非金属壳体低附带战斗部实验与破片飞散分析

为了研究低附带战斗部的非金属破片飞散特性,结合某低附带杀伤战斗部静爆威力实验,对战斗部爆炸产生的非金属破片初速以及速度衰减情况进行了分析。基于能量守恒得到了包含壳体结构和材料强度因素的破片初速公式;基于破片在空气中飞行运动情况的分析,通过对球形破片阻力公式和等效面积进行修正,得到了非金属自然破片的速度衰减规律。所得结果较好地解释了战斗部静爆实验中的破片终点效应情况,亦可为该类战斗部破片毁伤效应评估提供一种分析方法。     

杀爆战斗部冲击波超压与破片初速度计算分析

当用Gumey方程计算爆破战斗部破片初速度时，通常仅考虑单纯的球形战斗部或单纯圆柱形战斗部，而这里假设爆轰是瞬时的、均匀膨胀的爆轰产物在壳体内均匀分布，等壁厚壳体在爆轰产物作用下形成的所有破片具有相同初速度等条件下，放松对圆柱壳体在爆炸膨胀过程中轴向不伸长的限制，如图1所示，利用能量守恒等原理推导了“半球壳 圆柱壳 平底板”     

球形钨合金破片空气阻力系数实验研究

 实验研究了理想球形钨合金破片和经历爆轰驱动的球形钨合金破片长距离飞行时的速度衰减规律。实验结果表明：（1）对于理想球形钨合金破片,在同一初始速度条件下,衰减系数为常数,空气阻力系数与初始速度有关,两者成线性关系;（2）对于经历爆轰驱动的球形钨合金破片,由于有轻微的质量损失和变形,速度衰减规律与理想球形钨合金破片有明显的区别,空气阻力系数与飞行速度有关,两者成线性关系。     

双破片同时撞击对B炸药冲击起爆的数值模拟研究

 采用Lee-Tarver点火增长模型对单钨珠撞击带壳B炸药的过程进行了计算,所得到的不同尺寸钨珠引爆炸药的阈值速度与实验结果吻合良好。数值模拟了双钨珠同时撞击带壳B炸药的过程,计算了破片引爆炸药的阈值速度,分析了炸药的点火增长过程。结果表明：双破片同时撞击炸药时,引爆阈值速度随着破片间距的增大呈抛物线规律增大;当破片间距较大且撞击速度略高于阈值速度、双破片同时撞击时,炸药内部爆轰波的初始形态随破片速度而变化。     

椭圆截面战斗部爆炸驱动破片作用过程的数值模拟

为研究爆轰驱动下椭圆截面自然破片杀伤战斗部壳体的膨胀破裂过程以及壳体破片径向速度分布,建立了椭圆截面战斗部三维模型。通过AUTODYN-3D软件,采用Lagrange算法模拟爆轰驱动下椭圆截面自然破片战斗部壳体的膨胀断裂过程,研究了端面单点中心起爆方式下短长轴断裂时间差与短长轴比的关系,以及不同起爆点、不同短长轴比和不同装填比(即装药与壳体质量之比)对椭圆截面战斗部径向破片速度分布的影响。结果表明:与端面中心单点起爆、端面长轴双点偏心起爆和端面短长轴四点偏心起爆相比,端面短轴双点偏心起爆方式对椭圆截面战斗部壳体破片径向速度的增益效果最好。装填比一定时,短、长轴断裂时间以及短、长轴断裂时间差与短长轴比呈线性关系,战斗部壳体膨胀过程中截面形状的实时短长轴比与加载时间呈线性关系;随着短长轴比的增大,战斗部壳体破片径向速度增益逐渐减小。短长轴比一定,装填比小于1时,破片速度随方位角增大呈正弦趋势上升,且短、长轴方向破片速度差与装填比呈线性关系。     

弹体材料性能对破片形成的影响

为了获得弹体材料性能对破片形成的影响规律,应用破片战斗部设计软件,数值计算了82钢、50SiMnVB钢、40CrMnSiB钢及30CrMnSiNi2A钢等4种材料形成破片的情况,得到了4种材料形成的破片的飞散角、初速及质量分布的变化规律,并进行了破片质量分布的实验研究。结果表明,不同合金钢材料对形成的破片飞散角与初速的影响不大,且沿弹体轴向方向的变化规律相同,其中破片飞散角沿弹轴方向先减小后增大,破片的最大初速出现在距起爆点约72.5%圆筒长度处;但是对破片质量分布情况的影响较大,随着材料极限抗拉强度的增加和断裂韧性的降低,弹体破碎程度升高,总破片数增加了39.3%。     

