徐全振，伊建亚，王志军，尹建平

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

【弹药工程】

串联侵彻体侵彻防护液舱的研究

徐全振，伊建亚，王志军，尹建平

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

设计了一种新的药型罩结构，通过AUTODYN仿真软件模拟了自锻破片侵彻防护液舱的过程。通过模拟结果可知：新型结构能够形成串联侵彻体，相比于单一的自锻破片，其对防护液舱的毁伤效果更加明显，是毁伤防护液舱的有效手段。

防护液舱；新药型罩结构；串联侵彻体

自从埃及使用“冥河”反舰导弹击沉了以色列的驱逐舰后，各军事大国都对反舰导弹显示了极高的热情，促使反舰导弹得到迅速发展。目前反舰导弹已经发展到了第三代，掠海飞行、超音速突防等能力让舰船主动防御系统难以应对。因此，为了提高舰艇生存能力，加强舰艇被动防御能力也是有效的方法。小型舰艇由于排水量的限制，多以使用先进复合材料来加强抗毁伤能力；而大中型水面舰艇尺寸大，增加防护液舱对其机动性影响较小，却能有效吸收破片和爆轰波能量，大大降低了反舰武器对舰船的威胁，所以防护液舱被广泛用于大中型水面舰船上。图1为带有防护液舱的舷侧多层防护结构[1]。

图1 舰艇舷侧多层防护结构

为此，如何有效毁伤防护液舱也成为反舰战斗部设计时多加考虑的实际问题。

1 防护液舱对破片的防御作用

1.1 液舱前板对破片的阻挡作用

现在的先进反舰战斗部为了增加威力，改进了传统的壳体结构，即在壳体上安装大锥角或球缺形药型罩，爆炸后形成自煅破片[2]。由于自煅破片相比于自然破片质量大、速度高(2 000～2 500 m/s)、飞行稳定性好，所以侵彻能力更强，所以本文用威力更大的自煅破片来模拟防护液舱对破片的防御效果。防护液舱一般由三部分组成：前板、水、后板。前板厚度一般为5～10mm之间[3]，材料多为高强度钢。破片侵彻防护液舱首先要侵彻液舱前板。本文用AUTODYN-2D模拟了破片侵彻液舱前板的过程，以研究前板对破片的防御作用。模型如下：破片形状为规则的圆台+半球形，大径D=30 mm,小径d=20 mm，长40 mm，速度V=2 200 m/s，材料为高强度4340钢，Liner状态方程，J-C强度模型。前板厚度10 mm，长宽为160 mm×160 mm,材料为1006钢，Shock状态方程，J-C强度模型。水采用SPH算法，Shock状态方程。三者为Lagrange自动耦合。材料模型的具体参数均取自AUTODYN材料库。自锻破片侵彻液仓前板的过程如图2，

图2 液舱前板对破片的防御作用

由图2可以清晰看出破片穿透前板后的变化。首先是速度变化，图2(d)显示了破片的速度由2 200 m/s降低到 2 000 m/s以下。其次是头部变形，从b图可以看出，破片在穿透前板后，头部发生了严重敦粗变形，增大了破片的迎流面积。根据球形或柱形破片在水中的侵深公式[3]

(1)

式中:S为侵彻深度；Cd为破片在水中的阻力系数；ρ为水的密度；A为破片迎流面积；V0为破片初速度。

可知迎流面积越大，侵深越小。并且不规则的头部变形会使破片在水中运动时产生纵向速度从而导致破片运动方向发生改变甚至使破片反转，这不仅会改变侵彻轨迹，变相加厚了水介质，还会加快速度的衰减。最后是应力波变化对破片的影响，图2(c)反映了破片在撞击液舱前板时，应力波导致的破片内部压力分布。由于破片内的反射波与入射波来回运动、多次相互碰撞降低了破片的强度[4]。综合上述三点可以得出液舱前板对破片的影响非常大。

