起爆方式对双聚焦战斗部性能的影响

荣吉利， 甘振坤， 覃光明， 蔚红建， 项大林

(1.北京理工大学 宇航学院，北京 100081；2.西安近代化学研究所，陕西，西安 710065)



起爆方式对双聚焦战斗部性能的影响

荣吉利1， 甘振坤1， 覃光明2， 蔚红建2， 项大林1

(1.北京理工大学 宇航学院，北京 100081；2.西安近代化学研究所，陕西，西安 710065)

为了分析起爆点数量和位置对双聚焦式战斗部破片飞散特性的影响，对某型号的双聚焦式破片战斗部进行了数值仿真，仿真结果与试验值具有较好的一致性，对比分析了采用不同起爆方式时破片的飞散特性. 研究结果表明，轴向起爆时改变起爆点的位置和数量对破片初速影响小，对聚焦效果影响大；采用偏心起爆时，破片初速与起爆半径成正比关系，起爆点的周向夹角对破片飞散特性影响小，偏心轴向上起爆点数量和位置影响较大. 适当改变起爆点位置和数量能优化破片飞散，增强聚焦带对目标的毁伤作用.

双聚焦式战斗部；起爆方式；飞散特性；聚焦效果；数值模拟

聚焦式战斗部可使轴向能量在一个位置上形成环带汇焦，形成以弹轴为中心的破片聚焦带[1-2]. 魏继峰等[3]采用LS-DYNA模拟对比了轴线单点、两点、三点起爆方式下双聚焦战斗部的爆轰波传播过程和破片飞散特性；严瀚新等[4]研究了偏心和中心起爆对单聚焦破片战斗部飞散特性的影响. 目前针对偏心起爆的研究尚未包括起爆半径和起爆点周向夹角对双聚焦破片战斗部的影响，因此有必要对起爆方式影响破片飞散性能作进一步的研究.

本文采用LS-DYNA软件对某双聚焦战斗部的破片飞散特性进行了模拟仿真，并将数值仿真值与试验结果进行了对比. 在此基础上改变起爆方式(轴线起爆、偏心起爆)进行了模拟，重点研究了起爆半径、起爆点周向夹角和起爆点数量变化对破片飞散和聚焦效果的影响.

1 数值仿真

1.1 有限元模型

战斗部的有限元模型包括主装药、衬壳和破片. 战斗部长324 mm，最大直径为203 mm，弹体母线为圆弧形. 破片尺寸为7 mm×7 mm×7 mm，共1344枚，均匀排列在衬壳的外表面. 有限元模型采用8节点6面体实体单元.

1.2 算法选择

与Lagrange算法相比，采取ALE算法能更好地模拟炸药与衬壳、破片的相互作用. 炸药和空气划分为Euler网格，破片和衬壳为Lagrange网格. 破片与衬壳之间的接触采用自动面对面接触，破片之间的接触设置为单面自动接触. 起爆方式为中心起爆.

1.3 材料模型

主装药为硝酸酯类炸药，仿真时采用JWL状态方程，参数值见表1. 衬壳为铝合金材料，采用弹塑性模型；破片为钨合金材料，采用刚体模型. 材料参数见表2.

表1 装药爆炸性能参数及JWL状态方程参数

表2 材料力学参数

1.4 计算结果与分析

从图1(a)可知破片是沿着径向均匀飞散，战斗部同一横截面上的破片飞散情况基本一致；由图1(b)可知上下束破片朝着各自的聚焦点飞散，形成了两条很明显的聚焦带，轴向位置不同，破片的初速也不同. 爆轰产物从两边侧向飞出，产生侧向稀疏波，减少了对衬壳的做功，使破片的加速不够充分，因此战斗部端部和中部的破片初速值较低.

由于模型对称性，所以选用轴向一列共20个破片(考虑到爆轰波端部效应，除去两端部和中部破片)为研究对象. 破片的排列和编号如图2所示.

对于双聚焦战斗部，破片的初速、飞散角和聚焦带倾角都是重要的毁伤效能指标. 由图3(a)可知，装药起爆后大约20 μs时破片开始加速，50 μs时已达最大值，此速度也称为初速，此后破片处于匀速状态. 从图3可得破片最大速度为2 261.62 m/s，最小速度为1 839.85 m/s，速度差最大值约是200 m/s，破片与轴向中截面夹角为3.6°～5.6°，破片飞散角约为2°.

某研究所对该破片战斗部进行了地面静爆试验，试品的实际结构参数与仿真模型的基本一致. 表3为破片平均初速、飞散角及聚焦带倾角实验值与仿真值的对比.

从表3可知仿真值与试验值的误差在12%以内. 破片平均初速的仿真值存在误差的原因是仿真模型中没有考虑战斗部外壳和端盖. 缺少这两者时，爆轰产物未能充分燃烧释放能量[5]，对破片的做功时间短，破片所获的初速也小. 仿真忽略空气阻力，而破片速度方向会影响飞散角和聚焦带倾角，因此该因素也导致飞散角和聚焦带倾角的仿真值与实验值存在误差.

