兵器装备工程学报

聚能型战斗部水中兵器毁伤研究进展

分类:主编推荐 发布时间:2017-03-24 17:18 访问量:1196

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引用格式:李兵,房毅,冯鹏飞.聚能型战斗部水中兵器毁伤研究进展[J].兵器装备工程学报,2016(2):1-6.

Citation formatLI Bing, FANG Yi, FENG Peng-fei.Process of Damage Research on Shaped-Charge Warhead of Underwater Weapon[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):1-6.

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作者简介李兵(1969—),女,硕士,高级工程师,主要从事爆炸试验测量及数据处理研究。

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聚能型战斗部水中兵器毁伤研究进展

李 兵,房 毅,冯鹏飞

(中国人民解放军91439部队,辽宁 大连 116041)

摘要:为达到对目标高效毁伤的要求,采用聚能装药战斗部成为目前水中兵器战斗部发展的重要方向。从理论、结构及性能优化设计、数值仿真、聚能装药水下作用特性等方面对聚能装药战斗部毁伤技术研究现状进行了综述,并提出聚能装药战斗部水中兵器毁伤研究的主要发展方向。

关键词:聚能型战斗部;水中兵器;毁伤研究

中图分类号:TJ630     文献标识码:A     文章编号:1006-0707(2016)02-0001-06

Process of Damage Research on Shaped-Charge Warhead of Underwater Weapon

LI Bing, FANG Yi, FENG Peng-fei

(The No. 91439th Troop of PLA, Dalian 116041,China)

Abstract: Shaped__charge warhead becomes an important developmental way of underwater weapon to achieve high efficient damage to object. This 

paper reviewed the damage research development of shaped__charge warhead mainly including theoretical calculation, structure optimal design, 

numeral simulation, underwater performance, etc. In the end, the future development trends of it were discussed.

Key words: shaped-charge warhead; underwater weapon; damage research

聚能装药战斗部是利用聚能效应对目标实施毁伤的战斗部。为有效提高对现代舰艇的毁伤能力,在提高水中兵器制导精度和命中概率的基础上,采用聚能型装药成为水中兵器发展的一个重要方向[1]。聚能战斗部爆炸后形成的金属射流或自锻破片具有很强的侵彻能力,可以破坏舰艇装甲和内部纵深方向的设备和结构,其破甲深度可达数倍甚至十倍以上药型罩口径[2]

目前,国内外对聚能装药技术的研究主要集中在性能优化上,从装药结构及各组成部分入手进行了大量深入的研究,但对战斗部的毁伤性能研究相对较少,对聚能型战斗部水下作用规律和毁伤机理的研究更是不够深入。本文主要从聚能射流形成理论研究、聚能装药优化设计研究、数值仿真方法、试验方法及测量方法等方面介绍聚能装药技术研究现状和研究方法,并针对聚能装药战斗部的水下使用特点,介绍聚能装药水下作用特性研究进展,提出聚能装药战斗部水中兵器毁伤研究的主要发展方向。

1 聚能射流破甲理论研究

国内外对聚能射流的理论计算进行了大量研究,但到目前为止尚没有形成一套比较完善的理论计算模型。

Birkhoff等[3]1948年首先系统阐述了聚能装药射流形成理论,称为定常理想不可压缩流体力学理论。该模型预测射流的长度是不变的,等于锥形药型罩的母线长度。Pugh、EichlBerger和Rosstoker等人对Birkhoff的定常理论作了改进,提出一种非定常的射流形成理论,被称为PER理论[4]PER理论假定锥形药型罩在爆轰波作用下,压合速度是变化的,压合速度从罩项至罩底逐渐减小,从而产生了较大的射流延伸。PER理论被Allison、Vitali等人的实验证实是非常有效的,成为射流分析模型的基础[5]PER理论是基于药型罩为锥形或楔形,而且爆轰波为平面波的假定。为了使理论更一般化,Behrman等[6]PER理论射流模型进行了改进,使人们便于研究一般形状的药型罩、及爆轰波为球形和环形的情况。但由于聚能装药问题的复杂性,至今没有令人满意的爆轰驱动一般药型罩的理论,一些学者主要进行了一定条件下的理论分析。

