郭光全， 郭子云， 雷文星， 张　钧， 付建平， 陈智刚

(1. 晋西工业集团有限责任公司防务装备研究院， 山西 太原 030051；2. 中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 山西 太原 030051)

0　引　言

杀爆战斗部依靠爆轰场作用， 形成具有高速度和一定质量的空间破片场， 对周围目标进行毁伤. 杀伤面积作为战斗部杀伤威力的评定标准， 往往受战斗部落角、 爆高、 落速等参数的影响[1]. 而模拟仿真的运用使武器的研制节省了大量的人力和物力， 推进了战斗部的设计水平[2-4]. 杀爆弹威力场的研究一直备受关注， 例如第二炮兵工程学院的李卫平等、 北京理工大学的汪德武等、 中北大学的张国伟等、 西北机电研究所的李瑞等都对杀爆弹进行了大量研究并取得显著成果[5-16]. 本文在前人工作的基础上， 采用成熟的理论模型， 结合仿真软件， 自编数据处理程序， 对柱形杀爆战斗部落角、 爆高、 落速对动态破片威力场分布规律的影响进行研究.

1　战斗部仿真模型

战斗部主要由装药、 壳体、 端盖和预制破片等组成， 如图 1 所示. 其端盖材料为35CrMnSi钢， 壳体材料为2A12铝合金， 破片由小钨球、 大钨球和预刻槽钢环组成， 破片总数为15 000余枚. 战斗部采用端面点起爆.

利用TrueGrid软件构建有限元模型， 通过其与LS-DYNA软件的接口， 将用TrueGrid软件生成的模型文件导入LS-DYNA软件中进行求解计算. 由于结构的几何形状关于xoz平面对称， 所以在施加对称约束的情况下可建立1/2有限元模型， 计算网格均采用六面体实体单元.

预制破片弹的动态威力场主要取决于其末端弹道条件即爆高、 落速、 落角. 图 2 为动态计算时战斗部着地示意图， 其中vc为弹丸的落速，θc为弹丸的落角，H为炸高， 战斗部是关于xOz平面对称的. 图 3 为t=180 μs,vc=450 m/s，θc=75°,H=20 m时战斗部动态爆炸仿真结果.

图 1　战斗部有限元模型Fig.1　Warhead finite element model

图 2　动态仿真示意图Fig.2　Dynamic simulation diagram

图 3　战斗部动态爆炸仿真结果(t=180 μs, vc=450 m/s, θc=75°, H=20 m)Fig.3　Warhead dynamic explosion simulation results(t=180 μs, vc=450 m/s, θc=75°, H=20 m)

2　战斗部动态破片威力场分布规律

在对破片飞散特性及空间分布规律进行研究的基础上， 以落角、 炸高和落速作为对战斗部杀伤面积的影响因素， 通过自编解算程序计算， 并提取破片破片飞散角、 杀伤面积、 杀伤概率等信息. 考虑到壳体破碎的随机性， 该程序数据处理时， 根据两个破片有无共节点， 识别出组成每个破片的所有单元和节点， 从而得到每个破片的质心位置、 速度、 破片质量等信息.

2.1　落角对破片分布规律的影响

在战斗部落速vc=450 m/s和爆高H=20 m条件下， 改变落角(落角θc分别为15°, 40°, 50°, 60°, 75°, 80°)， 计算6种情况下的预制破片散布区域， 仿真结果见图 4.

图 4　动态仿真示意图Fig.4　Dynamic simulation diagram

由图 4 可以看出， 随着落角的减小， 地面破片场的分布变化过程为： 圆形→椭圆形→球锥形→大锥角. 破片分布密度的差异也越来越大， 在射向方向的两侧呈对称分布且随着距离的增大破片密度减小， 而在射向方向的前后区域上表现出较大的差异， 后方破片密度越来越大， 前方大部分破片开始上扬而使飞向地面的破片分布越来越稀疏.

战斗部结构中预制破片总数为18 420枚， 其中小钨球12 000枚， 大钨球3 978枚， 钢块 2 442枚. 不同落角情况下破片杀伤数据见表 1， 图 5 为杀伤面积和穿甲效率面积随落角变化曲线.