高压气体载荷下预制破片与空气冲击波的运动关系

冲击波与破片的运动关系直接决定两者对目标的联合毁伤效果,采用有限体积方法和网格自适应技术,对高温高压气体载荷作用下圆形刚体破片的运动规律、冲击波的衰减规律以及两者的运动关系进行了数值模拟研究。结果表明,高温高压气团形成的冲击波与破片作用发生反射和透射,在破片前后形成的压力差是导致其加速的主要原因。在破片数量一定的情况下,破片距离高温高压气团中心越远,初速越小。当破片与高温高压气团中心的间距相同时,破片数量越多,初速越大。同时研究发现,冲击波与刚体球存在复杂的追逐关系:当初速较大时,破片和冲击波相遇两次;初速减小时,二者相遇一次;初速进一步减小时,二者不能相遇。冲击波与刚体球破片的前后关系将会影响它们对目标的毁伤是否存在耦合关系。     

起爆方式对非圆截面装药结构释能特性的影响

为了研究不同起爆方式下非圆截面装药结构的释能规律,采用AUTODYN软件开展了非圆截面装药结构在不同起爆方式下的释能特性数值模拟,分析了起爆方式对爆轰波形演变、破片质量、破片初速的影响。结果表明：由于装药结构的特殊性,采用端部单点起爆时装药能量分布不均匀,部分区域产生大量的无效小质量破片,且不同位置处的破片初速波动较大;采用端部两点和端部三点起爆时,能够对爆轰能量起到匀化效果,减少无效破片数量,提升破片初速的一致性。由此证明通过调整起爆方式可以对非圆截面装药结构的能量输出结构进行有效调控,对其周向能量场起到匀化效果。     

破片式战斗部空中爆炸下冲击波与破片的耦合作用

为探讨破片式战斗部空中爆炸下冲击波与破片的耦合作用机制,通过分析冲击波和破片在空气中的运动规律,在考虑壳体对冲击波强度的影响下,建立了冲击波与破片耦合作用区间的理论计算模型,并采用相关文献试验结果进行了对比。在此基础上,结合实例讨论了耦合作用区间随各影响因素的变化规律。结果表明,战斗部装填系数、装药爆速、壳体厚度以及能量分配对耦合作用区间的影响较大,而装药爆热、破片质量及破片形状对耦合作用区间的影响较小;随着装填系数、装药爆热和爆速、破片质量及冲击波能量与破片动能的比值的增大,耦合作用区间均减小;而随着壳体厚度和破片形状不规则度的提高,耦合作用区间增大。     

基于数值计算结果的破片战斗部威力仿真方法

建立了包含数值方法和分析方法的威力仿真方法。考虑数值计算的规模和复杂度，采用爆轰计算获得初始时刻破片场，利用分析方法描述破片飞散和破片作用目标的过程。采用该威力仿真方法，实现了对破片场形成、破片飞散、破片作用目标的全过程描述。数值计算采用LS-DYNA软件，为了获得战斗部初始时刻破片场，开发了接121处理程序。利用分析方法，建立了破片飞散和破片毁伤性能评估模型，飞散模型中考虑空气阻力等因素的影响，破片毁伤性能评估模型中采用THOR方程预估破片剩余速度、剩余质量和最大穿透厚度，从而获得破片弹道、破片威力参数和破片对靶板的毁伤效果。通过对虚拟靶板上命中破片进行统计，计算出破片命中靶板密度分布和破片飞散角分：布，完成破片战斗部威力仿真试验。在威力仿真方法的基础上，建立了系统仿真模型（图1）。采用面向对象的Visual Studio．NET编程语言，实现威力仿真软件的编码。     

弯管内连续旋转爆轰波传播模式实验研究

为研究圆环内爆轰波传播模式的特点,实验在螺旋型的管道内得到了不同初始压力下(p0=4~15 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体的爆轰性能。采用烟膜片记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面。结果表明:随着初始压力的降低,实验依次得到稳定传播模式、临界传播模式、不稳定传播模式。临界传播模式具有强烈的速度震荡,烟膜板中内壁面附近周期性的出现过驱爆轰的胞格结构。当初始压力接近极限时,圆环内出现驰振爆轰波,驰振爆轰的再生过程是由于压缩效应不断累积而引起的局部爆炸。     

空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

扇形复合装药驱动破片定向飞散的数值模拟

利用LS-DYNA软件对扇形单一装药和复合装药驱动破片的作用过程进行了数值模拟,得到预制破片的初速及分布规律,并对不同起爆方式和复合装药参数的扇形装药结构破片驱动特性进行了计算分析。结果表明:数值模拟计算值与试验结果吻合较好,相对于单一装药结构,复合装药能使破片飞散更为集中,且破片的总动能提高了12%以上;通过改变起爆方式和复合装药参数,破片的综合毁伤效能可进一步增强。     

来流温度影响驻定爆轰波结构和性能的数值研究

 采用数值模拟的方法研究了超音速来流撞击圆锥体诱导的驻定爆轰波的结构和性能,讨论了不同初始来流温度下,爆轰波结构和波后压力的变化。结果表明,随着来流初始温度的降低,爆轰波的增压比逐渐增加,有利于提高驻定爆轰发动机的推进性能。当初始温度较高时,爆轰波阵面呈现光滑平直的形态,而初始温度较低时,爆轰波呈现出明显的三波点结构,且温度越低,三波点数量越多排列越紧密,这些具有较高压力的三波点对爆轰波波后压力的变化起到了重要作用。     