1.2 水介质对破片的防护作用

破片穿透前板后进入水介质，受水的侵蚀和减速作用，破片质量减小并破碎为微小碎片，如图3所示。图4为破片在水中的速度-时间曲线。

图3 破片在水中的形状变化

图4 破片在水中的速度曲线

从图3中破片形状变化可以看出水对破片的侵蚀作用非常明显。0.1 ms时，破片已经开始向后弯曲，纵向长度被拉大；0.5 ms时，破片中部开始断裂，纵向变得更长；1 ms时；破片已经完全断裂，1.5 ms时，两段破片更加分散且变的更薄。这是由于破片入水时的速度非常高,接近2 000 m/s，所以水对破片的阻力非常大；再加上破片在侵彻前板时导致的头部破损增大了磨擦系数加剧了水的侵蚀效果。破片破碎为小的破片，并且质量也大大减少，这就使得破片的侵彻能力大幅降低。

图4可知，破片速度先是在短时间内锐减，后来衰减趋势减缓，最后速度趋于平缓。速度从2 000 m/s降低到1 000 m/s用时78 μs;从1 000 m/s降到500 m/s用时170 μs；从500 m/s降到170 m/s用时1.23 ms。这种现象是由水的惯性作用导致的。破片入水的瞬间，破片接触区域的液体表现出巨大的惯性效应，破片的动能快速转化为水的动能和势能；随着破片速度的降低，破片与接触水域的速度梯度减小，惯性作用减弱，速度衰减放缓[5]。由此可知，水对破片速度的影响是非常显著的尤其是对超高速破片。

2 新型药型罩结构与仿真

根据破片侵彻防护液舱的现象，本文提出串联侵彻防护液舱的概念，即用一前一后两个侵彻体侵彻防护液舱。前级侵彻体在前板上开孔，并能在水中运动一段距离形成空穴；后级侵彻体再通过穿孔，并利用空穴继续侵彻防护液舱。

要想利用串联侵彻体侵彻防护液舱，串联侵彻体应满足以下几点要求：

1) 前级侵彻体直径要足够大，以便在前板上开出足够大的孔。因为孔径太小会阻碍后级侵彻体通过，这样就失去了串联侵彻的意义。

2) 前级侵彻体速度高、速度梯度小，连续性好，有利于开孔和形成空穴。

3) 后级侵彻体速度适中。速度太大会加剧水的侵蚀作用，质量损失过大，降低了侵彻能力；速度太小，动能不足，侵彻能力必然不足。

4) 后级质量足够大，外形好，这样才能拥有足够的侵彻能力和在水中运动的稳定性。

为了满足以上要求，本文设计了如图5所示的装药结构。

图5 聚能装药结构

如图5所示，为实现前后级侵彻体分离，罩体设计为两部分，中间部分为密度相对较低的铜，外围部分材料为高密度的钨合金。炸药选用HMX炸药，装药直径100 mm,起爆方式为环起爆。用AUTODYN仿真，80us时侵彻体的成型如图6所示。

图6 串联侵彻体的成型结果

经仿真，前后级侵彻体成型效果都很好，形状均为圆柱+小锥角截锥状。前级圆柱部分平均直径约为18 mm，长106 mm;截锥部分长度47 mm，头部直径为4 mm，平均速度约为3 850 m/s。后级圆柱部分直径约为18 mm,长18 mm;截锥部分长34 mm，头部直径约为6 mm,平均速度约为1 950 m/s。

从上述数据分析，前级为杆式侵彻体，速度高、直径大，能够满足在前板上开出大口径孔洞的要求。后级为自煅破片，速度较高，质量大，有较强的毁伤能力。

3 毁伤效果分析

为了比较串联侵彻体的毁伤效果，本文以相同装药的大锥角钨合金罩形成的自煅破片作为对比。破片形状大致为截锥+圆柱+截锥状，头尾直径为6 mm,圆柱部分直径约为20 mm，总长56 mm。根据上述数据，利用AUTODYN建立模型，分析侵彻体对防护液舱的侵彻效果。液舱前后板厚度为10 mm，材料为1006钢，间距1 m。侵彻结果如图7所示。