表3 数值仿真结果与试验结果对比

2 起爆方式的影响

2.1 轴向起爆

为了研究轴向起爆点数量和位置变化对破片飞散特性的影响，设计轴向2点和3点起爆类型，共8种起爆方式，见表4. 起爆点将战斗部的中心轴8等分，如图4所示. 不同点起爆方式的破片分布图如图5所示.

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表4 轴向起爆方式

由图6(a)和图7(a)可知：相比中心起爆，两点起爆时破片的平均初速增益分别为1.02%，2.63%，2.00%；随着起爆点距离变大，中心处破片增速变快，速度差增大，聚焦带分束效果变差，两聚焦带中心夹角减小. 起爆方式B的聚焦效果不明显，破片密度小；起爆方式C和D的破片飞散相似，两束聚焦带有聚拢趋势. 起爆方式A的破片速度差最小，聚焦明显且中心夹角大，其破片聚焦效果更好.

从图6(b)和图7(b)可知：与中心起爆相比，3点起爆时破片的平均初速增益分别为0.96%，2.53%，3.39%，3.59%；聚焦带中心夹角随着起爆点间距变大而减小. 起爆方式F和G的破片分布空间相似，速度差较大. E和H起爆的破片聚焦最好，E的最大速度和速度差比H小，聚焦带夹角比H的大，但H的聚焦带宽度最小，因此H的破片密度最大.

总的来说，3点起爆时聚焦带破片速度差比两点起爆的小，所形成的聚焦带也明显，所以3点起爆能更好地控制破片飞散，使聚焦带破片速度差变小、密度增大，对目标毁伤更强.

2.2 偏心起爆状态对破片飞散特性影响

偏心起爆战斗部可选择起爆点来改变爆轰波传播途径和波形，提高目标方向上的破片速度、密度和杀伤半径[1，6]. 偏心点起爆和偏心线起爆如图8所示，图中：2L为战斗部高度；R为横截面最大半径；2θ为起爆点夹角. 偏心点起爆和偏心线起爆分别研究起爆点半径、周向夹角和起爆点变化对破片飞散特性影响. 偏心点起爆方式见表5；偏心轴线(R/2)3点起爆:方式T(偏心轴线中点和距其L/4处对称两点同时起爆)，方式U(偏心轴线中点和距其L处对称两点同时起爆)；偏心线起爆：方式V(起爆点间距L/2)，方式W(起爆点间距L/4)，方式X(起爆点间距L/8).

Tab.5 Numbers of initiation manners of eccentric points on middle axial section

起爆半径2θ=0°2θ=30°2θ=60°2θ=90°R/4方式IR/2方式J3R/4方式KR方式M方式N方式Q方式S

为了研究起爆点沿着周向夹角变化对环向破片影响，除考察轴向破片飞散情况外，还选取了同一横截面上的破片为研究对象，破片选取如图9所示.

由图10知，在轴向中截面0°径向处，破片速度随着起爆半径变大而增大. 起爆半径为R时，破片的平均初速达到2 486.45 m/s，比中心起爆时增益为16.02%.

从表6可知，聚焦带轴向张角随着起爆半径增大而变小，即是破片数量相同时，聚焦带破片密度变大.

表6 不同起爆半径时聚焦带轴向张角

Tab.6 Axial opening angle of focal zones with different detonation radius

起爆方式聚焦带1张角/(°)聚焦带2张角/(°)中心162172I148157J111140K112102M094089

Tab.7 Axial opening angle of focal zones with different circumferential angle of initiation points

起爆方式聚焦带1张角/(°)聚焦带2张角/(°)中心162172M094089N082080Q106105S120115

由图12知，起爆半径相同时，定向区域内同一横截面周向破片的初速分布曲线斜率与起爆周向夹角成正比，速度变化幅度分别为2.20%，3.93%，6.12%，6.78%，中心起爆为0.73%. 聚焦带毁伤目标时，要求破片速度差尽可能小，否则在动态情况下破片命中区拉大，命中密度减低，影响切割作用. 此外，这4种起爆方式同一横截面周向破片与定向区域对称面夹角基本相同，都比中心起爆的小，所以偏心起爆能增大定向区域内周向破片密度，但增幅较小.

通过对比，起爆方式M与N的轴向破片平均初速增益、聚焦带轴向张角基本相同，但起爆方式N的周向破片初速曲线斜率要比M的大很多，即M的周向速度差较小，所以在偏心起爆中采用偏心单点起爆的效果更好.

