鱼雷头罩入水破坏模式研究

钱立新，刘　飞，屈　明，胡艳辉，赵剑波

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳，621900）

鱼雷头罩入水破坏模式研究

钱立新，刘飞，屈明，胡艳辉，赵剑波

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳，621900）

为研究鱼雷头罩入水破坏机制和理论设计方法，分析了鱼雷头罩入水破坏过程及主导因素，对特定设计边界的鱼雷头罩进行了入水动力学数值仿真计算和试验验证。试验结果表明，“撑进破坏”是鱼雷头罩入水解体的有效破坏模式，预制槽弱链结构与罩壳头部强度的匹配设计是实现“撑进破坏”模式的必要条件。基于“撑进破坏”模式提出了设计可行域概念，可作为鱼雷头罩设计的物理边界。

鱼雷头罩；破坏机制；入水试验

0　引言

鱼雷头罩也称作鱼雷保护头帽（protective nose cap for torpedoes）[1-3]、易碎头帽（frangible nose cap）[4-5]或鱼雷缓冲头帽[6-8]，加装于火箭助飞鱼雷头部，用于飞行过程中气动整流、对雷头进行热/力防护，入水过程碎裂、缓冲雷头的入水冲击[9]，对火箭助飞鱼雷的飞行弹道、鱼雷入水头部隔冲、降载防护有重要作用。入水破坏模式控制是鱼雷头罩设计的关键环节，入水破坏方式通常有2种，一是采用火工品爆炸破坏方式使头罩在入水前碎裂[10]，另一种是利用入水冲击力使头罩破坏解体，由于前者存在爆炸冲击波，造成雷头防护困难，一般在工程实现上多采用后者。

依靠入水冲击力使头罩破坏解体的思路最早由W.M.Hinkley[11]提出，他同时研究了硬质聚氨酯泡塑料的力学性能及破碎过程的缓冲和吸能特性，并预测由该材料构成的保护头帽可以大幅度降低撞水压力峰值和侵水载荷水平，基于该技术的头帽在ASROC，SUBROD和空投Stingray等产品上获得了成功应用[12]。早期的头帽为泡沫塑料整体浇注成型[1]，其破坏过程为入水冲击载荷对头帽材料的压溃、解体过程；此后改进为由罩壳和内部填充的泡沫塑料组成的复合结构[13-14]，其中罩壳承担气动整流、空中承载和入水破碎功能，填充的泡沫塑料用于隔冲降载、隔离碎片，解决雷头划伤问题；在功能分离的同时，罩壳破坏模式也发生了变化。宣建明等通过头罩入水解体试验，研究了罩壳破碎的机理，认为头罩的击水破坏，碎裂发生在击水部位，然后雷头向罩壳撑进，使罩壳后端周向拉裂解体[2]。徐新栋等采用数值仿真方法研究了头罩的入水冲击特性，认为导致整流罩破裂的因素包括撞水时罩壳沾水部位在冲击压力作用下局部碎裂、轴向力使头罩向雷头挤压整体胀裂，以及侵水横向弯矩使整流罩后端根部因翘弯作用而断裂[6]。

为合理设计鱼雷头罩入水破坏模式及其结构，文章拟对罩壳的失效破坏机制进行分析，基于罩壳的有效破坏模式，提出鱼雷头罩设计可行域概念并建立可行域规划方法。

1　鱼雷头罩破坏模式及主导因素

图1为鱼雷头罩在鱼雷头部的装配示意。鱼雷头罩通常为卵形头（ogive-nose）薄壳结构，头罩套进雷头通过定位环斜面接触定位，与雷头无紧固连接，仅通过摩擦力固定。罩壳内部通常预制若干纵向槽，形成弱链结构，便于头罩解体。

图1　鱼雷头罩结构示意图Fig.1　Structural schematic of a torpedo nose cap

鱼雷头罩入水时，冲击载荷首先作用于罩壳击水面，同时，冲击载荷通过罩壳向后传递，通过接触斜面作用于雷头，即头罩入水冲击载荷转化为雷头对头罩的撑进载荷。鱼雷头罩破坏模式的出现与其结构特性相关，当罩壳头部强度较弱时，在入水冲击载荷作用下，击水面即刻出现局部破碎。此时，如果雷头撑进部位罩壳强度较弱，则在罩壳击水部位局部破坏的同时，还会伴生罩壳的“撑进破坏”，即文献[2]和[6]描述的情形；而当雷头撑进部位罩壳强度较强或入水速度调低时，“撑进破坏”模式不再发生，罩壳可能仅出现头部击水面的局部破碎，头罩不能完全脱落，雷头将携带残存头罩入水，文献[6]也描述了该情形。因此，破坏模式引发的主导因素主要为鱼雷头罩壳体强度分布特性以及弱链结构的设计形式及强度，即在相应载荷下罩壳头部强度和雷头接触撑进部位强度（即弱链强度）的对比，前者偏强时引发“撑进破坏”模式，偏弱时仅出现头部破碎，二者相当时可引发2种破坏模式同时出现。