图7 侵彻体侵彻过程

图7为0.72 ms时侵彻体的毁伤效果图，可见串联侵彻体已经穿过水介质并击穿后板，而单一自煅破片还未穿透水体。

经AUTODYN仿真并整理数据,得出如图8所示的模拟结果：S1、V1分别为单一自锻破片的侵深和剩余速度；S2、V2分别为串联侵彻体的侵深和后级剩余速度。

据图8(a)中曲线S1可知，单一自煅破片的侵彻深度随时间线性增大，但增速越来越缓慢，0.7 ms时侵彻深度约为813 mm。分析S2，S2可分为三段，代表串联侵彻体作用的三个阶段。第一阶段，前级开孔、侵彻水体并直至质量耗尽，对应时间为0到0.13 ms，侵深达350 mm左右。第二阶段时间在0.13到0.31 ms,此时前级已经耗尽但后级仍为开始侵彻水体，侵深的增加只能依靠与前级接触的水体的惯性，所以增速十分缓慢。第三阶段从0.31 ms开始，此时后级侵彻体高速通过空穴并开始侵彻水体，S2又快速增加，直至0.7 ms时击穿后板。

分析图8(b)，V1是递减的，当1.05 ms左右破片抵近后板时，速度已经降至525 m/s左右，随能在1.1 ms时击穿后板，但剩余速度只有430 m/s左右，后效作用十分有限。根据V2可以看出，在0.31 ms之前，速度没有降低，这得益于前级在前板上开孔并侵彻水体时形成的空穴。后级在0.7 ms时击穿后板，剩余速度将近1 300 m/s，这对液舱后的防护纵壁及人员设备的威胁是非常大的。

根据上述分析可知，相比于单一自煅破片，串联侵彻体侵彻液舱侵具有非常明显的优势。

4 结论

本文通过分析液舱前板的防御作用并结合破片侵彻液舱时会形成空穴的现象提出利用串联侵彻体侵彻液舱。通过对比单一自煅破片的毁伤效果，得出串联侵彻体在侵彻防护液舱时具有明显的优势，为攻击防护液舱提供了新的思路。

[1] 张振华，朱锡，黄玉莹，等.水面舰艇舷侧防雷舱结构水下抗爆防护机理研究[J].船舶力学，2006，10(1)：113-119.

[2] 李静海.半穿甲爆破型反舰导弹战斗部毁伤效果分析[J].飞航导弹，2005(7)：52-55.

[3] 沈晓乐，朱锡，候海量，等.高速破片侵彻防护液舱试验研究[J].中国舰船研究，2011，6(3)：12-15.

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

[5] 沈晓乐，朱锡，候海量，等.高速破片入水敦粗变形及侵彻特性有限元分析[J].舰船科学技术，2012，34(7)：25-29.

TheStudyofPenetratingLiquidCabinwithTandemProjectiles

XU Quanzhen, YI Jianya, WANG Zhijun，YIN Jianping

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

This article had designed a new structure of liner and simulated the process of projectile’s penetrating to liquid cabin by the software AUTODYN. From the result of simulation we can conclude that tandem projectiles shaped from the new structure of liner could be able to destroy the liquid cabin more obviously compared with a single projectile. It is an effect way to deal with the liquid cabin.

liquid cabin; new structure of liner; tandem projectiles

2017-08-03；

2017-08-25

徐全振(1991—)，男，博士研究生，主要从事高效毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.012

本文引用格式：徐全振，伊建亚，王志军，等.串联侵彻体侵彻防护液舱的研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):48-51.

formatXU Quanzhen, YI Jianya, WANG Zhijun，et al.The Study of Penetrating Liquid Cabin with Tandem Projectiles[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):48-51.

TJ4310.34

A

2096-2304(2017)12-0048-04

(责任编辑周江川)