孙 韬, 张国伟, 王一鸣, 郭 帅

(中北大学机电工程学院, 太原 030051)

0 引言

目前关于近程反导战斗部有很多种,其中主要以破片形式的动能拦截为主,如定向战斗部和聚焦战斗部,他们都是利用破片侵彻战斗部关键部位,迫使导弹偏离原轨道或侵爆战斗部达到防空目的。也有依靠装药爆炸产生的冲击波来摧毁目标的爆破式战斗部;应用较为广泛的动能杆战斗部,是利用装药周围的金属杆在装药爆炸作用下获得的动能对目标进行毁伤;应用较少的子母式战斗部,主要利用子弹形成的弹幕对目标进行拦截毁伤。以上这些近程反导战斗部,对普通导弹的拦截有很好的效果,可是对深侵彻钻地弹的拦截,他们的作用十分有限。破甲战斗部形成的聚能射流具有能量高、侵彻能力强的特点,若采用该类型战斗部将会极大的提高近程反导的效率。

侵彻角是指射流运动反方向与靶板运动方向之间所夹的角。侵彻角和目标速度的不同对拦截深侵彻钻地战斗部具有很大影响,基于这种思路,文中重点讨论不同侵彻角度下,杆式射流对一系列不同速度下的移动靶板侵彻的情况,从而为今后反深侵彻钻地武器的设计提供一定的参考。

1 数值模拟

1.1 总体模型结构的建立

文中所建立的聚能装药结构口径均为90 mm,药型罩壁厚为2.2 mm,壳体壁厚为4 mm,装药高度采用1.5d,起爆方式为炸药顶部单点中心起爆,靶板厚度为100 mm,炸高为27cm。如图1所示,图中θ为侵彻角,v为靶板运动速度。

图1 总体模型结构

1.2 仿真方案的确定

1)聚能装药在不同的药型罩锥角下形成的射流可分为金属射流、聚能杆式射流和自锻破片。由于侵彻移动靶板时金属射流无法保证其完整性,自锻破片对移动靶的穿深难以达到战术指标要求,而杆式射流能满足一定的穿深且稳定性较好[7]。所以文中选取药型罩锥角为110°的杆式射流作为毁伤元。

2)钻地武器技术的发展以美军最为成熟,并且生产装备了多种型号的钻地弹,其较为常用的深侵彻战斗部,一般撞击地面的速度范围为300～700 m/s[8]。因此,文中选取靶板的移动速度为300～700 m/s。

3)射流对深侵彻钻地弹拦截毁伤的情况分为迎击拦截、正侵彻毁伤和追击毁伤。为了优化模型,建立侵彻角为60°、90°和120°的移动靶板模型分别代表迎击拦截、正侵彻毁伤和追击毁伤。如图2～图4所示。

图2 迎击拦截模型图

图3 正侵彻毁伤模型图

图4 追击毁伤模型图

1.3 材料模型与参数

在文中的数值模拟中,涉及到炸药、空气、药型罩、壳体和靶板5种材料模型[9],其中炸药采用8701炸药,药型罩材料为紫铜,靶板为45钢,壳体为钢质材料。

1)8701炸药的主要参数为:ρ=1.7 g/cm3,VD=8.4 km/s,PCJ=30 GPa。选用MAT_HIGH_EXPL-OSIVE_BURN模型,以及EOS_JWL状态方程,其基本形式为:

(1)

式中:P为压力;E为爆轰产物的内能;V为爆轰产物的相对体积;A、B、R1、R2和ω为待定常数,如表1所示。

表1 8701炸药的主要参数

2)药型罩选用紫铜为材料,采用MAT_JOHN-SON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN状态方程,其应力表达式为:

(2)

3)空气采用MAT_NULL模型,状态方程采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,其状态方程的基本形式为:

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(3)

4)壳体采用钢质材料,采用MAT_JOHNSON_C-OOK模型和EOS_GRUNEISEN状态方程。

管道一般在地面预先焊接好 (管径小于或等于110 mm的管道应采用电熔焊焊接；管径大于110 mm的管道可采用电熔焊或热熔焊焊接)。在管道放入管沟之前，应对管道进行全面检查，在没有发现任何缺陷的情况下，方可下管（采取吊入或滚入法）。

