装置占据战斗部聚能装药的轴向尺寸和分流索末端爆轰输出端子占据的空间。网格单元是六面体SOLID 164单元，有限元模型如图6所示。

图6 有限元模型

其中，聚能装药采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，状态方程为JWL；药型罩采用STEINBERG模型，状态方程为GRUNEISEN；空气采用NULL模型，状态方程为GRUNEISEN；混凝土为尺寸20 000×20 000 的半无限靶，抗压强度为38 MPa，采用JHC模型。材料的主要参数如表2所示。

3.2.1 单点起爆仿真计算

设置聚能装药起爆位置为聚能药末端中心点，起爆时刻为0 μs。仿真结束时间为2.5 ms，每2 μs输出一次计算结果文件，单点起爆模式如图7所示。爆轰波波面传播形状及2.5 ms后射流穿靶深度如图8所示。

表2 材料的主要参数

图7 单点起爆模式

图8 射流形状及穿靶深度

由计算结果可以看出，聚能药末端面经中心单点起爆后，爆轰波波阵面呈球面状传播，波阵面最大应力约为2.25×1010Pa。经过2.5 ms后，混凝土靶在聚能射流作用下形成一个漏斗状的孔洞，深度约为680 mm。

3.2.2 环形起爆仿真计算

考虑聚能药的直径以及爆轰输出端子、分流索环形起爆装置等的加工工艺，本文分别模拟计算、分析4条、8条、16条及32条柔性分流索的环形起爆性能。

仿真计算时，分别设置聚能装药起爆位置为聚能药末端周向4点、8点、16点、32点同步起爆，起爆时刻为0 μs。仿真结束时间为2.5 ms，每2 μs输出一次计算结果文件，各环形起爆模式如图9所示。

由图9可以看出，爆炸点越多，各点越易形成爆炸环；32点同步起爆后，聚能战斗部底面形成较为明显的爆炸环，可视为环形起爆。爆轰波波面传播形状及应力云图如图10所示。

由图10可以看出，4种形式下起爆后，爆轰波均向中心汇聚，爆轰波波阵面呈喇叭状传播。4点起爆后，波阵面最大应力约为4.05×1010Pa；8点起爆后，波阵面最大应力约为4.41×1010Pa；16点起爆后，波阵面最大应力约为4.82×1010Pa；32点起爆后，波阵面最大应力约为4.91×1010Pa。由此可以看出，爆炸点越多，波阵面应力越大，爆轰波输出能量越强。经2.5 ms后，靶板毁伤效果如图11所示。

图9 环形起爆模式

图10 爆轰波云图

经过2.5 ms后，混凝土靶在聚能射流作用下形成一个漏斗状的孔洞。4点起爆时，射流穿靶深度约为980 mm；8点起爆时，射流穿靶深度约为1 060 mm；16点起爆时，射流穿靶深度约为1 100 mm；32点起爆时，射流穿靶深度约为1 150 mm，射流穿靶深度随着起爆点的增加而加深。

仿真计算结果表明：聚能药经环形起爆后形成喇叭状爆轰波，爆炸点越多，波阵面应力越大，爆轰波输出能量越强，32点起爆波阵面中心最大压力约为单点起爆的2.2倍，爆轰波对药型罩的压垮方向向中心线会聚，提高了罩壁微元的压垮速度，形成速度更快、能量更高的射流；在2.5 ms时间内，射流穿靶深度随着起爆点的增加而加深，32点起爆后射流穿混凝土靶板深度为单点起爆的1.69倍，对目标毁伤效果较单点起爆更好，最终提高了聚能装药的侵彻威力。

4 结论

本文提出了聚能战斗部柔性分流索环形起爆方法，是将引信传爆药柱改为多条柔性分流索环起爆装置，各分流索将爆轰能量同步传递到爆轰输出端子，爆轰输出端子在聚能装药末端面起爆后形成起爆炸环并引爆聚能药，爆轰波形成超高压力的喇叭波阵面压垮药型罩会形成速度更快、能量更大地射流。仿真结果表明：分流索环起爆装置的隔爆座体能可靠地隔离导爆药、扩爆药柱的爆轰能量，可以作为隔爆元件；聚能装药多点均布起爆能够提高射流的侵彻能力。不足之处，仿真分析是在简化模型、理想工况的基础上得到的，结果有一定的误差。

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(责任编辑 周江川)

Method of Mild Detonating Cord Ring Detonation of High-Powered Shaped Charge Warhead

XU Peng-zhao, HUANG Kun, NIE Zheng, MU Hong-gang

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Due to its shallow penetrating trepanning depth of thick strengthening concrete target, method of multi-point ring detonation of high-powered shaped charge warhead was proposed. Fuze booster cylinder was instead by several flexible shunt grommets detonating device, and Mild detonating cords transmit detonation energy to detonation output terminal synchronously, which gave rise to ring detonation of high-powered shaped charge warhead as well as horn detonation wave. The horn detonation wave acted on liner can form higher energy jet. Simulation results reveal that the flame-proof structure can block the detonation energy of detonating tube and booster column. Multi-point ring detonation is able to improve the penetration capability of high-powered shaped charge warhead.

high-powered shaped charge warhead; fuse; mild detonating cord; ring detonation; jet

2015-01-15

徐蓬朝(1984—)，男，硕士，工程师，主要从事机电引信技术研究。

10.11809/scbgxb2015.08.012

徐蓬朝，黄琨，聂峥，等.聚能战斗部柔性分流索环形起爆方法[J].四川兵工学报，2015(8):46-50.

format:XU Peng-zhao, HUANG Kun, NIE Zheng, et al.Method of Mild Detonating Cord Ring Detonation of High-Powered Shaped Charge Warhead[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):46-50.

TJ43+1.4

A

1006-0707(2015)08-0046-05