电磁发射战斗部抗大过载设计与分析

摘 要： 电磁发射载荷下战斗部的安全性理论是电磁发射武器系统研究的重要课题。为了研究电磁发射战斗部抗高过载的难题，采用力学分析和数值模拟方法对战斗部装药在电磁发射大过载条件下的响应进行了研究。得到了高过载条件下战斗部端盖、缓冲层及炸药等因素对战斗部结构破坏和炸药反应的影响规律。研究结果表明：适当增加底端厚度及添加缓冲层对战斗部抗大过载有一定的作用，而采用新型高能钝感炸药则显著提高了战斗部抗电磁发射大过载的能力。研究结果为电磁发射武器平台下导弹战斗部抗大过载设计提供一定的参考。

关键词： 电磁发射；战斗部；抗大过载；安全性

DOI： 文章编号：

0 引言

电磁发射是一种理想的发射方式，具有射出速度高、发射成本低、准备周期短、发射隐蔽等优点，在武器装备、导弹防御系统等领域内有其广阔的应用前景，电磁发射是发射技术发展的必然趋势[1-2]。

传统的火箭助推导弹在发射过程中并不存在大过载的问题，轴向过载一般不超过100g，因此，导弹的承力结构的强度与装药安全性并不需要进行特殊设计。随着电磁发射技术的不断发展，大动能电磁发射技术逐渐工程化，导弹无法适应电磁动能发射过程中产生的大过载（达到上万个g的过载），导弹战斗部结构与装药如何承受发射大过载将成为导弹电磁发射面临的难题[3-4]。

在电磁发射条件下，导弹战斗部要承受持续10～20ms高达10000g以上的发射过载，该条件下战斗部的壳体和装药的状态参量当前并无研究结果。本研究通过对战斗部拟施加一定持续时间的大过载，并理论计算战斗部危险点的受力情况，通过数值模拟分析大过载发射时战斗部壳体和装药的响应规律，为电磁发射导弹战斗部的抗大过载设计提供一定的指导。

1 理论计算与分析

为了提高战斗部的抗大過载能力，采用衬套式预控破片战斗部作为电磁发射武器系统的导弹战斗部，以提高壳体的承载能力和质量利用率。该类型战斗部的基本结构，如图1所示。由图可知电磁发射导弹战斗部的基本组成包括以下几个部分：战斗部壳体，用于产生破片和承受发射高过载的结构；炸药装药，驱动壳体破碎并产生一定初速破片的能源；前后端盖，与壳体一同构成炸药的容器，并作为发射承载的结构；聚能衬套用于改变炸药爆轰驱动作用形式，形成微射流将壳体切割成大小尺寸相对均匀破片；引爆装置，用于适时引爆战斗部。

电磁发射过程中战斗部底端承受的过载变化曲线，如图2所示。

假设战斗部的尺寸约束为，总质量小于1.5Kg。为了计算的方便暂不考虑使用缓冲材料的情况，壳体厚度3mm，炸药直径64mm，前端盖厚度记作δ1=2mm，炸药长度记作Le为86mm，炸药密度ρe=1.8g/cm3，后端盖厚度不小于12mm时，剪切强度均能满足设计要求。战斗部装填系数约为0.38，战斗部总质量为1.322Kg。

当满足炸药屈服强度以及安定性、后端盖剪切强度以及炸药对壳体径向作用力要求时，战斗部各部分初步设计与校核结果，见表1。

2 数值模拟计算

针对上述设计的战斗部初步方案以及理论计算的结果，采用非线性动力学仿真软件对高过载条件下战斗部安全性进行数值模拟仿真，炸药采用Lee-Tarver点火-增长模型，战斗部最终的响应判定可参照文献[8]，通过仿真结果观察战斗部的结构变化情况以及炸药在大过载条件下意外引爆的过程。

图3（a）为理论计算得到的战斗部初步设计方案，底端盖厚12mm，装填PBX炸药；图3（b）为炸药底端加6mm尼龙缓冲层；图3（c）为炸药周向全添加尼龙缓冲层，并且装填炸药为新型钝感炸药ANPyO[9-10]。对于钢材料选用Shock状态方程和Johnson-Cook强度模型，PBX炸药选用Lee-Tarver状态方程，材料参数均取自标准材料库[11-12]。图4～图6为典型的仿真计算结果。

