铝粉含量对杀爆战斗部威力影响的数值模拟研究

战斗部是导弹、火箭弹、鱼雷等发射到目标上的有效载荷,其实质是弹药实现终点效应或是完成对目标毁伤的部分。杀爆战斗部为现役装备中最常见、应用最广泛的一类战斗部,其特点是应用爆炸方法产生高速毁伤元素,如破片,冲击波等对目标进行毁伤,对空中、地面活动的低防护力目标及有生力量具有良好的毁伤效果[1]。杀爆战斗部作用于目标的过程,是内部炸药爆轰产生的能量与爆轰产物作用于壳体,使壳体碎裂产生多种毁伤元对目标进行破坏的过程。炸药的性能,直接影响到杀爆战斗部的威力,铝粉作为一种金属可燃剂被广泛的应用于炸药之中,其含量的不同对炸药的性能影响较大,因此研究铝粉含量对杀爆战斗部威力的影响具有重要意义。

对于杀爆战斗部威力的研究,国内外已经取得了一定的研究成果。Hu等[2]建立了圆柱形战斗部破片速度分布的理论计算模型,研究了战斗部不同长径比对破片初速的影响;肖师云等[3]提出评价含铝炸药爆炸威力的2种方法,分别考虑等装药体积和装药质量来对炸药的威力进行评估,表明在铝粉含量0%～25%范围内,铝粉含量增加能够使冲击波超压作用距离和比冲量均增大。张奇等[4]采用LS-DYNA研究了战斗部壳体厚度对冲击波传播特性的影响规律,战斗部壳体厚度变大,冲击波衰减指数越大,冲击波峰值压力越小,壳体飞散速度最大值越小。Gold等[5]设计了一种多区域PAFRAG模型来计算战斗部壳体破碎时破片的速度和形状,对大长径比战斗部具有良好的计算稳定性和精确性。Li等[6]对不同装药结构下的圆柱壳体的破片速度分布进行了研究。在分段装药结构下,壳体破碎化呈现明显的分段特征,接触炸药侧的壳体产生的破片场以近似圆形的形状均匀分布,非接触侧的壳体产生的破片场则以低速的大破片组成;史志鑫等[7]研究了起爆方式对预制破片飞散性能的影响,采用中心起爆方式,破片飞散速度低,但飞散角大;采用两端面起爆,破片飞散速度快,飞散角小;Dhote等[8]研究了不同层数钨合金破片在破片飞散过程中带来的影响,并用一维冲击理论去解释破片在此过程中的变形与飞散。Kato等[9]研究了炸药性能对战斗部带来的影响,当爆轰波阵面形状和爆轰压力改善时,战斗部性能有所上升;Elsharkawy等[10]对3种不同主体炸药的PBX炸药的性能进行了研究,结果表明:采用HMX为主体炸药时的破片杀伤区高于以RDX和PETN为主体炸药的破片杀伤区。以上研究可以看到国内外学者对杀爆战斗部威力的多种影响因素进行了研究,但对铝粉含量这一因素研究较少,因此文中将从冲击波威力和破片威力两方面分析铝粉含量对杀爆战斗部威力的影响。

1 数值模型的建立

1.1 杀爆战斗部简化模型

自然破片杀爆战斗部的简化和缩比模型参照某型杀爆战斗部建立,其结构由壳体和内部装药组成,在建立缩比简化模型时,为了使缩比模型的数值模拟计算结果能够对实际模型进行预测分析,以杀爆战斗部缩比模型的装填炸药系数αe与实际模型相一致为原则,建立缩比战斗部模型。

式(1)中:mc为战斗部的炸药装药质量;mw为战斗部质量[11]。战斗部各部分尺寸比例不变,对实际模型按照缩比因子1∶4进行缩小,对缩比后的模型的壳体厚度进行适当调整,使得缩比模型的装填炸药系数与实际模型相一致。最终得到的缩比杀爆战斗部模型尺寸为轴向长度208 mm,头部直径30 mm,尾部直径90 mm,壳体厚度为6 mm,利用Unigraphics NX建立自然破片杀爆战斗部的缩比简化模型,为了减少计算所需时间,建立1/4模型,模型如图1所示。

将模型文件导入ICEM CFD中,将壳体和炸药部分划分成六面体网格,网格划分完成后,壳体部分共有53 846个六面体单元,炸药部分共有38 390个六面体单元,将划分完成后的杀爆战斗部缩比模型导入AUTODYN中,如图2所示。

