反大壁厚钻地弹展开式拦截战斗部作用威力仿真研究

杜金益，何 勇，郭 磊，何 源，王传婷，汪 恒

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

1 引言

随着钻地弹制导精度的提高和侵彻能力的增强，其在战场上已经得到了广泛应用。为了对抗此类大型重甲制导弹药，保护我方重要的目标与设施，需要在保护点附近布置陆基抑或海基的拦截系统。目前，新型弹药的拦截手段主要有破片拦截、动能杆拦截、多EFP拦截等。其中破片作为最常规的拦截战斗部毁伤元得到了普遍应用，依靠杀爆战斗部在爆炸作用下产生的高速破片场，加上爆炸冲击波和爆轰产物作为副毁伤元对目标弹进行侵彻、点燃甚至引爆，但是无法对付大壁厚弹药造成威胁；动能杆是指高密度(钨等重金属材料)、大质量的金属杆，将其作为毁伤元，借助与目标弹之间的巨大相对速度来获得充足的动能，从而穿透大壁厚防护层完成对目标弹的拦截摧毁，但是但对于空中弹幕交汇条件要求苛刻，美国非常热衷于定向动能杆战斗部的研究；多EFP战斗部属于展开式定向战斗部，展开式定向战斗部在识别目标方位后将战斗部展开，展开完成后所有的毁伤元打击方向都面向目标，然后毁伤元在主装药驱动下向目标飞散，起到定向杀伤作用；多EFP战斗部是其中拦截效率与毁伤强度兼具的佼佼者，其大致分为2种类型。一种是在战斗部的端部轴向布置多个药型罩，针对这种结构模式，赵长啸等研究了药型罩结构参数和起爆方式对于弹丸成型的影响，初步得到了最优化结构设计结论；另一种则是沿着战斗部侧面周向排列多个药型罩，例如李鹏等设计了一种偏心起爆多EFP战斗部，并研究表明两点偏心起爆对于提高周向多EFP战斗部的毁伤效能十分有效。

将线性EFP与拦截弹相结合，用展开式战斗部的方式对线性EFP取长补短，使得其能够成为拦截弹对抗大壁厚靶目标的高效毁伤元。本文中提出了一种展开式战斗部具有毁伤范围大、侵彻能力强的特点，结合上引战配合还具有定向毁伤的能力，可以将毁伤元更为集中地发散开来，能够将弹药的毁伤能运用得尽可能充分。本文中利用有限元软件AUTODYN开展了EFP成型过程及拦截毁伤威力计算，分析了不同壁厚钢板、不同类型靶后炸药和缓冲层对于作用威力的影响，通过展开式战斗部的方式将线性EFP作为拦截弹的毁伤元，既解决了传统线性EFP装药形状与成型尺寸难以协调普及的问题，也使得拦截弹的毁伤拦截效果得到了稳定成型、高速打击、定向毁伤的加持。

2 战斗部结构

本展开式拦截战斗部是由一根中心柱和3支展开瓣组成的伞状展开结构，在膛内时候，瓣体与中心柱贴合，为“闭合”状态，如图1所示。利用定心部和弹带保证弹丸在膛内的正确运动，当地面雷达探测到目标时，火炮发射弹丸出炮口飞向目标，弹丸满足动态旋转稳定条件，当弹丸到达有效作用区域，引信作用，瓣体展开沿着弹底附近轴展开，如图2所示。当展开到规定的角度时候，引爆3个独立瓣体，如图3所示。各独立瓣体分别产生爆炸驱动弹丸(EFP)毁伤元，飞向目标产生作用。

图1 战斗部闭合状态示意图

图2 战斗部展开状态示意图

图3 战斗部单独瓣体示意图

针对该类展开式战斗部，为避免膛内高过载和展开过程对弹体飞行产生的扰动，已有相应国防专利提出可以采用机械力预紧配合电磁铁触发的方式，使得展开机构尽可能地简单，在高负载环境下足够可靠，并减少其在展开过程中对于弹体姿态的干扰。本战斗部将多枚线性EFP作为拦截靶目标的毁伤元有机地结合到一起，在解决了传统线性EFP装药形状与成型尺寸难以协调普及问题的同时，也兼顾了拦截面积和拦截效率。

3 EFP成型过程仿真

由于该战斗部在膛内闭合状态为半径40～60 mm的圆筒，在出膛后以中心柱为轴分为3支瓣体伞状径向展开，又三瓣结构相同，起爆方式为中心线起爆，因此可以将EFP成型过程简化为单支瓣体二维问题进行仿真研究。利用AUTODYN软件，分为空气(AIR)铝制壳体(ALUMINUM)装药(HMX)高透无氧铜药型罩(CU-OFHC)几大部分，如表1表2设定材料参数后建模如图4所示。整体采用欧拉网格(EULER)，设定边界流出条件(FLOW OUT)，并设定中心点起爆。

表1 仿真材料参数

表2 药形罩尺寸

图4 线性EFP成型仿真建模型示意图

线性EFP成型仿真截面随时间变化如图5所示。120 μs时弹丸形态几乎不再变化，故取其为最终结果。长度约为30 mm,半径约为8.5 mm，速度约为1 500 m/s。

