1 引言

杀伤增强器是针对小脱靶量动能拦截器技术发展需要而提出的先进终端毁伤技术, 其主要技术特点是通过在末端遭遇弹道附近低速抛撒重金属杆条的方式, 达到类似增大拦截器直径, 弥补拦截器因制导精度不足而难以直接命中来袭导弹的局限, 从而实现命中和毁伤概率的显著提高^[1-5]。

与传统重金属杆条相比, 采用复合结构的活性杆条, 有望使杀伤增强器发挥更大的终端毁伤效能。活性杆条的结构特点是外部为金属壳体, 内部填充活性材料, 当这种复合结构杆条高速遭遇来袭导弹时, 装填其中的活性材料由于受到强冲击载荷的作用, 能自行激活和发生爆炸, 释放出大量的化学能, 从而在动能和化学能两种毁伤机理的联合作用下, 大幅度提高对目标K级毁伤效果(立即解体)和能力。活性材料是一种通过在高聚物中填充金属、合金、金属间化合物等含能粉体, 再经特殊制备而成的复合式固体含能材料。特别是近十来年, 国内外在活性材料制备、机械力学、撞击起爆、毁伤增强性能及武器化应用等方面取得了重要研究进展^[6-8], 为其在动能拦截器杀伤增强器上的应用提供了可能。相对于重金属杆条, 在相同尺寸下, 活性杆条质量更轻, 从而对杀伤增强器抛撒方式和杆条结构设计等提出了新的要求。本研究主要针对活性杆条在小脱靶量反导武器杀伤增强器上的应用问题, 采用数值模拟方法, 对排布方式、排布半径及缓冲层等因素对其抛撒行为的影响进行分析和讨论。

2 数值方法及模型

以美国爱国者-3(PAC-3)防空导弹ERINT-1拦截器^[1]杀伤增强装置为参考平台, 相关技术参数列于表 1^[9]。为便于问题分析, 忽略导弹蒙皮等影响。活性杆条杀伤增强器几何结构如图 1所示, 采用中心管式装药, 杆条长度100 mm, 直径25 mm, 共24根, 分内外两层排布, 内层8根, 外层16根, 杆芯为活性材料, 外部为30铬锰硅合金钢壳体。中心管装药为B炸药, 长度100 mm, 直径20 mm。缓冲材料为聚氨酯, 长度100 mm, 外径125 mm。

数值模拟中对活性材料作惰性处理, 以所承载冲击压力为起爆判据。活性材料采用Shock状态方程和Johnson-Cook强度模型, 相关材料参数列于表 2。其它相关材料参数均取自AUTODYN标准材料库^[10]。杆条采用拉格朗日网格划分, 并耦合在炸药和缓冲材料组成的欧拉场中, 观察点设于杆条中部, 1/4模型网格划分及观察点设置如图 2所示。

3 结果及分析 3.1 排布方式影响

内外层杆条的数目均为4的整数倍, 杆条的排布可以在各象限之间实现对称排布。为研究排布方式对杆条抛撒行为的影响, 考虑两种排布方式, 排布方式A:内外两层杆条径向排布夹角为0°; 排布方式B:内外两层杆条径向排布夹角为11.25°。具体排布如图 3所示。

两种排布方式下不同时刻杆条空间分布数值模拟结果如图 4所示。从图 4中可以看出, 排布方式A下, 内层杆条在前驱冲击波及爆轰产物的作用下, 获得的速度较外层杆条高。在0.8741 ms时刻, 内层杆条“追上”同一径向外层杆条, 并与外层杆条发生正中心碰撞, 杆条的相互碰撞产生了弹跳效应, 速度在杆条间重新分配, 外层杆条获得较高速度, 内层杆条速度下降, 内外层杆条的距离逐渐拉开。排布方式B情况下, 内层杆条在前驱冲击波和爆轰产物作用下同样获得的速度较外层杆条高。随着外层杆条的飞散, 外层杆条间距逐渐拉开, 当内层杆条“追上”外层杆条时刻, 从外层杆条的间隙中穿过, 并以较高速度向外飞散。忽略爆轰产物对杆条稳定性的影响, 在杆条发生碰撞时, 会对杆条结构产生损伤, 同时杆条间的平动速度和转动角速度将会重新分配, 杆条随机倾斜的几率会大大增加, 这样可能会增大杆条侵彻目标的着角, 不利于杆条对目标的毁伤。

两种排布方式下, 杆条的速度变化如图 5所示(gauge#3和gauge#5分别代表内层杆条和外层杆条)。从图 5可看出, 排布方式A和排布方式B在0~0.8741 ms内层杆条速度变化相差不大, 而排布方式A比排布方式B中外层杆条速度振荡幅度大。排布方式A在0.8741 ms时刻, 同一径向上内外两层杆条速度发生跃迁, 内层杆条速度降低, 外层杆条速度上升, 同时外层杆条速度振荡幅度加大, 这是由内外层杆条相互碰撞引起的。排布方式B中内外层杆条径向排布角度错开11.25°, 外层杆条间隙足够大时便可避免碰撞, 因此排布方式B没有上述变化。说明排布方式B中杆条稳定性优于排布方式A。

