杆式射流侵彻运动厚壳装药目标的数值模拟*

赵 庚，郭光全，张 钧，陈智刚，付建平，康建成

(1 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 太原 030051；2 晋西工业集团有限责任公司， 太原 030051；3 空军驻山西地区军事代表室， 太原 030024)

0 引言

现代战争中，空袭武器的发展促进着防空武器性能的提高。为了更加有效地打击敌方地下重要军事目标，钻地弹应运而生[1]。由于来袭的钻地弹普遍使用了钝感浇注高聚物粘结炸药和增加了弹药壳体厚度[2]，采用传统的破片引爆来袭弹药变得困难。而且，防空武器只有直接“击爆”来袭战斗部才能使防御阵地的损失最低[3]。为此，需要探索一种更高效的防空反导战斗部。

国内外学者的研究[4-10]大都集中在静态条件下聚能射流、爆炸成型弹丸、破片等冲击起爆薄壳装药，对动态厚壳钝感装药目标的研究相对较少。杆式射流综合了聚能射流、爆炸成型弹丸、穿甲弹的优点，能够长距离稳定飞行，侵彻能力强且后效杀伤效果好[11]。为此，文中利用数值模拟的方法对杆式射流侵彻运动厚壳钝感装药目标的过程进行了研究，分析不同弹目交汇条件下杆式射流对运动厚壳装药目标的侵彻能力，研究结果为反厚壳装药战斗部的设计提供一定的参考依据。

1 物理模型

以美军“掩体破坏者”(GBU-57A/B)为目标模型。其弹径0.8 m，弹壳厚0.11 m，弹长6.2 m，总重13.6 t，采用镍钴钢合金；内有钝感装药(推断为PBXN-109)2.4 t，撞地速度为600 m/s，方向一般为垂直攻击目标。钻地战斗部弹体圆柱部装药较长且壁厚相对较薄，如图1所示，取弹体圆柱部一段建立等效靶模型。

图1 物理模型示意图

该等效靶为圆柱厚壳装药，直径2R为880 mm,装药直径2r为580 mm。壳体材料为45#钢，装药为PBXN-109。破甲战斗部的口径为200 mm，药型罩为偏心亚半球结构，材料为紫铜。模拟实战中战斗部拦截钻地弹的情况，目标靶弹速度V目为600 m/s，破甲战斗部的速度为1 000 m/s。如图2所示，杆式射流轴线在BCDE平面内，目标靶弹轴线在XOZ平面内，考虑战斗部与目标靶弹的轴线在不在同一平面上，设置弹轴偏移量δ作为变量条件，取值分别为0 mm、145 mm、265 mm。考虑战斗部与目标靶弹的运动方向，设置弹目运动方向夹角θ作为变量条件,取值分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、175°。战斗部与目标靶弹有迎头交汇和追赶交汇两种交汇姿态，其中15°、30°、45°、60°、75°为追赶交汇。105°、120°、135°、150°、175°为迎头交汇。

图2 计算方案示意图

2 有限元模型

采用LS-DYNA软件进行仿真计算。模拟射流形成和侵彻靶板中材料流动、高过载、大变形等过程，因此，材料之间的相互作用是流固耦合[12]，其中破甲战斗部壳体和目标靶板采用拉格朗日算法，破甲战斗部装药、药型罩及空气采用任意拉格朗日欧拉算法。采用TrueGrid软件来建模，考虑弹轴偏移量δ，所以采用全尺寸建模。考虑靶板建模尺寸及边界效应，目标装药加无反射边界条件。所有计算网格采用六面体实体单元，破甲战斗部的起爆方式是顶端中心单点起爆，炸高为500 mm。

图3 有限元模型(δ=145 mm、θ=60°)

破甲战斗部的药型罩材料为紫铜，壳体材料为硬铝，装药为8701炸药。目标靶弹的壳体材料为45#钢。目标靶弹的装药材料为PBXN-109[13]，ELASTIC_PLASTIC_HYDRO模型作为凝聚炸药的本构， IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE状态方程用来模拟炸药受冲击点火(或损伤点火)后的爆轰。三项点火增长反应速率方程的形式如下:

G2(1-F)eFfpz

式中：F是燃烧质量分数；t是时间;ρ0是初始密度;ρ是当下密度;I，G1，G2，b，x，a，b，c，d，y，e，f与z是常数。其中G1是快速反应的动力学系数;G2是慢速反应的动力学系数，部分参数如表1所示。

表1 PBXN-109参数

3 计算结果

3.1 杆式射流侵彻运动厚壳装药目标的过程分析

目标靶弹以600 m/s速度竖直向下运动，破甲战斗部的初始速度为1 000 m/s，不同弹目交汇条件下，破甲战斗部所形成的杆式射流的初始性能参数不变，获取破甲战斗部起爆后118 μs时刻的射流形态及速度分布如图4所示，射流参数如表2所示。