在炸药爆轰波的作用下,小锥角药型罩被压合形成高速聚能射流和速度相对较低的杵体,随着药型罩锥角不断增大,聚能射流的速度将减小,而杵体速度则相对增加。对于小锥角药型罩的射流成形理论研究比较成熟。文献[7]研究发现,小锥角罩只有不到1/3的质量形成了聚能射流,而其余大部分质量形成速度较低的杵体,极少部分则在稀疏波作用下飞散掉,杵体的速度通常只有几百米每秒,基本不具备侵彻能力。M.Herd[8]发现,当半锥角接近75°时,射流和杵体的速度接近,将形成爆炸成形弹丸(EFP)。谭多望等[9]对大锥角药型罩聚能射流的理论计算方法进行了研究;赵慧英等[10]从炸药装药的瞬时爆轰产物飞散理论出发,根据动量守恒原理得出药型罩形成爆炸成型弹丸的速度计算模型,并根据装药高度与直径之比对弹丸速度的影响对计算模型进行了修正;郭支明等[11]通过对药型罩进行离散,将药型罩在爆炸载荷作用下的塑性变形过程进行简化,利用能量原理推导出EFP速度计算公式;杨冬梅等[12]依据准定常理论,建立了聚能装药破甲深度工程计算模型,并分别计算了等壁厚单锥罩和双锥罩结构的破甲深度,进行了试验验证。

2 聚能装药结构性能优化设计研究

药型罩是聚能装药战斗部结构的核心部分,是炸药爆轰能量传递的载体。药型罩的材料、几何形状、尺寸以及加工工艺对聚能装药战斗部的性能都有明显的影响。因此,国内外对于聚能装药药型罩的设计方面开展了大量的研究工作。

研究人员采用灰色系统理论对聚能战斗部设计的主要影响因素进行了分析。张先锋等[13]主要分析了药型罩几何结构对EFP性能的影响,得出装药高度是影响EFP性能的主要因素;尹建平等[14]主要研究了药型罩锥角、壁厚、材料密度因素对EFP性能参数的影响;林加剑等[15]综合考虑了装药结构和药型罩结构对EFP速度的影响,认为影响EFP速度的因素依重要性,依次为装药密度、爆速、药型罩锥角、药型罩直径、装药高度和药型罩壁厚;陈智刚等[16]主要研究了工艺、结构参数对聚能射流作用效果的影响;段建等[17]采用数值仿真方法,研究了装药长径比、装药密度、药型罩材料、起爆方式以及壳体厚度对爆炸成型弹丸性能的影响规律。此外,李刚等[18]采用均匀设计方法研究了变壁厚球缺型药型罩结构参数对EFP侵彻能力的影响;唐蜜等[19]采用正交设计方法分析了药型罩曲率半径、药型罩壁厚、装药长径比、壳体厚度对爆炸成型弹丸的速度影响规律。上述研究方法、研究成果对于药型罩设计优化工作起到了很好的指导作用。

聚能装药应用于不同领域,人们希望得到的聚能效果也不同,因此,研究人员针对不同应用研究了不同结构形式的药型罩。崔卫超等[20]研究了锥形药型罩锥角和线型药型罩楔角对射流形状、速度的影响;吴晗玲等[21]对杆式射流的形成过程进行了研究,定性分析了大锥角药型罩的压垮过程,对形成杆式射流的药型罩设计具有一定参考作用;张志春等[22]研究了装药长径比、药型罩曲率半径、药型罩厚度等对爆炸成型弹丸的影响规律。安二峰[23]、李磊等[24]结合聚能射流与爆炸成型弹丸的特点研究设计了一种小锥角与大锥角相结合的双锥药型罩,使射流和弹丸先后侵彻目标,达到双重毁伤的目的。吴成[25]、孙建等[26]人还对射流型多模式战斗部进行了研究,通过采用不同起爆方式与炸高相结合,使同一种聚能装药可分别形成长径比差异较大的长射流和杆式射流。此外,随着装甲技术以及灵巧弹药、多功能弹药和串联战斗部的发展,近期还出现了一些新型装药结构,如K装药、分离式装药、多药型罩装药、W装药等[27],使得聚能装药的应用范围日益广泛。