在AUTODYN中建立空气域模型,空气域为立方体,长230 mm,宽60 mm,高60 mm,利用AUTODYN自带工具对其进行六面体网格划分,网格单数量为264 600,建立好整体计算模型如图3所示。

在对称面上设置对称边界,除对称面以外的4个面上设置Flow out(Euler)边界条件。由于炸药与空气采用欧拉算法,壳体为拉格朗日算法,为了使炸药爆轰产生的能量能够顺利作用至壳体中,在接触设置中选择Euler/Lagrange施加流固耦合。

1.2 材料模型及参数

壳体材料为30CrMnSi,选择Johnson-Cook强度模型,Shock状态方程描述,壳体材料的主要参数如表1所示。

表1中: ρ为密度; K为材料体积模量; G为剪切模量; δs为屈服应力; S为硬化常数。采用Stochastic应力破坏模型[12]来描述壳体破碎产生自然破片的过程,并通过Mott分布来描述自然破片产生时的质量和大小。

式(2)中: p为破坏概率;ε为应变;c、γ为依据材料性质确定的常数,计算中c=0.046 7、γ=10[13]。

炸药选用RDX基含铝炸药作为战斗部装药,爆轰产物状态方程采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)方程描述:

式(3)中: P为爆轰压力;V为相对比容;E0为初始体积内能;A、B、R1、R2、ω为经验导出常数。文中所用炸药的JWL状态方程参数选用文献[14]中RDX基含铝炸药的相关数据。炸药的配方组成及状态方程见表2。

空气采用理想气体状态方程描述,参数取自AUTODYN自带的材料数据库,空气初始密度取1.225 kg/m3;绝热指数取1.4;空气的初始比内能取2.068×105 J/kg。

2 数值计算结果与分析

2.1 铝粉含量对破片威力的影响

利用AUTODYN软件对建立好的整体模型进行模拟计算,杀爆战斗部在由尾部起爆后,不同时刻下壳体的膨胀及破片形成过程如图4所示。

由图4可以看出,杀爆战斗部在破片形成过程中,存在明显的壳体膨胀阶段,炸药从尾部起爆25 μs后,爆轰波从尾部向头部传播,壳体的膨胀过程也由尾部向头部进行;35 μs时,杀爆战斗部尾部壳体由于进一步膨胀出现裂隙,壳体开始碎裂,战斗部头部逐渐开始膨胀;45 μs时尾部壳体碎裂完成,头部壳体开始碎裂;55 μs时,战斗部整体完全破碎,破片基本形成。

模拟计算完成后导出AUTODYN中的Fragment analysis文件,该文件中包含壳体破碎后破片的空间位置、速度、质量等信息。当破片速度不在增加时的速度为破片初速,统计不同轴向位置处的破片初速,如图5所示。

通过图5可以得到,破片初速沿轴向的分布呈现出先增高后减小的趋势,由于端部效应[15]的存在,战斗部端部附近的炸药一部分用于加速侧面壳体的运动,一部分用于抵消稀疏波效应,因此在端部附近的有效装药量要小于实际装药量,导致端部附近的破片速度明显下降,因此战斗部中部壳体产生的破片速度要高于两端。同时还可以看到,含有铝粉的炸药爆轰驱动杀爆战斗部壳体产生的破片在弹轴各处的速度均高于不含铝粉的。随着铝粉含量从10%增加至20%,破片初速进一步上升,当铝粉含量从20%增加至30%时破片初速有所下降,但仍高于不含铝粉的炸药。

为了进一步研究铝粉含量对破片威力带来的影响。对Fragment analysis文件中的破片数据进行处理,利用破片质量与破片速度计算得到破片动能,参照对人员目标易损性预测中的动能准则[11],统计动能大于78 J的破片为有效破片。计算得到的破片的平均速度、破片数量及有效破片数量比例如表3所示。

由表3可以得到,当炸药中的铝粉含量由0%增加至10%时,破片的平均速度增加了16.23%,破片数量增加13.61%;铝粉含量由10%升至20%时,破片平均速度增加了4.12%,破片数量增加11.05%;铝粉含量由20%升至30%时,破片平均速度下降13.95%,破片数量下降19.13%。

