旋转对爆炸成型杆式侵彻体毁伤威力的影响

为进一步提高周向多爆炸成型侵彻体战斗部的毁伤效能,结合数值模拟方法,设计了一种爆炸成型杆式侵彻体战斗部。基于复合装药的爆轰加载控制方式,使得药型罩成型为密实的杆式侵彻体,通过调整半预制药型罩的斜置角度,对毁伤元的旋转速度施加控制,进而提高其空中飞行姿态的稳定性,提高毁伤元的毁伤威力。对不同斜置角度的战斗部原理样机进行了静爆实验,实验结果与模拟结果的对比表明,半预制药型罩斜置角度为1.5°时,爆炸成型杆式侵彻体的着靶姿态最好,对45钢靶板侵彻深度最大。通过药型罩斜置,在保证杆式侵彻体成型质量的同时,可以有效提高侵彻体的侵彻威力。     

切割式多爆炸成形弹丸成形及对钢靶的穿甲效应

基于60mm 弧锥结合罩EFP装药,设计了一种在药型罩前适当位置安装可抛掷的十字形网栅的 切割式多爆炸成形弹丸战斗部结构,并进行了靶场静爆实验。由实验结果可知,该战斗部经网栅切割后能形 成5枚具有一定质量和方向性、可贯穿6mm 厚45钢靶的弹丸,有效提高了毁伤元的数量和毁伤面积。利用 LS-DYNA程序对弹丸侵彻45钢靶过程进行了数值模拟,分析了弹丸侵彻钢靶过程。通过对中心弹丸穿靶 模拟数据的处理,得到了其余尺寸弹丸侵彻不同厚度45钢靶的极限穿透速度计算公式,该公式可对相关切割 式多爆炸成形弹丸战斗部威力优化设计和评估提供依据。     

平面分布式火力毁伤元的实验研究

单个EFP在毁伤面积上存在一定的局限性.为扩大EFP毁伤威力和毁伤面积,本文研制了一种高初速的EFP战斗部,设计出一种含有46个EFP的平面分布式火力毁伤元.首先采用X光实验技术对弹丸进行X光拍摄,通过对X光照片的判读获取弹丸的外形尺寸和飞行速度,完成单个EFP战斗部的优化设计;然后在靶场对优化后的EFP战斗部进行侵彻实验,通过靶场回收得到弹丸的外形尺寸,采用测速靶得到弹丸的飞行速度,进一步验证所设计变壁厚药型罩形成高速弹丸的稳定性;最后将EFP战斗部按一倍战斗部直径的间距集成在一个由聚氨酯材料形成的平板上,采用高速摄影技术对起爆后弹丸的飞行轨迹进行拍摄,通过对高速摄影录像的判读,获取弹丸的飞行轨迹,由此判断弹丸在飞行过程中是否发生发散.实验结果表明,所设计的EFP弹丸飞行速度约为2200m/s并具有较好的密实性,火力毁伤元起爆后所形成的弹幕没有发生发散,且具有较好的飞行稳定性.本文设计的平面分布式火力毁伤元可根据对毁伤面积的要求调整布置,扩大了EFP的应用范围.     

成型装药研究新进展

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,近期新型成型装药结构、技术及其应用研究活跃,取得了较好的进展。从射流装药、射弹装药、高速杆式弹丸装药3个方面就其新进展和新动向进行了调研、分析,并对成型装药发展趋势及潜在应用进行了评述。     

串联EFP装药隔爆结构和延时起爆控制

结合串联战斗部的特点,提出了一种两级爆炸成型弹丸(explosively formed projectile, EFP)装药的串联装药结构。利用LS-DYNA有限元软件分析了不同隔爆体及延时起爆对后级EFP成型的影响,进行了不同隔爆结构和延时匹配的串联EFP侵彻45钢靶实验。实验结果表明:优化后的串联EFP装药的侵彻深度,已经达到分2次单级连续侵彻之和的96.7%,后级装药的侵彻能力得到有效提高。     

