杀伤增强装置破片低速抛撒技术研究

梁安定，黄静，何勇，孙兴昀

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

杀伤增强装置技术是防空反导武器系统的前沿技术之一，通过抛撒低速破片形成破片幕，依靠弹目相对动能拦截高超声速飞行的导弹目标。杀伤增强装置技术属于动能碰撞拦截杀伤的防空反导模式[1-8]。

根据资料[9]显示，国外用于反导和反飞机目的的拦截方式主要是动能碰撞拦截杀伤和战斗部破片杀伤。相比战斗部破片杀伤方式，动能碰撞拦截杀伤的优点主要是：减少了导弹引战配合的难度，减少了弹上部件，可以增加导弹作战空域，费效比也较低。美军对带有杀伤增强装置的动能碰撞拦截杀伤反导进行了试验，试验表明动能碰撞拦截杀伤在2 m内脱靶量情况下具有良好的反导效果[10]。

杀伤增强装置是动能碰撞拦截反导导弹的主要功能件，如何实现大质量破片的低速抛撒是主要研究难题之一。本文提出了一种以炸药为驱动能源的大质量破片低速抛撒结构，对其抛撒速度进行了理论分析和实验验证。

1 国内外研究概况

根据资料调研，国内外已经有研究机构开展了以火药作为驱动能源的杀伤增强装置研究。美国专利[11]公开了一种由推进装置、网和多个杆组成的杀伤增强装置，推进装置包括有燃气发生器，通过推进装置将装有多个杆的网推开，当网撞击到导弹、卫星等目标上时，利用杆的动能可将目标摧毁。国内一些单位也开展了以火药为驱动能源的破片抛撒杀伤增强装置，主要的技术特点是每个破片下具有独立的活塞式推动结构，通过活塞大小调节驱动力大小，实现破片的不同抛撒速度，抛撒后破片将在空间分布形成破片幕[8,10,12]。

然而，火药驱动抛撒过程中，火药的反应时间处于毫秒级，对于导弹来说反应慢往往导致系统精度的降低，甚至脱靶。而采用炸药进行破片加载，炸药的反应时长为微秒级，能够很好地满足导弹系统的启动需要[12-13]。因此，采用炸药作为杀伤增强装置破片的驱动能源成为了研究热点。

2 理论分析

杀伤增强装置要在空间形成破片幕，常用的破片幕分布为同心圆环节点式，如图1所示。通常破片通过机械连接固定在装置本体上，破片下端布置炸药，图2是一种简化的杀伤增强装置结构单元。由于破片为低速加载，因此单个破片驱动所需的炸药的装药量很少。

从结构上讲，杀伤增强装置结构单元可以简化成如图3的一维形式。对于这种一维模型，可以采用Gurney模型进行分析。Gurney模型通常进行如下的假设[14-15]：

(1) 装药瞬时爆轰，所释放出的能量完全转换成爆轰产物的动能和壳体的动能；

(2) 爆轰产物的速度沿轴线线性分布；

(3) 爆轰产物均匀膨胀，忽略端部稀疏，密度处处相等，压力也是均匀的。

根据上述假设建立动量守恒和能量守恒方程[14-16]：

(1)

式中：M1，M2分别为壳体和破片质量；v1，v2分别为壳体和破片的速度；ρ和u分别为炸药爆轰产物密度和粒子速度；C为炸药的质量；E为炸药的Gurney能；X1，X2分别为炸药的前后位置。

根据Gurney假设，可以推导出

求解方程组(1)～(4)，可以得到

式中：

从公式(5)可以看出，破片的速度v2可通过炸药的Gurney能E、壳体质量M1、破片质量M2和炸药质量C而求得。公式(5)可以用于低速抛撒破片的速度计算，满足杀伤增强装置方案设计需求。

3 方案设计

杀伤增强装置需要在空间形成动态的破片幕，为了有效拦截目标，需要破片幕能够有效覆盖导弹的脱靶距离，且破片的间隙小于目标的特征尺寸，保证具有巨大相对动能的破片至少1枚撞击到目标。从技术上讲，需要破片幕内的破片呈现同心多层，每层破片具有等梯度的抛撒速度，不同速度的破片呈同心圆环形式分布，组成分层形式的破片幕。杀伤增强装置可以分解为不同的破片抛撒环结构，一层抛撒环实现一种速度的破片的抛撒，分层抛撒结构有利于实现杀伤增强装置的组合化和模块化[12-13]。