实践表明,要取得良好的侵彻效果,药型罩材料选择非常关键。根据射流形成理论,药型罩应具有密度大、延展性好、声速高、强度适当等特性。传统的药型罩采用单金属材料,近年来合金材料药型罩也得到了广泛应用。樊菲等[28]研究了药型罩材料对聚能杆式侵彻体成型的影响,通过对铝、铁、铜、钽、钨JPC的统计分析,得出材料密度和延伸率对JPC头部速度、长径比等因素的影响规律,认为铜是作为JPC成型的最佳材料,钽次之。王玉玲等[29]在装药条件、药型罩结构尺寸相同的情况下,分别对以钨铜粉末冶金、紫铜和铜铝复合金属3种材料药型罩的爆炸成型弹丸进行了静破甲试验,认为铜铝复合药型罩具有更好的侵彻能力。

为取得更好的破甲侵彻效果,聚能型战斗部要求使用高爆压、高爆速和高密度的炸药。苟瑞君等[30]从理论和实验二方面探讨了炸药能量对侵彻深度和射流凝聚性的影响,认为高能炸药可提高射流的破甲能力,同时必须采取有效措施防止射流发散。赵捍东等[31]采用数值仿真方法,对在同种装药条件下,不同炸药种类对射流形成过程进行了数值模拟和对比分析,结果表明:高能炸药产生的射流头部速度高,总体动能大,且有利于射流延展、拉伸;炸药类别对射流头部形状没有影响。

在其他条件一定的情况下,起爆方式决定了爆轰波的形式,而药型罩爆轰载荷作用形成射流,所以起爆方式是影响射流性能的重要因素。目前主要的起爆方式有单点起爆、多点起爆、环形起爆和面起爆。王成等[32]研究了小锥角条件下,点起爆、面起爆、正向环形起爆(装药顶端)和逆向环形起爆(装药底端)时射流头部速度变化,得出环形起爆形成的射流头部速度高于面起爆、面起爆高于点起爆,而且随着起爆直径的增大,面起爆与环形起爆所形成的射流头部速度逐渐增大。杨亚东等[33]分析了主装药中心点起爆、面起爆和环形起爆对杆式射流的影响,认为点起爆形成的球面爆轰波具有散心效应,面起爆形成的平面爆轰波为正常爆轰波,环形起爆形成的凹锥形爆轰波具有聚心效应;在大锥角装药结构下,3种起爆方式都能形成杆式射流,对射流速度有较大影响。

3 数值仿真方法研究

数值仿真方法具有耗资小、安全性好等优点,而且,由于仿真计算结果可以更加细致地描述聚能装药内部各种力学参数的变化情况,通过调整尺寸参数和材料性质参数,还可方便地进行对比研究[34]。因此,在聚能装药相关研究方面,研究者大多采用数值模拟与试验相结合的研究方法,数值模拟为试验提供指导,试验对模拟结果进行验证。

LS-DYNA具有功能齐全、材料模型全面以及摩擦和接触分享处理方便等特点,在国内外得到了大量的应用。LS-DYNA以Lagrange算法为主,兼有ALE和Euler算法[35]。由于聚能装药技术涉及材料大变形和流固耦合,通常采用ALE方法进行研究[36-38]

