王 磊，姜颖资，李向阳

（海军航空工程学院指挥系，山东烟台264001）

爆破战斗部对超音速导弹毁伤效应研究

王 磊，姜颖资，李向阳

（海军航空工程学院指挥系，山东烟台264001）

通过对不同弹目相对距离、交会角工况下，爆破战斗部冲击起爆超音速导弹战斗部临界距离和结构毁伤发动机舱效应的数值模拟计算，研究、评估了爆破战斗部爆炸产生的冲击波和爆轰产物对超音速导弹的毁伤效应。结果表明：爆破战斗部对超音速导弹的毁伤以结构毁伤为主，冲击起爆超音速导弹战斗部能力较弱；爆破战斗部对超音速导弹发动机舱的毁伤效应，随弹目相对距离的增加而迅速减小；弹目相对距离相同时，各工况下的毁伤效应，先随弹目交会角的增大而增大，而后随弹目交会角的增大而减小。

爆破战斗部；冲击波；超音速导弹；冲击起爆；毁伤效应

随着制导精度的提高，反导战斗部装药爆炸产生的冲击波和爆轰产物对来袭导弹目标的毁伤能力越来越大，甚至在反导战斗部距离所拦截导弹目标较近爆炸时，爆炸冲击波和爆轰产物的作用远大于破片、杆条等杀伤单元的毁伤作用。因此，爆破战斗部再次进入了舰空导弹研制专家的视野。目前，速度更快、机动性和突防能力更强的超音速导弹正广泛取代亚音速导弹；能否有效拦截、毁伤来袭超音速导弹，已成为制约甚至决定战争进程和结局的重要因素。

鉴于以上考虑，本文采用LS-DYNA软件，研究爆破战斗部爆炸产生的冲击波和爆轰产物对超音速导弹的毁伤效应。

1 爆破战斗部等效裸装药当量计算

爆破战斗部分为内爆式和外爆式，本文研究的是外爆式。外爆式爆破战斗部壳体较薄，主要功能是作为装药的容器[1]，爆破战斗部破坏目标主要依靠装药爆炸产生的冲击波和爆轰产物的压力和冲量。一般研究爆破战斗部对目标的毁伤效应，都是把其等效为一定当量裸装药。

带壳炸药在空气中爆炸后，炸药释放出的能量一部分用于壳体的变形、破碎和破片的飞散，一部分用于爆轰产物的膨胀及形成空气冲击波。装药壳体变形和破碎所消耗的能量，一般只占装药爆炸所释放的总能量的1%～3%，理论估算时，可以忽略。则根据能量守恒定律，质量为W的装药爆炸所释放的总能量包括：爆轰产物的内能、动能和破片的动能3个部分[2-7]：

式（1）中：QV为炸药的爆热；Ee为爆轰产物的内能；Eg为爆轰产物的动能；Ec为破片的动能。

假定装药发生瞬时爆轰，则爆轰产物的内能为[2]：

式（2）中：R0为壳体初始半径；R为壳体膨胀半径；γ为多方指数；b为形状系数，对于圆柱形壳体b=2。

假设爆轰产物的压力均匀分布，则爆轰产物的动能为：

式（3）中：uP为壳体的膨胀速度；a为装药的形状系数，圆柱形装药a=1。

设装药壳体质量为M，则壳体的动能为：

设破片初速为uP0、破裂时装药壳体半径为则爆轰产物的总能量为[8]：

带壳装药的等效裸装药质量为：

爆破战斗部壳体和装药长度为20cm，壳体材料为2A12铝合金，装药为PBX9404炸药，总质量为8kg，根据式（6）计算得出，爆破战斗部等效为裸炸药当量约为7.76kg。

2 计算模型及物理参数

爆破战斗部等效裸装药物理模型如图1所示，空气域模型如图2所示。爆破战斗部对超音速导弹主要可造成导弹壳体撕裂、凹陷等结构毁伤以及对战斗部装药的冲击起爆[9-12]。本文以超音速导弹战斗部和发动机舱为毁伤目标，研究爆破战斗部对超音速导弹的毁伤效应。

