1 引言

聚能杆式射流(Jetting Projectile Charge，JPC)是一种头部速度高、具有一定速度分布、长径比较大的弹丸，兼有射流速度高、侵彻能力强和爆炸成型弹丸药型罩质量利用率高、大炸高性能好的特点，可用于对抗坦克或其它装甲武器系统，摧毁反应装甲和陶瓷装甲，也可作为串联战斗部的前级装药，为后级主装药开辟侵彻通道。这种特殊性能的弹药是20世纪90年代才发展起来并正在转入应用的一种新型装药^[1-3]。

聚能杆式射流的形成主要通过改变起爆方式来实现，理论上起爆方式有点起爆、面起爆和环起爆，但实际上面起爆与环起爆不能直接实现，而是通过设置多个点代替面起爆与环起爆^[4]。传统控制爆轰波波形的方法是在聚能装药中设置一定形状的隔板用来调整爆轰波形，使爆轰波阵面与药型罩外壁的夹角减小，以增大作用在药型罩上的压力从而增大药型罩的压垮速度和压垮角，实现高速的杆式射流。在实验和生产中发现，有隔板的聚能侵彻体比没有隔板的在侵彻深度上存在一定不稳定性，其主要原因在于隔板引起爆轰波形的不对称和不稳定。为了获得期望的爆轰波形，Blanche A^[5]等采用VESF起爆系统，其基本结构是在普通爆炸成型装药基础上增加一个VESF。VESF又称蝶形起爆装置(波形调整器)，是形状特殊的金属或塑料板，与主装药有一定间隙，雷管起爆后，辅助装药驱动VESF撞击并起爆主装药，形成环起爆或平面起爆，通过调节VESF的形状、材料及其与主装药的距离，在主装药中形成期望的爆轰波形，从而获得高速的杆式射流^{[1, 6-7]}。

已有研究^{[1, 5]}均未具体对上述观点进行模拟和试验，因此，本研究利用AUTODYN-2D软件就VESF的材料、形状及其与主装药的间距对侵彻体成型的影响进行了数值模拟，得到不同情况下注装药的起爆方式，此研究可为战斗部起爆方式设计和工程应用提供一定参考。

2 计算模型 2.1 几何模型建立

JPC装药主要由药型罩、主装药、辅助装药、壳体、VESF和起爆装置等组成，其结构如图 1所示。

装药直径D为200 mm，药型罩采用偏心亚半球结构，内曲率半径R₁为400 mm, 外曲率半径R₂为404 mm，高度L为54.65 mm，辅助装药的高度M为6 mm，壳体厚度为5 mm，药型罩结构如图 2所示。

2.2 有限元模型的建立

由于药型罩压垮、闭合，侵彻体的形成属于大变形问题，因此选用处理大变形的Euler算法。主装药、空气和辅助装药也采用Euler算法，VESF采用Lagrange网格建模，模型如图 3所示。采用AUTODYN-2D程序计算，为了更好的模拟侵彻体成型过程，在欧拉域采用中心加密的渐变网格。同时为了将问题简化，模型中不考虑壳体影响。主装药选用PBX炸药，按弹塑性强度模型Von-Mises准则，采用Lee-Tarver状态方程。辅助装药为OCTOL炸药，采用JWL状态方程。药型罩采用紫铜，按弹塑性强度模型Steinberg Guinan准则，采用Shock状态方程。以上材料参数均选自AUTODYN材料库。模拟采用的单位为cm-μs-g-Mbar^[8]。

2.3 相关参数的选取

选取铝、钢、铜和钨4种密度由小到大的材料; 选取横断面为K字形、矩形和三角形三种代表形状，见图 4; 与主装药的间距选取3, 6, 9 mm。计算时间为300 μs(此时JPC已成型)。

3 数值模拟结果与分析 3.1 VESF材料对JPC成型的影响

选取铝、钢、铜和钨等四种材料的VESF，其板形状的横断面如图 4c所示，其中最长边为200 mm，最长边对应的高度为4 mm，与主装药的距离为6 mm。

起爆装置起爆后，引爆辅助装药，VESF受辅助装药产生的爆轰波作用向主装药运动，撞击并引爆主装药，药型罩受到爆轰波作用，出现翻转并压垮形成杆式射流。VESF材料不同时，产生的爆轰波形不同，12 μs时，VESF撞击主装药时产生的爆轰波形如图 5所示。