图5 线性EFP成型过程示意图

4 EFP对等效目标靶作用过程仿真

国外相关深钻地战斗部的壁厚参数如表3所示。

表3 典型靶目标壁厚相关参数

利用AUTODYN软件对上文成型的弹头与下文建模的靶板进行流固耦合，设定材料侵蚀参数后建模如图6所示。

图6 线性EFP着靶仿真建模示意图

靶板整体采用拉格朗日网格(LAGRANGE)，在50 mm厚的钢板(STEEL 1006)后方放置TNT炸药(TNTCASTJJ1)模拟靶目标弹，对靶板应用TRANSMIT边界条件模拟为半无限靶。为了更好地得到仿真结果参数，在靶后TNT炸药沿中心轴等距放置了4个观测点以监视起爆过程，检验拦截弹头是否对靶目标弹造成干扰，致使其提前触发影响作战效能。

在图7可以看到靶后炸药在EFP作用下的完整冲击起爆过程：在140 μs时，弹丸对钢质靶板进行开坑并持续侵彻，冲击波向着靶后炸药传去；到150 μs时，靶后炸药已受到明显冲击波作用；到160 μs时，靶后炸药在冲击波的作用下能量堆叠至起爆阈值，发生冲击起爆；到170 μs时，靶后炸药由于起爆发生明显形变，并可以观测到靶后炸药爆炸产生的冲击波传到钢质靶板中，表明起爆成功。

结合在TNT炸药中并排设置的4个Gauge点，其压力曲线如图8所示，内能曲线如图9所示。可以更清晰地观测到靶板后方的TNT炸药先是在线性EFP的冲击下受压内能积攒至临界点从而出现一个小的上升沿，接着有一个明显的冲击起爆迅速放能曲线，这说明本战斗部确实对目标弹药实现了拦截干扰性质的冲击起爆。

图7 对于50 mm钢板(左)靶后TNT炸药(右) 作用仿真云图

图8 TNT炸药压力曲线

图9 TNT炸药内能曲线

5 EFP对于靶后炸药作用的影响规律

仿真设置了30 mm、50 mm、70 mm共3组不同壁厚的目标靶进行对照，从内能曲线的迅速放能如图10所示可以得知，3组目标靶均被成功拦截冲击起爆。将3组曲线进行对比，主要区别在于下降沿前的内能积攒阶段，30 mm组曲线以最快的速度到达起爆内能临界点，150 μs时已处于整条内能曲线上升沿的顶点，而越厚的靶板其到达临界点的曲线就越平缓，历时越长。在70 mm组的曲线中整个上升沿已经显得十分趋平，这就意味着同样的EFP弹丸对于再厚一些的靶目标可能就难以使其积攒内能至临界点触发冲击起爆。

因为炸药自身的性质差异，其受冲击起爆的内能曲线与压力曲线也有所不同如图11所示，TNT在机械冲击感度上低于B炸药，故其在内能积攒阶段的上升沿就更平缓；同时又因为B炸药的威力和猛度高于TNT，所以在放能阶段的下降沿会显得更为剧烈更为波动。故可尝试得出结论炸药的感度差异会体现在能量积攒阶段上升沿，炸药的威力猛度差异会体现在放能阶段下降沿。

图10 3种壁厚靶后炸药内能曲线(左)与压力曲线(右)

图11 2种靶后炸药内能曲线(左)与压力曲线(右)

缓冲层结构对于冲击起爆的影响十分大，在图12中给出了对于30 mm钢板加5 mm橡胶缓冲层的靶后TNT炸药作用仿真过程，我们可以看出最后TNT炸药得以实现冲击起爆，于是进行了加厚橡胶缓冲层的对照仿真得到了图13中的4组内能压力曲线，从中可以看出，无橡胶、5 mm橡胶、10 mm橡胶都能通过能量积攒阶段使上升沿达到起爆阈值，然后出现明显的放能阶段下降沿，这表明这几种缓冲层设置都顺利冲击起爆，但是随着继续增厚橡胶缓冲层，到20 mm厚时发现橡胶缓冲层会导致靶后炸药在内能积攒上升过程出现平台段，在此期间弹头侵彻打击消耗的能量被缓冲层稀释振荡发散出去，无法转化为靶后炸药的内能，致使最后的能量积攒不足以抵达炸药的起爆临界点，未能实现冲击起爆。与前文仿真图像进行比较，一定厚度的缓冲层比起加厚同等厚度的钢板更能降低冲击起爆的可能性。

图12 对于30 mm钢板加5 mm橡胶(左)靶后TNT炸药(右)作用仿真云图

图13 4种缓冲层对照仿真内能曲线(左)与压力曲线(右)

6 结论

1) 所设计的反大壁厚钻地弹展开式拦截战斗部运用多EFP作为毁伤元，成型结构与速度俱佳，能够对70 mm厚钢板靶后TNT炸药造成冲击起爆。

2) 靶板厚度增加会使得靶后炸药内能积攒至起爆临界点的速度减缓直至不足以起爆；对于TNT和B炸药2种不同类型的靶后炸药EFP都能以相同的方式进行冲击起爆，充能与放能的速率取决于炸药本身的化学性质；缓冲层对于冲击起爆的影响很大，能够在靶后炸药积攒内能的过程中通过弹性材料吸收冲击能量并振荡发散出去造成在内能上升过程出现平台段，使靶后炸药受EFP作用的影响与冲击起爆的可能性降低。