排布角對新型組合式MEFP戰斗部影響研究

陳 闖，楊 麗，董曉亮

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排布角對新型組合式MEFP戰斗部影響研究

陳 闖1，楊 麗1，董曉亮2

（1.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽，110159；2.南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京，210094）

為提升彈藥戰斗部的毀傷效能，設計了一種新型組合式多爆炸成型彈丸（MEFP）戰斗部，將戰斗部的成型模塊分為3圈，對各圈裝藥進行了編號；數值模擬分析了排布角對MEFP速度、成型形貌和飛散角的影響規律。研究表明：隨著排布角的增加，2號裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、長徑比、尾裙差均減小，而徑向速度和飛散角逐漸增大；3號裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長徑比、尾裙差和飛散角均逐漸減??；4號裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長徑比逐漸減小，而尾裙差和飛散角逐漸增大。當排布角為15°時，形成的EFP雖然軸向速度、徑向速度小于其他結構，但是在形成的EFP形貌和飛散角方面有較大的優勢。

爆炸力學；MEFP；排布角；數值模擬；成型

MEFP戰斗部技術是在20世紀后期逐步發展起來的新型戰斗部技術，MEFP戰斗部可以產生多個密實的爆炸成型彈丸，有效攻擊高速運動的目標。Blache等[1]為一種徑向排布多個 EFP 戰斗部設計了專用的起爆裝置來保證同時起爆，并形成飛行方向相同的EFP彈丸。Fong等[2]設計了一種作戰靈活、各個組件可以快速安裝在一起的輕型MEFP戰斗部。

隨著MEFP技術在國外的不斷發展，20個世紀90年初國內學者也陸續展開這方面的研究工作。王猛等[3]設計了一種能夠在一次爆炸作用下形成3枚EFP彈丸的戰斗部。周翔等[4]數值模擬研究了一種利用子裝藥結構的多枚爆炸成型彈丸成型過程。趙長嘯等[5]針對整體式MEFP戰斗部參數與起爆方式的關系做了相應的研究。本文在EFP研究工作的基礎之上，為了進一步擴大 EFP 的毀傷面積和毀傷能力，研制了一種新型組合式MEFP戰斗部，分析了排布方式對新型MEFP成型的影響。

1 方案設計

本文先對單一EFP戰斗部結構進行優化，對優化后的EFP進行侵徹試驗，使單一EFP滿足侵徹指標要求；在此基礎上，對新型組合式MEFP進行結構優化。

1.1 EFP的仿真與實驗

以前期研究的EFP成型裝藥為基礎，進行縮比研究，并進行二次優化，得到φ30mm口徑的藥型罩結構，如圖1所示。藥型罩采用弧錐結合罩，其中曲率半徑為 28mm，罩錐角為140°，罩壁厚為1.70mm。仿真得到的EFP形態如圖2所示。從圖2中可以看出，EFP的形狀較佳，能夠滿足飛行穩定的需求。

圖1 EFP成型裝藥結構

圖2 EFP成型形狀

對設計的φ30mm的成型裝藥在大炸高條件下進行侵徹試驗，試驗表明設計的藥型罩能夠侵徹50倍炸高下的15mm厚的鋼板。圖3為EFP侵徹15mm厚靶板的試驗結果。從圖3中可以看出，爆炸形成的EFP能夠穿透15mm厚的45鋼靶板，滿足所要求的威力指標。

圖3 侵徹靶板效果圖

1.2 新型MEFP戰斗部的結構設計

新型MEFP戰斗部成型模塊分為3圈，1枚成型裝藥位于MEFP結構的中心，第2圈有6枚分布在中心戰斗部的周圍，第3圈平均分布12枚成型裝藥，第3圈相鄰兩個裝藥和中心裝藥的夾角為30°。圖4中，中心裝藥圓心為A，第2圈中心裝藥圓心為B，第3圈裝藥圓心為C（0≤∠CAB≤15°），定義∠CAB為排布角。