近年来,无网格法在模拟中得到了应用,减少了因网格畸变引起模拟困难。在无网格方法中,光滑粒子法(SPH)[39]得到了广泛的应用。相比于传统的基于网格的方法,光滑粒子流体动力学法是一种更加适于解决聚能射流的数值模拟方法。它兼具无网格特性和拉格朗日性质,能够克服在计算中与大变形相关的技术难题[40],对于结构大变形引起的网格畸变等困难可以进行有效处理,同时在捕获材料交界面和自由面问题时又具有其独特的优越性,更加适于聚能装药作用过程的数值模拟。李磊等[41]采用SPH算法实现了聚能装药射流形成过程的三维数值模拟,研究结果表明:SPH数值模拟计算过程十分稳定,避免了有限元数值模拟过程中的网格扭曲、缠绕和物质穿透等问题,而且计算精度比有限元方法高。冯殿垒等[42]采用SPH方法模拟了一维板条爆轰过程,并分析有无金属外壳二种计算模型对射流形成的影响,认为聚能装药外壳主要影响射流形态的计算结果。

对于数值仿真中模型参数选择影响方面,也有学者进行研究。如康彦龙等[43]采用AUTODYN软件,在材料模型选择一致的情况下,重点研究了聚能射流成型及侵彻计算中,药型罩罩顶壁厚网格数目、靶板径向尺寸等仿真模型参数选择对计算结果的影响规律。

4 聚能装药相似律适用性的研究

在聚能装药研究过程中,常采用模型试验方法对聚能装药毁伤过程、毁伤结果进行验证和分析,聚能装药相似律是正确进行模型试验的理论基础。

唐蜜等[44]利用相似理论分析了爆炸成型弹丸侵彻钢靶过程的相似参数,建立了爆炸成型弹丸侵彻钢靶的相似律关系,并以球缺型爆炸成型弹丸为计算模型,对满足模拟比的爆炸成型弹丸侵彻靶板的过程进行了数值模拟。结果表明,侵彻相似律在爆炸成型弹丸侵彻中是成立的,模拟弹与原型弹的成型符合相似律,其对钢靶的侵彻深度也满足模拟比。陶为俊等[45]也利用相似理论分析了聚能射流侵彻钢靶板的过程,建立了相关相似律模型,并对二种满足侵彻相似律的不同比例的模型进行了数值仿真计算,认为侵彻相似律可应用于聚能射流侵彻钢靶板的数值模拟。王团盟等[46]利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,采用ALE流固耦合算法,分析了缩比鱼雷聚能战斗部EFP侵彻过程中加速度和速度的变化规律,并与陆上试验结果进行了对比,计算结果和试验结果比较接近,具体表现为:二者EFP在4个测试点处速度相差8.79%,各结构模拟靶侵彻深度相同,破孔直径相差13.46%。

5 试验方法和试验测量方法

聚能装药的试验测试通常采用陆上静爆试验方法。反潜模式下模拟潜艇水舱在试验中布置一定厚度的水层。以聚能型鱼雷战斗部破甲能力试验而言,模拟试验装置从前到后一般依次为鱼雷聚能战斗部、鱼雷自导头段模拟靶、潜艇非耐压壳模拟靶、潜艇模拟水舱、潜艇耐压壳模拟靶、后效靶等[47]

为了验证考核聚能战斗部在侵彻潜艇耐压壳体后的后效毁伤能力,试验中通常在耐压壳模拟靶后布置数个具有一定间隔的后效靶板。事实上,后效靶板的间隔对于战斗部的毁伤效果影响非常大。谢文[48]、刘洋等[49]对聚能战斗部侵彻多层间隔靶问题进行了研究,梁争峰等[50]采用实验方法对间隔靶对射流侵彻能力的影响进行了研究。通过对不同间隔靶板的垂直侵彻和斜侵彻实验表明:间隔靶对射流侵彻能力的影响随间隔大小而改变;射流在间隔靶间的飞溅是间隔靶降低侵彻能力的主要因素;而且,间隔靶对射流侵彻能力的降低存在一个极限值,为5.5%左右,超过极限值后,随着间隔值的增大,射流侵彻能力将逐渐恢复。