由图 5可见，VESF为铝时，对应的起爆方式为中心点起爆; 为钢时，对应的起爆方式为面起爆; 为铜或钨时，对应的起爆方式均为环起爆。依据能量守恒，在辅助装药爆轰时释放的能量转化为VESF动能一定的情况下，VESF获得的速度按照VESF材料密度的增加而减小，VESF中心和边沿到达主装药的时间也因此而改变。由于4种材料的密度ρ_铝＜ρ_钢＜ρ_铜＜ρ_钨，所以当材料为铝时，VESF中心首先撞击主装药，形成中心起爆; 当材料为钢时，VESF中心与外沿同时撞击主装药，形成面起爆; 当材料为铜和钨时，VESF外沿首先撞击主装药形成环形起爆。

由于起爆方式的不同，造成射流速度、直径和长度及杆式射流的形态的不同。表 1为t=300 μs时4种VESF材料对应的射流性能参数。

由表 1可见，VESF板的材料密度越大，射流头部速度越大，尾部速度先大后小，射流头部直径越小，而尾部直径先小后大; 射流形态亦随着VESF密度的不同而改变，射流长度随之增加。当板材料为铝时，形成的射流粗而短; 随着板密度的增加，形成了具有一定速度梯度和均匀质量分布的杆式射流; 随着板密度的继续的增加，射流长径比和头尾速度差继续增大，有分离成低速杵体和高速射流的趋势。因此，综合考虑, 当VESF材料为钢时，成型效果最佳。

3.2 VESF形状对JPC成型的影响

为了分析不同形状的VESF对JPC成型的影响，选取VESF材料为钢，对图 4所示的K字形、矩形、三角形三种VESF横断面形状进行研究，其中VESF与主装药之间的距离参考文献[1]，取2 mm。

当VESF横断面形状不同时，在主装药中产生的爆轰波形各不相同，如图 6所示。t=300 μs形成的射流性能参数如表 2所示。

由图 6可以看出，当VESF横断面形状为三角形时，主装药的起爆方式为面起爆; 通过仿真结果得出当VESF为K字形或矩形时，主装药的起爆方式为点起爆，它们的爆轰波形却不相同，如图 6所示，因此生成不同形态与速度的杆式射流。

由表 2可知，VESF形状由K字形到三角形时，杆式射流头尾速度逐渐增加。当VESF横断面形状为三角形时，速度虽然很高，但是头尾速度差较大，且射流直径太小; 而矩形较K字形而言，形成的射流速度高，射流直径大，但是射流出现断裂，成型效果不好。综合考虑，在此JPC装药的结构与尺寸下，横断面形状为K字形的VESF效果最佳。

3.3 VESF与主装药距离对JPC成型的影响

为了研究VESF与主装药距离对杆式射流成型的影响，当VESF材料为钢，横断面形状为图 4中K字形时，分别选取距离h为3、6、9 mm进行数值模拟，其计算结果如表 3所示，t=12 μs产生的爆轰波形如图 7所示。

由图 7a可见，当主装药的距离为3 mm时，爆轰波在主装药的中间位置产生，因此，主装药的起爆方式可近似为点起爆。当主装药的距离为6 mm时，主装药的起爆方式为面起爆; 距离为9 mm时起爆方式为环起爆。

由表 3可知，VESF与主装药间距为9 mm时，虽然速度较高，但是射流直径太小，不宜采用。当距离为3mm与6mm时，形成的杆式射流的性能参数类似，射流直径也较大，但当距离为3 mm时，射流头部直径较大，速度相对较低，成型效果差。综合以上考虑，当VESF与主装药距离为6 mm时形成的JPC效果最佳。

4 结论

(1) 随着VESF密度的增加和VESF与主装药间距的增大，主装药起爆点由中心逐渐向外过渡; 不同形状的VESF可形成不同的爆轰波形，K字形与矩形时为点起爆，三角形时为面起爆。

(2) 对于JPC来说，当VESF材料为钢，横断面形状为K字形，与主装药距离为6 mm时，成型效果最佳。因此，可以通过改变VESF材料、形状及其与主装药间距来调节起爆方式，从而得到期望的爆轰波形。