截頂式聚能裝藥戰斗部射流成形規律研究

宣世峰，尚 偉，韓 偉，祖旭東

(1.中航航空服務保障(天津)有限公司， 天津 300000；2.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094；3.中國人民解放軍32381部隊， 北京 100072)

聚能裝藥技術是高效毀傷戰斗部常用的技術之一。近年來，隨著材料技術和加工工藝的快速發展，各國軍事裝備的防護能力不斷加強，采用傳統聚能戰斗部摧毀目標越來越艱難，這就對聚能戰斗部性能提出了更高要求。射流頭部速度和射流長度是反映聚能戰斗部性能的重要成形參數，如何有效提高射流頭部速度和射流長度是當前的研究熱點。

俄羅斯學者V.F.Minin等提出了通過截頂方式改進傳統聚能裝藥結構的方案，并依靠數值計算證明了截頂式聚能裝藥射流與傳統射流相比具有更高的速度和侵徹能力。國內方面，王成等率先開展了截頂式聚能裝藥的數值模擬研究。石軍磊等研究了截頂材料對射流成形的影響，得出大密度材料更有利于提高截頂式聚能裝藥射流的頭部速度。胡曉敏等通過數值模擬研究了藥型罩錐角和截頂厚度對射流頭部速度的影響，得出錐角增大，射流頭部速度減??；而截頂厚度對射流頭部速度和射流長度的影響較小。關榮等研究了截頂長度和截頂間隙對線性聚能射流成形參數的影響規律，得出截頂長度和截頂間隙之間存在最佳匹配關系。徐文龍等采用理論研究的手段分析了截頂高度、錐角和材料對截頂式聚能射流成形參數的影響。王淦龍基于數值模擬討論了裝藥長度、藥型罩錐角、截頂直徑和厚度等結構參數對射流成形和侵徹的影響。然而，上述研究工作僅是討論了結構參數對截頂式聚能戰斗部射流成形的影響規律，并未對截頂式聚能射流的成形機理作深入分析。因此，開展基于成形機理的截頂式聚能射流成形規律研究已成為當務之急。

本文以88 mm裝藥直徑直錐式聚能戰斗部為設計參照，采用數值模擬的方法對無截頂和有截頂聚能裝藥戰斗部的爆轟波傳播規律和射流成形特征進行對比，并分析出截頂式聚能裝藥戰斗部的射流成形機理。在此基礎上，通過改變截頂直徑和厚度，計算不同工況的截頂式聚能裝藥射流成形過程，最終得到截頂結構參數對截頂式聚能裝藥射流長度和頭部速度的影響規律。

1 數值模型

1.1 結構模型

如圖1所示為88 mm裝藥直徑直錐式聚能戰斗部結構圖，其中裝藥高度為124 mm，罩頂高為42 mm，藥型罩為變壁厚，內壁錐角為52°，外壁錐角為53°。在88 mm裝藥直徑直錐式聚能戰斗部的基礎上，保證裝藥高度不變，通過截去藥型罩錐頂平臺段替換為小金屬圓柱體截頂裝置的方式即可獲得截頂式聚能裝藥結構。

圖1 Φ88 mm裝藥直徑直錐式聚能戰斗部示意圖

如圖2所示為88裝藥直徑截頂式聚能裝藥戰斗部二維計算模型。模型由空氣域、JH-2裝藥、截頂裝置和藥型罩四部分組成，整體采用Euler算法。截頂裝置為金屬小圓柱，其直徑和高度可根據需求調節，材料為鎢合金。藥型罩材料為高導無氧銅。裝藥采用端面起爆方式，空氣域四周設置無反射邊界，可避免爆轟波在邊界處反射對射流成形造成的影響。計算網格采用中間加密外側漸變的方式，其中加密區網格的尺寸為0.8 mm×0.2 mm。

