一种球缺罩爆炸成型弹丸的匹配设计与试验研究

2017-05-03陈科全路中华胡榕希

弹箭与制导学报 2017年5期

陈科全, 路中华, 唐平, 韩冰, 胡榕希

(1 中国工程物理研究院化工材料研究所, 四川绵阳 621900; 2 中国工程物理研究院安全弹药研发中心, 四川绵阳 621900; 3 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094)

0 引言

爆炸成型弹丸(EFP)是近30年发展起来的一项新型毁伤技术,它利用炸药的爆轰作用,压垮药型罩形成具有较高速度和一定结构形状的弹丸,从而以动能侵彻毁伤目标[1]。爆炸成型弹丸具有抗旋、抗屏蔽、炸高敏感性小和毁伤后效大等优点,可用于对付坦克、装甲车、武装直升机、舰船等目标。

爆炸成型弹丸的成型受药型罩形状、厚度、材料、加工工艺以及装药类型、起爆方式等多种因素的影响,因此装药与药型罩结构的匹配设计一直是爆炸成型弹丸战斗部设计的关键技术之一。许多学者[2-6]采用工程计算、数值模拟和试验验证方法研究了药型罩结构及装药参数对弹丸成型的影响,近年来多爆炸成型弹丸[7-8]、复合爆炸成型弹丸[9-10]的研究也引起了人们的重视,相关技术已用于武器装备,如德国鸬鹚I、II型反舰导弹战斗部,它依靠导弹自身动能侵入舰船内部爆炸,其爆炸成型弹丸可穿透多个舱室,除了对人员和仪器仪表造成毁伤以外,也增大了击毁弹药库、锅炉和主机等的可能性。

采用不同装药结构和起爆方式,可以形成长杆EFP、带尾裙(尾翼)EFP和球形EFP等。现有研究表明,球形EFP弹丸的飞行稳定性最好,几乎不受飞行姿态影响,具有很高的军事应用价值。文中结合球缺药型罩爆炸成型弹丸形成的特点,选取RDX基PBX(RDX-PBX)和HMX基PBX(HMX-PBX)两种典型高能炸药为对象,根据炸药的爆轰特性,借助数值模拟技术完成了装药与药型罩结构的匹配设计,并通过试验验证了匹配设计方法的合理性。

1 球缺罩爆炸成型弹丸匹配设计数值模拟

1.1 计算模型

爆炸成型弹丸成型过程非常复杂,涉及许多因素。对于球缺罩爆炸成型弹丸,在确定高爆速高爆压炸药的基础上,影响因素还包括药型罩材料、装药长径比、药型罩壁厚、药型罩曲率半径、药型罩加工方法及精度、壳体厚度等。为验证装药与药型罩结构匹配设计的合理性,设计了一种爆炸成型弹丸试验弹,如图1所示。试验弹由壳体、药型罩、起爆装置、主装药和前后盖板等组成。试验弹基本模型主要特征参数为:外形尺寸φ220 mm×220 mm,壳体厚度δ=10 mm,装药长径比L/D=0.75,药型罩曲率半径R=96 mm,药型罩锥顶厚度t=18 mm,药型罩口部直径Dk=128 mm。根据结构的对称性,建立了试验弹的四分之一有限元模型,如图1(b)所示。

球缺罩爆炸成型弹丸匹配设计数值模拟计算分两个阶段完成。利用LS-DYNA有限元软件,首先在炸药参数、药型罩材料、壳体厚度等参数一定的前提下,通过正交设计调整药型罩曲率半径、药型罩壁厚、药型罩口部直径等,第一阶段模拟爆炸成型弹丸成型过程,第二阶段计算成型弹丸侵彻15层、厚度6 mm、间距2 m的45#钢靶。模拟对比爆炸成型弹丸成型情况及其侵彻穿靶过程,以期获得质量大、成型密实的爆炸成型弹丸,且弹丸穿甲层数不小于12层,结合试验验证获得装药与药型罩匹配的较优结构设计方案。

1.2 材料模型及参数选取

计算中使用了RDX-PBX(91RDX/9粘结剂)和HMX-PBX(90HMX/10粘结剂)两种典型高能炸药,采用High-Explosive-Burn模型和JWL状态方程模拟,JWL状态方程表达式为:

(1)

式中:p为爆轰产物的压力;V为爆轰产物单位体积的比容;A、B、R1、R2、ω和E0为6个待定参数,由圆筒试验确定。两种装药的主要计算参数如表1所列[11]。

药型罩、前盖板、壳体(同靶板)材料分别为20#钢、D6A、45#钢,采用Johnson-cook材料模型和Gruneisen状态方程模拟。Johnson-cook模型是一种粘塑性本构模型,能较好的描述金属材料的应变率效应,其表达形式为:

表1 两种主装药的计算参数[11]

(2)

1.3 数值模拟结果及分析

根据RDX-PBX和HMX-PBX两种炸药的爆轰特性,经过对药型罩外形尺寸、壁厚等的参数化匹配设计,分别获得优选药型罩结构I和结构II。爆炸成型弹丸成型情况及侵彻间隔钢靶模拟计算结果如图2所示。为便于对比分析,针对RDX-PBX炸药的匹配药型罩结构I,模拟计算了直接更换为HMX-PBX时弹丸成型情况及其侵彻钢靶的过程。