根据鱼雷头罩功能要求，罩壳在入水过程须完全碎裂，罩壳从雷头彻底剥离，否则将影响鱼雷正常工作。因此，当罩壳仅出现头部击水面局部破碎时，残余罩壳难以与雷头分离，达不到功能要求，属于无效破坏模式（除非与“撑进破坏”模式伴生）。当“撑进破坏”模式出现时，弱链结构的破坏将主导头罩的破坏过程，该模式将造成头罩与雷头的连接失效，且一旦该破坏模式发生，裂纹、破坏区域将迅速扩展，直至罩壳整体失效，脱离雷头。因此，“撑进破坏”模式应是鱼雷头罩的有效破坏模式，且可通过弱链结构设计，对破坏模式及破坏过程进行控制。

2　鱼雷头罩破坏过程数值仿真

如前所述，罩壳头部击水面局部破碎属于无效破坏模式，而且头部破碎会造成入水冲击卸载，进而引起雷头对罩壳的撑进力卸载，最终影响到鱼雷头罩“撑进破坏”模式的实现。为验证该机制，采用LS-DYNA流体动力学分析软件开展了鱼雷头罩入水破坏过程数值计算研究，对不同壳体强度分布的头罩的破坏过程进行了对比。其中，模型Ⅰ撑进部位及罩壳头部厚度分别为6 mm和2 mm，模型Ⅱ撑进部位和头部厚度均为6 mm。2种模型均采用了弱链设计，即周向均布多条预制槽，槽底材料厚度为2 mm。二模型入水速度均为50 m/s。显然，二模型撑进部位的强度一致。入水后典型时刻的破坏图像见图2和图3（图中均隐掉鱼雷模型）。

图2　鱼雷头罩模型Ⅰ入水破碎过程数值仿真图像Fig.2　Simulation images of cracking process of torpedo nose cap modelⅠin water-entry

图3　鱼雷头罩模型Ⅱ入水破碎过程数值仿真图像Fig.3　Simulation images of cracking process of torpedo nose cap model Ⅱ in water-entry

由图2可见，由于鱼雷头罩模型Ⅰ头部较薄，在入水4 ms时即出现头部击水面的破碎，到12 ms时，头部已严重破坏，此时虽然也出现了雷头撑进部位预制槽的断裂，但由于头部提前破碎引起入水冲击过早卸载，导致头罩不能完全碎裂。与模型Ⅰ相比，模型Ⅱ的破坏过程明显不同（见图3），在约4 ms左右，预制槽在限位环附近出现开裂，且随着时间推移，裂纹沿纵向预制槽向头罩顶部和底部迅速扩展；在8 ms左右，裂纹贯穿罩壳底部和顶部；约20 ms左右，鱼雷头罩在头部断裂之后完全碎裂解体，较好实现了鱼雷头罩的“撑进破坏”设计模式。该破坏模式的特点是在“撑进破坏”出现之前，乃至预制槽的断裂贯通鱼雷头罩头尾之前，罩壳头部均保持完整，不存在卸载问题，即“撑进破坏”主导了整个入水破坏过程。此外，从碎片的后续运动趋势来说，在“撑进破坏”模式下，大部分破片将从雷头两侧滑过，仅有少量罩壳头部碎片撞击雷头，其碎片分离模式可降低对雷头防护的难度。

对“撑进破坏”模式及其影响机制的分析及数值计算验证表明，破坏模式设计是鱼雷头罩结构设计的关键，“撑进破坏”模式的实现须保证罩壳头部及撑进部位强度的合理匹配。

3　鱼雷头罩设计可行域

鱼雷头罩的功能决定了其严格的强度设计要求—结构强度既有下边界又有上边界。在“撑进破坏”模式下，无论在空中和入水状态下，头罩的潜在破坏模式均为定位环部位预制槽的拉伸破坏，因此，这里的结构强度可定义为预制槽在特定位置的抗拉强度，也即弱链设计强度。

为保证鱼雷入水工作可靠性，火箭助飞鱼雷通常采用末段挂伞方式，将鱼雷入水速度降低到50 m/s左右，以控制入水冲击载荷。考虑到头罩入水载荷与入水速度相关，即罩壳可入水破碎的临界强度亦与入水速度相关，于是，在最大飞行载荷及入水速度上限已知的情况下，鱼雷头罩强度设计可行域可定义为：在入水速度-罩壳强度坐标系中，由入水速度上限、头罩最大飞行载荷下的应力水平以及入水破坏强度上限围成的区域，如图4所示。

