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【消息】串联战斗部前级环形切割器的设计与试验

发布时间:2020-11-17 09:20:21 阅读: 来源:车床厂家

反舰导弹在作战过程中侵彻多层靶,尤其是首层板壁较厚时,过靶姿态差,且侵彻时能量消耗大,导致战斗部装填比不高,严重影响后续的侵爆作用。因此,可以考虑在导弹前端加装一段产生环形射流的切割器。李永胜等111人己对这种反舰导弹串联战斗部进行了初步分析,对其装药形态、药型罩开口角度等进行了初步探讨。易建坤等12人对线性聚能装药的起爆方式进行了研究,探讨了各种起爆方式下聚能装药中爆轰波的传播、射流的形成等问题。胡忠武等341人对药型罩材料进行了研究,探讨了纯金属药型罩(W、Cu等)及合金药型罩(W-Cu、Ta-Cu、W-Cu-Ni等)的发展动向与应用前景。何洋扬等151人对拐角型线性聚能装药侵彻钢板进行数值模拟与,其前端的环形切割器设计满足:(1)切割器开口直径(2)药型罩开口直径>60mm;(3)切割器高度<200mm;(4)对靶板的切割效果尽可能规则。

反舰导弹串联战斗部设计1.2数值模型假设:(1)炸药、药型罩、防护板、空气和钢靶为均匀连续介质;(2)整个射流的形成和切割侵彻过程为绝热过程;(3)忽略重力的作用;(4)钢靶的初始应力设为0不考虑钢靶的侧边效应,忽略靶板整体运动和外界的干扰。

及其侵彻过程进行数值模拟,根据对称原则,为简化计算采用1/4模型,如所示,模型由炸药、药型罩、壳体、空气和钢板5部分组成。其中,炸药、药型罩、壳体和空气4种材料采用Euler网格建模,钢板米用Lagrange网格建模,米用流固尤合算法,环形射流形成及侵彻过程用单点高斯积分和沙漏控制。

环形切割器数学模型炸药的材料模型为HIGH-EXPLOSIVE-BURN,状态方程用WL来描述。金属药型罩采用STEINBERG模型11(M11,状态方程为GRUNEISEN方程。防护板采用STEINBERG模型,状态方程为GRUNEIS-EN方程。空气采用无偏应力流体动力模型(NULL),对应的状态方程为GRUNEISEN方程。靶板采用随动塑性模型(PLASTIC-K顶EMATIC)。

2数值计算结果置适当的边界条件消除模型中的端部效应。

2.1药型罩的优化设计2.1.1药型罩材料的选择通常用作线性装药药型罩的材料主要有铜、钨、铁纯金属药型罩以及一定比例配方的铜钨合金药型罩。药型罩相关参数如表1所示。

表1药型罩材料的计算参数药型罩材料铜钨铁在相同仿真条件下,得出各种药型罩材料形成的环形射流对靶板的切割效果如表2所示。

表2环形射流对靶板的作用效果药型罩成形触靶穿透成形触靶穿透铜钨铁由计算结果可以看出,铜、钨药型罩形成的射流动能较大,能够轻松地穿透靶板,且贯穿时间较短,尤其是铜质药型罩射流的成形与穿靶的效果更为理想;而铁药型罩虽然能够贯穿靶板,但贯穿时间较长,射流在切割过程中边侵彻边堆积,在靶板的底部有明显的射流堆积区,射流穿靶后没有完整的残余射流;虽然铜钨复合药型罩形成的环形射流能够穿透80mm的靶板,但射流成形效果不好,射流刀断裂现象严重,影响整体射流的切割动能,造成切割时间过长,大于单质药型罩的切割时间,不利于引战系统的设计;另外剩余速度偏低,尤其是铜钨60/40,由于切割过程中射流刀过早产生断裂,造成切割动能不足,没有相对完整的剩余射流。

因此,采用延展性更好的铜作为环形切割器药型罩材料。

2.1.2药型罩开口角度的优选根据设计要求并结合实际加工的可行性,环形切割器药型罩开口角度取45°、60°、75°和90°,4种药型罩开口角度下环形切割器对靶板的切割效果如1以922钢板为靶板材料,丨厚度为拄通过设趾图示遍罩的开口角度为:45或60时爆轰波对药型罩的压合角度小,射流细长且相对质量较小,头部速度高,射流对靶板的冲量主要用于穿深,小部分用于靶板的扩孔;当药型罩的开口角度为75或90时,爆轰波对药型罩的压合角度大,射流短粗且相对质量大,头部速度较低,射流对靶板的冲量一部分用于穿深,一部分用于靶板扩孔。

不同药型罩开口角度下靶板切割后的效果当药型罩开口角度为45时,虽然射流头部速度很高(最大速度6150m/s,射流头部平均速度约为5750m/s)但根据模拟后的靶板效果可以看出,射流并未穿透10cm的靶板,说明射流的整体冲量不足。