5)靶板采用45钢,材料模型为:PLASTIC_K-INEMATIC。

各材料主要参数如表2所示。

表2 各材料主要参数

2 数值模拟结果分析

在特定靶板运动速度下,对比3种不同侵彻角下的模型,通过分析射流穿透靶板后的头部速度、射流的完整性、开坑直径及透孔体积,对射流侵彻移动靶板进行毁伤效应评估。

2.1 射流穿透靶板后的头部速度分析

由表3中得到的仿真数据得知,相同侵彻角下,射流穿透靶板后的头部速度随靶板运动速度的增大而减小,且减小幅度随靶板运动速度的增大而增大;当靶板运动速度v≤500 m/s时,射流以90°侵彻角侵彻移动靶板比射流以60°侵彻角侵彻移动靶板的穿靶后的头部速度大,当靶板运动速度v>500 m/s时,情况相反;在射流以120°侵彻角侵彻移动靶板的情况下,不论靶板运动速度如何,其射流穿透靶板后的头部速度总是相比其他两侵彻角较小。

表3 射流穿透靶板后的头部速度 (m/s)

2.2 射流的完整性分析

如图5(a)～图5(c)所示为3种侵彻角下靶板运动速度分别为300 m/s、500 m/s和700 m/s时射流穿透靶板时的形状。表4为穿透靶板时射流下半段的横向偏移量。仿真结果显示,相同侵彻角下,穿透靶板时的射流下半段的横向偏移量随靶板运动速度的增大而增大,且增加幅度也随靶板运动速度的增大而增大;相同速度下,侵彻角为120°时射流横向偏移量最大;当靶板运动速度v≤500 m/s时,射流以90°侵彻角侵彻移动靶板时的横向偏移量小于射流以60°侵彻角侵彻移动靶板时的横向偏移量,当靶板运动速度v>500 m/s时,情况恰好相反;且当靶板运动速度v>500 m/s时,射流以90°和120°侵彻角侵彻移动靶板会出现上下半段脱节的现象。

表4 横向偏移量 (cm)

图5 3种侵彻角下穿透靶板时的射流形状

2.3 射流对靶板的毁伤效果分析

如表5和表6所示,相同侵彻角下,射流对靶板的开坑直径和靶板的透孔体积随靶板运动速度的增大而增大;相同靶板运动速度下,侵彻角为120°时,其开坑直径与透孔体积最大,侵彻角为60°的情况要优

图6 射流对靶板的毁伤效果

于侵彻角为90°的情况。图6(a)～图6(c)为3种侵彻角下射流侵彻靶板运动速度分别为300 m/s、500 m/s和700 m/s时的毁伤效果。

表5 靶板的开坑直径 (mm)

表6 靶板的透孔体积 (cm3)

3 结论

1)随侵彻角的变化,射流对靶板的侵彻厚度发生改变,它与靶板的移动速度共同影响着射流对靶板的侵彻。通过仿真结果发现,靶板存在一个临界速度vc,当靶板移动速度vvc时,靶板移动速度的影响大于侵彻厚度的影响。

2)移动靶板主要对射流中部低速段造成较大偏移,破坏了射流的直线性和连续性,使射流的稳定性下降,从而降低射流的破甲威力,且靶板移动速度越大,对射流影响越严重。

3)追击毁伤时,射流受到侵彻厚度和靶板运动速度双方面的影响,故相比迎击拦截和正侵彻毁伤,其射流侵彻效果最差。

4)破甲战斗部应用于反深侵彻钻地弹的设计上具有一定的可行性,且拦截毁伤效果较好。

参考文献:

[1] 金丰年, 刘黎, 张丽萍, 等. 深钻地武器的发展及其侵彻 [J]. 解放军理工大学学报, 2002, 3(2): 34-40.

[2] 王涛, 余文力, 王少龙, 等. 国外钻地武器的现状与发展趋势 [J]. 导弹与航天运载技术, 2005(5): 51-56.

[3] CHOU P C, FLIS W J. Recent developments in shaped charge technology [J]. Propellants Explosives Pyrotechnics, 1986(6): 567-573.

[4] 宋丽萍, 王华. 美国精确制导侵彻钻地武器的发展 [J]. 飞航导弹, 2000(1): 40-44.

[5] 尹建平, 王志军. 弹药学 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2012: 207-230.

[6] 张国伟. 终点效应及其应用技术 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2006: 80-102.

[7] 陈振华, 张国伟, 高元浩, 等. 仿真分析三种射流形态对移动靶板的侵彻 [J]. 弹箭与制导学报, 2015, 35(4): 70-72.

[8] 韩世峰. 破甲弹对运动体斜侵彻的仿真研究 [D]. 太原: 中北大学, 2015: 1-10.

[9] 时党勇, 李裕春, 张胜民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显式动力分析 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2005: 313-331.