其中，入水破坏强度线上各点对应该入水速度下头罩入水破碎的临界强度。当入水速度V＜Vmin时，问题无解；当入水速度V＞Vmin时，头罩强度设计可行域为（σ1，σ2），即在该强度域内，头罩既可承受空中的气动载荷，又能满足入水破坏要求。鉴于头罩空中气动承载与入水冲击承载为罩壳的同一截面，因此，图4的纵轴σ也可换算为雷头对罩壳的撑进力F。在此意义上，该域是在“撑进破坏”模式下的鱼雷头罩设计的物理边界。

4　试验研究

4.1鱼雷头罩入水试验

为研究鱼雷头罩入水破碎模式，开展了头罩入水试验研究。头罩结构参数与图3中模型Ⅱ一致。头罩入水试验件主要由头罩、鱼雷模型和火箭发动机构成，见图5。其中滑块用于与导轨配合，控制试验件运动方向和运动姿态。

图4　鱼雷头罩强度设计可行域Fig.4　Feasible region of strength design for a torpedo nose cap

图5　鱼雷头罩入水试验件示意图Fig.5　Schematic of the nose cap sample for water-entry test

图6给出了试验件在入水过程中雷头罩破碎过程高速摄影图片。

图6　鱼雷头罩入水破碎过程高速摄影（水下拍摄）Fig.6　Cracking process of the nose cap during water-entry（shot by camera in water）

头罩可见碎裂发生在入水后20 ms左右，首先出现的破坏现象为沿预制槽产生的纵向裂纹；此后随裂纹扩展，顶端脱落，罩壳解体为8片残片向外膨胀。图7为入水试验后回收的残片照片。

图7　鱼雷头罩入水试验回收的碎片Fig.7　Recovered fragments of the nose cap after waterentry test

由入水试验高速摄影的判读及回收残片的分析表明，头罩的入水破坏为典型的“撑进破坏”模式，与前述理论分析和数值仿真结果吻合。

4.2鱼雷头罩静力试验

为研究鱼雷头罩在气动力作用下的破坏模式，开展了头罩轴压静力试验。试验情况见图8。试验表明，在轴压静载作用下，头罩的破坏形式仍然表现为“撑进破坏”。断裂出现在罩壳的预制槽上，且一旦起裂，裂纹迅速扩展，直至是上下贯通。

图8　鱼雷头罩轴向静力试验情况Fig.8　The nose cap in static test with axial load

在静载作用下，罩壳的破坏往往呈现为1条预制槽的断裂，且破坏方位具有随机性。当1条预制槽断裂时，其他预制槽并不同时断裂或随后断裂。该现象与雷头罩的结构特性及载荷特性相关，即由于工艺因素及材料随机因素，8条预制槽承载性能存在差异，随轴压载荷的增加，强度最弱的预制槽最先达到强度限，首先断裂；且一旦断裂发生，预制槽环向拉力随即卸载，其他预制槽不再出现断裂现象。

与静力试验不同，入水试验中，瞬态冲击载荷可能远远超出预制槽承载能力，当预制槽强度差异被冲击载荷覆盖时，所有预制槽均会破裂。

5　结论

对鱼雷头罩的入水破坏机制进行了分析、数值仿真和试验研究，提出了满足空中承载及入水破坏功能要求的头罩可行域设计概念。研究表明：

1）“撑进破坏”是鱼雷头罩入水解体的有效破坏模式，预制槽弱链结构与罩壳头部强度的匹配设计是实现“撑进破坏”模式的必要条件；

2）鱼雷入水速度上限、头罩最大飞行载荷和入水破坏载荷构成头罩的承力性能求解域，可同时表征为头罩的强度设计可行域，是“撑进破坏”模式下头罩设计的物理边界。

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（责任编辑：陈曦）

Failure Mode of Torpedo Nose Cap in Water-entry

QIAN Li-xin，LIU Fei，QU Ming，HU Yan-hui，ZHAO Jian-bo
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

The failure process and leading influencing factors of a torpedo nose cap in water-entry are analyzed to reveal failure mechanism and study theoretical design method of the nose cap.The dynamics of water-entry is numerically simulated and verification test is conducted for the nose cap with given boundary conditions.The test result shows that the mode of “wedging-in failure”is the effective failure mode of the nose cap in water-entry.The strength matching design between the top portion and the weak-links of pre-formed groove is a necessary condition for the nose cap to implement this failure mode.The concept of feasible region of the nose cap is proposed based on the wedging-in failure mode as the physical boundary of structural design of a torpedo nose cap.

torpedo nose cap；failure mechanism；water-entry test

TJ630.2；O352

A

1673-1948（2015）04-0257-05

2015-05-04；

2015-06-16.

钱立新（1966-），男，硕士，研究员，主要研究方向为武器工程.