从图13可计算出，相比中心起爆该6种起爆方式的破片平均初速增益分别为8.96%，11.10%，13.93%，14.23%，14.59%，14.86%，聚焦带轴向平均张角降幅分别为0.52°，0.86°，0.94°，1.24°，1.17°，1.21°，聚焦带轴向破片速度差变化幅度分别为71.5，106.1，243.1，181.8，200.5，204.4 m/s. 偏心线起爆的起爆点数量从5～17个时，图13中V，W和X的曲线基本重合，这说明起爆点增加到一定数量后对破片飞散特性影响趋于稳定. 线起爆的破片初速与聚焦带密度均比起爆方式U的大，而速度差比它的小；线起爆的破片初速与聚焦带密度增益虽均比起爆方式T大，但其破片速度差比起爆方式T的大，两聚焦带夹角也小.

从毁伤角度看，聚焦带内破片速度差越小，切割效果越好，聚集带夹角大，杀伤范围就广. 增大轴向上起爆距离和数量虽能增大破片速度和聚焦带密度，若重点考虑破片聚焦效果、杀伤范围和切割效果时，起爆方式T要比其余5种起爆方式更适合此类战斗部.

3 结 论

① 轴向起爆时，改变起爆点的数量和位置，对破片轴向初速分布和聚焦带的形成影响较大，轴向3点起爆的聚焦效果要比轴向2点的好.

② 偏心起爆时，起爆半径越大，定向区域内破片的初速就越大. 起爆半径相同时，起爆点周向夹角对定向区域内轴向破片初度分布和聚焦带破片密度的影响较小，但会造成聚焦带同一截面上周向破片存在不同的速度差，当起爆点周向夹角为0°时破片速度差最小.

③ 偏心线起爆时，起爆点达到一定数量后，破片飞散特性趋于一致. 偏心点起爆时，轴向起爆点数量与距离对破片速度分布与聚焦有较大影响. 在考察破片速度差和聚焦带毁伤范围时，偏心轴线中点和距其L/4处对称两点同时起爆是相对较好的一种起爆方式.参考文献：

[1] 卢芳云，蒋邦海，李翔宇，等.武器战斗部投射与毁伤[M].北京:科学出版社，2013：140-146.

Lu Fangyun， Jiang Banghai， Li Xiangyu， et al. Weapon warhead projection and damage[M]. Beijing: Science Press， 2013:140-146. (in Chinese)

[2] Tong L， Lixin Q， Shouqi Z. Study on fragment focusing mode of air-defense missile warhead[J]. Propellants， Explosives， Pyrotechnics， 1998，23(5):240-243.

[3] 魏继锋，焦清介，宁建国.双聚焦式破片战斗部不同起爆方式的数值模拟研究[J].含能材料，2005，13(1):17-21。

Wei Jifeng， Jiao Qingjie， Ning Jianguo. Numerical investigation of different initiation modes for dual-focusing fragment warhead[J]. Chinese Journal of Energetic Materials， 2005，13(1):17-21. (in Chinese)

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Yan Hanxin， Jing Chunlan， Li Ming， et al. Numerical simulation of effect of different initiation positions on a certain focusing fragment warhead [J]. Chinese Journal of Energetic Materials， 2009， 17(2): 143-146. (in Chinese)

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Rong Jili， Xiang Dalin， Li Jian, et al. Study on underwater explosive character of aluminized explosive[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology， 2012， 32(3): 221-225. (in Chinese)

[6] 王晓英，张庆明，李金柱.偏心多点起爆战斗部破片飞散三维数值模拟研究[J].北京理工大学学报，2003，23(4):201-206.

Wang Xiaoying， Zhang Qingming， Li Jinzhu. 3D simulation of the fragments dispersion under asymmetrical multiple point initiation[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology， 2003，23(4)：201-206. (in Chinese)

(责任编辑：刘雨)

Effect of Initiation Manners on Scattering Characteristics of Double-Beam Focusing Warhead

RONG Ji-li1， GAN Zhen-kun1， QIN Guang-ming2， YU Hong-jiang2， XIANG Da-lin1

(1.School of Aerospace Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China;2.Xi’an Modern Chemistry Research Institute， Xi’an， Shaanxi 710065， China)

In order to study the effects of quantities and position of initiation points on double-beam focusing warhead, numerical simulation was conducted on a certain double-beam fragment focusing warhead. The simulation results were accordant well with the test results. The fragment scattering characteristics under different initiation manners were made comparison and analysis. The research results show that when taking axial initiation, the quantity and position of initiation points have less effect on the fragment velocity, large effect on the focusing effects of fragment. When using eccentric initiation, fragment velocity is proportional to the detonation radius, the quantities and location of initiations in the eccentric shaft have much effect on the fragment scattering characteristics than the circumferential angle of initiation point. The fragment scattering can be optimized and the damage effect caused in fragment focal zones can be enhanced by changing the quantities and location of initiation points appropriately.

double-beam focusing warhead; initiation manner; scattering characteristics; focusing effect; numerical simulation

2014-08-12

国家部委预研项目(00401030102)

荣吉利(1964—)，男，教授，博士生导师，E-mail:rongjili@bit.edu.cn.

TJ 410.3

A

1001-0645(2016)04-0359-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.04.005