偏心起爆方式对棱柱形定向战斗部破片飞散规律的影响

刘 琛, 李 元, 李燕华, 温玉全

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081)

1 引 言

偏心起爆圆柱形定向战斗部因其结构简单,并能明显提高目标方向破片速度,一直以来受到广泛的关注[1-5],而棱柱形定向战斗部采用偏心起爆方式后,破片飞散速度及分布密度均可得到显著提高[6]。美英的“可编程集成弹药舱”(PIOS)计划[7]研究了一种自适应六棱柱定向战斗部,其毁伤效率高于常规战斗部。Sam Waggener[8]针对六棱柱定向战斗部破片飞散存在覆盖盲区的问题,研究了起爆方式对破片飞散角的影响,通过调整起爆方式可使破片束的飞散角度发生7°～8°的偏移,从而实现360°可打击范围。李元等[6]对比研究了棱柱型和圆柱型偏心起爆定向战斗部的毁伤效能,得出棱柱型偏心起爆定向战斗部能形成高密度的破片束,棱上偏心八点同时起爆时的平均速度和平均动能增益分别达到24.13%和54.52%,且在弹靶距离40m时仍有较强的毁伤效果。

虽然国外很早就提出了棱柱型定向战斗部的概念[7-9],但是其具体性能参数并无报道,而国内对棱柱形定向战斗部研究较少,其破片飞散规律尚未完全掌握。本研究利用LS-DYNA软件对六棱柱定向战斗部进行了数值模拟分析,结合爆炸逻辑网络定向起爆系统的逻辑功能、爆轰波输出特点,综合研究了起爆方式对棱柱形定向战斗部破片速度及分布密度的影响,意图为棱柱型定向战斗部及其起爆系统设计提供理论依据。

2 六棱形战斗部模型建立

2.1 模型结构及相关参数

六棱柱定向战斗部模型结构如图1所示,主要由炸药、空气、衬筒和球形破片四部分组成,模型结构未显示空气域结构,破片直径6 mm,战斗部总外径122 mm,衬筒厚度2 mm,战斗部总长度240 mm。有限元模型中空气域直径300 mm。装填破片数量2577个,破片相互交错均匀排布于衬筒之上。

图1 六棱柱定向战斗部模型结构

Fig.1 The model structure of prismatic aimable warhead

战斗部主装药为TNT/RDX 40/60炸药,炸药材料采用高能炸药燃烧材料模型和JWL状态方程[10]描述。材料模型和状态方程相关参数如表1所示[11]。

空气采用空材料模型和多项式状态方程[10],具体参数如表2所示[11]。

表1 装药性能参数及状态方程参数

Table 1 Parameters of charge property and equation of state

density/g·cm-3pcr/GPaDcr/m·s-1A/GPaB/GPaR1R2ω1.71729.57890524.237.6784.21.10.34

表2 空气材料参数

Table 2 Parameters of air material

density/g·cm-3C0C1C2C3C4C50.0012900000.40.4

战斗部衬筒采用LY12-CZ硬铝材料,该材料在爆轰作用下发生弹塑性变形,所以采用各向同性硬化弹塑性模型描述,具体参数如表3所示[11]。

破片用93W合金材料制成,采用刚性材料模型,以确保破片在驱动过程中不发生变形和损坏,其材料参数如表4所示[11]。

表3 衬筒材料参数

Table 3 Parameters of linear material

density/g·cm-3elasticmodulus/GPapoissonratioyieldlimit/GPahardeningindex2.7720.330.310.7

表4 破片材料参数

Table 4 Parameters of fragment material

density/g·cm-3Young'smodulus/GPaPoissonratio17.511170.22

2.2 起爆方式设定

爆炸逻辑网络定向起爆系统可以实现侧向一线或多线多点同步输出、序贯输出等模式,因此在起爆方式设定时,首先选定五种起爆方式,即面偏心一线起爆(图2a)、面偏心两线起爆(图2b)、面偏心三线起爆(图2c)、棱偏心一线起爆(图2d)、棱偏心两线起爆(图2e),起爆点位置如图2所示。先在同步起爆方式下进行数值计算,再考虑延时起爆方式。延时起爆时,起爆点由上至下依次延时相同的时间间隔。研究中还同时设置了端面中心一点起爆方式(图2f),以便和偏心起爆方式作对比,分析毁伤性能参数变化情况。

a. eccentric one line b. eccentric two lines initiation on face initiation on face

c. eccentric three lines d. eccentric one line initiation on face initiation on arris

e. eccentric two lines f. center one point initiation on arris initiation on end face

