爆炸作用下舰载导弹战斗部的安全性分析

2018-03-14刘晓夏王伟力吕鹏博

兵器装备工程学报 2018年2期

刘晓夏，王伟力，吕鹏博，苗润

(海军航空工程学院, 山东烟台 264001)

随着我海军的快速发展，垂直发射系统的投入使用，使得载弹数量得到大幅度增加，虽然大大增加了作战能力，但是弹药的安全也应受到极大的重视。

当弹药受到外来典型刺激的威胁时，从起爆机理方面来讲，主要包括热刺激和冲击起爆两大类[1-2]，其中爆炸冲击波作为典型的毁伤元，对其作用下弹药响应进行分析，对于战斗部的安全防护有着较大的意义。

对导弹战斗部安全性的研究主要是针对裸炸药和带壳装药[3-4]，而并未考虑载弹平台的影响，对于存放在垂发系统中的舰载导弹，其周围有一定的防护措施，当反舰导弹在发射舱外爆炸后，其产生的爆炸冲击波并非直接作用到舰载导弹上，因此需对此时冲击波的耗散过程，以及耗散后的冲击波作用于战斗部装药，炸药发生相应响应的过程进行分析，从而确定舰载导弹战斗部的安全距离，为垂发系统内舰载导弹战斗部的防护提供建议。

1 计算模型及物理参数

1.1 计算模型

舰载导弹放置于垂直发射系统中，垂直发射架为钢架式结构，对爆炸冲击波的传播影响不大，在建模过程中不考虑。为减少计算，只针对垂发系统中某一舰载导弹战斗部进行研究，与之相邻的结构设置(包括相邻的发射箱结构)为刚体，从而减小对冲击波传播过程的影响。舱室中焊缝的处理采用ANSYS中的固连失效接触(TSTS)接触方式，设置固定的失效应力。

采用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟计算。舱壁、轻质防护装甲、发射箱、战斗部壳体、舰载战斗部炸药均采用拉格朗日网格，空气域和来袭战斗部炸药采用欧拉网格，采用流固耦合算法，单位采用cm·g·us制。具体模型结构如图1所示。

1.顶板; 2.底板; 3.侧舷; 4.复合防护装甲; 5.舱壁6.发射箱壁; 7.舰载战斗部装药; 8.舰载战斗部舱壁; 9.预制破片控制器; 10.发射箱相邻结构; 11.来袭战斗部

图1 来袭战斗部在发射舱内临舱爆炸模型结构

1.2 物理参数

以某典型反舰导弹为例，其战斗部技术参数：全长900 mm，质量220 kg，装药质量90 kg，装药类型为B炸药。为便于模拟计算，将来袭战斗部简化，通过公式换算为等效裸炸药质量。

带壳装药的等效裸装药质量为[5]

(1)

其中A为装填系数，对于圆柱形带壳装药a=1、b=2，则：

(2)

钢壳可近似取rp0=1.5r0。铜壳取rp0=2.24r0；脆性材料或预制破片此值应小些，根据式(2)可得出，来袭战斗部等效为裸炸药当量为71.4 kg，确定炸药尺寸，Φ30 cm×59.2 cm。

贮运发射箱箱本体以及发射箱环筋均为玻璃纤维增强复合材料，材料模型采用带损伤的Composite Damage Model复合材料模型[6-7]。为了增强贮运发射箱的整体强度，在箱体的外缘设有4条加强结构，材料为铝合金。目标战斗部装药采用弹塑性动力学本构模型和Lee-Tarver三项式点火增长状态方程[8-9]。

破片控制器薄壁和舱体均为铝合金材料，选用Johnson-Cook材料模型，模型参数如表1所示。空气材料参数如表2所示。炸药采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，力学性能参数和材料参数如表3、表4所示[10]。通过炸药表面压力作为炸药是否被引爆的判据[11]。

表1 铝合金材料参数[12]

表2 空气材料参数

表3 装药的力学性能参数

表4 装药材料特性参数

2 数值模拟结果分析

2.1 舱室毁伤过程分析

采用上述模型，分析来袭反舰导弹在发射舱临舱内起爆位置的不同，其产生的爆炸冲击波对舱室结构的影响。采用战斗部中心起爆方式，为了便于描述，将来袭反舰导弹战斗部头部与轻质防护装甲距离定义为起爆距离。分别对起爆距离为0 cm、20 cm、60 cm和120 cm时的毁伤效果进行分析，如图2、图3、图4所示考虑要研究的对象为舰载导弹战斗部，因此需对靠近垂发系统的轻质防护装甲在爆炸冲击波的毁伤情况进行简单分析。

从图4可以看出，来袭反舰导弹战斗部在舱室内起爆位置的不同，对其舱壁的破坏效果不同，由于炸药为圆柱体结构，战斗部起爆后产生的爆炸冲击波以椭圆状向四周传播。当起爆距离为120 cm时，此时来袭战斗部的位置刚好位于舱室的中间部位，战斗部爆炸后860 μs时爆炸冲击波作用到舱室顶板和底板，形成较大凸起变形，对距离较远的轻质防护装甲的冲击作用时间相对较为靠后，1 520 μs时舱室内各舱壁间的焊缝在爆炸冲击波的作用下被撕裂，各个舱壁向四周飞散，轻质防护装甲并未发生较大形变。起爆距离为60 cm时，舱室和120 cm时的失效模式相近，均为舱室分散。