可以看到,在铝粉含量0%～30%范围内,随着铝粉含量的增加,破片平均速度、破片数量及有效破片比例均是先增大后减小的趋势。其原因在于铝粉作为一种金属燃烧剂,其二次反应释放的能量参与爆轰产物膨胀作功,相比于无铝粉的炸药,炸药的作功能力得到了很大的提升。但炸药中铝粉含量存在某一临界值,当铝粉含量低于这一临界值时,铝粉含量的增加能够提高炸药的作功能力,进而提高炸药的金属加速能力,当铝粉含量超过这一临界值时,炸药的负氧更为严重,铝粉与爆轰产物的二次反应产物中固体物增加,比容下降,铝粉也不能完全参与二次反应,进而导致炸药的作功能力下降。对于文中所模拟的该型杀爆战斗部,当铝粉含量为20%时,破片平均速度、破片数量、有效破片比例达到最大值。

2.2 铝粉含量对破片威力的影响

杀爆战斗部爆炸后不仅产生大量高速破片,同时爆轰产物在极短的时间内膨胀,推动周围介质形成压缩层,产生冲击波,冲击波作为杀爆战斗部的毁伤元之一,铝粉含量对其带来的影响值得研究。冲击波超压的计算模型如图6所示。

由于计算冲击波威力场需要建立较大的空气域,考虑到计算效率问题,将前文中的杀爆战斗部缩比简化模型导入LS-DYNA软件中,建立更大范围的空气域。在据爆心0.7、1.0、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5 m处设置7个观测点来记录冲击波威力参数。战斗部由底部起爆后,模拟计算得到冲击波压力分布云图如图7所示。

通过图7可以看到,战斗部由尾部起爆后,爆轰波逐渐向头部传播,在50 μs时,爆轰波到达头部,此时压力最大位置也在头部;60 μs时,由于爆轰波在端盖处形成了一定程度的反射,在战斗部中部位置出现了汇聚叠加现象,使得此时战斗部中部压力最高;70 μs时,随着壳体的破碎,爆轰波在空气中形成冲击波,并向四周开始传播;由于爆轰波在战斗部中部位置出现了叠加现象,使得在220 μs和360 μs时中部位置的冲击波强度高于其他位置。

对不同观测点处收集到的冲击波参数数据进行处理,统计距离杀爆战斗部爆心距离0.7、1.0、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5 m处的冲击波超压、正压作用时间、比冲量如图8—图10所示。

通过图8可以看出,对于不同铝粉含量的炸药,随着冲击波向外传播,冲击波超压呈现出减少趋势。铝粉含量从0%升至10%时,0.7 m测点处冲击波超压增大13.45%,铝粉含量从10%升至20%时,0.7 m测点处的冲击波超压增大9.04%,铝粉含量从20%增加至30%,使0.7 m测点处的冲击波超压降低了22.55%。这与破片威力参数得到的规律相似。同时,在0.7 m测点处,铝粉含量为30%的冲击波超压小于不含铝粉的炸药,但在后续的观测点处,铝粉含量为30%的冲击波超压要大于不含铝粉的炸药,可见,铝粉的加入能够减缓冲击波超压的衰减过程,使温度和压力能够维持较长时间,其超压-距离曲线衰减速度小于不含铝炸药。

由图9和图10可以看出,正压作用时间随着距离的增加而增加,而比冲量则是随着距离的增加而减小。对于同一位置处的正压作用时间与比冲量,随着铝粉含量的增加,均是呈现出先增大后减小的趋势,并在铝粉含量为20%时取得最大值,这与冲击波超压的规律类似,这表明铝粉二次反应释放的能量维持了爆轰产物的高温高压状态,减缓了其衰减过程,增大了正压作用时间,且由于铝粉含量的提高,增大了总作功能力,冲量也随之增大,当铝粉含量超过某一临界值时,铝粉得不到充分的反应,反而使炸药的作功能力出现下降。

3 结论

利用数值模拟软件,对铝粉含量为0%～30%的RDX基炸药为杀爆战斗部装药的战斗部的爆炸过程进行模拟,研究铝粉含量对其冲击波威力与破片威力的影响。

1) 对于破片威力而言,炸药中铝粉含量的增加,使破片平均速度、破片数量、有效破片比例等破片威力参数呈现出先增加后减小的趋势,在铝粉含量为20%时达到最大值。

2) 对于冲击波威力而言,炸药中铝粉含量的增加,使冲击波超压、正压作用时间、比冲量等冲击波威力参数在同一测量位置处呈现出先增大后减小的趋势,在铝粉含量为20%时达到最大值。

铝粉含量对杀爆战斗部威力的影响存在一个临界值,当铝粉含量小于这一临界值,铝粉含量的增加能够增大战斗部的威力,但当铝粉含量超过这一临界值,铝粉含量的增加反而降低了战斗部的威力。综合冲击波威力及破片威力,使该型杀爆战斗部威力最大化的铝粉加入比例为20%。

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