杆式射流冲击屏蔽PBX炸药数值模拟研究

李世纪，魏 锦

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所， 郑州 450015)

现代高技术武器的自身防护能力越来越强，比如美国的GBU37钻地弹[1]，战斗部壳体采用高强合金制成，壳体侧壁厚约为45 mm，接近地面时存速约为450 m/s，而且装药采用了钝感PBX炸药[2]。利用破片或射弹起爆该种来袭战斗部难度非常大，将聚能射流作为防空反导战斗部毁伤元已受到广泛关注[3-4]。聚能战斗部具有定向高动能和高穿深特性，利用射流瞬间穿透来袭目标战斗部壳体，依靠射流剩余能量起爆壳体内装药，使来袭目标战斗部起爆解体。但是现有研究主要为聚能射流冲击静止带壳装药[5-6]，对冲击高速动目标的研究甚少。杆式射流[7-8]既有普通聚能射流速度高、侵彻能力强的特征，也有爆炸成型弹丸的药型罩利用率高、大炸高性能好的特征，因而杆式射流具有良好的应用前景。

本文采用非线性有限元LS-DYNA数值仿真软件，模拟研究球缺罩杆式射流对高速动屏蔽PBX炸药的冲击起爆能力，为末端防空反导聚能战斗部设计提供研究依据。

1 有限元模型

各材料之间通过流固耦合算法实现相互作用，其中破片、聚能战斗部壳体、屏蔽板及被发炸药采用拉格朗日算法；聚能战斗部装药、药型罩及空气采用ALE算法。网格单元选用SOLID164 八节点六面体单元，利用TureGrid前处理软件建模。

药型罩以及聚能战斗部壳体材料分别为紫铜和45#钢，主要材料参数如表1所示，材料模型为Johnson-Cook 模型，状态方程为Gruneisen状态方；破片和屏蔽板材料为45#钢，材料模型为Plastic-Kinematic模型；聚能战斗部装药为8701炸药，采用高能炸药燃烧模型和JWL状态方程，密度约1.72 g/cm3，爆速为8 425 m/s，爆压为29.95 GPa；被引发炸药为PBX炸药，采用弹塑性力学模型和点火与增长模型作为状态方程，密度约1.84 g/cm3，数值计算所用参数来自文献[9]；空气材料模型选用Null材料模型，状态方程选用Linear Polynomial，空气密度取1.293×10-3g/cm3。

表1 紫铜和45#钢的主要材料参数

2 仿真结果及分析

2.1 PBX炸药起爆阈值研究

对于裸装炸药的冲击起爆，国内外学者进行了大量研究，其中较著名的是Held起爆判据v2d=Gk[10-12]，式中：v和d分别表示破片的速度和直径；Gk为起爆临界作用的特征值，主要与炸药性质有关。当破片的条件满足该临界判据，表示被发炸药达到了起爆的临界条件。

本文首先通过破片冲击起爆PBX炸药数值模拟研究，确定所采用的PBX炸药的起爆阀值，为下文研究做铺垫。数值模型如图1所示，破片材料为45#钢，柱状平头：直径20 mm，长度20 mm。破片速度及计算结果如表2所示。

图1 破片冲击起爆仿真数值模型示意图

表2 不同速度的破片冲击PBX炸药仿真结果

在破片冲击PBX炸药过程中，选取观测点以观测冲击起爆过程中炸药内部的压力变化情况，如图2所示。当破片以1 735 m/s速度冲击PBX炸药时，炸药内部最大压力远低于PBX炸药爆轰压力；当破片速度大于1 750 m/s时，炸药内部压力峰值接近30 GPa。

图2 炸药内部观测点部位压力变化曲线

图3、图4分别为破片以不同速度冲击PBX炸药时炸药压力云图和爆轰波传播速度云图，从图中可以看出压力峰值分布在波阵面上且从起爆点向外扩张，当破片以1 750 m/s速度冲击被发炸药，炸药压力峰值为27.96 GPa，爆轰波传播速度达到了7 960 m/s，均大于文献[9]中提到的PBX炸药的爆轰压力和爆轰波传播速度，显然此时PBX炸药已被起爆。

图3 PBX炸药的压力云图

图4 PBX炸药爆轰波传播速度云图

通过上述分析，得到了仿真所采用的PBX炸药的起爆阀值v2d约为61.25 mm3/μs2。

2.2 球缺罩杆式射流冲击屏蔽PBX炸药研究

本文以GBU37钻地弹为假想目标，研究杆式射流对GBU37钻地弹的冲击起爆特性，数值模拟时采用45#屏蔽板+PBX炸药的组合来模拟GBU37钻地弹战斗部装药结构。由于钻地弹头部壁厚远大于侧壁厚度，因而对来袭钻地弹目标进行侧向攻击是更为可行的毁伤方式。