当起爆距离为20 cm时，爆炸冲击波直接作用在轻质防护装甲壁面上，发生碎甲现象形成较大的冲塞破口，压力由破口向内传播进行泄压，对整个舱室其他舱壁的压力减低。当起爆距离为0 cm时，和20 cm的破损情况相比碎甲现象更为突出，在轻质防护装甲上产生的破口直径更大。

图5分别为起爆距离为0 cm、20 cm、60 cm和120 cm时，爆炸冲击波的传播过程。从中可以看出起爆位置不同，对冲击波的传播也有所影响。当起爆距离为0 cm时，爆炸冲击波沿防护装甲形成的冲塞破口向内传播，向发射箱内入射冲击波，在发射箱表面处形成高压区。当起爆距离为20 cm时，作用到发射箱表面的波前压力未使发射箱破裂，随着作用时间增加，发射箱的受力面积增大，箱体表面发生较大的塑性变形吸收冲击波能量。当起爆距离为60 cm和120 cm时，爆炸冲击波首先作用在各舱壁上，同时冲击波发生反射和折射混合叠加形成复杂冲击波，充满整个空间。

2.2 舰载导弹战斗部的受力分析

通过上述对舱室的毁伤过程分析，当来袭战斗部在舱室中间位置起爆时，其爆炸产生的大部分能量主要用于舱室解体以及推动解体后舱壁的运动，对爆炸后冲击波的传播产生影响。当来袭战斗部在靠近某一舱壁处起爆时，由于与舱壁的距离较近，爆炸冲击波形成的高压易使得与其相邻舱壁发生碎甲现象，产生较大的冲塞破口，爆炸冲击波通过破口继续向内传播继续威胁内部的舰载导弹。下面分别对不同起爆位置作用下舰载导弹战斗部的受力情况进行分析。

从图6可以看出来袭战斗部在相邻舱室爆炸后，由于起爆位置不同造成舱室的毁伤效果不同，从而影响爆炸冲击波的传播规律，造成发射舱内舰载战斗部的冲击响应不同。当起爆距离为0 cm时，爆炸冲击波通过冲塞破口继续向内传播，此时爆炸冲击波仍具有较高的压力值，作用在发射箱箱体上形成圆形破孔，之后继续作用在舰载战斗部舱体上挤压钨球和内部装药表面，在炸药表面形成高的压力入射区，炸药表面的压力值曲线如图7所示。当起爆距离为20 cm时，爆炸冲击波的传播距离增大，其作用在轻质防护装甲壁面上虽也发生碎甲现象，但形成的破口直径与0 cm相比较小，到达发射箱表面处时使发射箱壁面发生塑性变形，挤压舰载战斗部舱体上和预制钨球，继续作用在炸药表面。起爆距离为60 cm时，此时轻质防护装甲在冲击波的作用下整体飞散，到达发射箱表面处的冲击波压力值大大衰减，同时由于发射箱内部除弹体外仍有剩余空间，冲击波会发生绕流现象，即发射箱箱体向内部剩余空间凹陷，从而减小直接作用在舰载战斗部的冲击压力，对炸药的冲击损伤影响不大。当起爆距离为120 cm时，此时爆炸冲击波的毁伤效果和60 cm起爆时差异不大，随着爆炸空气冲击波的传播，其压力和传播速度等参数迅速下降，冲击波作用在战斗部表面也发生扰流现象，未能引爆舰载战斗部。

从图7(a)中可以看出，当来袭战斗部起爆位置距离轻质防护装甲较近时，发生碎甲现象，产生的爆炸冲击波沿破口向内传播，虽强度有所衰减，但仍具有较大的超压值，当起爆距离为0 cm时，炸药表面的最大入射压力为6.5 GPa高于B炸药的临界起爆压力5.6 GPa[13]，因此此时可认为能引爆舰载战斗部；当起爆距离为20 cm时，随着距离的增大导致爆炸冲击波的压力和传播速度迅速下降，挤压舰载战斗部舱体作用到炸药表面的最大入射压力值为0.049 GPa，远小于B炸药的临界起爆压力值，因此可认为此时对舰载战斗部威胁较小；从图7(b)中可以看出，当来袭战斗部起爆位置距离轻质防护装甲较远时，舱室在爆炸冲击波的作用下发生解体，爆炸冲击波的波阵面随传播距离的增加而不断扩大，其波阵面上的单位面积能量迅速减少，同时又有部分能量驱动舱壁做功，达到发射箱处的压力值大大衰减，不足以使得发射箱形成破孔，冲击波作用到舰载战斗部舱体时发生绕流现象，因此起爆距离为60 cm和120 cm时，作用到炸药表面的最大入射压力值为分别为0.037 GPa和0.03 GPa，，两者相差不大且均远小于临界起爆压力值，因此可认为此时对舰载战斗部的威胁较小。

由上述分析可知，最小安全距离在0～20 cm之间，选取起爆距离为10 cm、15 cm进行分析，得到炸药内部的压力变化曲线如图8所示。

从图8看出起爆距离为10 cm和15 cm时，所对应的入射压力值分别为3.46 GPa、2.03 GPa，虽然两者均小于临界起爆压力值，但起爆距离为10 cm时，随着作用时间增加，引起炸药发生反应，炸药内部压力逐渐升高，达到临界起爆压力后引爆装药。而起爆距离为15 cm时，未能引起炸药内部反应，压力逐渐降低，且此时压力值较高，与临界值在同一量级，可认为此时为最小安全距离。