射流对运动带壳装药冲击起爆机理研究

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近程反导防御作战中,要实现成功拦截必须使目标在短时间内被引爆发生解体。出于对深层地下工事的打击需求,深侵彻钻地弹一直是各国武器装备研发的重点。对于如钻地弹这类采用厚壁壳体结构并且具有较高末端着速的来袭目标,传统的反导战斗部难以穿透壳体并引爆内部装药,目前尚无有效的拦截手段。聚能射流具有很强的侵彻能力和很高的比动能,若采用射流作为反导毁伤元将会使反导能力得到明显提高。然而,目前关于射流对具有厚壁壳体结构运动目标的引爆机理和毁伤效能尚不明确,针对上述问题,本文开展了射流对运动带壳装药的冲击起爆研究。通过理论分析、数值仿真以及冲击起爆试验对射流冲击下带壳装药的起爆过程进行研究,并且对射流的动态侵彻问题以及炸药尺寸、约束类型、壳体材料和射流形态等因素对运动带壳装药起爆的影响规律和影响程度进行了详细地分析和讨论。本课题的相关研究成果可为反厚壁结构目标聚能破甲战斗部的发展和应用提供参考和依据。本文研究的主要内容包括:(1)炸药的临界起爆阈值工程模型首先通过上限法计算射流侵彻过程中金属盖板内材料的塑性流动场,根据边界条件设定运动许可的速度场,然后根据耗散功率最小化得到射流前方塑性流动区内速度场、加速度场和应力应变场分布,并确定射流穿透盖板时鼓包对炸药的压缩深度。随后考虑炸药的受压缩深度,提出了包含炸药厚度影响的临界起爆阈值工程模型,该工程模型可以很好地反应出炸药厚度与临界起爆阈值之间的关系,然后结合数值仿真结果和射流冲击起爆试验结果以及文献数据对临界起爆阈值工程模型进行了验证。(2)聚能射流对带壳装药的冲击起爆理论模型将射流冲击起爆带壳装药的过程分为两个阶段,第一阶段为射流侵彻过程中弯曲冲击波的演化和发展。考虑射流侵彻过程中的蘑菇头效应,根据炸药的Pop曲线,计算侵彻过程中射流前方弯曲冲击波的增长过程。当弯曲冲击波到达炸药底部后进入第二阶段,根据边界条件计算弯曲冲击波在约束壳体上的反射或者稀疏波的衰减作用,进而建立了射流冲击起爆带壳装药的理论模型。通过数值仿真研究了不同约束下炸药内的压力分布和弯曲冲击波压力增长的差异。采用Φ40 mm聚能装药开展了不同约束条件下炸药的冲击起爆试验并结合仿真结果对冲击起爆理论模型进行了验证。以不同射流感度的炸药为例通过理论详细分析了各因素的影响,揭示了约束类型、炸药尺寸、约束壳体材料和射流直径对射流高速冲击下炸药起爆过程的影响规律和影响重要程度,并证明了临界起爆阈值工程模型同样适用于约束炸药。相关结论为聚能射流冲击起爆运动带壳装药的研究奠定了基础。(3)聚能射流对运动靶板侵彻特性研究根据微元法以及虚拟原点理论得到射流微元的运动过程中的速度、直径、速度梯度、拉伸断裂时间等参数,在流体动力学侵彻模型和Szendrei/Held扩孔模型的基础上建立聚能射流侵彻运动靶板的理论模型。模型中给出了射流受运动靶板干扰的判断准则以及受干扰射流的是否具有侵彻能力的判断准则。在试验验证的基础上,采用Φ90 mm聚能装药进行理论分析,揭示了靶板的运动速度和靶板强度对射流动态侵彻能力的影响规律。通过相同装药直径不同装药结构的聚能装药所形成的射流分析了射流速度和射流直径对射流侵彻运动靶板的影响作用,得到了射流动态侵彻深度在不同因素下的变化规律,相关结果可为防空反导聚能战斗部的设计提供依据和参考。(4)聚能射流对运动带壳装药的冲击起爆研究结合第三章和第四章的理论模型建立了射流冲击起爆运动带壳装药计算模型。采用Φ90 mm聚能装药为射流源开展了聚能射流冲击起爆运动带壳装药的试验研究。试验中由火箭橇对厚壁结构带壳装药进行加速,通过起爆控制电路实现聚能射流和运动带壳装药的精准交汇,最终带壳装药被射流成功引爆。在试验验证的基础上通过数值模拟和理论计算分析了带壳装药的运动速度、带壳装药的靶板厚度以及射流着靶角对运动带壳装药冲击起爆的影响规律,相关结果可为防空反导聚能战斗部的应用提供技术支持。
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