李佳轩，张 健，林溪石

(沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159)

现代战争中，高价值目标是首先和主要被打击的对象，高价值目标的防空反导成为重要的研究方向。目前对于导弹的拦截通常采取纵深梯次拦截，拦截手段趋于多样化。现代导弹具有袭击突然性强、飞行速度高的特点，防御的有效时间短，应对仓促，在防空作战中常有漏网之鱼。因此，对于高价值目标装备的防御十分必要。通过对定向串联发射弹药的结构和装药设计的研究，可进一步提高武器作战威力，节省不必要的浪费，提高效费比。

阵列式高射频武器(国外称“金属风暴”)是一种串联与装填多体系统。作为一种新概念武器，采用全新的发射理念，该系统能以极高的射频发射弹丸，形成能量相对集中的“弹幕”，在迅速、有效摧毁目标方面具有很大优势［1］。本文基于EFP具有高速、作用距离远以及能引爆来袭导弹失去效能等特点，提出一种串联发射弹药装药结构及效能的评估。

1 串联发射弹药结构及作用原理

高射频武器系统身管中的每节发射药对应设置有电子脉冲点火节点，电子控制装置用来控制每个发射管的发射顺序及同一身管中各发射药的点火间隔。发射时，通过处理器控制设置在身管中的电子脉冲点火节点，点燃最前面一发弹的发射药，火药燃气压力推动前面的弹药沿枪膛加速运动飞出枪口。后面的弹丸在火药燃气高温作用下产生一定的膨胀，与内壁形成挤压，可有效防止燃气后泄造成发射失控。当点火控制装置发出指令点燃下一发弹的发射药时，弹药才被发射，其它弹丸则继续保持被锁定状态。依次程序，每发弹药顺序从炮管中发射出去。

弹丸(见图1)由上壳体、药型罩、主装药、传爆药、隔爆板、引信体、转子部件与下壳体等组成。战斗部由聚能元件构成。为满足战术要求，弹药要求在较远距离下有效毁伤薄装甲的空袭武器即在大炸高下侵彻装甲目标。药型罩用紫铜板冲压制成，形状为球缺形，主装药为钝化黑索今。

图1 串联发图

运输与贮存时，采用保险针保险，保险针约束扭簧，隔爆板使火焰雷管与传爆药之间不接触，实现隔爆。弹丸准备发射时，安装小钢球，卸下保险针，利用钢球约束扭簧。弹丸发射，转子在垂直于弹轴的方向旋转，火焰雷管、传爆药在同一直线，时间引信作用，点燃火焰雷管，火焰雷管点燃传爆药，主装药爆炸。为节省成本，减轻弹丸质量与提高初速，上壳体、下壳体与引信体由ABS树脂制成。

串联发射弹丸准备发射时，4发串联在一个枪管内，9个枪管集成到多管发射箱内，通过传感器与火控系统，发射弹丸，形成弹幕，拦截来袭导弹。

2 串联发射弹药的阻拦射击面与分布密度关系

“金属风暴”发射时，可形成三维弹丸阵列，这种整体飞行运动的弹丸列阵具有通过特定区域时间短、能量密度高等特点，是拦截高速运动目标的有效打击方式。反导作战时采用弹幕射击方式，在特定的空域，形成一个或几个阻拦射击面以达到对来袭导弹的拦截，从而保护地面设施。

阻拦射击面是指垂直于弹丸飞行速度方向的弹幕面积。饱和阻拦射击面是基于未来空域窗体制而建立的。未来空域窗射击体制［2-3］是基于对高速武器合理配置弹丸散布，有效提高作战效能而提出的一种射击体制，其理论核心是将多门、多管火炮的瞄准点从集中射击体制下的目标预测未来点转化为数个在空间上一定排列的命中点。对一个N发射击过程而言，如果采取某种技术举措，使所有弹目偏差均匀地分布于一个有限的区域Ω*之中，则此区域称未来空域窗。对于一个其未来点处于未来空域窗的目标，不论该未来点在空域窗内的哪一点，武器对该目标的毁伤率都相等。将多个具有正态分布的弹幕偏差中心做适当的分散配置，利用尾部叠加的高斯分布效应，可造成均匀的弹幕偏差分布区域［3］。