试验中,对于聚能射流速度的测量通常采用电探针网络或高速摄影方法。电探针网络测试法需要在目标靶中间设置多个电探针,相当于在射流侵彻方面上直接增加了大约2mm厚的钢靶板,且增加了多个接触间断面,使射流(或射弹)经过这些界面时对侵彻过程的稳定性造成不利影响,射流穿靶能力有所削弱[51]

杨莉等[52] 对变壁厚球缺型聚能战斗部形成的爆炸成型弹丸进行了成型实验和侵彻多层含水复合装甲的侵彻实验,利用脉冲X光高速摄影技术和电探针测试技术得到了爆炸成型弹丸的飞行特性和对含水复合装甲的侵彻规律。研究结果表明:爆炸成型弹丸水中运动速度成指数倍降低;爆炸成型弹丸对含水复合装甲结构的侵彻威力主要取决于弹丸的形状和初速度。

6 聚能战斗部水下特性研究

聚能型战斗部的水下运动特性、毁伤机理与陆上破甲弹、钻地弹等明显不同,有必要对聚能型战斗部水中兵器的水下运动毁伤特性进行深入研究。

凌荣辉等[53]采用试验方法测量得到了大锥角型、球缺型、亚半球型聚能战斗部形成的弹丸水下运动速度曲线,比较了不同结构形式药型罩形成的弹丸水下速度变化特点,认为弹丸在水介质中的速度变化与弹丸外形关系密切,长细杆弹体比短粗(或球形)弹体更有利于穿甲。杨莉等[54]采用数值仿真方法对爆炸成型模拟钢弹丸侵彻水介质进行了计算,分析了弹丸形状和入水速度对弹丸侵彻性能的影响,给出了弹丸水中运动速度衰减规律。研究结果表明:侵彻相同厚度水层时,短粗弹丸比亚球形弹丸速度损失小,存速能力强,有利于弹丸后续侵彻;对于同种材料的模拟弹丸,入水速度越高,弹丸头部磨损变形越大,速度衰减越快。陈冬梅等[55]针对形成聚能效应的3类侵彻体即射流、杆式射流和爆炸成型弹丸,分别设计了3种典型药型罩鱼雷战斗部——等壁厚圆锥形、半球形、球缺形,并对上述3种战斗部进行了目标毁伤数值仿真和对比分析,给出了3类聚能侵彻体在水介质中的运动规律和破甲毁伤效果,研究认为:侵彻体侵彻入水速度存在最佳值,入水速度低,则速度衰减小,有利于侵彻深度的提高,但将影响后期破甲效果;半球形药型罩形成的杆式射流可以形成明显的水下空腔随进效应,其破甲能力明显优于等壁厚圆锥形和球缺形药型罩。步相东等[56]对鱼雷聚能战斗部EFP在水中运动特性进行了数值仿真分析,对EFP水中运动速度梯度和形状等参数随时间的变化规律进行了初步分析,研究认为:EFP形状将直接影响对船钢靶侵彻孔洞直径的大小,且随着运动时间的增加,EFP头部出现墩粗现象,直径逐渐增大。曹兵[57]采用同一批次的EFP战斗部分别进行了空气中爆炸对空气中靶板的侵彻试验、EFP空气中爆炸后经水层对水下靶板的穿靶试验、EFP战斗部水中爆炸对水中舰船模拟靶的侵彻试验以及EFP水中运动过程的脉冲X光摄影试验,研究了EFP战斗部水下作用特性。试验结果表明:EFP战斗部空气中爆炸对空气中靶板的破孔孔径约为EFP弹丸直径的1.85倍,EFP空气中爆炸后经水层对水下靶板的破孔孔径约为EFP弹丸直径的10倍,EFP战斗部水中爆炸对水下靶板的破孔孔径约为EFP弹丸直径的20倍;研究认为:EFP战斗部水中爆炸对目标靶的破坏威力大于其在空气中爆炸后EFP再入水穿靶的威力,其破坏效应主要来自EFP弹丸、冲击波和二次脉动压力,水中冲击波对EFP对目标靶上的破坏效果有明显的增强作用。步相东[58]认为,聚能型水中兵器战斗部形成的射流或射弹在贯穿舰艇的装甲或潜艇的外壳,在被攻击的目标外壳上形成破坏性孔洞后,冲击波到达已经有穿孔的舰艇装甲时,将对已受损伤的舰艇装甲和舱内目标造成进一步破坏,然后,战斗部爆炸产生的气泡及二次脉动压力也作用于目标,对产生的孔洞进一步撕裂和破坏,对人员、设备等实施进一步杀伤,使目标最终失去战斗力。