破片抛撒环的截面形式类似于图2结构，在此基础上进行了破片连接形式和结构紧固件的设计，破片环的结构见图4。破片抛撒环采用了圆环形装药结构，即破片抛撒环的本体为铝制中心管，其外圆面嵌入环形装药，在环形装药的外侧等圆心角装配破片。圆环形装药结构连续，装药连续，工艺容易实现。若在每个破片下单独装药，则需要复杂的传爆结构设计，工艺复杂，可靠性低。在破片抛撒环侧设计卡环，并通过凹形缺口等角分度分布实现破片的等圆心角布置。破片抛撒环设计方案见图4。

为了实现不同速度的抛撒，首先计算出了单枚破片下的装药质量，并根据单枚破片下装药质量计算出圆环形装药结构的总装药量后进行破片抛撒环的装药装配。为了对不同速度的破片环结构进行验证，共设计了5种破片速度的破片抛撒环。设计的实验抛撒环的结构参数见表1。

表1 实验破片抛撒环的结构设计参数Table 1 Structural design parameters of the experimental fragment dispersal ring

4 数值模拟分析

为了验证方案设计的可行性，对破片加载单元开展了数值模拟工作。数值模拟是基于ANSYS/LS-DYNA非线性仿真软件进行。采用流固耦合方法进行计算，拉格朗日材料间定义自动面—面接触算法。计算建模中仅对破片抛撒环当中的一个破片加载单元进行三维建模。破片材料选用STEEL 4340钢，中心管结构选用AL-2024-T4硬铝。因挠性炸药与B炸药的爆轰参数基本相近，故装药采用COMP B炸药的参数进行数值计算。以上材料及状态方程参数均是AUTODYN软件材料库中给定的[17]。数值仿真的模型见图5。仿真得到了破片的不同速度曲线见图6。

从数值仿真得到的破片速度曲线可以看出，不同的驱动装药结构下破片的速度呈现梯度。数值仿真得到的破片速度最大值以及与理论计算速度的相对误差见表2。

表2 数值模拟得到的破片速度计算结果Table 2 Results of fragment velocity calculated by numerical simulation

数值模拟结果校验了驱动装药结构设计的合理性。数值模拟得到的破片速度与理论分析方法计算的速度相对误差相比较小，5种破片抛撒环仿真计算的破片速度的相对误差不大于9.8%。数值模拟结果说明理论分析方法合理可信。

5 实验验证

为了验证破片抛撒环的性能，开展了实验验证工作。根据前面的理论分析结果，进行了不同抛撒速度的破片抛撒环的实验设计。实验中，采用高速摄影仪拍摄了破片抛撒环抛撒的破片抛撒过程，根据2个时刻拍摄图像中破片位置和时间间隔计算出破片的平均速度。为了对破片的空间位置进行清晰判别，在破片抛撒环背部设置同心圆环组成的钢架，钢架后衬白布。钢架上固定了半径0.4，0.8，1.2和1.6 m的刚性圆环。实验布置图见图7。实验过程中典型时刻的破片分布照片见图8～12。

高速摄影拍摄到了每个破片抛撒环的破片抛撒过程。从图8～12可以看出，半径0.4 m的钢架刚性圆环由于爆炸火光影响，无法分辨，因此仅分析了破片在半径0.8 m至1.6 m刚性圆环之间的飞行情况。经过计算，各组破片抛撒环的速度统计结果见表3。

表3 影像拍得的破片速度计算结果Table 3 Results of fragment velocity calculated by images

从影像拍得的破片平均速度与理论计算速度的数值对比发现，两者相差较小，5件破片抛撒环的相对误差不大于9.1%，说明理论分析方法较为准确。

静爆实验后实验件残骸以及回收到的破片照片见图13所示。从实验后中心管的残骸和回收的破片可以看出，实验后的破片抛撒环中心管上的炸药装药爆炸痕迹整齐、均匀，说明装药均已稳定爆轰。从回收到的破片可以看出，破片与炸药装药接触面有轻微变形，但破片形状完整，没有碎裂。加载前的破片质量平均值为30.17 g,加载后的破片质量平均值为30.14 g，破片质量没有明显的差别，可见爆炸加载后破片无明显的质量损失。

通过实验结果分析可以得出，采用炸药加载方式可以实现质量为30 g的破片的低速抛撒，实验后破片完整，无质量损失。炸药加载方式能够很好地实现杀伤增强装置的功能。炸药加载相比火药方式更为迅速，加载结构也更为简洁，可行性好，也易于实现。

6 结束语

本文针对防空反导杀伤增强装置技术需要，通过Gurney模型推导出了低速抛撒破片速度的理论计算公式，提出了采用炸药驱动破片形式的杀伤增强装置结构方案。通过数值模拟校验了装药结构设计的合理性和理论分析方法的可信性。同时，设计了杀伤增强装置的破片抛撒环方案，并进行了5组实验，实验测得的破片速度与理论计算结果相比，相对误差不大于9.1%。