图5 球缺罩杆式射流冲击屏蔽PBX炸药数值模型

2.2.1球缺罩杆式射流冲击静止屏蔽PBX炸药研究

为与冲击高速动屏蔽PBX炸药做对比，首先模拟了杆式射流垂直冲击静止屏蔽PBX炸药的过程，如图6所示。

从图6可以看出，射流垂直穿过屏蔽板，穿孔竖直，并且PBX炸药出现了明显爆轰现象。测算得射流穿透屏蔽板后头部速度约为1 690 m/s，头部直径约为31 mm，则v2d约为88.54 mm3/μs2，大于该PBX炸药的起爆阀值。

图6 射流垂直冲击静止屏蔽PBX炸药过程示意图

图7为PBX炸药压力云图和爆轰波传播速度云图，可以看出炸药内部压力达到了40.4 GPa，爆轰波传播速度达到了7 192 m/s，印证了PBX炸药被起爆。

图7 PBX炸药压力云图和爆轰波传播速度云图

2.2.2球缺罩杆式射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药研究

由于GBU37钻地弹接近地面时存速约为450 m/s，所以针对该目标，本文将屏蔽板和PBX炸药的速度设定为450 m/s进行研究。杆式射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药的过程如图8所示。

图8 射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药过程示意图

从图8可以看出射流在侵彻屏蔽板过程中，屏蔽板横向运动对射流产生了切割作用，射流穿透屏蔽板后未出现PBX炸药爆轰现象。通过测算得射流穿透屏蔽板后头部速度约为1 370 m/s，头部直径约为18 mm，则v2d约为33.78 mm3/μs2，小于PBX炸药的起爆阀值。而且从图9可以得到PBX炸药内部压力仅为108.7 MPa,未到达PBX炸药爆轰压力。所以射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药时不能起爆PBX炸药。

图9 射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药的压力云图

2.2.3球缺罩杆式射流斜向冲击高速动屏蔽PBX炸药研究

由上述分析可知目标横向高速运动会严重影响射流的毁伤能力，射流垂直冲击目标时，受目标横向运动影响最为严重，那么在其他弹目交汇条件下，该聚能战斗部对高速动屏蔽PBX炸药的起爆效果又如何呢？在此，选取射流与目标运动方向夹角分为60°和120°两种弹目交汇条件时，进行射流冲击高速动屏蔽PBX炸药研究，冲击过程如图10所示。

图10 射流斜向冲击高速动屏蔽PBX炸药过程示意图

由图10可得，射流与目标运动方向夹角为60°时，射流穿透屏蔽板后未出现PBX炸药爆轰现象，且测算得射流穿透屏蔽板后头部速度约为1 149 m/s，头部直径约为24 mm，则v2d约为31.68 mm3/μs2，小于该PBX炸药起爆阀值，不能起爆PBX炸药；而射流与目标运动方向夹角为120°时，射流穿透屏蔽板后出现了明显的PBX炸药爆轰现象，且测算得射流穿透屏蔽板后头部速度约为1748 m/s，头部直径约为18 mm，因为此时射流与目标为相向碰撞，相互冲击时存在速度叠加，所以射流冲击PBX炸药的速度应为射流头部速度与目标速度在射流运动方向上分量之和，速度值约为1 973 m/s，则v2d约为70.1 mm3/μs2，大于该PBX炸药起爆阀值，PBX炸药能被起爆。

图11为PBX炸药内部压力云图和爆轰波传播速度云图，可以看出：射流与目标运动方向夹角为60°时，PBX炸药内部压力仅为133.9 MPa；射流与目标运动方向夹角为120°时，炸药内部压力达到了39.9 GPa，爆轰波传播速度达到了7 267 m/s，印证了PBX炸药被起爆。

图11 PBX炸药压力云图和爆轰波传播速度云图

3 结论

1) 采用非线性有限元LS-DYNA软件进行数值模拟，根据Held起爆判据,通过破片冲击起爆PBX裸炸药，确定了仿真所采用PBX炸药的起爆阀值v2d约为61.25 mm3/μs2。

2) 在一定的弹目交汇条件下，与冲击静止屏蔽PBX炸药相比，射流冲击高速动屏蔽PBX炸药时，目标高速运动会切割射流，使射流弯曲变形，降低了射流对屏蔽PBX炸药的起爆能力。

3) 通过调整弹目交汇条件，能够实现杆式射流对高速动屏蔽PBX炸药的可靠起爆。