杀爆战斗部爆破威力试验影响因素分析*

王 林，高秀娟，李晓辉，王传有

(中国白城兵器试验中心，吉林白城 137000)

0 引言

战斗部在土中的爆炸作用是终点效应研究的重要内容之一，其中地下爆破产生的爆坑是重要的爆炸后效形式。通过对最终爆坑体积大小的对比，可以对比分析战斗部的威力和装药性能。文中主要从影响爆坑体积的因素出发，分析战斗部装药质量、战斗部埋入深度、壳体材料等对爆坑体积的影响，从而确定最佳爆坑深度，用以评定战斗部的土中爆破威力。

1 抛掷爆破理论基础

当战斗部埋入深度较小时，炸药爆炸能量超过战斗部上方土石介质的阻力，土石将被抛掷，并在爆炸中心与地面之间形成一个抛掷漏斗坑。如图1所示为抛掷漏斗坑示意图。

图1 抛掷漏斗坑示意图

试验表明，抛掷系数n=r/h小于2时，土块回落情况增加［1］。根据抛掷系数的大小，爆破分为以下几种情况:

n＞1为加强抛掷爆破，漏斗坑顶角大于90°;n=1为标准抛掷爆破，漏斗顶角为90°;0.75＜n＜1为减弱抛掷爆破，漏斗顶角小于90°;n＜0.75为松动爆破，无土块抛掷现象，对战斗部来说为盲炸。统计近年来靶场几种典型弹药爆坑试验结果数据，如表1所示。

表1 典型弹药的爆破威力试验结果

从表1可以看出，在靶场进行爆坑试验的爆破情况均为加强型抛掷爆破，所以进行战斗部爆坑试验时，需确定其埋深。对于带有延期引信、侵彻功能的火箭弹战斗部，更应有最佳爆炸深度。

2 抛掷爆破试验及影响因素分析

2.1 试验方法

目前战斗部的爆坑试验，执行的标准主要有《GJB4225榴弹定型试验规程》和《GJB3197炮弹试验方法》。军标要求战斗部弹头向下，埋入深度可根据战斗部作战特点进行计算［2-3］。

2.2 存在问题

按照《GJB3197炮弹试验方法》，战斗部埋入深度h公式为:

式中:m战斗部装药质量(kg);K为取决于土壤的抛掷系数，如表2所示［2］;Qs为被试战斗部爆热(kJ/kg);Qt为TNT爆热，约为4 187 kJ/kg;L为战斗部质心到埋入坑底的深度(m)。

表2 常见土壤的抛掷系数

按照式(1)进行深度计算，没有考虑战斗部的壳体材料影响。爆炸可能出现松动爆破情况。

3.3 爆破威力影响因素分析

试验表明，影响战斗部爆破威力的因素主要有战斗部装药质量、土壤性质、埋入深度、壳体材料等因素。式(2)为战斗部装药能量与埋深的工程公式［4］。

式中:ω为换算成TNT的战斗部装药质量(kg);K为土质抛掷系数;h为埋深(m);n为抛掷系数，n=r/h。

式(2)适用于装药长度与直径比小于4时，当大于4时，应乘以系数φ:

2.3.1 战斗部装药质量对爆坑大小的影响

根据式(2)，当战斗部埋深一定时，抛掷爆破开坑大小与装药质量的关系如图2所示，随着装药量的增大，开坑大小随之增大。

图2 战斗部装药质量与抛掷系数关系曲线

2.3.2 埋入深度对爆坑大小的影响

根据式(2)，当战斗部装药质量、爆坑开口直径一定时，战斗部埋入深度对装药质量的影响如图3所示，即战斗部埋入土中越深，形成抛掷爆破所需的战斗部装药质量越大。

图3 战斗部埋深与抛掷系数关系曲线

2.3.3 战斗部壳体对爆坑大小的影响

战斗部爆炸后，主要靠冲击波作用对土壤进行压缩，而壳体的破裂、飞散要消耗能量，所以必须要将带壳体装药换算成裸装药。式(5)为萨道夫斯基公式，式(6)为带壳体柱形战斗部装药换算成裸装TNT质量公式［5］。