在预测迎弹面内，以目标预测位置误差散布椭圆长、短半轴分别作为x轴、y轴，建立直角坐标系，则位于预测迎弹面内的阻拦射击面ω1可写作

式中R1和R2为阻拦射击面ω1的长轴和短轴。因阻拦射击面应与目标在未来点散布的等概率密度椭圆成一定的比例，因此有

式中，σ(x)、σ(y)为目标散布误差。设σ(x)/σ(y)=c1，则阻拦射击面 ω1可表示

若仅考虑阻拦概率指标作为确定阻拦射击面的依据，根据式(1)求得R1，则阻拦射击面面积

若目标命中面积为A，毁伤必须命中数为ω，则目标命中弹丸的期望为

3 EFP弹丸成型过程与速度

利用LS-DYNA数值仿真软件对串联发射弹药爆炸成型弹丸进行建模和成型过程的仿真。采用如图2的简化有限元计算模型，它由主装药与药型罩组成。建立四分之一模型，模型使用三维实体solid 164单元。串联发射弹药药型罩用紫铜板冲压而成，厚度为4cm，形状为球缺形，药型罩直径为3.0cm壁厚从罩顶至罩底是变化的。顶部壁厚0.2cm，口部厚度0.18cm，主装药高2cm，网格采用映射画法(Mapped Mesh)。炸药模型有24300个单元、药型罩模型有2025个单元。

图2 三维有限元计算模型

炸药和药型罩之间采用*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY滑移接触算法，在对称边界施加约束，采用 cm-g-μs建模，每 2μs输出一个文件。

计算中采用Steinberg模型和*EOS_GRUNEISEN状态方程，Steinberg模型中考虑了压力效应、温度和塑性延展率，药型罩材料在熔化前的剪切模量为G。表1中列出了计算使用的材料参数表，表2中列出了状态方程的参数。

表1 药型罩参数

表2 Gruneisen状态方程参数

式中:G0、b、h、f为材料常数;p 为压力;v为比容;ec为冷压缩能量、em为融化能量、e为比内能;R'=Rρ/A，R为普适气体常数(ρ为密度，A为摩尔质量)。

材料的屈服强度由下式给出:

炸药在计算中采用的模型为*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药引爆模型，与*EOS_JWL状态方程联用。材料模型中的燃烧系数F为爆轰过程中化学能的释放，燃烧系数取最大值。

式中，F1为密度ρ、D爆速、体积压缩比 V/V0和CJ压力Pcj的函数，V为爆速D、燃烧时间tb、现时时间t和单元特征长度Δx的函数。

如果燃烧系数F≥1，则保持F为常数1，单元中的压力P与燃烧系数F成比例:

式中Pcos表示由基于相对体积V和单位初始体积内能密度的状态方程所解得压力值。

炸药爆轰产物的状态方程由JWL定义，JWL定义压力为相对体积V和单位体积的初始内能E的函数，并假定爆轰波以常速率传播。

式中ω、A、B、R1和R2是表征炸药特性的常数，为实验拟合参数。JWL状态方程能准确的表达高能炸药，其在结构金属加速度的应用中可确定炸药的爆轰压力，数值模拟中使用的炸药材料模型在表3中列出，其中ρ为炸药的质量密度，D为爆速，P为炸药爆炸时的压力。表4为炸药爆炸时的JWL状态方程参数，主要为炸药特性参数［4］。

表3 炸药材料模型参数

表4 JWL状态方程参数

EFP战斗部中的主装药被引爆后，形成高温高压的爆轰产物，冲击波通过炸药冲击药型罩，使药型罩变形。图3为EFP爆炸成型过程仿真图，EFP成型过程中从0μs开始，每隔一定时间截取一个EFP的成型状态。

图3 EFP成型过程

从图3可以看出，当爆轰开始时，药型罩在爆轰产物的作用下开始变形，24μs时药型罩已经有明显的变形，但变形依然继续;在t=60μs时，EFP头部速度明显大于其他部分的速度，变形继续，已初步形成侵彻体形状;当t=120μs时，EFP基本成型，120μs以后药型罩的变化幅度不大。

利用LS-DYNA对弹丸头部进行仿真，得到前200μs药型罩的飞行速度。图4显示EFP的速度与时间的曲线。

图4 药型罩速度图

从图4可以看出，当弹丸爆炸后，爆轰产物产生足够的压力形成药型罩，药型罩在很短时间内迅速变形，使弹丸速度达到1200m/s。

4 结论

通过对串联高射频武器的研究，本文设计一种满足其要求的串联发射弹药，当弹丸发射后，可在上空形成36枚三维弹丸列阵。通过LS-DYNA对所设计的串联发射弹药EFP的性能进行了仿真计算分析。分析结果证明，设计的EFP可在120μs时完成侵彻体的成型，速度可达1200m/s，可击毁来袭薄装甲导弹，满足战术要求。

［1］余斌.超高射频弹幕武器弹药系统研究报道［J］.弹道学报，2002，14(4):92-96.

［2］菜海超，孙胜春.金属风暴射速与命中关系研究［J］.指挥控制与仿真，2008，30(1):50-53.

［3］郭治.现代火控理论［M］.北京:国防工业出版社，1996:137-145.

［4］尚晓江，苏建宇.LS-DYNA动力分析方法与工程实例［M］.中国水利水电出版社，2008.