利用高速预制破片、含能破片以及聚能射流来侵彻、引爆来袭战斗部, 是现有反导技术中常用的毁伤方式, 其本质为不同毁伤元对带壳炸药冲击起爆的问题。关于破片与聚能射流对覆盖铝板或薄钢板的B炸药冲击起爆问题已进行大量研究, 总结出关于壳体尺寸和材料, 破片的初速、形状与材质等参数对炸药在外界刺激下起爆影响的规律性结论[1-6]。随着来袭武器壳体防护能力提升以及精确制导武器的广泛运用, 通过现有毁伤元引爆来袭战斗部的难度不断增加, 因此研究新型毁伤元冲击起爆来袭战斗部具有重要的意义。
聚能效应的原理与应用已相当成熟, 依据聚能装药原理而发展起来的线性装药所形成的线性爆炸成型侵彻体(Linear Explosive Formed Projectile, LEFP)在国内外已有一定研究:美Sandia National Laboratories[7-8]通过实验分析得出精密V型线性装药整体优于传统V型线性装药的结论, 并得到装药炸高与靶板侵彻深度的关系; Seokbin Lim[9]推导出V型装药在非流动状态条件下所形成线性侵彻体的速度公式, 并对理论数据与仿真结果进行对比。但V型药型罩结构的线性装药所形成的侵彻体炸高有限, 只能用于特定环境。为克服炸高小的缺点, 苟瑞军[10]等对圆缺型药型罩结构下LEFP的成型机理、炸高和侵彻性能方面进行了大量研究, 并推导出LEFP成型机理的理论公式; 杜忠华[11]等针对起爆方式对LEFP的成型及侵彻影响方面进行了数值模拟, 得出多楞线性起爆方式相较于单楞线性起爆方式具有更强的侵彻威力的结论; 刘杰[12]等研究了LEFP装药结构中爆轰波波速与波形的传播变化规律及其对LEFP成型的影响, 测得药型罩中部压力为两端压力的2.63倍。但在LEFP对带壳装药的冲击起爆研究却很少。根据圆缺形药型罩所形成的LEFP自身具有速度高、炸高大, 有效作用质量与动能大, 且能与来袭目标以一定角度呈线性交汇的特点[13], 与传统毁伤元相比, LEFP存在动能大、接触面广和形状不规则的优点。因此, 将其作为新型毁伤元来研究LEFP对来袭弹药壳体的侵彻以致使其结构损毁或引爆解体的毁伤效果。
本研究以装甲车辆主动防护系统[14]毁伤元拦截来袭聚能战斗部为背景, 结合LEFP对82 mm口径聚能装药战斗部的动态拦截试验, 采用高速摄影观察拦截过程, 对比分析被拦截战斗部与未受干扰战斗部对钢筋混凝土靶板的侵彻结果。然后采用LS-DYNA数值仿真软件对LEFP的成型、侵彻壳体与炸药的冲击起爆过程进行数值模拟, 得出LEFP在所给炸高范围内可引爆带壳装药的结果。研究结果为LEFP作为新型毁伤元应用于装甲车辆主动防护系统及其他防空反导系统提供了重要参考依据。
2 试验部分 2.1 试验准备图 1为总体试验方案俯视示意图, 包括LEFP、发射筒、82 mm聚能装药破甲弹、毫米波探测器、钢筋混凝土靶板和高速摄像等。图 2为LEFP支架示意图, 动态拦截试验中LEFP炸高约为1.5 m, 支架上以45°间隔放置三个LEFP装药来提高拦截概率。图 3为LEFP与82 mm聚能装药破甲弹实物图。LEFP装药选取8701炸药, 药型罩材料为无氧紫铜, 药型罩口部宽度为30 mm, 装药高度为48 mm, 长度为200 mm, 其形成的LEFP速度约为2140 m·s-1, 起爆方式为端点起爆。破甲弹弹身总长约为650 mm, 装药部分在弹体中前部, 装药长度超过200 mm, 装药直径为72 mm。
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图 1 试验方案布置示意图 Fig.1 Overlook schematic diagram of testing program |
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图 2 LEFP支架示意图 Fig.2 Schematic diagram of LEFP holder |
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图 3 LEFP装药与82 mm破甲弹 Fig.3 LEFP charge and 82 mm high explosive anti-tank cartridg e |
试验过程中, 毫米波探测器探测来袭破甲弹, 当目标进入炸距范围内, 给出信号起爆LEFP。共设置四组比对试验, 第一组试验用来确认弹目交汇条件及毫米波探测器相对位置, 试验中聚能装药战斗部作填沙处理, 并且对钢筋混凝土靶板做防护处理。第二组试验在第一组试验的基础上验证拦截效果。第三组试验使用正常聚能装药战斗部, 钢筋混凝土靶板裸露。第四组试验为战斗部直接撞击钢筋混凝土靶板, 观察其侵彻效果。
通过高速摄像拍摄LEFP的形成与拦截过程, 拍摄频率为4000帧/s, 相机距离拦截处大于40 m, 图 4为LEFP拦截撞击聚能装药战斗部简化模型示意图。
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图 4 撞击过程的简化模型 Fig.4 Simplified model of striking |
四组试验结果如表 1所示, 图 5为第三组试验中LEFP撞击带壳装药战斗部前后过程。