表 1　vc=450 m/s, H=20 m时不同落角情况下杀伤数据比较Tab.1　Comparison of killing data in different falling angles at falling velocity of 450 m/s and explosion height of 20 m

图 5　落角对破片散布面积的影响Fig.5　Effect of falling angle on fragment spread area

由以上计算分析可知， 杀伤面积和穿甲效率面积随着战斗部落角的增加而增大， 变化规律明显. 落角越大， 破片在地面内的分布越均匀； 落角过小， 大量破片向上飞行成为无效破片. 为满足对12 mm装甲目标破片密度不低于1枚/m2的指标， 落角不大于60°.

2.2　炸高对破片分布规律的影响

不同炸高情况下破片杀伤数据见表 2， 图 6 为杀伤面积和穿甲效率面积随爆高的变化曲线.

图 6　炸高对战斗部破片面积的影响Fig.6　The effect of explosion height on fragment area of warhead

表 2　落速450 m/s, 落角60°时不同爆高情况下杀伤面积比较Tab.2　Comparison of kill area in different explosion situations at falling velocity of 450 m/s and falling angle of 60°

对计算结果分析可知， 杀伤面积和穿甲效率面积随着战斗部爆高的增加呈现先增大后减小的变化趋势， 在爆高20 m时达到最优值. 炸高较小时， 破片密集分布在以爆心地面投影点为中心的较小区域内； 炸高过大时， 造成破片的散布面积过大而降低破片的密度， 杀伤概率减小. 通过优化近炸引信作用时间， 来控制炸高有利于提高战斗部的毁伤效应.

2.3　落速对破片分布规律的影响

不同落速情况下破片杀伤数据见表 3， 图 7 为杀伤面积和穿甲效率面积随落速的变化曲线.

表 3　爆高20 m， 落角60°时不同落速情况下杀伤面积比较Tab.3　Comparison of killing area under different falling velocity at explosion height of 20 m and falling angle of 60°

图 7　落速对战斗部破片面积的影响Fig.7　Effect of falling velocity on fragment area of warhead

对计算结果分析可知， 随着落速的增大， 有效破片数增加、 平均破片密度增大、 杀伤面积和穿甲效率面积也增加， 但变化幅度较小. 落速对杀伤面积的影响主要是对破片动态飞散角变化的影响.

3　试验验证

结合仿真计算结果， 对战斗部进行了终点效应试验. 在弹的预计落区布设了扇形靶、 厚钢板、 帆布、 模拟轻型装甲车辆等效应物. 试验弹起爆时状态为落角60°， 落速约500 m/s， 炸高20 m. 图 8 为战斗部起爆前， 试验弹准确飞到在预落区上空.

试验弹在目标区上空起爆， 起爆瞬间爆炸火球呈圆形， 然后迅速变成椭圆形， 破片先于冲击波到达地面. 破片飞散过程见图 9.

图 8　起爆前战斗部姿态Fig.8　Detonation of the former warhead position

图 9　破片飞散过程Fig.9　Fragment scattering process

战斗部在空中近炸时， 由于受到落角和落速的影响， 破片的空间分布呈现不同的情况. 通过扇形木靶及水平布设的帆布收集靶的破片分布情况， 绘制对人员的杀伤区域分布图， 区域形状大致为长轴垂直射向、 短轴平行射向的“元宝型”形状. 将对人员的杀伤区域分布图与仿真结果对比， 如图 10 所示， 可知仿真计算与试验结果基本吻合.

图 10　试验与仿真结果对比图Fig.10　Comparison of test and simulation results

表 4 为战斗部的仿真计算值与试验结果对比， 可以看出计算值与实验值基本相符.

表 4　仿真计算与试验结果Tab.4　Comparison of the simulation and test results

4　结　论

通过数值模拟分析发现， 战斗部的动态破片场分布受落角和爆高的影响较大， 而落速对破片场分布影响相对较小. 结合仿真结果与试验验证， 可得到以下结论：

1) 随着落角的减小， 地面破片场的分布变化过程为： 圆形→椭圆形→球锥形→大锥角， 杀伤面积和穿甲效率面积随着战斗部落角的减小也不断减小， 且变化规律明显. 但为满足对12mm装甲目标破片密度不低于1枚/m2的指标， 落角应不大于60°.

2) 随着战斗部爆高的增加， 杀伤面积和穿甲效率面积， 呈现先增大后减小的变化趋势， 该战斗部在炸高20 m时达到最优值.

3) 通过分析试验后靶板的破片分布情况， 根据破片依弹轴的左右对称分布的特点， 可得出破片地面分布场形状大致为长轴垂直射向、 短轴平行射向的“元宝型”形状.