圖4 新型MEFP戰斗部結構

以每2.5°為一種結構方案，得到排布角為0°、2.5°、5.0°、7.5°、10.0°、12.5°、15°的7種方案。

2 仿真模型和計算方法

選取三分之一結構部分建立仿真模型，由于數值模擬計算中涉及炸藥的爆轟過程，若采用拉格朗日網格進行計算，會發生網格畸變，這將不利于計算的進行。為了避免上述問題的出現，采用ALE方法對MEFP成型進行模擬。其中空氣、炸藥罩采用單點多物質Euler算法，填充物材料、藥型罩均采用Lagrange算法。計算模型中選擇8701炸藥，采用JWL狀態方程。藥型罩材料采用紫銅，選用Johnson-Cook材料模型?？諝饷芏葹?.25×10-3g/cm3，使用空材料模型。填充物材料為尼龍，其中尼龍密度為0.9g/cm3，使用彈塑性材料模型。在數值仿真過程中需要多次進行重啟動：在計算至60μs時，由于EFP基本形成，填充物對形成的EFP的影響已經微乎其微，故在60μs時將填充物材料PART刪除。再利用小型重啟動，計算至100μs，此時形成的EFP基本定型，且頭尾速度趨于一致。圖5為有限元模型。

圖5 有限元模型

3 數值模擬結果及分析

3.1 MEFP的成型過程

圖6所示為排布角=0°時，新型MEFP的形成過程。由圖6可以看出，各個裝藥起爆后大約4μs時，各個藥型罩開始被壓垮、變形向前運動，同時由于多點起爆存在多個爆轟波，爆轟波之間相互影響，使第2層、第3層藥型罩徑向受力不均勻而存在徑向速度。當=60μs時，MEFP基本形成，由于存在一定的速度差，運行過程中將逐漸拉長，但基本保持完整，同時由于第2層、第3層的EFP彈丸具有不同的徑向速度而逐漸發散。

圖6 MEFP成型圖

3.2 排布方式對MEFP速度的影響

EFP的速度是影響侵深的主要因素，在EFP不斷裂的情況下，EFP速度越高，侵徹性能就越高。圖7為排布角與MEFP軸向速度的關系曲線。由圖7可見，1號裝藥形成的EFP軸向速度隨著排布方式的變化基本不變；2號、3號、4號裝藥形成的EFP軸向速度受排布方式影響較大，隨著排布角的增加不斷減小。

圖8 為排布角與MEFP徑向速度的關系曲線。由圖8可以看出，2號裝藥形成的EFP徑向速度隨著排布角的增加而增加；3號、4號裝藥形成的EFP徑向速度隨著排布角的增加而減小，在排布角=15°時，各個EFP達到最小的徑向速度。

圖7 MEFP軸向速度隨排布角的變化曲線

圖8 MEFP徑向速度隨排布角的變化曲線

3.3 排布方式對MEFP形貌的影響

EFP的長徑比是影響EFP侵徹能力的主要因素，長徑比的增大將有利于增加EFP彈丸的侵徹能力。圖9為MEFP長徑比隨排布角的變化曲線。

圖9 MEFP長徑比隨排布角的變化曲線

圖9中1號裝藥形成的EFP彈丸長徑比隨著排布角的增加無明顯變化；2號、3號、4號裝藥形成的EFP彈丸隨著排布角的增加逐漸減小。

由于MEFP在成型過程中會產生多個爆轟波，爆轟波之間的作用使EFP尾裙成型不對稱，圖10給出了尾裙差的定義，為形成的EFP尾裙差。尾裙差越小，形成的EFP截面越規則，形成形狀越好，氣動性能越好。圖11給出了尾裙差隨排布角的變化規律。其中2號、3號裝藥形成的EFP尾裙差隨排布角的增加而減??；4號裝藥形成的EFP的尾裙差隨著排布角的增加而增加。在排布角=15°時，EFP尾裙差最小，EFP的成型形狀最好。