当开口角度为75和90时,根据前面的分析,形成的射流速度相对较低,整体较粗,虽然能够穿透靶板,但切割孔径过大,对切割整体效果不利;且在靶板的底部有较明显的射流堆积区,说明切割效果不甚突出。

通过对4种药型罩开口角度下侵彻靶板效果的模拟可以看出,60条件下射流头部速度高,切割口径窄,对靶板的侵彻深度大,相对冲量高。通过模拟可以看出,靶板是在射流的直接作用下被贯穿,没有出现明显的射流堆积区,说明切割效果比较突出。

2.2起爆控制的优化在保证环形射流成形质量的前提下,为了实现最有效的起爆控制技术,以理想的切割器顶端周向同时起爆为依据,探讨切割器顶端2点、4点、8点起爆后环形射流对靶板的切割效果,结果见表3.由表3可以看出,随着起爆点数量的加,射流整体穿靶时间被大大缩短;另外采用更多点起爆,尤其是周向同时起爆时,爆轰波成形性能好,环形匀,对靶板的切割效果突出。

表3环形射流穿靶情况Table周向同时注:为起爆点数量;为穿靶时间;T为射流平均速度;Av为剩余速度因此,在相同初始条件下,采用周向同时起爆方式更利于环形切割器切割钢板。当然,由于周向同时起爆技术较为复杂,采用8点起爆也能够较好地满足快速切割靶板的目的。

2.3炸高的选择当药型罩开口角度为60采用8点起爆通过设定不同的炸高,观察环形射流对80mm靶板的切割效果,结果如表4所示。

表4炸高对切割效果的影响炸高/mm由表4可知,当炸高大于120mm时环形切割器不能有效穿透靶板;当炸高为40、60、100mm时虽能有效切割靶板,但穿靶时间较长,且剩余速度偏低;因此此最终确定最佳炸高为80mm.通过上述分析可以确定环形切割器设计的基本参数如下:药型罩为紫铜,开口角度60采用切割器顶端对称8点起爆,最佳炸高80mm. 3切割试验3.1试验装置药型罩采用紫铜切削加工而成,开口角度为60切割器壳体为Q235A钢,壳体分为内环、外环两部分,加工后装配成形,主装药采用注装梯黑(TNT40%、RDX60%)装药,密度为1.68g/cm3,药量约为14kg,由8号电雷管作为中心药柱引爆8根导爆索,导爆索可靠地传递爆轰并同时引爆位于切割器顶端的8个起爆药射流平均速度和剩余速度相对较高周向速度均柱从而实现对环形切割器的8点起爆试验目标靶分别为厚40和80mm、1.2mX1.0m的922钢板。试验布置见。

试验布置示意。2结果与分析靶板厚度取40mm,靶板切割后整体发生翻转,环形射流在靶板上切割形成一个孔,入口孔径390mm,出口孔径390mm切割下的圆盘直径深入地面形成1.2mX1.5m的深坑。切割下的圆盘中央有一个十分规则的穿孔,通过初步分析,该穿孔可能为环形切割器内侧壁面金属在爆轰波作用下挤压成的单束聚能射流。钢板被切割下的圆盘靶板厚度取80mm,即有两块40mm靶板重叠在一起,结果见。此时两层靶板均被穿透,形成入口380mm的孔,靶板背面形成0.6mX深坑,切割下的两个圆盘深入地面1.5m.靶板切割孔烧蚀情况较为一致,且中间有一圈明显的银色环形带,说明环形射流成形效果较好;第二层靶板底端有一定厚度的紫铜残留,说明在切割末段射流有一定的堆积效应;切割下的两个圆盘正中央均有规则的单束射流穿孔。

靶板厚度取40mm,环形切割器与靶板成30用木凳支撑靶板,底端用角钢进行固定,环形切割器低端炸高为40mm.在这一着角度条件下环形射流刀仍能穿透靶板,形成长轴420mm、短轴380mm接近椭圆形的圆孔,靶场布置及切割毁伤效果如所示。

为了初步检验数值模拟的准确性,利用靶场试验采集相应的数据,二者的对比如表5所示。可见,环形切割器布置与钢靶切割后效表5数值模拟与试验结果的对比方法数值模拟试验注:,为触靶时间;2为穿靶时间;D为切割孔径。

4结论(1)采用数值模拟方法对环形切割器的药型数值模拟与靶场试验厉的致知血油罩起爆控制炸高等方案进行了了优化设计通过与靶场试验结果的对比,初步验证了模拟的准确性。

(2)数值模拟和试验结果表明,设计的环形切割器对922钢靶的切割毁伤效果明显,可以作为串联战斗部的第一级实现对大型舰船等目标首层厚结构靶的有效毁伤,且切割下的圆盘仍然具有较大的动能。

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