图2 六棱柱定向战斗部起爆点布置

Fig.2 Initiator layouts of prismatic aimable warhead

3 计算结果及数据分析

利用LS-DYNA计算180 μs,统计此时刻多点同步起爆和延时起爆下定向区域内破片沿轴向及径向的飞散速度及方向角,将其作为评价定向战斗部威力的性能参数。

3.1 同步起爆3.1.1 破片飞散规律

图3为该六棱战斗部起爆180 μs时分别采用不同起爆方式所形成的典型破片飞散图,由图3可知，破片飞散汇聚成6个破片束。与端面中心一点起爆相比,采用偏心起爆后,破片沿径向飞散呈现明显的不对称性,如图3a、图3c、图3e所示。起爆点对侧破片速度明显提高,但各方向破片数量并未发生改变。采用棱偏心一线起爆或面偏心两线起爆后,左侧上方破片速度明显高于右侧,如图3b、图3d所示。

a. eccentric one line b. eccentric two lines initiation on face initiation on face

c. eccentric three lines d. eccentric one line initiation on face initiation on arris

e. eccentric two lines f. center one point initiation on arris initiation on end face

图3 180 μs不同起爆方式下破片飞散情况

Fig.3 Fragment dispersion situation of different initiation ways at 180 μs

3.1.2 破片飞散速度

由于每个面上排布的破片个数较多,为了便于量化比较,取起爆点对侧平面内中间一行的破片作为研究对象。棱柱战斗部对侧平面上共布置了78行破片,中间行为第39、40行,从左到右依次编号为1-11,其中中间6号破片所在位置称为中间区域,两边1、11号破片所在位置称为边缘部位,破片排列位置如图4所示。不同起爆方式下的破片飞散速度统计如图5所示。

图4 破片排布示意图

Fig.4 Fragment configuration Diagram

图5 不同起爆方式下的径向破片飞散速度

Fig.5 Fragment dispersion velocities in radial direction under different initiation ways

由图5可以看出,起爆方式对破片飞散速度影响较大。采用端面中心一点起爆方式起爆时,破片最大飞散速度为1935.49 m·s-1; 采用面偏心一线同步起爆时,其破片最大飞散速度为2326.06 m·s-1,比端面中心一点起爆时提高20.18%; 采用面偏心两线同步起爆时,其破片最大飞散速度为2231.91 m·s-1,提高15.31%; 采用面偏心三线同步起爆时,其破片最大飞散速度为2371.33 m·s-1,提高22.52%; 采用棱偏心一线同步起爆时,其破片最大飞散速度为2272.25 m·s-1,提高17.40%; 采用棱偏心两线同步起爆时,其破片最大飞散速度为2510.83 m·s-1,提高29.73%。

从以上数据可看出,采用偏心起爆时的破片速度明显高于采用中心起爆时的破片速度,其中采用棱偏心两线同步起爆时的破片速度增益最大。从图5可以看出,不论采取何种起爆方式,都是中间区域的破片飞散速度高于边缘部位的破片飞散速度。这是因为中间区域有爆轰波汇聚,破片在爆轰波的汇聚作用下飞散速度会高一些,边缘部分因为有稀疏波的作用,破片速度会降低。此外,由于爆轰波对破片的加载过程不一致,使得破片沿径向的飞散速度分布存在较大差异。

3.1.3 破片径向飞散角

不同起爆方式下的破片径向飞散角如表5所示,表中参数定义见图6,其中β1为中心起爆时的径向飞散角,β2为面偏心两线同步起爆或棱偏心一线同步起爆时的径向飞散角,α为偏转角。

表5 不同起爆方式对破片径向飞散角的影响

Table 5 Influence of different initiation ways on fragment dispersion angle in radial direction

initiationwayβ/(°)α/(°)centerinitiation27.330eccentriconelineinitiationonface24.920eccentrictwolinesinitiationonface26.630eccentricthreelinesinitiationonface24.360eccentriconelineinitiationonarris22.820eccentrictwolinesinitiationonarris25.580

Note:βis the radial dispersion angle,αis the deflection angle.

