离散杆和EFP组合战斗部对飞机毁伤效应研究

梁 斌,冯高鹏,周婕群,李俊承

(中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621900)

离散杆和EFP组合战斗部对飞机毁伤效应研究

梁 斌,冯高鹏,周婕群,李俊承

(中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621900)

为分析离散杆与EFP复合战斗部对典型战斗机毁伤效应,根据强度等效原则,采用动力学有限差分程序建立了数值模拟模型。采用流固耦合与接触算法,模拟了爆炸冲击波、离散杆条、EFP 3种毁伤元爆炸形成过程,以及典型弹靶交会条件下对飞机的联合毁伤效应。分析获得3种毁伤元对飞机各部分结构破坏、对油箱引燃概率的初步规律。研究结果对新型防空战斗部杀伤元素的设计及毁伤效应评估具有重要的参考价值。

爆炸力学;离散杆;毁伤效应;引燃概率

0 引言

离散杆战斗部是以独立的、大长径比的预制杆条作为主要杀伤元的一种特殊的破片战斗部。较传统破片战斗部,其杀伤元素质量大,速度高,对空中目标的切割毁伤能力强,具有较大的有效杀伤区域[1-2],广泛应用于空空导弹战斗部技术领域。战斗部对飞机的毁伤效应分析通常是根据目标结构特点,给出破坏判据,采用仿真分析的方法进行[3-6],该方法能够高效分析单一毁伤元作用,但难以直观反映多种毁伤元联合破坏效应。由于战斗部产生的破片、杆条等毁伤元与飞机相差4个尺度,目前还难以采用有限元/有限差分方法实现飞机全耦合爆炸毁伤效应数值模拟。为此,文中采用流固耦合与接触算法计算战斗部形成复合毁伤元,结合CONWEP算法[7-9],在对飞机目标特性和战斗部破片飞散特性分析基础上,建立了特定弹目交会条件下战斗部对飞机的毁伤效应分析数值模型。实现对目标联合毁伤效应的分析。

1 战斗部数值建模

为便于数值计算建模,又不失真,将战斗部结构适当简化,主要如下:战斗部前后端盖与外衬筒的螺纹连接简化为固定连接;引信及起爆装置等效为质量相同的铝板附加在后端盖上;外壳与外衬筒之间的连接简化为固定连接;端盖与4个药型罩之间连接为固结。

采用TrueGride程序建立了战斗部结构化六面体网格模型,并导入有限差分程序AUTODYN-3D中,建立了战斗部数值模拟模型,如图1。其中,炸药、空气域采用多物质Euler单元,端盖、外壳、杆条、波形控制器采用Langrange单元。为控制杆条飞散方向,将内外层杆条沿弹轴向旋转2°。

图1 战斗部数值模拟模型

固体部件之间采用接触算法。接触采用对称罚函数法。流体与固体之间采用流固耦合算法,起爆点位于装药中心。弹体结构中,杆条为钛合金,蒙皮材料为铝,前后端盖、衬筒材料均为硬铝,药型罩为紫铜。在冲击条件下,上述3种金属材料采用Johnson-Cook强度模型[10-11],该模型考虑了应力状态、应变率和温度等影响,具有较大范围的适应性。具体模型参数如表1。

战斗部装填Comp.B炸药,计算采用JWL状态方程模拟炸药爆轰过程中压力、内能和比容的关系[10-11]:

(1)

式中:P为装药爆轰压力(MPa);V为相对体积;E为内能密度(MJ/kg);Q为炸药热能(MJ/kg);A、B、R1、R2、ω为材料常数;f为非理想成分的燃烧分数。其中,第一至第三项分别在高压、中压和低压段起主要作用[8-9]。在爆轰产物膨胀的后期,将炸药从JWL状态方程转换为更为简单的理想气体状态方程。参数通过圆筒试验进行确定。理想炸药空爆时能量释放快,不必采用能量释放模型,计算时f=0。