激光作用铝靶爆轰波流场观测与理论分析

进行了强激光作用铝靶实验,采用纹影照相法,观察爆轰波流场演化过程,分析了爆轰波衰减规律。根据冲击波运动的自相似性,采用点爆炸模型描述了激光作用下爆轰波流场的演化,计算了波阵面速度、压力和温度。结果显示：爆轰波阵面沿迎着激光光源方向较快传播,波阵面形状由最初的半椭球形逐渐向半球形转变,在演化过程中扰动区结构复杂,存在多个密度间断层。在爆轰波开始传播阶段,波阵面的压力和温度较高但下降很快。     

激光作用铝靶爆轰波流场观测与理论分析

进行了强激光作用铝靶实验,采用纹影照相法,观察爆轰波流场演化过程,分析了爆轰波衰减规律。根据冲击波运动的自相似性,采用点爆炸模型描述了激光作用下爆轰波流场的演化,计算了波阵面速度、压力和温度。结果显示:爆轰波阵面沿迎着激光光源方向较快传播,波阵面形状由最初的半椭球形逐渐向半球形转变,在演化过程中扰动区结构复杂,存在多个密度间断层。在爆轰波开始传播阶段,波阵面的压力和温度较高但下降很快。     

序贯起爆参数对定向战斗部毁伤效能的影响

为提高定向战斗部的毁伤效能,明确序贯起爆参数对定向战斗部毁伤效能的影响,运用LS-DYNA有限元程序,采用破片速度差累加和飞散角累加的方法,研究了不同序贯起爆参数下破片初始威力参数,利用毁伤概率法,计算了不同序贯起爆参数下战斗部对地面军用车辆的毁伤效能。结果表明:起爆线个数和起爆线夹角主要影响破片速度大小,起爆延时时间主要影响破片速度大小和飞散角正负占比。相对于偏心一线和三线序贯起爆,偏心两线序贯起爆在落高为7～9 m时有7.5～25.0 m²的毁伤面积。当起爆线夹角由30°增大到120°,落高为4～8 m时,战斗部对地面军用车辆的毁伤面积降低3.9%～60.3%。序贯起爆的延时时间由零增加到0.75倍的相邻起爆点间爆轰波传播时间,落高为4～8 m时,战斗部的毁伤面积增加8.4%～87.2%。当起爆方式采用偏心两线序贯起爆,起爆线夹角取30°～60°,延时时间取0.50～0.75倍的相邻起爆点间爆轰波传播时间时,破片战斗部对地面军用车辆目标具有较好的毁伤效能。     

聚焦式战斗部破片轴向飞散控制技术

为研究聚焦式战斗部在炸药驱动下破片的轴向飞散特性,提高其轴向杀伤威力,以Shapiro公式为理论指导,对聚焦式战斗部壳体母线进行设计,并对战斗部装药结构进行优化改进。利用LS-DYNA有限元程序及ALE算法对战斗部的爆炸过程进行模拟,以破片轴向分布为指标,对装药结构、壳体母线曲率与破片飞散特性的关系进行了分析。结果表明,"工"字形圆台装药和壳体母线曲率能够有效控制战斗部破片的轴向飞散,并得到了圆台的合理高度。此结果对于深入开展战斗部的破片飞散方向控制及应用研究提供了重要参考。     

2H_2+O_2+3Ar预混气螺旋爆轰内部结构的实验探索

为研究分析内部胞格结构特点及壁面三波点轨迹向内部延伸模式,通过设计的爆轰实验管道(内径63.5 mm)来记录2H_2+O_2+3Ar的爆轰径向波和周向波。首先,给出侧壁烟膜及对应端面烟熏玻璃记录.由单头螺旋结果可知螺旋结构一般不是固定的,远离壁面处结构发生改变,径向波和周向波之间的相互作用可能导致不同的内部结构。然后,测量了横波与管轴的夹角,随螺旋头数增大而减小,最终趋向于一个较小值(31°),与声学模式计算夹角一致,以明确爆轰波符合物理波的传播特性。并给出了壁面轨迹向内部延伸的描绘。初始压力足够大时(13.82 kPa),爆轰内部结构趋于规律,在端面形成了规则的近圆形胞格结构。最后计算了端面胞格尺寸,其发展规律与壁面横波间距尺寸一致。     

涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响.实验结果表明:在当量比较低时,爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作;逐渐增大当量比,爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作;继续增大当量比,爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作,且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高.爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用,涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用,但对压力振荡频率的影响较小.随着当量比的增大,涡轮导向器上下游的静压均同时增大,经过涡轮导向器的作用,涡轮下游静压明显降低.