图6 径向飞散角

Fig.6 Dispersion angles in radial direction

由表5可得出,采用端面中心单点起爆时,破片束的径向飞散角在27°左右,偏转角0°; 采用棱偏心一线起爆时,破片束的径向飞散角在23°左右,偏转角是0°; 采用其它偏心起爆方式时,破片束的径向飞散角在25°左右,偏转角也是0°。这表明起爆方式对破片束的径向飞散角有一定的影响,但对偏转角没有影响。这与采用偏心起爆可以明显提高定向区域内的破片飞散速度,但对目标方向的破片密度并无影响的研究结果一致[6]。

3.2 棱偏心两线序贯延时起爆

由于采用棱偏心两线同步起爆时破片速度增益最大,故在棱偏心两线序贯延时起爆方式下,研究序贯延时时间对破片飞散的影响。设相邻两起爆点之间的爆轰波传播时间为t=L/D,L为相邻两起爆点间距,D为装药爆速,则设定起爆延时时长分别为t/4、2t/4、3t/4,对不同延时时长下的计算效果进行比较。

3.2.1 爆轰波压力及破片飞散规律

图7为棱偏心两线序贯延时t/4起爆时爆轰波传播情况。

图8为棱偏心两线序贯延时t/4起爆180 μs时破片飞散图,可以看出,经过延时处理后,起爆点对侧的破片受到较大影响,在飞散过程中会产生一定角度的倾斜,这是因为随起爆点起爆时间的不同,其对侧破片向外飞散时间及距离也不同,最终使破片飞散角发生改变。

图7 序贯延时爆轰波传播

Fig.7 Detonation wave propagation under sequential delay detonation

图8 180 μs序贯延时破片飞散情况

Fig.8 Fragment dispersion situation under sequential delay at 180 μs

3.2.2 延时起爆对破片飞散速度的影响

为便于分析,取起爆点对侧面中间一列的破片速度作为比较对象。对侧面共排11列破片,取中间第6列,依次从上到下提取破片速度。中间列在不同延时时长下的破片飞散速度分布如图9所示。

图9 序贯延时起爆对轴向破片飞散速度的影响

Fig.9 Effect of sequential delay initiation on fragment dispersion velocities in axial direction

由图9可看出,对棱偏心两线起爆进行序贯延时处理后,其破片飞散速度会发生一定的改变。采用棱偏心两线同步起爆时,其破片最大飞散速度为2510.83 m·s-1; 对其进行t/4序贯延时处理后,其破片最大飞散速度为2444.82 m·s-1; 对其进行2t/4序贯延时处理后,其破片最大飞散速度为2420.89 m·s-1; 对其进行3t/4序贯延时处理后,其破片最大飞散速度为2260.71 m·s-1。以上结果表明,经过序贯延时处理后,破片飞散速度与棱偏心两线同步起爆时相比明显减小,且破片飞散速度随延时时长增加而减小,这是因为延时处理使得爆轰波之间的碰撞条件发生了改变。

3.2.3 延时起爆对破片轴向方向角的影响

仍取对侧面中间第6列作为研究对象,量取不同延时时长下该列上每个破片的轴向方向角,如图10所示。

图10 延时起爆对破片轴向方向角的影响

Fig.10 Effect of delay initiation on fragment direction angles in axial direction

由图10可看出,对棱偏心两线起爆进行序贯延时处理后,其轴向方向角整体增大,且随延时时长增加,角度改变量逐渐增大。将序贯延时起爆时各个位置破片轴向飞散角与棱偏心两线同步起爆时同一位置的破片轴向飞散角相减,得出破片轴向飞散角的改变量,将每种起爆方式下飞散角改变量的最大值作为对比统计量,如表6所示。

表6 不同序贯延时下的破片轴向方向角改变量

Table 6 Change quantity in axial direction angle of fragment under different sequential delays

delaytime0t/42t/43t/4changeofaxialdirectionangle/(°)04.475.616.77

从表6可以看出,随着延时时长的增加,轴向方向飞散角改变量增大,最大可达6.77°,表明序贯延时起爆能够改变破片束飞散方向,可用于精确控制破片的飞散方向,有助于提高对目标的毁伤概率。

4 结 论

(1) 采用偏心起爆后,破片沿径向飞散呈现明显的不对称性,破片束基本分布在25°左右的径向范围内;

(2) 相对于中心起爆,采用棱偏心两线同步起爆时对目标方位破片最大飞散速度增益可达29.73%;

(3) 序贯延时起爆对破片的轴向飞散角有一定的影响,随着延时时长的增加,轴向方向角最大可达6.77°,可用于精确控制破片的飞散方向,提高对目标的毁伤概率。

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