动态线列式破片战斗部技术探索

梁争峰,袁宝慧,程淑杰,刘惠玲

(1.西安近代化学研究所,陕西 西安710065)

引 言

早期的破片战斗部受导弹制导精度、引信技术以及战斗部自身技术的制约,多为大飞散角战斗部,主要发展圆筒形和腰鼓形战斗部。圆筒形破片战斗部飞散角一般为12°左右[1],典型型号为前苏联20πK-5 空空导弹战斗部和美国响尾蛇1A 型空空导弹战斗部。为进一步提高防空导弹战斗部破片的打击命中概率,世界各国还研制了多型腰鼓形大飞散角破片战斗部,如法国马特拉R530 导弹T-110 破片战斗部和前苏联地空导弹杀伤战斗部[2]。由于大飞散角战斗部破片分布密度较低,对目标的毁伤效应主要体现为多个独立破片穿孔毁伤[3-4];而且破片轴向速度差较为显著,在动态交汇条件下,破片穿孔带宽将由于速度梯度而被拉宽。因此,为了提高对目标的结构毁伤效应,世界各军事强国纷纷开始研究聚焦破片战斗部。

聚焦破片战斗部聚焦带内破片密度大幅度提高,宏观上可在目标上形成一个密集的穿孔、撕裂和应力集中“切割带”,能够对导弹类目标实施“带切割式”结构毁伤[5-6]。此外,由于装药采用了凹面聚焦特征曲线设计,在很大程度上消除了端面稀疏波的影响,使轴向破片速度趋于一致。典型的聚焦破片战斗部为法国的地空导弹R-440 战斗部。虽然聚焦破片战斗部极大提升了对导弹类目标的切割式结构毁伤效应,但其产生的切割仍然具备一定宽度,即聚焦带宽,依然是一个“带切割”。为了进一步提高破片战斗部在实战中对导弹类目标的切割式结构毁伤,提出了动态线列式破片战斗部技术。

本研究论述了动态线列式破片战斗部的作用原理、特点和优势,初步探索了其工程设计方法,同时利用数值模拟和原理样机试验方法验证了该战斗部作用原理及设计方法的正确性和可行性,为今后该类战斗部技术推广和型号研制提供设计依据。

1 动态线列式破片战斗部作用原理及设计方法

1.1 作用原理

动态线列式破片战斗部破片作用原理是通过控制每个破片飞散方向及在目标靶上的落点使穿孔呈线列式分布,同时通过装药外曲线使轴向破片速度一致。破片飞散方向由破片轴向飞散方向和周向飞散方向确定。

在轴对称起爆条件下,杀伤战斗部破片在靶板上落点的周向坐标值为破片质心与轴线组成平面的周向坐标值,如图1 所示。其中,R 为破片组合体中破片的列,L 为破片组合体中破片的行。

图1 R1列破片穿孔周向坐标值示意图Fig.1 Schematic diagram of fragment perforation coordinate values of row R1in circumferential direction

由于战斗部预制破片组合体采用了聚焦特征曲线结构,因此绝大部分破片均匀分布于0.2 ～0.3 m宽的聚焦带内,只有前后端各1 ～2 排破片由于端面稀疏波的影响,其穿孔会分布于聚焦带外;而且穿孔呈现出中间间距小,两端逐步增大的特点;此外,破片穿孔沿轴向前后顺序与战斗部初始装配顺序相同。由此可以确定出每个破片在靶板上穿孔的轴向坐标值,如图2 所示。

综上所述,通过合理利用战斗部破片周向和轴向飞散规律,可以实现破片在靶板上穿孔线列式分布的目的。

1.2 破片线列式分布设计方法

综合分析战斗部破片周向和轴向飞散规律,通过设计一种周向周期均布、轴向聚焦的破片战斗部结构(结构简图如图3 所示),便可以实现图4 所示杀伤战斗部破片的线列式排列。从图3可以看出,战斗部周向破片预制数目为m,轴向破片预制数目为n,轴向破片质心连线与战斗部轴线设计一个夹角θ,目的是使轴向一列破片在周向一定角度内均匀散开;从图4可以看出,破片穿孔呈现出周期线列式分布特点,周期数目为周向破片预制数目,每个周期内破片穿孔数目为轴向破片预制数目。