目标位置 爆破战斗部位置

2.1 计算模型

真实超音速导弹结构十分复杂，研究毁伤效应一般对其进行简化，建立所要研究舱等效靶模型。建立典型超音速导弹战斗部和发动机舱等效靶如图3所示。其中，战斗部等效靶由战斗部壳体、主装药和后端盖3部分组成，战斗部壳体厚度为16mm，战斗部长90cm；发动机舱等效靶为双圆环结构，外圆环模拟导弹蒙皮，外半径为38cm，厚度为4mm；内圆环模拟发动机壳体，厚度为5.5mm。

采用ANSYS/LS-DYNA软件的流固耦合算法，数值模拟爆破战斗部爆炸产生的冲击波和爆轰产物对超音速导弹战斗部和发动机舱的毁伤效应。模型中爆破战斗部装药、空气使用欧拉单元；超音速导弹弹体蒙皮、战斗部和发动机壳体使用拉格朗日单元。

2.2 物理参数

爆破战斗部的主装药为PBX9404炸药，参数如见表1所示[17]，采用高爆燃烧模型描述[13-16]：

式（7）中：P表示爆压；V表示相对体积；E表示单位体积炸药的内能；ω、A、B、R1、R2为材料常数。

表1 PBX9404炸药材料参数Tab.1 Material parameters of PBX9404 explosive

超音速导弹的弹体蒙皮材料为2A12铝合金，其战斗部和发动机壳体材料均为4340钢，材料模型采用J-C模型描述。2种材料主要参数见表2[18-19]。

表2 材料Johnson-Cook参数Tab.2 Material parameters of Johnson-Cook

战斗部主装药，B炸药的状态方程使用Lee-Tarver三项式点火增长方程进行描述。反应率方程为：

式（8）中：F表示反应分数；ρ0表示原始密度；ρ表示当前密度；t表示时间；p表示压力；I、G1、G2、b、x、a、c、d、y、e、g、z为常数。

B炸药Lee-Tarver参数见表3、4[9]。

表3 B炸药Lee-Tarver点火增长参数1Tab.3 Lee-Tarver ignition and growth parameters of B explosive

表4 B炸药Lee-Tarver点火增长参数2Tab.4 Lee-Tarver ignition and growth parameters of B explosive

3 计算结果及分析

3.1 冲击起爆计算结果及分析

由于爆炸冲击波和爆轰产物在空气中衰减速度很快，弹目相对距离如果不同，爆破战斗部对目标毁伤能力会有明显的差异。在弹目相对距离相同的前提下，如果交会角不同，爆破战斗部与超音速导弹速度方向夹角不同，即相对速度不同，则爆破战斗部爆炸作用于超音速导弹的动爆效应不同，且爆炸冲击波、爆轰产物与超音速反舰导弹接触面积也不同。因此，在爆炸距离相同的情况下，弹目交会角不同，爆破战斗部对超音速导弹的毁伤效应也存在差异。

本文通过模拟计算爆破战斗部，与超音速导弹交会角为0°、30°、60°工况下，临界冲击起爆超音速导弹战斗部的距离，来评估爆破战斗部引爆超音速导弹的能力。

两者交会时，爆破战斗部和超音速导弹速度分别为 800 m/s和 700 m/s。计算得出，0°、30°、60°的交会角，临界起爆距离分别为31cm、45cm、41cm（爆破战斗部爆心与超音速导弹战斗部垂直距离）。0°、30°、60°这3种弹目交会工况下，弹目初始相对位置、超音速导弹被引爆后压力云图，分别如图4～6所示。

0°、30°、60°弹目交会角下，爆破战斗部冲击起爆超音速导弹战斗部的临界距离显示：30°的工况最远，这是由于弹目交会角30°时，爆破战斗部有约400 m/s垂直迎向超音速导弹的速度，即与爆破战斗部爆轰产物飞散方向相同的速度，增强了爆破战斗部爆炸冲击波和爆轰产物的能量；而弹目交会角60°的工况临界起爆距离近于30°的工况，这是因为，虽然60°的工况爆破战斗部有约693 m/s与其爆轰产物飞散方向相同的速度，但交会角越大，爆炸冲击波波阵面法向与超音速导弹战斗部舱轴向所夹的钝角越接近90°，传入战斗部舱的冲击波压力分量越小，爆轰产物的横向侧滑也越明显。综合来看，爆破战斗部对超音速导弹战斗部的冲击起爆能力，先随交会角的增大而增大，到达一定角度后，再随交会角的增大而减小。