表1 弹体材料Johnson-Cook强度模型参数

弹体金属材料采用Shock状态方程。该状态方程是基于冲击绝热关系建立的Mie-Grüneisen形式的状态方程,主要参数如表2。

表2 弹体材料Shock状态方程主要参数

Comp.B炸药的主要材料模型参数如表3。

表3 Comp.B炸药主要模型参数

2 战斗机主要子系统结构简化等效及其数值建模

2.1 战斗机主要子系统结构简化等效

等效靶代表着部件或舱段的易损特性。如杆条能穿透部件或舱段的等效靶[4-5],就能够毁伤该部件。飞机舱段或部件,一般最外层是蒙皮,内层是部件壳体,要对内部结构毁伤,须穿透蒙皮和部件壳体,此外还需要有一定剩余动能对内部装置进行毁伤。等效靶由3部分等效而成,分别是蒙皮、部件壳体和所需要的后效穿透深度。

一般以部件壳体或蒙皮材料作为等效靶材料,或选抗侵彻性能研究比较透彻的材料。文中选硬铝作为等效靶材料。等效靶厚度的确定需考虑不同材料间的等效关系,也要考虑间隔靶与单层靶间的等效关系。如图3所示,文中先将不同于等效靶的材料等效为等效靶材料,然后将同种材料间隔靶等效为单层等效靶。

等效靶的建立原则:外形接近,迎弹面积相同,抗侵彻能力与原构件相同。不同材料的厚度等效,用的较多的是强度等效理论,即等效厚度可根据原部件本体材料与等效靶材料的强度比进行折算得到[9-10]:

(2)

式中:σb0为原部件材料强度;σb为硬铝LY12强度;h0为原部件厚度;h为原部件等效厚度。飞机部件全部按式(2)折算为硬铝LY12的等效厚度。

图2 等效靶厚度确定方法示意图

通过对某隐身战斗机外形结构及其主要性能参数的分析,在此基础上进行简化建模。典型战斗机一般有8个油箱(如图3(a)),包括在前机身飞行员座椅后的一个油箱(F-1),其余7个油箱分别位于中机身2个(F-2、F-3)、后机身一个(F-4)、机翼4个(F-5～F-8)。油箱分布位置如图3(b),等效为6 mm的铝板。

图3 战斗机各结构材料组成及油箱分布

2.2 战斗机数值建模

根据强度等效原则,将飞机等效为机身、油箱、载弹仓、水平机翼、尾翼、机身机翼连接板、载弹仓与机身连接板、垂尾、发动机等几部分结构。采用动力学有限差分程序AUTODYN-3D建立飞机数值模拟模型如图4。为提高计算精度和计算效率,采用点、线、面、体至底向顶的结构化建模方法,飞机结构全部采用正六面体结构化网格模型,各结构件之间采用共结点固结,飞机运动速度通过初始条件施加。采用CONWEP算法[7-9],将爆炸产生的冲击波通过边界条件施加在飞机结构表面。为获取飞机不同位置处所受压力随时间变化,在不同位置处分别设置了高斯点(Gauges point)。

图4 飞机数值模拟模型

3 战斗部毁伤元形成模拟及飞机毁伤准则

3.1 装药爆炸形成杀伤元数值模拟

战斗部爆炸形成杀伤元包含爆炸冲击波、爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)、离散杆条。装药爆炸形成EFP过程如图5。装药起爆75 μs后EFP基本形成,EFP在形成过程中有一定质量损失,最终质量约为65 g。EFP沿3个坐标轴的运动速度曲线如图5(b),平均速度约为1 840 m/s,运动方向与弹轴线呈12.4°。

图5 装药爆炸形成EFP及驱动离散杆条过程

杆条飞散过程如图5(c)所示,因杆条沿弹轴向斜置了2°,在飞散过程中,同时具有径向的膨胀速度和绕轴向的转动速度。最终形成两个同心圆环。杆条径向膨胀速度约为1 700 m/s。

3.2 飞机毁伤准则

3.2.1 飞机油箱毁伤

1)单根杆条引燃飞机油箱准则

杆条的引燃毁伤是指杆条由于在贯穿机身、油箱、供油管路等过程中受到阻碍,其速度下降并将动能转化为热能。高温杆条引燃燃料油或润滑油,使飞机着火。

单根杆条的引燃概率是杆条的比冲量和遭遇高度之比值的函数[12-13]:

(3)

当遭遇高度H大于16 km(空气稀薄)时,杆条引燃概率为零。

2)多根杆条引燃准则

如命中油箱杆条数为k,假定各杆条对油箱的毁伤相互独立,则单个油箱引燃概率P为:

(3)

文中油箱引燃计算还参照了单枚杆条质量为7 g,某杀爆战斗部对飞机油箱模拟等效靶毁伤试验结果,对杆条的引燃计算概率进行类比与修正。

3.2.2 飞机机体毁伤准则

飞机各部分结构及毁伤元对各部分功能的影响关系非常复杂,因此,文中只考虑机体的结构破坏,即一旦飞机结构破坏,则该部分涉及的系统功能失效。

据杀爆战斗部对飞机典型舱段毁伤试验,以及冲击波对模拟杆条打孔靶板毁伤试验,初步给出目标靶临界毁伤判据:靶上连续断裂长度大于等于该区域长度的三分之二,认为其功能失效。

4 典型弹目交会下飞机综合毁伤效应分析

为分析不同交会条件下飞机毁伤效应,建立了脱靶量为2 m,方位角α为0°和180°,交会角θ为0°、30°、90°,爆炸点位于飞机头部正下方、尾部侧下方、上方中部和正上方中部以30°角俯冲4种典型情况模型(如图6)。

图6 战斗部对飞机爆炸毁伤数值模拟模型

图7和图8给出了几种典型弹目交会条件下,冲击波与杆条、EFP联合作用下数值模拟计算结果。

图7 4种典型弹目作用过程

对于图7(a)中弹靶作用情况,因相对速度较大,杆条对飞机除径向飞散切割外,杆条与飞机轴向存在较大的相对速度,使得杆条沿着轴向从机头下方到机头上方切割飞机机体,形成与飞机轴向大约呈45°的一条狭长切口(如图8(a))。飞机头部下机身被完全切割成两段,飞机头部上机身除了有局部残留连接外,被切开部分超过了整体结构的三分之二,可认为飞机头部已完全解体。另外,杆条切割飞机的位置正好位于飞行员座舱处,在10～12根高速杆条切割下,可导致飞行员死亡。将有1～2枚EFP穿过导弹相关舱段后以一定着角(约70°～75°)击中载弹仓底板,在底板上形成尺寸相对较大的狭长孔洞,EFP穿过载弹仓底板后将继续冲击飞机发动机,可造成1～2个发动机性能下降或功能失效。杆条和EFP均未击中油箱,不能导致其破坏和引燃。

从图7(b)中弹靶的作用过程可知,战斗部对飞机的破坏主要是杆条对载弹仓、发动机的切割作用,同时杆条还对机身尾部油箱(F-4)具有切割作用。在冲击波与杆条联合作用下,载弹仓底板与侧板连接位置出现明显变形,局部向内凹陷(如图8(b))。杆条对载弹仓形成一条较长切割断裂带,几乎贯穿整个舱段的纵向切面,可认为载弹仓已解体失效。同时,杆条对左侧发动机切割作用明显,出现了大面积的贯穿性结构破坏,在此情况下,该侧发动机性能下降或失效。另外,共有6根杆条击中机身尾部油箱(F-4),如弹目交会高度为海拔5 000 m的高空,应用公式计算并类比相关试验结果,油箱F-4的引燃概率约为30%。1～2枚EFP击穿右侧机翼,致使F-8油箱燃油严重泄漏,有20%～40%的引燃概率。

图8 飞机局部破坏

从图7(c)和图8(c)可知,在冲击波和杆条联合作用下,飞机中部机身上表面产生一定程度的变形。主要杀伤元是离散杆和EFP。其中,杆条主要对中部机身、载弹仓、发动机切割,同时还对油箱F-3和F-4进行切割,并在中部机身、尾部机身及载弹仓处形成一条狭长断裂带,几乎贯穿整个中部到尾部机身舱段的纵向切面,可认为中部到尾部机身以及载弹仓已解体失效。同时,杆条对右侧发动机切割作用明显,出现了大面积的贯穿性结构破坏,在此情况下,该侧发动机性能下降或失效。另外,有8根和6根杆条分别击中机身中部的油箱F-3和机身尾部的油箱F-4,如弹目交会高度为海拔5 000 m,应用公式计算并类比相关试验结果,油箱F-3和F-4的引燃概率分别约为40%和30%。此外,有1～2枚EFP击穿右侧机翼,致使F-8油箱燃油严重泄漏,并有20%～40%的引燃概率。