要使破片沿周向360°均匀、连续分布,根据线列式破片战斗部作用原理,通过理论推导可得轴向破片质心连线与战斗部轴线夹角θ的计算公式为:

式中:L 为战斗部预制破片组合体的长度;A 为线列式破片周向连续、均布修正系数;D 为战斗部预制破片组合体的直径。

1.3 动态条件下轴向破片速度一致性数值模拟

圆筒形战斗部破片速度分布规律呈现端面低、中间高的特点,典型轴向破片速度分布曲线如图5所示。要使杀伤战斗部轴向破片速度一致,就必须消除端面稀疏波影响,使两端破片速度提高,设计合理的凹形预制破片组合体曲线是一种有效途径。曲线设计原则是在图5 速度低处适量增加装药直径,在速度高处相应减小装药直径,曲线设计采用数值模拟多次迭代和逼近的方法。图3 即为通过该设计原则和方法设计的预制破片组合体曲线,该曲线既可以达到轴向破片聚焦的目的,同时可产生如图6 所示的轴向等爆轰场强,即使轴向爆炸冲量基本一致,最终达到轴向破片速度一致性的目的。

2 原理样机试验

2.1 战斗部原理样机的设计

根据动态线列式破片战斗部设计方法,结合某型号聚焦破片战斗部战术技术指标要求,设计了动态线列式战斗部原理样机。首先根据轴向等爆轰场强设计了预制破片组合体曲线,并通过数值模拟进行了验证;结合战技指标中战斗部尺寸、质量、单枚破片质量和破片分布密度要求,周向破片数量设计为32 枚,轴向20 枚,通过式(1)计算可得轴向破片质心连线与战斗部轴线夹角θ值为3.8°。

2.2 破片线列式分布情况

图7 为动态线列式破片战斗部原理样机静爆试验破片线列式穿孔照片。从图7 中可以看出,破片穿孔基本与图4 中理论设计分布一致,图中包含3个破片线列式分布周期,破片周向无间断连续分布,而且间隙均匀,轴向间距中间密而两端稀疏,破片穿孔的线列式分布试验结果初步验证了线列式破片战斗部作用原理和设计方法的正确性、可行性。

图7 动态线列式战斗部原理样机静爆试验破片线列式穿孔照片Fig.7 Photo of fragment linear perforation in static explosion for dynamical linear distribution fragmentation w arhead prototype

3 结 论

(1)探索并试验验证了一种能够对各类空中/空间目标实现线切割式结构毁伤的线列式破片战斗部技术。

(2)提出了轴向等爆轰场强和破片速度一致性概念和设计方法,以保证在弹目动态交汇条件下破片穿孔仍为线列式分布。

[1]杨云川,厉相宝,万仁毅.预制破片初速和飞散角的数值模拟[J].弹箭与制导学报,2009,29(4):96-102.

[2]王淑华,高瑞,蔡炳源.导弹战斗部及其装药的发展研究[J].火炸药学报,1991(1):43-54.

WANG Shu-hua,GAO Rui,CAI Bing-yuan.Study on development of w arhead and its charge[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,1991(1):43-54.

[3]隋树元,王树山.终点效应学[M].北京:国防工业出版社,2000.

[4]Richard R L.Conventional Warhead Systems Physics and Engineering Design[M]. New York:AIAA,1998.

[5]隋树元,周兰庭,李进忠,等.破片式战斗部优化设计技术研究[J].兵工学报,1995(4):33-37.

[6]LIU Tong,QIAN Li-xin.S tudy on fragment focusing mode of air-defense missile w arhead[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1998(23):240-243.