一种杆式多爆炸成型侵彻体战斗部

为进一步提高周向多爆炸成型侵彻体战斗部的毁伤效能,设计了一种爆炸成型杆式侵彻体战斗部。结合数值模拟方法,对侵彻体的成型过程及飞散效果进行模拟,分析了外衬对侵彻体成型质量的影响,并设计出侵彻体结构密实的杆式MEFP战斗部。制备了有外衬和无外衬两种战斗部原理样机并进行静爆实验。实验结果表明,无外衬战斗部成型侵彻体对3 m处40 mm厚45钢板平均穿深为27 mm,有外衬战斗部成型侵彻体可贯穿3 m处40 mm厚45钢板;侵彻体对靶板的侵彻实验结果与模拟结果一致。通过设计外衬结构,战斗部成型侵彻体的成型质量和侵彻威力都大幅度提高。     

含偏心起爆对EFP战斗部飞行特性的影响

为研究起爆不对称性对EFP战斗部飞行特性的影响, 对不同偏心量下?60 mm弧锥结合罩EFP战斗部进行飞行弹道实验。实验结果表明:偏心起爆条件下, 当相对偏心量小于3.3%时, EFP在网靶穿孔接近圆形, 弹丸飞行稳定; 起爆相对偏心量达到6.7%时, 弹丸飞行过程中摆动幅值增大, 降低了对目标的打击精度和毁伤效果。利用LS-DYNA及CFX非线性动力学有限元程序对不同起爆偏心量下成型EFP的空气动力学特性进行数值模拟, 描述了偏心起爆影响EFP成型对称性, 改变弹丸在飞行过程中流场的分布特征, 从而导致弹丸飞行过程中无规则运动的全过程。     

轴向增强战斗部端部惰性填充物对端部破片飞散特性的影响

在当前破片战斗部动态毁伤场设计中,中心盲区效应被视为影响战斗部毁伤效率提高的关键因素。轴向增强战斗部作为消除战斗部动态中心盲区的重要手段,越来越受到相关研究人员的重视。本文中基于光滑粒子流体力学计算方法,建立了一系列轴向增强战斗部（端部分别含有惰性聚氨酯填充物、尼龙填充物和爆炸填充物）在爆炸载荷作用下的破碎和碎片散布过程的数值模型,并用于研究战斗部前端填充物特性对壳体动态响应的影响。数值模拟结果表明,填充物对战斗部前部破片的速度影响显著,但对破片飞散角度影响较弱。通过比较特定碎片的速度历史曲线,分析了惰性填料对碎片速度的影响机理。研究结果表明,聚氨酯泡沫填充物可以显著延缓爆炸冲击波对前破片的加速过程,并在一定程度上降低爆炸载荷,尼龙填充物可以在一定程度上降低前向破片和侧向破片的加速度,从而表明爆炸载荷被引导均匀分布在末端位置周围。结合战斗部自身的牵连速度,使用低密度和低质量填料代替头部装药具有相同的动态毁伤效果,可以提高轴向增强战斗部的能量利用效率。     

含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用

为了研究由含能材料制备的药型罩爆炸成型过程及其对目标靶的终点效应,设计了球缺形药型罩的装药结构,放置与药型罩曲率相同的缓冲垫在药型罩和主装药之间,运用高速摄影系统拍摄含能材料药型罩的成型过程。实验结果表明,含能材料药型罩在爆炸作用下能够形成弹丸,弹丸速度2km/s左右。含能弹丸穿透20mm厚的装甲钢靶后反应加剧,形成大量的气体。侵彻过程含动能和化学反应的综合作用,穿孔有明显的烧蚀现象,穿孔口径0.5 D,最大穿深1.4 D。利用含能材料制备成药型罩可以实现炸药的直接驱动,这可为含能材料战斗部的工程应用提供参考。     

聚醚醚酮壳体战斗部爆破威力试验

为了验证聚醚醚酮（polyether ether ketone, PEEK）作为低附带毁伤战斗部壳体材料的可行性，设计了等厚度聚醚醚酮壳体和2A12铝制壳体作为爆破战斗部外壳。通过静爆威力对比试验，并结合峰值超压测试及高速摄影技术，对超压、比冲量及破片情况进行综合分析。试验结果表明，相同壳体厚度的聚醚醚酮壳体战斗部较2A12铝壳体战斗部质量减轻了一半以上，对人员超压毁伤半径几乎一致，聚醚醚酮壳体战斗部爆轰能量更多转化为冲击波能，且随着比例距离增加，比冲量高于2A12铝；聚醚醚酮壳体在爆炸载荷作用下破碎形成小破片，试验后仅回收到一枚边缘烧蚀的破片。可认为破片飞散时在爆轰产物高温高压作用下全部燃烧，聚醚醚酮壳体不产生杀伤破片，破片附带损伤小。战斗部壳体可采用聚醚醚酮材料，有效控制毁伤范围，满足城市作战中低附带毁伤效果需求。     