圖2 截頂式聚能裝藥戰斗部二維計算模型示意圖

1.2 材料模型

1) JH-2炸藥。炸藥常采用高能炸藥爆轟本構模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN來描述，對于爆轟氣體采用標準的Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態方程。爆轟氣體的壓力可由下式得到：

(1)

式(1)中：為爆轟氣體的密度與初始炸藥的密度的比值，即=；為高能炸藥的比內能；、、、和為實驗數據擬合所得的材料系數。88直徑截頂式聚能裝藥計算模型(圖2)的JH-2炸藥由High_Exliosive_Burn材料本構和JWL狀態方程描述，具體參數如表1所示。

表1 JH-2炸藥的材料模型參數

2) 截頂裝置和藥型罩。射流成形過程為典型高溫、高壓和高應變過程，因此計算模型中截頂裝置所用的鎢合金、藥型罩所用的高導無氧銅均可選用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態方程進行描述，詳細參數見表2和表3。

Johnson-Cook彈塑性流體材料模型是在高速碰撞領域常用的金屬本構模型之一，該模型考慮了塑性應變、應變率、壓力和溫度度材料強度的影響，其函數表達式為

(2)

(3)

式中：為室溫；為常態下材料的熔化溫度。

表2 鎢合金和CU-OFHC的Johnson-Cook材料模型參數

表3 鎢合金和CU-OFHC的Gruneisen狀態方程參數

Gruneisen狀態方程可以描述金屬材料在高壓下的行為特性，該方程定義在壓縮狀態下材料的壓力為

(+)

(4)

在膨脹情況下材料的壓力為

=+(+)

(5)

式中：為-曲線(沖擊波速度-粒子速度)的截距；、、為-曲線斜率的系數；為Gruneisen常數；是的一階體積修正量；=-1，和分別為當前密度和初始密度。

1.3 模型有效性驗證

為了檢驗計算模型的有效性，通過閃光X-ray拍攝了88 mm裝藥直徑直錐式聚能戰斗部的射流成形過程。閃光X-ray試驗在南京理工大學湯山試驗中心開展。圖3為試驗所用的88 mm直錐式聚能戰斗部實物。

圖3 Φ88 mm直錐式聚能戰斗部實物圖

閃光X-Ray試驗布置情況如圖4所示。試驗時，聚能戰斗部懸掛于位置，出光口、間隔Δ時間相繼出光，將2個不同時刻的射流影像投射在底片′、′上。

圖4 閃光X-Ray試驗布置圖

在X-Ray拍攝期間，點光源、真實射流和投影之間構成相似三角形，所得投影實際上是放大后的真實射流。記′、′底片上投影的放大比分別為和，則：

=′

(6)

=′

(7)

式中，′、′、和表示各位置點間的距離。

′、′底片記錄時刻的真實射流長度分別為

(8)

(9)

其中′，′為′、′底片記錄時刻的投影射流長度。則射流的頭部速度可表示為

=(′-′)Δ

(10)

式中，為′和′時刻的平均速度，可近似看作是中間時刻的射流速度。

此次試驗記錄了88 mm直錐式聚能戰斗部在裝藥起爆后25 μs和35 μs時刻的射流形態。圖5所示為35 μs時刻的模擬和試驗射流成形結果。從整體看，兩者的射流及杵體形態基本一致。

圖5 Φ88 mm直錐式聚能戰斗部模擬和試驗射流 成形結果示意圖

統計該時刻射流的主要成形參數如表4所示，不難看出，模擬和試驗的主要射流成形參數誤差都較小。由此證明，數值模型的射流成形計算結果有效。

表4 模擬和試驗主要射流成形參數對比

2 截頂裝置有無對射流成形的影響

分別對88 mm直錐式和截頂式聚能裝藥戰斗部(截頂直徑為30 mm，厚度為10 mm)的射流成形過程進行數值計算，結合計算結果對比分析2種結構在爆轟波傳播和射流成形特征方面的差異，并進一步闡明截頂裝置有無對射流成形的影響。

