0 引言
串联破甲战斗部一般由2级装药通过串联组合而成,利用多级装药先后爆炸的方式对付爆炸反应装甲,提升战斗部的破甲能力。在攻击目标时,前级装药先行攻击,引诱主装甲外披的爆炸反应装甲爆炸,待爆炸反应装甲消耗完毕后,后级主装药爆炸,以攻击其主装甲。
串联战斗部工作时,前级装药爆炸产生的爆轰产物和冲击波容易改变后级装药的状态,降低其破甲能力,甚至可能造成后级装药变形,毁伤乃至殉爆[1]。因此,防止前级装药爆炸破坏后级装药十分重要。通常有以下几种方法保护后级装药:一是利用导弹已有零件兼做隔爆件,在现代导弹设计中,很少有这种部件可供使用;二是设置空气间隙来保护,该方案所需空间大,很难应用;三是利用金属块等隔爆体来减弱爆轰波对后级战斗部的影响,这是目前比较常用的方法[2]。
目前国内外学者对串联战斗部隔爆体进行了大量的研究和设计工作,但这些研究多是聚焦工程应用问题给出具体解决方案,在结构设计、材料选型、性能优化方法等方面缺乏较系统的总结和归纳。武器装备的迅猛发展对战斗部的结构尺寸、质量、毁伤威力和实战能力提出了更高的要求,设计轻质和高效的隔爆系统对于实现串联战斗部前后级装药稳定匹配工作和战斗部整体性能提升有着重要意义。本文中从结构设计、材料选型与性能优化方法研究方面对串联战斗部级间隔爆体的发展现状进行综述,并结合目前研究对隔爆体的发展趋势进行展望。
1 隔爆体结构设计研究进展
早期隔爆体缺少优化设计,消极质量较大,同时尺寸偏厚会影响后级射流穿透效果。王珞冰[3]对图1中几种简单隔爆体进行了仿真分析,结果表明内凹形隔爆体衰减爆轰波的能力最强。
图1 简单隔爆体形状
Fig.1 Simple explosion-proof shape
随着优化研究的发展,出现了V型隔爆体(图2)。其中前凸形结构隔爆性能最好,该结构可将爆轰产物向四周分流引导,使爆轰产物流向战斗部外侧,具有更好的力学结构,能够承受更大的冲击波压力,还可为后级射流留出足够的炸高[4]。
图2 V型隔爆体
Fig.2 V-type explosion-proof body
V型隔爆体的缺点是隔爆体受前级爆轰波影响易出现反向射流现象(图3(a)),抑制后级射流的形成[4]。为避免隔爆体反向射流对主级装药造成影响,有以下几种改进方案:①在隔爆体后加一层钢板[4](图3(b)),使结构更加稳定;②采用中间薄,四周厚的非等壁厚设计,在不影响隔爆效果的同时,减小隔爆体对后级射流的影响;③采用球缺型[5-6]或半球形[7]隔爆体(图3(c)),减弱隔爆体中心区域的压力集中,抑制反向射流形成;④采用隔板分瓣设计[8](图3(d)),将隔板沿直径方向切成若干瓣,冲击波作用于隔板上时,隔板向两侧飞散,引导爆轰产物向两侧膨胀。
图3 反向射流及抑制方案
Fig.3 Reverse jet flow and suppression scheme
V型及球缺型隔爆体考虑到了隔爆体的结构优化与前后射流匹配,是目前应用广泛的隔爆体结构。随着技术的发展,以V型与球缺型隔爆体为基础,出现了结构更加复杂,减重效果更好的隔爆体,主要包括以下几类:
1) 带活塞隔爆体。Larry等[2]设计了一种带活塞隔爆体(图4),前级装药爆炸后,爆轰产物顺着隔爆体沿侧向排出,从而保护后级装药。后级装药爆炸时产生的射流直接通过隔爆体中间的孔洞把活塞顶掉即可,无需穿过整个隔爆板,这样可以减少主装药射流的能量损失。
图4 带活塞隔爆体