在椭圆横截面弹体正侵彻下有限厚铝靶的破坏模式及响应特性

基于30 mm口径弹道炮平台,开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验,获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上,建立了相应的数值模型,结合实验结果验证了所建模型的有效性,并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明:弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素,而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱;在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致,空间分布均匀,而在椭圆横截面弹体侵彻下,随着弹体横截面长短轴长度比的增大,靶体背部形成的花瓣数量增加、尺寸变小,且在短轴方向的花瓣数量和靶体表面隆起高度均大于长轴方向的;靶体在圆形横截面弹体侵彻下的径向位移、径向应力和切向应力与其在椭圆横截面弹体侵彻下的显著不同,前者沿周向方向各点的变化规律基本一致,靶体处于简单的压缩状态,切向应力为零,而后者各点的应力状态与弹体横截面长短轴长度比和周向角密切相关,靶体受到压缩和剪切应力的耦合作用。     

Experimental investigation of penetration performance of shaped charge into concrete targets

In order to develop a tandem warhead that can effectively destroy concrete targets, this paper explores the penetration performance of shaped charges with different cone angles and liner materials into concrete targets by means of experiments. The penetration process and the destruction mechanism of concrete targets by shaped charges and kinetic energy projectiles are analyzed and compared. Experimental results suggest that both kinetic energetic projectile and shaped charge are capable of destroying concrete targets, but the magnitudes of damage are different. Compared with a kinetic energy projectile, a shaped charge has more significant effect of penetration into the target, and causes very large spalling area. Hence, a shaped charge is quite suitable for first-stage charge of tandem warhead. It is also found that, with the increase of shaped charge liner cone angle, the depth of penetration decreases gradually while the hole diameter becomes larger. Penetration depth with copper liner is larger than of aluminum liner but hole diameter is relatively smaller, and the shaped charge with steel liner is between the above two cases. The shaped charge with a cone angle of 100° can form a jet projectile charge （JPC）. With JPC, a hole with optimum depth and diameter on concrete targets can be formed, which guarantees that the second-stage warhead smoothly penetrates into the hole and explodes at the optimum depth to achieve the desired level of destruction in concrete targets.     

约束状态下聚能杆流对混凝土作用的实验研究

聚能杆流是多级串联战斗部次级装药的常用聚能侵彻体.基于两种典型的聚能装药结构,设计加工了有不同直径和深度预制约束孔的C35混凝土靶板,开展了(Φ60mm亚半球和K装药在不同约束状态侵彻毁伤混凝土对比实验研究.结果表明,两种聚能杆流都可在混凝土孔约束状态下形成大且深的侵彻孔;随约束孔径增大,侵彻深度先减小而后增加;随约束...     

先进钻地弹高速侵彻实验中质量磨蚀金相分析

开展2组先进钻地缩比弹高速侵彻混凝土实验,侵彻速度在1130~1650m/s之间。针对弹体结 构特点,金相分析了侵彻后剩余弹体,发现弹体与靶接触的表面(包括弹头和壳体段)均存在明显热影响区 (Heataffectedzone,HAZ),而与靶脱离接触部分未发现明显热影响区,因而弹靶相互作用是热影响区产生的 主要原因。在弹尖部位存在少量绝热剪切带(Adiabaticshearingband,ASB),其对弹体质量损失有一定贡献, 但在实验撞击速度范围内其影响有限。ASB可能引起弹尖非对称磨蚀,进而降低弹体侵彻性能。     

侵彻钢筋混凝土过程中弹丸过载特性的实验研究

实验测试了侵彻钢筋混凝土过程中弹丸的过载情况,得到侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。通过将实验测得的加速度时程曲线按其本身的特点划分成四个部分,每个部分代表弹丸与钢筋混凝土作用的不同阶段,分析了不同阶段弹丸与钢筋混凝土相互作用的特点。实验结果表明,含筋率为2%的钢筋混凝土靶板的抗侵彻能力明显高于含筋率为1%的钢筋混凝土靶板。研究结果为理论模型的建立打下了基础,也可为相关弹药和防护工程的优化设计提供参考。     