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表 1 LEFP撞击带壳装药试验结果 Tab.1 Test results of LEFP impacting on charge with shell |
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图 5 LEFP撞击战斗部不同时刻高速摄影图像 Fig.5 High-speed photography of LEFP striking warhead at different moments |
第一组试验由于探测器调试以及弹目交汇位置问题, LEFP未能成功撞击目标。第二组成功拦截到目标。第三组试验依照第二组试验条件继续进行, 成功拦截聚能装药战斗部, 如图 5所示, 其中图 5a为探测器给出信号起爆LEFP, 图 5b~ 图 5d为LEFP成型过程, 火光光亮程度依次递减, 图 5e中火光光亮程度明显大于图 5d所示, 可认为此时LEFP已成功撞击破甲弹聚能装药部分, 并与炸药发生反应, 但由于爆炸现场火光过大, 无法辨别成功拦截破甲弹的LEFP数量, 根据试验准备条件, 可认为至少中间放置的LEFP已成功撞击聚能装药破甲弹。在图 5f、图 5g中左下部发出火光, 可以看出被击中的弹身整体部分, 由于受到LEFP的冲击以及炸药的作用使弹体发生一定角度偏移且带火光飞行, 火光光亮程度逐渐变大, 从高速摄像采集的有效信息判断, LEFP有效拦截位置为破甲弹聚能装药部分且弹体已结构失效, 由于高速摄影视场条件约束, 未能进一步观察反应情况。图 6为回收到的弹体尾杆部分和其他破片, 可以看出尾杆部分(图 6a)发生断裂, 因此判断存在其他LEFP拦截到弹体尾杆部分致使其发生断裂的现象, 且现场并未发现残余炸药, 通过已观测到的试验现象以及回收到的破片, 并对比战斗部对外界刺激响应等级[15-17]可推断炸药发生了Ⅲ级爆炸响应。受到冲击的破甲弹继续飞行一段距离与钢筋混凝土靶板撞击, 由于炸药在此之前已经发生反应, 因此未能有效形成聚能射流来侵彻钢筋混凝土靶板, 图 7为靶板初始状态(图 7a)与受到损毁战斗部弹体(图 7b)的撞击作用而发生一些脱落现象。
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图 6 回收到的残余部件与破片 Fig.6 The remnant part and fragment by recycle |
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图 7 钢筋混凝土靶板初始状态与失效战斗部撞击靶板 Fig.7 Original state of concrete target and losing efficacy warhead striking concrete target |
第四组试验中的破甲弹发射条件与第三组试验相同, 图 8为其所形成的高速聚能射流直接击穿钢筋混凝土靶板的正面(图 8a)和背面(图 8b)状态。
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图 8 战斗部直接撞击钢筋混凝土靶板 Fig.8 Warhead striking concrete target directly |
综上所述, 试验结果表明在给定炸高条件下LEFP对运动中聚能装药战斗部的冲击作用, 能够使带壳装药发生爆炸反应, 从而成功拦截来袭战斗部, 以达到对目标的防护作用。后续可进一步改进LEFP的装药条件与起爆方式, 形成更大威力LEFP, 则在大炸高的条件下可引爆带壳装药。
3 数值模拟部分 3.1 计算模型在试验部分, 由于LEFP的拦截作用致使聚能装药战斗部结构失效且发生爆炸反应, 完成了对靶板的有效防护工作。为进一步验证LEFP引爆带壳装药的可行性以及为后期LEFP的结构设计做指导改进, 运用数值模拟软件LS-DYNA, 对LEFP的成型以及在不同炸高条件下冲击带壳装药的过程进行了大量的数值模拟, 其中聚能装药部分作简化处理, 图 9为LEFP冲击带壳装药数值模型示意图。LEFP装药选取8701炸药, 药型罩材料为无氧紫铜且尺寸与试验中保持一致。带壳装药采用5 mm厚的铝制壳体, 被发装药为B炸药。计算模型采用3D Solid164号单元进行网格划分, 考虑LEFP网格畸变问题, 采用ALE-Lagrange耦合算法, 其中药型罩、炸药和空气采用ALE算法, 为节省计算时间采用1/2平面对称模型建模。
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图 9 LEFP冲击带壳装药数值模拟模型 Fig.9 The simulation model of LEFP striking protected explosive |
被发装药材料模型为弹塑性模型(Elastic Plastic Hydro), 状态方程为点火与增长方程(Ignition Growth of Reaction HE)[1, 4], 参数如表 2所示。药型罩材料模型为Steinberg模型, 状态方程为Gruneisen状态方程。装药材料模型为高聚能爆轰模型, 状态方程为JWL状态方程[10]。由于炸药、药型罩以及空气之间采用ALE算法, 故空气采用空物质模型, 状态方程为线性多项式。壳体材料模型为Johnson-Cook, 采用Gruneisen状态方程来表述其动力学行为[10, 18]。