图4 118 μs时刻的射流的形态及速度分布图

参数参数值长度/mm37.7头部直径/mm1.3尾部直径/mm5.0头部速度/(m/s)6 468尾部速度/(m/s)1 501

以弹轴偏移量δ为145 mm，弹目运动方向夹角θ为60°为代表，分析杆式射流的侵彻过程。

图5 射流侵彻过程

聚能装药起爆后118 μs，射流接近等效靶表面，如图5(a)。在初始开孔的内壁未接触射流时，射流保持准直状态。170 μs时刻后，射流与孔壁碰撞，这也是射流微元对靶板有一个扫掠切割的作用，射流开始发生歪斜，后续运动的射流由于靶板持续的横向干扰，侵彻能力会受到影响，如图5(b)。188 μs时刻，射流对厚壳的侵彻基本结束，开始接触装药如图5(c)。208 μs时刻，炸药的压力达到25.63 GPa并稳定传播,如图5(d)。230 μs时刻，炸药出现明显的膨胀说明炸药爆轰完全，如图5(e)。杆式射流侵彻和靶板的运动之间存在速度的叠加和抵消，动态侵彻时射流会受到一个竖直剪切力矩的作用，由于这种切割作用，侵彻孔径要大于静止侵彻时的孔径，侵彻孔径呈现阶梯形，杆式射流发生变形不再准直。

图6 目标装药选取的观测点

图7 观测点的压力时程曲线

如图6在射流与目标装药接触点的附近依次取4个观测点，得到各点的压力时程曲线。如图7所示，观测点的压力值都是先升高后降低，最后稳定在一个范围。炸药观测点C的压力迅速上升，随后观测点D的压力也迅速上升，两点的压力值均大于文献[13]中提到的炸药的爆轰压力，说明炸药被起爆了。起爆点在B点和C点之间。

3.2 不同弹目交汇条件下射流侵彻结果的对比分析

不同弹目交汇条件下射流侵彻结果进行对比分析，分别在弹轴偏移量δ=0 mm，δ=145 mm，δ=256 mm的情况下，改变弹目运动方向夹角θ(θ=15°，θ=30°，θ=45°，θ=60°，θ=75°，θ=90°，θ=105°，θ=120°，θ=135°，θ=150°，θ=165°)进行数值模拟，提取结果进行比较，如图8、图9所示。

图8 射流速度损耗

图9 射流动能损耗图

当弹轴偏移量δ一定时，改变弹目运动方向夹角θ，杆式射流侵彻引爆厚壳装药目标的难易程度不同，战斗部与目标靶板轴线在同一平面(δ=0 mm)，随着θ增大，炸药引爆所消耗的能量先减少后增加。其中，战斗部与目标靶弹追赶交汇要比迎头交汇时更容易引爆目标装药。当战斗部与目标靶板轴线不在同一平面(δ=145 mm，δ=265 mm)，改变夹角θ，引爆钝感炸药的难度明显增加，射流剩余动能和速度明显下降，引爆目标所消耗的能量的变化趋势与δ为0 mm时相一致，其中θ=15°时厚壳装药目标不能被引爆。

战斗部与目标靶弹运动方向夹角存在一个最佳范围，其值在45°～120°之间，此时射流引爆厚壁装药所需能量最少，射流速度损耗范围在22.17%～38.76%，射流动能损耗范围在29%～54.39%，射流最容易使炸药发生爆轰反应。

当战斗部与目标靶板运动方向夹角θ一定时，随弹轴偏移量δ的增大，杆式射流侵彻方向上的壳体厚度增大，杆式射流引爆厚壳装药目标所消耗射流的动能量越多，射流速度损耗越多。

4 结论

利用LS-DYNA软件进行数值模拟研究，探索了不同弹目交汇条件下杆式射流对运动厚壳装药的侵彻效能，利用数值模拟的结果得出一些初步的结论:

1)战斗部与目标靶弹运动方向夹角θ在30°～165°范围内杆式射流均能有效穿透厚壁装药壳体，并能引爆其钝感炸药，其中弹目追赶交汇要比迎头交汇时更容易引爆目标装药。而且，θ存在一个最佳范围为45°～120°，此时射流引爆厚壁装药所需能量最少，最容易使炸药发生爆轰反应。

2)当战斗部与目标靶板运动方向夹角θ一定时，随着弹轴偏移量δ的增加，引爆钝感炸药的难度加大。

3)杆式射流对运动厚壳装药有一定的侵彻效能，可以作为防空反导战斗部毁伤元。