详细计算结果对比如表3所列。可以发现:相对于RDX-PBX炸药,HMX-PBX炸药的金属加速能力更强,其爆炸成型弹丸的质量和速度均有提高,弹丸的穿甲能力略有提升;针对RDX-PBX匹配的药型罩结构,如果只更换装药为HMX-PBX,其成型弹丸的穿甲能力从12层降为10层,而匹配设计后的穿甲层数提高到13层,进一步证实了装药与结构匹配设计的重要性。分析成型弹丸侵彻间隔钢靶过程发现:成型弹丸穿过前几层靶板后,成型弹丸和靶板逐渐呈现流体动力特征,当成型弹丸侵彻第7～10层钢靶时,侵彻穿甲速度明显低于成型弹丸速度;成型弹丸侵彻间隔钢靶过程中,弹丸不断缩短,使穿甲孔径呈增大趋势,且由于侧向流动质点的撞击作用,推动弹丸穿甲入口边缘外翻,使靶板破坏孔呈花瓣状,这与试验观测到的现象基本一致。

表2 20#钢、D6A、45#钢的计算参数[12-13]

表3 弹丸成型情况及其侵彻能力计算结果对比

2 试验验证研究

为验证爆炸成型弹丸匹配设计数值模拟方法的合理性,针对前述数值模拟结果,加工并装配了3发试验弹,开展了试验验证研究。

2.1 试验设计

试验场地布置如图3所示。试验系统主要由试验弹、靶标系统、测试系统等组成。试验靶标为厚度6 mm、间距2 m的45#钢靶,每发试验均为15层,其中前5块靶面尺寸为1 m×1 m,中间5块为2 m×2 m,其余为2 m×3 m。采用高速摄影拍摄成型弹丸侵彻钢靶的全过程,并用测速铜箔测量第一、第二、第六和第十层靶板前后的弹丸速度,速度测试采用典型的靶测速法,通过弹丸(破片)穿过铜箔靶时,靶断通,由速度测试系统产生TTL电平跳变信号,再由高速DIO数字采集卡存入计算机硬盘,再由专用软件判读信号跳变及时间差,即可求得弹丸(破片)相应的飞行速度值。铜箔从试验弹端开始依次标识为1#、2#…14#,试验弹距离第一块靶板2 m,其中心轴与各靶面中心线重合。

2.2 试验结果及分析

爆炸成型弹丸侵彻间隔钢靶试验结果如表4所列。结合高速摄影和试验后现场图像可以发现,针对试验弹结构I,RDX-PBX炸药的爆炸成型弹丸在穿过第九层靶板后,偏出第十层靶面范围,即该成型弹丸穿甲层数可能更多。试验弹结构I如果直接更换主装药为HMX-PBX时,穿甲层数仅为7层,而经过匹配设计后的试验弹弹丸穿甲层数达到13层,即经过匹配设计后弹丸的侵彻能力显著提高。同时,试验结果与前述数值模拟规律性一致,证实了前述装药与结构匹配设计数值模拟方法的合理性。

回收到的部分成型弹丸如图4所示。其中,受爆炸成型弹丸破碎和试验条件限制,成型弹丸回收不完全。结合不同靶板的穿孔情况发现,爆炸成型弹丸穿透部分靶板后存在不同程度的破碎,而HMX-PBX炸药匹配药型罩结构II爆炸成型弹丸的回收情况最好,弹丸在穿过第八层靶板后仅剩一个弹丸继续侵彻靶板,回收到的最大弹丸质量达551 g,约占药型罩初始质量的50%,进一步说明药型罩结构匹配设计的合理性。

表4 爆炸成型弹丸验证试验测试结果

注:结构I(RDX-PBX)爆炸成型弹丸穿透第九层靶板后脱靶。

不同靶板处成型弹丸穿甲前后速度测试结果如图5所示。可以发现,第一层靶前速度测试结果为2 491～2 595 m/s,较第二层靶前速度(1 560～1 844 m/s)大很多,且与数值模拟结果(1 587～1 672 m/s)差异也很大,穿过第一层靶板后速度测试结果最大降幅达37.4%,不符合爆炸成型弹丸基本毁伤特征,而后续成型弹丸速度测试结果趋于合理。结合试验现场布置特征,初步分析第一层靶前速度测试结果应是试验弹自然破片击穿测试铜箔造成的。首先,炸药驱动药型罩成型弹丸及破片的物理过程存在差异,药型罩成型过程存在翻转、压缩和拉伸等过程,形成弹丸质量较大,而自然破片质量相对较小,速度相对较高。其次,根据赵慧英等[14]的研究成果,爆炸成型弹丸速度近似满足:

(3)

式中:ρ0为装药密度;D为装药爆速;ρ为药型罩密度;γ为等熵指数;R为药型罩半径;l为装药高度;f(x)为药型罩几何形状函数;δ(x)为药型罩厚度函数,详细理论推导见文献[14]。

将炸药基本爆轰参数、药型罩及装药结构尺寸等代入式(3)可得,爆炸成型弹丸的速度范围为1 561～1 653 m/s,与数值模拟结果偏差较小。同时,采用Gurney公式(4)预估了试验弹破片速度,根据炸药爆轰参数和试验弹结构特性,破片速度计算结果为2 115～2 283 m/s,与试验测试结果最大误差为15.1%,这与Gurney公式的简化假设相关,也与试验速度测试精度有关,但总体来说误差相对较小。

(4)

3 结论

文中以设计的爆炸成型弹丸试验弹为载体,结合RDX-PBX和HMX-PBX两种典型高能炸药的爆轰特性,采用数值模拟方法,模拟研究了两种装药条件下爆炸成型弹丸成型及侵彻间隔钢靶的过程,反复迭代后获得与装药匹配的药型罩结构,并对匹配设计后的药型罩结构进行了爆炸成型弹丸侵彻间隔钢靶的验证试验研究。研究结果表明,相应爆炸成型弹丸侵彻间隔钢靶试验结果与数值计算结果趋势一致,验证了文中装药与结构匹配设计数值模拟方法合理可行。

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