如图4所示，2.6ms时刻整个战斗部的外形并未发生严重变形，应力集中区位于底端盖与炸药的交界面附近以及炸药底端中心；3.6ms时刻炸药底端的边缘开始出现应力集中点，炸药开始发生局部反应，产生的压力使得壳体产生径向膨胀，此时战斗部已经无法满足安全性要求。仿真结果表明，当炸药不发生反应时，端盖与壳体的设计能够满足强度要求，但炸药未采取任何防护措施，使得炸药边缘产生应力集中形成了局部热点，最终导致了战斗部无法满足抗大过载的要求。

如图5所示，当炸药底端加上一定厚度的缓冲层时，炸药产生局部热点的位置首先出现在炸药轴心，并由两端向中心发展。与图4相比，3.8ms时刻战斗部整体结构没有发生严重的变形，炸药两端开始形成热点，从短期来看缓冲层起到了一定的防护效果，但效果很有限。随着高过载的持续作用，炸药两端的热点逐步向中心扩展，并最终引起炸药的爆轰，因此，仅通过在炸药底端添加缓冲层的方法来实现战斗部抗大过载仍不能满足设计要求。

如图6所示，当采用钝感炸药并用缓冲层包覆时，4ms时刻，炸药未发生任何反应，战斗部结构完好，直到8ms时刻，炸药才开始出现很弱的反应，由此可见，将新型钝感炸药应用到抗大过载战斗部上是很有必要的，钝感炸药的使用可以从根本上解决发射过程中战斗部的安全性问题。

3 结论

通过理论计算和数值模拟仿真，结合大过载条件下战斗部的变化，对电磁发射抗大过载战斗部技术提出几点建议：

（1） 在电磁发射导弹战斗部壳体设计中，由过载加速度引起的炸药轴向力容易对底端盖产生剪切作用，底端盖厚度较小时，尽量采用一体式结构。当满足剪切强度要求时，可考虑使用螺纹连接，通过螺纹剪切效应消耗一部分过载能量。

（2） 炸药轴向过载产生的横向变形对壳体的作用是设计壳体厚度和强度的重要依据，同时，炸药横向变形使得炸药底部边缘容易出现应力集中，导致炸药发生局部点火，适当的采用缓冲材料可以有效地抑制局部热点的形成。endprint

（3） 抗大過载战斗部设计的关键在于防止炸药发生意外反应，要从根本上提高安全性可以考虑采用新型的钝感高能炸药，从而增大设计余量，保证战斗部电磁发射安全。

（4） 电磁发射导弹的质量和体积空间有限，采用预制破片式结构不利于承受大过载，因此，可以采用在整体式壳体和装药之间添加聚能衬套的方式来获得较规则的破片，从而提高战斗部威力和抗大过载能力。■

参考文献 References

[1]安进，张胜利，吴长春.导弹电磁发射技术综述[J].飞航导弹， 2012（5）：27-29.

[2]李军，严萍，袁伟群.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术，2014（4）：1052-1064.

[3]李立毅，李小鹏.电磁发射的历史及发展趋势[J].微电机（伺服技术），2004（1）：41-44.

[4]张红岩.电磁发射的历史沿革及其发展趋势[J].硅谷， 2011（24）： 29.

[5]唐维，李明等.四种强度准则在高聚物粘结炸药强度分析中的适应性[J].固体力学学报，2013，34（6）：550-556.

[6]Held M. Initiation criteria of high explosives attacked with projectiles of different densities[C]∥27th Int. Annual Conference of ICT， 1996：1-10.

[7]Foan G C W， Goley G D. Shock Initiation in Gap Test Configurations[C]. 7th Symposium （ International） on Detonation， 1981.

[8]刘华宁，郑宇，程波.射流引爆带不同壳体炸药的规律研究[J].计算机仿真，2014（2）：39-43+47.

[9]成健，刘祖亮，姚其正，等.2，6-二氨基（ 4-氨基） 吡啶的二硝化反应[J]. 火炸药学报，2009，32（ 3）：9-11.

[10]刘华宁，郑宇等.新型炸药2，6-二氨基-3，5-二硝基吡啶-1-氧化物的射流冲击感度实验研究[J].含能材料，2014，22（3）：337-342.

[11]Century Dynamics Inc. Interactive nonlinear dynamic analysis software AUTODYN users manual[ M ] . America： Century Dynamics Inc， 2001： 152- 180.

[12]Century Dynamics Inc. Explosive initiation users manual （ Lee Tarver ignition & growth）[ M] . America： Century Dynamics Inc， 1999： 122- 221.endprint