7 聚能装药战斗部水中兵器毁伤研究的主要发展方向

聚能装药技术经过几十年的发展,已广泛应用于社会生产和军事领域中,在聚能破甲理论、装药结构设计、数值仿真计算等方面都取得了一定进展,但相比爆破型装药,聚能装药的相关研究还存在较大差距,尤其是对聚能装药水中兵器的毁伤研究更需加强,归纳总结如下。

7.1 毁伤机理研究方向

目前对于聚能型战斗部水下弹道特点和侵彻效果等研究不够充分,对聚能战斗部兵器水下作用规律和侵彻性能方面的研究不够深入,对聚能型水中兵器毁伤元素、毁伤模式及其毁伤机理不够明确等,这都是今后的研究方向。

7.2 新型装药技术研究方向

为了进一步提高聚能型战斗部的毁伤威力,应针对具体的应用领域开展聚能装药新技术研究,包括采用K装药技术、多功能多模式装药技术、串联战斗部系统、新型药型罩材料、新型起爆器设计等。

7.3 仿真技术研究方向

聚能装药作用过程具有高速性和瞬时性等特点,仿真研究涉及材料大变形、瞬态不连续性等问题,因此对于仿真模型建立、算法选取与应用、参数选择、计算模拟精度等方面均需进行深入分析。此外,开发我国的自主数值模拟软件,更是今后的一个重要研究方向。

7.4 试验和测量技术研究方向

试验和测量是获取兵器毁伤威力、毁伤作用效果最有效、最直接的手段,也是对仿真结果准确性的最好校核手段。目前对于聚能装药战斗部水中兵器的试验研究通常采用陆上水箱静爆试验方法,由于边界条件的存在以及部分陆爆试验过程不完全在水介质中进行,导致静爆试验结果无法完全真实反映其水下作用效果。有必要加大水中兵器水下静爆试验、动态实航试验的研究投入力度,并加强测量技术研究手段,以真实获取聚能型水中兵器对目标的毁伤效果。

7.5 毁伤评估研究

毁伤效能评估是综合考虑战役战术目的、战场环境、火力力量、目标性质等因素,对实际毁伤效果进行综合分析和评定的过程,对于系统目标的毁伤评估,目前尚没有成熟的理论方法。对于聚能型水中兵器,由于其毁伤机理、毁伤要素的研究还不够深入,尤其是针对其主要作战目标——潜艇的毁伤评估研究更是相对薄弱。这是今后的一个重要研究方向。

8 结束语

采用聚能装药战斗部是目前兵器战斗部的一个研究热点。经过多年的发展,聚能装药相关研究工作取得了一定进展,但在毁伤机理、毁伤评估研究方面,尤其是聚能型水中兵器的毁伤研究方面与先进国家差距较大。今后,应大力加强毁伤机理、新型装药技术、仿真技术、毁伤评估等的研究力度,并加大实爆试验研究投入,进一步推动我国新型水中兵器的建设和发展。


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