Fig.4 Explosion-proof body with piston
2) 锥形桁架隔爆体。以色列军事工业公司[2]发明了一种桁架隔爆装置(图5)。前级装药起爆产生的冲击波施加到连接器锥形底部,使连接器部分裂开,爆轰气体沿锥形装置的斜面流出。爆炸导致连接器前的部分被炸飞,而连接器后部与导弹主体完整无损。这种隔爆装置的隔爆能力较强[2]。
图5 锥形桁架隔爆体
Fig.5 Conical truss explosion-proof body
3) 蜂窝夹层隔爆体。蜂窝夹层结构质量低,省材料,吸能特性好,近年来在爆炸防护中的应用越来越广泛[9-13]。蜂窝夹层结构由面板、芯层和背板组成(图6),封闭的六角等边蜂窝夹心结构相比其他结构,能以最少的材料获得最大的承载能力。张镇洲[14]研究了采用聚脲夹层的钢板结构的隔爆效果,结果表明,冲击波通过密实夹层结构后应力值减小了39.6%,而通过同厚度蜂窝夹层结构后应力值减少了64.4%。
图6 蜂窝夹层结构
Fig.6 Honeycomb sandwich structure
4) 多层材料组合隔爆体。多层材料组合隔爆体由于各层材料阻抗不同,会产生较强的界面透反射效应,使其隔爆效果优于单一隔爆材料的隔爆体[15]。Liu等[16]研究了泡沫铝夹芯板在爆炸载荷下的响应,与普通低碳钢板相比,同厚度含泡沫芯夹层板的输出压力降低了61.54%～64.69%。Tedesco等[17]研究了冲击波在层状材料系统中的传播与衰减,结果表明,冲击波通过层间声阻抗变化较大的试样时会产生较大衰减。陈闯等[18]选取了45#钢、铝和有机玻璃3种材料进行不同方式的组合,设计出顺序波阻抗梯度,逆序波阻抗梯度以及硬软硬3种结构,研究了阻抗匹配对多层介质隔爆效果的影响。结果表明,逆序波阻抗梯度结构衰减冲击波的性能最好,与同厚度顺序波阻抗梯度结构相比输出压力降低了约67%。
5) 复杂隔爆+泄爆结构。图7为一种防护锥+泄压孔+缓冲材料的复合隔爆结构[19]。防护锥的作用是隔爆并为后级装药提供射流通道和足够的炸高,泄压孔可以对前级爆轰波进行卸载。前级装药起爆时,一部分爆轰产物从泄压孔扩散出弹外,一部分沿防护锥表面向弹外扩散,只剩少量爆轰能量传至后级装药处。缓冲材料的作用是防止防护锥本身在前级装药爆炸作用下产生的破片,加强对后级装药的保护。试验显示该设计能提升隔爆体的隔爆能力。
图7 防护锥泄压孔缓冲材料隔爆装置
Fig.7 Protection cone + pressure relief hole+buffer material flameproof device
2 隔爆体材料选型研究进展
冲击波在隔爆材料中传播时强度不断衰减,该过程可用指数经验公式表示[20]为
P=Pme-ax
(1)
式(1)中:P为与初始界面距离x处的冲击波压力;Pm为介质初始界面冲击波压力;a为衰减系数,是隔板材料属性,与初始压力无关。
王珞冰[3]采用数值模拟方法得出了钢、铝、聚氨酯、有机玻璃等材料的衰减公式,结果表明,相同起爆条件下,铝、钢等高阻抗硬质材料衰减系数与初始压力均较高;聚氨酯、环氧树脂等低阻抗软材料衰减系数与初始压力均较低。
传统隔爆体材料包括铝合金、钢等材料,质量较大。近年来,新型轻质材料由于密度低、抗冲击性能优异等因素受到了较大关注,主要包括以下几类:
1) 颗粒填充复合材料。颗粒填充聚合物基复合材料具有高阻抗特性,且其冲击压缩参数随着颗粒填充配比的变化而改变,具有较好的可设计性[21-24]。李军宝等[25]研究了铝粉与橡胶复合材料,结果表明,铝粉含量为50%的含铝橡胶对冲击波的衰减能力最强,数据拟合得到其衰减系数为0.066 8;还有学者对有机玻璃(PMMA)填充铜[26]或硅玻璃球[27]复合材料进行了研究,通过测试得到Cu/PMMA复合材料的D-u方程曲线(图8)。
图8 Cu/PMMA 复合材料的冲击波速度-粒子速度曲线
Fig.8 Shock wave velocity-particle velocity curve of Cu/PMMA composites
2) 碳材料增强复合材料。碳纳米管、碳纤维、玻璃纤维、石墨烯等高性能碳材料增强体的聚合物基复合材料具有轻质高强的特点,近年来受到广泛关注[28-33]。目前,对碳材料增强复合材料的研究集中在研究冲击加载下材料的损伤及失效行为。研究表明,将碳纤维按45°方向铺至层合板的首末位置有利于提高层合板的抗冲击性能[30]。
3) 聚脲材料。聚脲作为喷涂材料,具有抗冲击性能好、固化快、粘附力强等优点,被广泛用于隔爆研究[34]。Amini等[35]在钢板背爆面涂覆聚脲,结果表明,涂覆后钢板结构的防护性能显著提高。聚脲的抗爆原理与冲击波阻抗不匹配、冲击波弥散效应、热软化效应、破坏模式的转变以及应变移位等有关,但具体抗爆原理目前尚未明确[36-37]。Yao等[38-40]通过数值模拟得到了聚脲的Hugonoit 关系曲线(图9)。
图9 聚脲的Hugonoit关系曲线
Fig.9 Hugonoit relation curve of polyurea
4) 聚氨酯等泡沫材料。聚氨酯泡沫密度低,具有良好的隔爆性能,在国防军事领域应用广泛。研究表明,聚氨酯泡沫初始孔隙度在0.25左右时,具有较强的抗冲击性能[41]。钟发春等[42]设计了一种纳米微球增强的软质聚氨酯泡沫材料,实验表明1.2cm的泡沫材料可以将 16.3 GPa 的冲击波衰减到0.51 GPa。
3 隔爆体性能优化方法研究进展
常规研究中,隔爆体采取简单的结构形式和常用的金属材料,使其满足使用要求即可,优化变量少,并没有在多约束和多目标优化方面进行考虑。随着串联战斗部的迅速发展,对隔爆体的要求不仅仅在于满足隔爆需求,还要减少隔爆体对后级射流的影响,降低隔爆体的质量和尺寸。多约束和多优化变量的引入,使常规的试错法已经不能满足设计要求,需要采用优化算法来提高整体设计效率。
简单的优化研究通过控制变量法,设计一系列的方案再分别验证,最后筛选出性能最佳的方案作为最终方案。这种方法费时费力,不易反应各个变量对隔爆体的综合影响,且验证范围较小,易陷入局部最优解。后来正交试验应用到战斗部设计过程中,缩小了工作量,且可得到各因素影响的重要程度排序和进行多因素综合优化,但依然无法从全局筛选,易陷入局部最优。
随着优化方法的不断发展,各类优化算法开始在串联战斗部隔爆结构优化设计工作中广泛使用,目前应用较广的有以下几种。
1) 粒子群算法(PSO)。粒子群算法又称鸟群算法,是Kennedy和Eberhart[43]于1995年受鸟群觅食行为启发而提出的一种进化算法,算法的收敛过程受个体最优和群体最优控制。该算法具有原理简单、参数较少、收敛速度较快等优点,但容易陷入局部最优解。陈静等[44]使用基于kriging 模型的加点多目标粒子群优化算法对碳纤维防冲击梁进行了优化,优化后的质量比优化前降低了47.59%。