圖10 尾裙差示意圖

圖11 MEFP尾裙差隨排布角的變化曲線

3.4 排布方式對MEFP飛散角的影響

由于MEFP在成型過程中會產生多個爆轟波，爆轟波相撞產生的影響是出現較大飛散角的主要原因。飛散角的示意圖如圖12所示。圖13為100μs時MEFP的飛散角。

圖12 飛散角示意圖

圖13 MEFP飛散角隨排布角的變化曲線

由圖13可以看出，2號、4號裝藥形成的EFP彈丸隨排布角的增加而增加；3號裝藥形成的EFP彈丸隨排布角的增加而減??；在排布角=15°時，3號裝藥、4號裝藥形成的EFP彈丸具有相同的飛散角。當排布角=15°時，形成的MEFP分布均勻。

綜上所述：當排布角=15°時，形成的EFP雖然軸向速度、徑向速度均小于其他結構，但是在形成的EFP形貌和飛散角方面有較大的優勢；EFP落點分布均勻。

4 結論

（1）在單一EFP的基礎上，設計了新型組合式MEFP戰斗部，新設計的MEFP戰斗部可以形成19枚高速EFP彈丸。（2）中心EFP彈丸的軸向速度、長徑比基本不受排布角的影響。隨著排布角的增加，2號裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、長徑比、尾裙差均減小，徑向速度和飛散角逐漸增大；3號裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長徑比、尾裙差和飛散角均逐漸減??；4號裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長徑比逐漸減小，尾裙差和飛散角逐漸增大。（3）排布角為15°時，形成的EFP雖然軸向速度、徑向速度小于其他結構，但是在形成的EFP形貌和飛散角方面有較大的優勢。

[1] Blache A,Weimann K.Multi-EFP-charge for light weight armor defeat[C]//18th International Symposium on Ballistics. San Antonio : TX. Institute for Advanced Technology, 1999.

[2] Fong R, Ng W, Tang W, et al. Multiple explosively formed penetrator (MEFP) warhead technology development [C]//19th International Symposium of Ballistics. Interlaken, Switzerland: International Ballistics Committee, 2001.

[3] 王猛, 黃德武,羅榮梅.整體多枚爆炸成型彈丸戰斗部試驗研究及數值模擬[J].兵工學報,2010,31(4):453-457.

[4] 周翔,龍源,余道強,等.多彈頭爆炸成形彈丸數值仿真及發散角影響因素[J].兵工學報,2006,27(1): 23-26.

The Influence of Arrangement Angle on the New Combined MEFP Warhead

CHEN Chuang1，YANG Li1，DONG Xiao-liang2

(1.School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang, 110159；2. ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing，210094)

In order to improve the damage efficiency of the ammunition warhead, a new combined multi-explosive molded projectile (MEFP) warhead was designed, the forming module of the warhead was divided into three circles, each ring has been numbered. The influence of arrangement angle on MEFP speed, forming morphology and dispersion angle were numerical studied. The results show that with the increase of the arrangement angle, the axial velocity, length-diameter ratio and tail-skirt difference of EFP projectile formed by No.2 charge decrease, and the radial velocity and dispersion angle gradually increase. For No.3 charge, all parameters decrease with the increase of arrangement angle. The axial velocity, radial velocity and aspect ratio of EFP projectile formed by No.4 load decrease gradually, while tail skirt difference and dispersion angle gradually increase. When the arrangement angle is 15 °, the EFP formed has smaller axial velocity and radial velocity than other structures, but it has a great advantage in the formation of EFP morphology and dispersion angle.

Mechanics of explosion；Multiple explosively formed projectile；Arrangement angle；Numerical simulation；Formation

1003-1480（2018）02-0040-04

TJ410.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.011

2018-01-05

陳闖（1987-），男，講師，主要從事爆炸力學與沖擊動力學研究。

遼寧省自然科學基金指導計劃項目（201602650）；沈陽理工大學博士后科研啟動基金資助（1010148000805）；沈陽理工大學博士科研啟動基金資助（2016BS05）。