爆破战斗部3种弹目交会角下临界冲击起爆超音速导弹战斗部的最远距离仅为45cm，说明爆破战斗部冲击起爆导弹战斗部的能力较弱，在实际作战中，爆破战斗部很难造成超音速导弹战斗部的殉爆。

3.2 结构毁伤计算结果及分析

本文通过模拟计算爆破战斗部相距超音速导弹发动机舱1 m、2 m、3 m（爆破战斗部爆心与超音速导弹发动机舱垂直距离），交会角分别为0°、30°、60°的工况，研究分析爆破战斗部对超音速导弹发动机舱的毁伤效应。交会角0°，弹目相对距离1 m、3 m时，超音速导弹发动机舱毁伤效果，分别如图7、8所示。

各工况下，发动机舱毁伤数值收集见表5、6。从表5、6可以看出，弹目相对距离1 m的各工况，发动机舱的弹体蒙皮和壳体均发生大面积的凹陷，交会角为30°和60°的工况，发动机舱弹体蒙皮和壳体局部破裂，而交会角0°的工况，两者均未破裂；弹目相对距离2 m、3 m的各工况，发动机舱弹体蒙皮和壳体均是局部凹陷，没有产生裂口。发动机舱弹体蒙皮和壳体凹陷面积和最大凹陷深度，均随弹目相对距离的增加而迅速减小。弹目相对距离1 m和2 m，弹目交会角30°和60°的工况，爆破战斗部对超音速导弹发动机舱弹体蒙皮和壳体的破坏程度，明显大于弹目交会角0°的工况。弹目相对距离3 m，从发动机舱弹体蒙皮和壳体凹陷深度来看，弹目交会角30°的工况最大，弹目交会角0°和60°的工况基本相当。

综合以上分析，弹目相对距离越近毁伤效果越佳；弹目相对距离相同时，造成发动机舱弹体蒙皮和壳体凹陷深度，先随弹目交会角的增大而增大，然后随弹目交会角的增大而减小；以发动机舱弹体蒙皮和壳体最大凹陷深度为对超音速导弹发动机舱毁伤效果评价标准，弹目交会角30°毁伤效果最佳，弹目交会角0°最差。

表5 发动机舱弹体蒙皮和壳体裂口长度和宽度Tab.5 Gap length and width of engine cabin missile skin and shell

表6 发动机舱弹体蒙皮和壳体最大凹陷长度、宽度和深度Tab.6 Maximum dent length，width and depth of engine cabin missile skin and shell

4 结论

通过对数值模拟结果的总结、对比，得出如下结论：

1）爆破战斗部的主要毁伤方式表现为结构毁伤，冲击起爆超音速导弹的能力较弱；只有在弹目相对距离很小时，才有可能造成超音速导弹战斗部的殉爆。

2）爆破战斗部结构毁伤超音速导弹发动机舱的能力，与两者间的相对距离密切相关，毁伤效果随弹目相对距离的增加而迅速减弱。

3）弹目交会角对爆破战斗部的毁伤能力也存在较为明显的影向，总的来说，在弹目相对距离相同的前提下，爆破战斗部对超音速导弹发动机舱的毁伤效应，先随弹目交会角的增大而增大，而后随弹目交会角的增大而减小。

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Research on Damage Effect on Supersonic Missile by Blast Warhead

WANG Lei,JIANG Yingzi,LI Xiangyang
（Department of Command,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

Through simulating the critical impact initiation distance and structural damage engine cabin of blast warhead to supersonic missile,at different relative distance and rendezvous angle conditions,the damage effect on supersonic missile under the explosive shock wave and detonation products of blast warhead was studied and evaluated.The results showed that the damage of blast warhead to supersonic missile was mainly structural damage,the capability that blast warhead det⁃onated supersonic missile warhead was weaker;the damage effect of blast warhead to supersonic missile engine cabin was rapidly decreased with the increase of missile and target relative distance.When the relative distances of missile and tar⁃get were the same,the damage effect under each working condition increased with the increase of the rendezvous angle,and then decreased with the increase of the rendezvous angle.

blast warhead;shock wave;supersonic missile;impact initiation;damage effect

TJ410.3

A

1673-1522（2017）04-0307-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.04.010

2017-03-15；

2017-05-11

王 磊（1980-），男，讲师，博士。