圖6所示為2種聚能裝藥結構在起爆后6 μs時刻的爆轟波應力云圖。不難看出，截頂裝置的存在使爆轟波的應力分布發生了明顯改變。由于截頂的直徑大于藥型罩頂部的直徑，當爆轟波傳播至截頂表面時，部分在截頂表面發生反射，部分繞過截頂對藥型罩進行壓垮。其中，對于反射部分，因為鎢合金截頂的波阻抗遠大于銅藥型罩，爆轟波在截頂表面形成高壓反射區，儲存了更多加載在藥型罩表面的爆炸能量；對于繞射部分，爆轟波傳播方向發生改變，使得爆轟波對藥型罩的壓垮角增大，并進一步提高了射流頭部速度和射流長度。這就是截頂式聚能裝藥射流的成形機理。

圖6 6 μs時刻直錐式和截頂聚能裝藥結構 爆轟波傳播云圖

圖7反映了2種結構在裝藥起爆40 μs時刻射流的形態和速度分布情況。對比發現，截頂式聚能裝藥射流的速度梯度更大，形成射流較為細長。在40 μs時刻，直錐式射流的頭部速度為7 963 m/s，而截頂式聚能裝藥的頭部速度為9 636 m/s，較直錐式提高了21%。統計發現，該時刻直錐式聚能射流長度為165 mm，截頂式聚能射流長度為221 mm，射流長度提高了33.9%。

3 截頂結構參數對射流成形的影響

通過改變截頂結構參數，計算了5種截頂直徑(20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm)和5種截頂厚度(2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm)共計25個工況的截頂式聚能裝藥射流成形過程，統計40μs時刻的射流頭部速度和長度分別如表5和表6。

圖7 40 μs時刻直錐式和截頂式聚能射流形態 及速度分布云圖

表5 40 μs射流頭部速度統計表(m/s)

表6 40 μs射流長度統計表(mm)

將表5、表6中的射流數據繪制成如圖8和圖9所示的三維圖。圖8、圖9直觀反映了射流頭部速度和長度隨截頂直徑、厚度的變化關系。不難得出，對截頂直徑，射流頭部速度和射流長度隨截頂直徑增大呈現出先增大后減小的規律，這說明爆轟波的繞射作用和截頂直徑之間存在最佳匹配值，其中88 mm裝藥直徑截頂式聚能戰斗部射流成形的最佳截頂直徑設計值為30 mm；對截頂厚度，隨截頂厚度增大，射流頭部速度和射流長度均增大，但是增大趨勢逐漸緩和。相較而言，大截頂直徑的聚能射流對截頂厚度不敏感，這是因為繞射爆轟波的加載時間和加載位置延后，在射流成形過程中起主要作用的是截頂裝置的儲能作用，而當儲能飽和時，射流速度和長度的增幅就趨于平穩。

圖8 射流頭部速度計算結果

圖9 射流長度計算結果

4 結論

采用數值模擬方法對比了無截頂和有截頂聚能裝藥戰斗部的爆轟波傳播規律和射流成形特征，揭示了截頂式聚能裝藥戰斗部的射流成形機理，改變截頂裝置的直徑和厚度，研究了截頂參數對射流成形的影響規律，得到以下3點結論：

1) 截頂裝置的存在改變了爆轟波的應力場分布，儲存了更多加載在藥型罩表面的爆炸能量，增大了爆轟波對藥型罩的壓垮角，并進一步提高了聚能射流的頭部速度和射流長度；

2) 截頂式聚能裝藥射流整體形態細長，速度梯度大，與直錐式聚能射流相比射流頭部速度和射流長度均有大幅度提高；

3) 截頂式聚能戰斗部形成的射流頭部速度和射流長度隨截頂直徑的增大先增大后減小，隨截頂厚度的增大而增大，但是增大趨勢逐漸緩和，大截頂直徑的聚能裝藥射流成形參數對截頂厚度不敏感。