式中:ΔPm为冲击波超压(Pa);MT为TNT裸装药质量(kg);r为测量点到爆心的距离(m);Mw为带壳全弹质量(kg);M为壳体质量(kg)。

如某型杀爆战斗部，装药为7.5 kg梯黑铝炸药，不考虑壳体影响，换算成TNT质量为12.75 kg，考虑壳体影响，换算成TNT质量为8.83 kg。如果按照式(1)或者式(2)进行爆坑深度计算，则存在不同的深度值。

3.4 最佳爆破深度

根据以上分析，影响战斗部爆破威力结果的影响因素主要有战斗部装药质量、战斗部埋入深度、壳体材料等，但对于不同装药战斗部，存在一个最佳爆炸深度，在此深度下，爆坑体积将最大。式(7)为战斗部爆破时的最佳爆深工程公式［6］:

式中:h为战斗部埋深(m);ω为战斗部装药TNT质量(kg)。

最佳爆深与装药质量关系如图4所示。

图4 不同装药质量与最佳爆深关系图

3 仿真计算与试验验证

3.1 基于ANSYS/LS-DYNA的仿真验证

关于炸药在土壤中的爆炸作用，国内外学者进行了相关试验和模拟研究。结合以上分析，选用某型战斗部进行战斗部爆破威力仿真分析，主要仿真分析战斗部壳体对爆破威力结果的影响。仿真模型中炸药、土壤、空气采用EULER六面体网络，弹丸壳体采用单点积分的Lagrange六面体网络。采用流-固耦合方式求解单元之间的相互作用，仿真模型示意图如图5所示。

图5 不带壳体与带壳体仿真模型图

炸药采用High-Explosive-Burn材料模型和JWL状态方程进行描述;壳体采用Johnsio-Cook材料模型和Gruneisen状态方程;土壤采用 MAT-SON-ANDFOAM材料模型。分别分析带壳体战斗部、不带壳体战斗部对土壤的压力情况，土壤受最大压力曲线如图6、图7所示。

图6 考虑壳体影响的土壤最大压力曲线图

图7 不考虑壳体影响的土壤最大压力曲线

3.2 试验验证

从图6、图7仿真结果分析，不带壳体的战斗部对土壤的最大压力显然大于带壳体装药战斗部。如表3所示为某型火箭弹爆破威力试验条件，即不考虑壳体材料影响和考虑壳体材料影响，分别进行TNT当量计算和理论埋深计算，图8为爆炸后实际效果图。从仿真及试验结果可以得出，当战斗部埋深较深时，会出现松动爆破现象，而不形成抛掷漏斗坑。所以爆破威力大小不仅取决于战斗部的装药质量、战斗部埋入深度，还要考虑战斗部壳体对其影响。

表3 某型火箭弹埋深表

图8 某型火箭弹爆破效果图

4 结论

爆破威力试验的爆坑容积不仅取决于土壤的性质、战斗部埋入深度、战斗部放置状态等参数，还取决于战斗部壳体材料。不同装药质量的战斗部存在一个最佳抛掷深度，在此深度下，抛掷漏斗坑的体积将达到最大。在靶场进行爆破威力对比试验时，应该明确以下几点要求:

1)靶场的爆破威力试验结果要求应为加强型抛掷漏斗;

2)靶场进行的战斗部爆破威力试验，应充分考虑战斗部壳体对爆破威力结果的影响，将装药TNT当量进行适当换算;

3)如出现松动爆破等情况，可视为试验数据无效;

4)在进行爆破威力对比试验时，应将试验条件设为一致，才能更加客观有效的进行爆破威力对比试验。

［1］北京工业学院一系.爆炸物理基础［M］.北京:北京工业学院，1974.

［2］熊志平，等.GJB3197-98炮弹试验方法［S］.1998.

［3］王益森.GJB4225-2001榴弹定型试验规程［S］.2001.

［4］杨亚东，李向东，叶小军，等.可变形定向战斗部变形控制参数的匹配［J］.火炸药学报，2012，35(3):61－65.

［5］张志鸿，周申生.防空导弹引信与战斗部配合效率和战斗部设计［M］.北京:中国宇航出版社，2006.

［6］穆朝民，任辉启，辛凯，等.变埋深条件下土中爆炸成坑效应［J］.解放军理工大学学报，2010，11(2):112－116.