从图7(d)弹靶作用过程可知,导弹从飞机正上方以30°角向飞机俯冲攻击情况下,其机身上侧面受到的冲击波超压大于脱靶方位角为0°的情况(如图8(d))。杆条以一定角度对靶体的冲击较水平冲击对靶体破坏更加严重:损伤区域更大,毁伤程度更严重。在导弹战斗部起爆3.3 ms后,杆条联合冲击波在所接触的区域内形成一条U形的切割断裂带,将上机身、载弹仓、机身机翼连接板、水平机翼切开,上述被切割部分断口长度大于整体结构长度的三分之二,因此认为各部分均失效。另外,4枚EFP分别击中飞机的左右两个发动机,并将其穿透(如图8(d)),形成孔洞的长度和宽度接近发动机对应长宽尺寸的二分之一,因此认为两个发动机由于结构破坏而性能下降或失效。杆条分别切割油箱F-3～F-8,致使其产生严重漏油,油箱F-3、F-4的引燃概率约为40%,油箱F-5、F-6的引燃概率为60%,油箱F-7、F-8的引燃概率为30%。

综上所述,脱靶量为2 m的情况下,导弹对飞机的杀伤元包含爆炸冲击波、高速杆条以及爆炸成型弹丸。爆炸成型弹丸在某些弹靶交会情况下能击中飞机机体,并在飞机上形成较大尺寸的孔洞。由于冲击波在高空衰减较快,单独作用毁伤效果有限,但与杆条联合作用下,冲击波可增加对切割部位的撕裂效果;弹靶交会条件决定了飞机的毁伤类型和程度,飞机主要毁伤类型有冲击波联合杆条对飞机结构件的冲击和切割作用、杆条对油箱的切割破坏和引燃效应,EFP对机体及油箱产生的大尺寸穿孔和引燃效应;杆条是该复合战斗部对飞机破坏最主要的杀伤元,毁伤形式为杆条对机体结构件的切割,通常导致某一结构件解体失效;在小脱靶量情况下,当多根杆条击中飞机某一油箱时,油箱引燃概率大约在30%～50%,特定弹靶交会情况下引燃可达90%。

5 结束语

通过空空导弹对隐身飞机爆炸毁伤效应数值模拟和对比分析,获得了以下初步结论:

采用动力学有限差分程序可有效模拟战斗部爆炸形成冲击波、离散杆条、EFP等毁伤元的形成,以及对飞机的综合毁伤效应。

在小脱靶量情况下,离散杆条是造成飞机破坏最主要的毁伤元,主要造成飞机结构解体、油箱燃油泄露和引燃、发动机结构的破坏;爆炸冲击对飞机的单独毁伤有限,但在与离散杆条、EFP同时作用下可增大联合毁伤效应;在特定弹目交会条件下,EFP对被击中的飞机构件形成大尺寸的孔洞,造成结构解体、油箱燃油泄露及引燃等严重毁伤效应。

钛合金材料在高速穿靶过程中具有引燃功能,文中在计算中没有考虑其引燃作用。如计及钛合金杆条在穿靶过程中自身的引燃效应,则杆条对油箱的冲击引燃概率将进一步提高。

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Research on the Damage Effect of EFP Combined Warhead and Discrete Rod to Battleplane

LIANG Bin,FENG Gaopeng,ZHOU Jiequan,LI Juncheng

(Institute of Systems of Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621900, China)

In order to investigate the damage effect of discrete rod and EFP combined warhead on typicl battelplane, based on the strength equivalence principle, numerical simulation model were conducted with dynamic finite difference program. Numerical simulation of the formation process of three kinds of damage elements, which were blast wave, discrete rod and EFP, was achieved with fluid solid coupling and contact algorithm. And the joint damage effect on the aircraft under the condition of typical missile target encounter. Preliminary analysis of regulation of three kinds of damage element for aircraft parts of structural damage, the tank ignition probability was obtained. The research results had important reference value for the design of new air defense warhead and the damage effect evaluation.

mechanics of explosion; discrete rod; damage effect; ignition probability

2016-04-14

国防基础项目(B1520132012)资助

梁斌(1976-),男,贵州遵义人,高级工程师,博士,研究方向:常规武器研制与毁伤效应研究。

TJ410.3

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