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表 2 炸药参数 Tab.2 The parameters of explosive |
不同起爆方式对于LEFP的成型具有重要影响, 为了与试验方案一致, 仿真模型中LEFP采用端点处起爆方式, 另外在底部中心线上等间距均匀设置10个同时起爆点作为线起爆方式对比。如图 10中LEFP头部速度曲线所示, 中心线起爆所形成的LEFP速度整体高于端点起爆方式。在LEFP成型过程初期, 头部速度大于尾部速度, 存在一定的速度梯度, 尾部在头部的拉扯作用下, 速度逐渐趋于一致。中心线起爆所形成的LEFP在50 μs左右头尾速度趋于一致, 端点起爆则在100 μs之后头尾速度趋于一致。图 11为中心线起爆条件下形成的LEFP在256 μs时的状态, 图 12则为端点起爆方式下所形成的LEFP在294 μs时状态。从图 11、图 12可看出, 在LEFP成型过程中, 存在一些速度差过大的尾部药型罩碎片脱落于主体的现象。
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图 10 不同时刻LEFP头部速度 Fig.10 Head velocity of LEFP at different time |
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图 11 中心线起爆LEFP速度稳定时飞行姿态 Fig.11 Flight state of stable LEFP by center line ignition |
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图 12 端点起爆LEFP速度稳定时飞行姿态 Fig.12 Flight state of stable LEFP by endpoint ignition |
为了充分验证LEFP对带壳装药的冲击起爆影响, 设置了不同炸高、不同起爆方式撞击被发装药的计算模型, 且在每组模型中设置不同观察点来查看炸药爆炸时的压力峰值, 结果见表 3。
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表 3 LEFP对带壳装药冲击起爆的数值仿真结果 Tab.3 The numerical simulation results of LEFP impacting on charge with shell |
从仿真计算结果来看, 炸高为50~1500 mm时, 中心线起爆与端点起爆的LEFP均成功引爆了带壳装药Comp.B。如图 13所示, 中心线起爆的炸药压力峰值整体大于端点起爆的压力峰值, 其平均峰值为端点起爆的1.17倍, 且炸药爆炸的峰值压力均大于B炸药的C-J爆轰压力, 约为26.8 GPa[4], 图 14为引爆时带壳装药状态。
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图 13 不同炸高条件下炸药的峰值压力曲线 Fig.13 Pressure peak curves of explosive at different blasting height |
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图 14 引爆时炸药状态 Fig.14 The state of explosive when detonated |
线性聚能侵彻体与聚能射流同为聚能装药, 但是对炸药的冲击起爆方式有很大不同, 虽然LEFP的速度低于聚能射流, 但是其有效接触面积与作用质量远大于聚能射流。对于破片来说, 不规则与高密度的破片则更容易冲击起爆带壳装药[5], 且在破片质量一定的条件下, 炸药的临界起爆速度随着破片撞击壳体的接触面积的增大而降低[6]。而从LEFP的成型与冲击起爆带壳装药的数值模拟来看, LEFP在某种程度上属于形状不规则且质量较大的破片, 且接触面积比普通破片大的多。
将端点起爆方式在1500 mm炸高条件下的数值仿真结果与相同条件下试验结果相比较, 两者均引爆带壳装药, 因此仿真进一步验证了LEFP引爆带壳装药的可行性, 且为之后的研究与试验提供了指导意义。
4 结论研究了LEFP拦截撞击聚能装药战斗部的试验过程以及相应模型的数值模拟仿真, 结果表明:
(1) 线性聚能侵彻体对弹径82 mm的聚能装药战斗部的动态拦截试验表明因其拦截撞击作用而致使聚能装药战斗部结构失效且炸药发生爆炸反应, 从而丧失对钢筋混凝土靶板的侵彻能力。因此高速LEFP可作为新型反导毁伤元, 应用到装甲车辆的主动防御系统或其他防空反导系统中。
(2) 数值仿真模拟表明LEFP作为不规则破片引爆被发装药, 与普通破片与聚能射流相比, 具有质量大、接触面积广和形状不规则的优点。起爆方式对LEFP冲击引爆炸药的影响较大, 相同条件下; 底部中心线起爆所形成的LEFP具有整体速度高, 且头部没有闭合而与带壳装药作用面积广的特点, 因此其效果要优于端点起爆方式。
本研究仅为阶段性成果, 后续将开展线性聚能成型侵彻体对炸药的冲击起爆机理、炸药的临界起爆速度和不同角度撞击效果的研究。
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