2) 差分进化算法(DE)。差分进化法是一种模拟自然界生物进化的群智能优化设计方法,由Storn和Price[45]为求解切比雪夫多项式而提出。该算法通过基于差分形式的变异操作和基于概率选择的交叉操作引导个体的进化,保留了进化类算法的全局搜索特性。差分进化法受控参数少,实现简单,稳定性强,获得近似解快速,但是可能过早收敛到局部极小点,易出现未成熟收敛。马森等[46]利用DE算法对复合材料隔板结构进行优化,优化结果较初始设计质量减小36.5%。
3) 模式搜索法(PS)。模式搜索法原理简单,具有全局优化特性。其特点是需先制定一个初始点,计算该点的目标函数值,然后计算其相邻各点的目标函数值,如果有一点的目标函数值更优,则搜索成功,下次搜索将以该点为中心进行搜索,以此反复至终止条件(迭代次数或误差小于规定值)为止。该优化算法不需要目标函数的导数,局部寻优能力较强,缺点是优化效果与初始点密切相关,初始点选不好有可能会使优化效果变差。
4) 遗传算法(GA)。遗传算法于1975年由Holland提出[47],是一种模拟自然选择和进化过程的优化计算模型,适应性强,收敛性好,覆盖面大,利于全局择优。其缺点是局部择优能力不足,计算量大,接近最优解时在最优解附近左右摆动,收敛较慢[48]。何成[49]通过ISIGHT软件集成MATLAB优化程序,采用非支配遗传算法NSGA-Ⅱ作为优化策略对装甲板进行优化,寻求优化问题的Pareto前沿解集,经过优化后,装甲板的电磁波透射系数降低了94.58%,冲击波透射系数降低了4.35%。
5) 多种算法混合。以上算法各有其优缺点,对各种智能算法进行有机融合,可发挥出各自优势,进一步提升计算效率。Gupta等[50]在PSO算法中加入GA算法的交叉变异机制,以协调算法全局搜索和局部搜索能力。鱼佳欣等[51]将遗传算法与模式搜索法结合,首先使用多种群遗传算法(MGA)进行粗搜索,迅速逼近全局最优解的临近区域,然后利用模式搜索法(PS)进行细搜索,可准确定位全局最优解。实验表明,该方法比单独使用MGA或PS算法具有更高的成功率与收敛速度。
4 结论
从结构设计研究、材料选型研究与性能优化方法研究方面综述了串联战斗部隔爆结构的发展状况。隔爆体的发展方向如下:
1) 结构设计方面,由简单结构向复杂复合结构发展。简单隔爆结构只满足了常规隔爆要求,而复杂复合结构可以使隔爆体的质量与尺寸大幅降低。隔爆体结构发展方向体现在2个方面:一是在结构外形方面进行优化设计,如采用带活塞分体结构,桁架结构等,通过对结构进行优化设计提升结构承载能力;二是采用组合材料结构,通过多种材料组合隔爆的方式增强隔爆体对冲击波的衰减能力。
2) 材料选型方面,由传统金属材料向新型轻质材料发展。隔爆体要求承受荷载大时采用轻质高强的碳材料增强材料,要求衰减冲击波能力强时采用抗冲击性能良好的聚脲涂层材料,对减重要求高时采用密度较低的多孔泡沫材料。
3) 性能优化方法方面,由简单少变量设计向多变量优化算法设计发展。随着对战斗部性能的要求逐渐提高,隔爆体的设计不再仅为了工程上的满足,而是要探索隔爆体设计的最优方案。采用遗传算法等算法优化,效率与适用性更高,而且可以实现多目标复杂优化。研究隔爆体性能优化算法,由算法优化设计取代简单常规设计,是隔爆体优化设计方法的发展方向。
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