Ti-6Al-4V弹体破坏模式对冲击反应的影响研究

Ti-6Al-4V材料是武器结构轻量化时的重要替代材料，其冲击反应将可能增加战斗部毁伤威力，但目前缺乏对其冲击反应条件及反应机理的研究。本文将采用试验与理论分析方法，研究结构破坏模式对Ti-6Al-4V材料冲击反应的影响，获得其冲击反应条件及反应机理。设计并开展了钛合金弹（头部与壳体均为钛合金）与复合弹（头部碳/碳复合材料、壳体空心钛合金圆柱）正侵彻混凝土试验，撞击速度在222~1008 m/s之间。钛合金弹激发了剧烈的氧化冲击反应，但复合弹未产生冲击反应。破坏模式宏细观分析显示，钛合金弹侵彻后宏观结构基本完整，仅表面发生摩擦磨损，以细观组织剪切变形为主要失效模式，形成尺寸在微米量级至百微米量级的颗粒碎片，碎片个数可高达3×106。复合弹的钛合金空心圆柱被撕裂成块，撕裂面沿剪切带方向发展，碎块尺寸在毫米或以上量级，个数至多百余个。碎片供氧和供热的效率均与碎片尺寸成反比，而特定供氧与供热条件下，碎片尺寸足够小是Ti-6Al-4V材料发生冲击反应的必要条件，这是钛合金弹发生冲击反应而钛合金空心圆柱无法激发冲击反应的本质原因。在具备冲击反应必要条件的前提下，碎片个数越多，冲击反应烈度越高。     

基于耗能模型的超空泡射弹水下侵彻鱼雷等效关系研究

超空泡射弹是水下防御技术的研究热点之一。水下毁伤试验费用大,成本高,陆上等效试验是一种可能的替代方案。为此需要获得水下超空泡射弹侵彻条件下目标与相关材料的等效关系。以MK48-5鱼雷为对象,构建由壳体和14个关键部件组成的典型鱼雷结构模型。考虑水介质对侵彻的影响,将水下超空泡射弹侵彻鱼雷的过程分为两个阶段（a. 射弹侵彻水介质和鱼雷壳体,b. 射弹侵彻鱼雷内部关键部件）;建立水介质耗能模型和靶板耗能模型;依据极限穿透速度等效原则和能量等效原则,分别得出两个阶段目标和等效靶之间的靶板厚度关系;为了获得射弹垂直命中鱼雷不同方向及不同工况毁伤效果,需要对纵向侵彻全雷和横向侵彻鱼雷战雷段、控制段、燃料舱和后舱雷尾4个典型舱段分别进行研究;并基于此建立了水下侵彻和不同工况条件下射弹侵彻鱼雷的多层等效靶模型。     

带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究

基于Navier-Stokes方程,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型,PISO算法及VOF方法,利用自行开发的程序对绕三维带尾翼水下自然超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟研究.通过计算结果得到超空泡从射弹头部初生至完全包裹弹身的形成过程.在此基础上,计算不同攻角条件下的超空泡形态,并给出射弹表面空泡厚度分布曲线,分析不同攻角对超空泡形态特性的影响规律,以及在零攻角条件下,分析尾翼对空泡形态的影响.另外计算不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度,将计算结果与实验数据进行对比,两者吻合较好.研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性问题提供理论基础.     

截锥形弹体在液体介质中运动速度衰减规律分析

水面舰船被动防护体系中液舱的主要功能之一是阻止高速弹体（爆炸破片）对内部重要结构、设备和人员的威胁,高速弹体打击液舱的过程包含着复杂的能量传递与耗散。为了分析弹体形状对其在液体介质中运动速度衰减的影响, 开展了一系列不同头形因数的截锥形弹体在不同入水速度下弹体垂直侵彻液体介质过程的数值模拟,得到了垂直侵彻液体介质时弹体速度衰减特性,发现高速弹体在液体介质中运动的阻力因数与弹体形状和无量纲速度有关。基于对系列数值模拟计算结果的拟合分析,提出了计及头形因数的截锥形弹体 垂直侵彻液体介质时的速度衰减经验公式,通过开展数值算例分析验证了公式计算结果的可靠性。本文中提出的经验公式可实现对高速弹体在液体介质中速度衰减的准确快速计算,为舰船防护液舱结构设计提供一定的参考。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.