3.2 排布半径影响

改变排布半径会使杆条间隙随之改变, 影响爆轰产物的泄漏, 对杆条抛撒行为产生影响。内外层杆条排布半径对杆条抛撒行为的影响存在耦合关系, 为便于问题分析, 在研究排布半径对杆条抛撒行为影响时, 分两种情况设置参量:一是固定外层杆条排布半径为80 mm, 内层杆条排布半径(R₁)依次为34, 35, 36, 37, 38 mm; 二是固定内层排布半径为37 mm, 外层杆条排布半径(R₂)依次为70, 75, 80, 85, 90 mm。

对于第一种情况, 不同内层排布半径下杆条速度曲线如图 6所示。可以看出, 在内层排布半径为34，35，36 mm情况下, 同一径向上内外层杆条的速度在1 ms时刻左右发生跃迁。排布半径为37，38 mm情况下, 杆条速度没有上述变化。这是由于在内层排布半径较小情况下, 爆轰产物释放较晚, 内层杆条获得的速度较高, 在内层杆条追上外层杆条时, 外层杆条没有充分展开, 杆条间隙小于内层杆条直径, 内外层杆条会发生偏心碰撞。

对于第二种情况, 不同外层杆条排布半径的杆条中的速度曲线如图 7所示。从图 7可以看出, 外层杆条速度随着排布半径增加逐步减小, 而内层杆条速度却逐步增大, 内外层杆条速度差越来越大。在外层杆条排布半径为90 mm情况下, 内外层杆条在1.5 ms左右出现速度跃迁。上述现象是由于随着外层杆条排布半径增加, 前驱冲击波受缓冲材料影响对外层杆条的驱动压力减小, 造成外层杆条速度下降。随着速度差越来越大, 当内层杆条追上外层杆条时, 外层杆条不能充分展开, 会使杆条发生偏心碰撞。

活性材料是一种爆燃性反应材料。在冲击压力大于活性材料临界反应阈值(3.6 GPa)条件下, 会发生爆燃反应。不同杆条排布半径下杆条观察点应力峰值如图 8所示, 可以看出, 在各种排布半径条件下, 观察点应力峰值均小于活性材料临界反应阈值, 因此活性材料在抛撒过程中是稳定的。同时可以看出, 内层杆条的观察点应力峰值远大于外层杆条, 约为外层杆条的4~5倍。因此爆轰压力对内层杆条的结构影响远大于外层杆条。内层杆条排布半径为34 mm下, 内层杆条观察点应力峰值为987 MPa, 大于合金钢的屈服点885 MPa, 随着内层杆条排布半径增加, 内层杆条观察点应力峰值逐步减小, 在内层杆条排布半径取36 mm时, 内层杆条观察点应力峰值已经下降到832 MPa; 随着外层杆条排布半径增加, 内层杆条观察点应力峰值没有明显变化。因此增加内层杆条排布半径可以有效降低内层杆条承载应力, 保护杆条结构。

3.3 缓冲材料影响

缓冲材料可以吸收爆炸能量, 降低杆条承受的爆炸压力, 保护杆条, 同时起支撑杆条作用。缓冲材料的选取对杆条抛撒行为影响较大。缓冲材料选取原则是:强度、硬度、韧性适中, 材料密度低的惰性材料。既要保证活性材料在抛撒过程中不被激发, 又要保证杆条的完整性和飞散稳定性。本研究选取了聚苯乙烯、聚乙烯和聚氨酯三种缓冲材料, 材料模型均取自AUTODYN材料库。

不同缓冲材料下杆条速度变化曲线如图 9所示。从图 9中可以看出, 杀伤增强器采用聚苯乙烯和聚乙烯作为缓冲材料, 内层杆条速度振荡幅度较大, 速度收敛较慢, 杆条稳定性差, 采用聚乙烯作为缓冲材料, 内外层杆条速度差很小, 不利于杆条分散。杀伤增强器采用聚氨酯作为缓冲材料, 内层杆条速度振荡幅度小, 收敛较快, 同时内外层杆条速度差较大。

不同缓冲材料下内层杆条观察点应力峰值列于表 3。从表 3可以看出, 三种材料均能够较好地实现对冲击波的缓冲作用, 在聚氨酯作为缓冲材料条件下, 杆条应力峰值最高, 为817.52 MPa, 小于合金钢的屈服点885 MPa和活性材料临界起爆压力阈值。综上所述, 采用聚氨酯作为杀伤增强器的缓冲材料优于其它两种材料。

4 结论

(1) 杆条间相互碰撞与杆条排布方式和杆条排布半径有关。在内外层活性杆条排布角度错开11.25°, 内层杆条排布半径不小于37 mm, 外层杆条排布半径不大于85 mm情况下, 可以避免活性杆条间相互碰撞, 有效保护活性杆条结构, 提高活性杆条稳定性。

(2) 内层活性杆条承载的爆轰压力远大于外层杆条, 约为外层杆条的4~5倍。随内层杆条排布半径增加, 内层杆条承载应力显著下降, 当内层杆条排布半径取值不小36 mm, 内层杆条承载应力峰值小于合金钢屈服点, 可以有效地保护杆条结构。

(3) 杆条在爆轰驱动过程中承受应力峰值均小于活性材料临界反应阈值, 活性材料在抛撒过程中是稳定的。

(4) 聚苯乙烯、聚乙烯和聚氨酯都具有良好的缓冲作用。与聚苯乙烯和聚乙烯相比, 杀伤增强器采用聚氨酯作为缓冲材料, 其内层杆条速度振荡幅度小, 收敛较快, 杆条稳定性较好, 且内外层杆条速度差较大, 杆条空间分布较好。采用聚氨酯作为杀伤增强器缓冲材料优于其它两种材料。