柔性网弹弹体结构设计与扩爆开舱可靠性研究

伍惊涛,朱 磊,许汝耀

(1.陆军炮兵防空兵学院,安徽 合肥 230000;2.中国人民解放军73096部队,江苏 南京 210000)

现代战争中,装甲类目标面临敌末敏弹等攻顶打击武器的威胁越来越大,为有效应对该类武器对装甲目标的攻击,各国都在加强装甲车辆主动防护系统的研究。即通过发射柔性网弹在空中解爆弹体并抛撒捕获网,对末敏子弹等目标进行包裹和缠绕,从而破坏其工作姿态使其无法正常作用。这种方案因具有发射成本低、命中概率高、机动性强等特点,受到越来越高的重视[1-5]。在柔性网弹设计中,弹体结构方案及其扩爆开舱可靠性直接影响弹丸的正常作用和捕获网的释放。本文主要对柔性网弹弹体结构方案及其扩爆开舱可靠性进行研究,为柔性网弹的整体设计奠定基础。

1 柔性网弹总体设计

柔性网弹采用弹体扩爆式开舱结构,由引信、装配弹体、拦截网组件、扩爆装置和稳定装置等组成,柔性网弹结构组成如图1所示。

引信采用指令起爆的方式引燃扩爆装置,从而实现弹体扩爆开舱。装配弹体主要由弹底片和固定环构成,用于可靠分解弹体。拦截网组件由捕获网和牵引块组成,牵引块在弹体扩爆开舱后,利用扩爆能量向四周分散,带动捕获网迅速张开,对目标形成缠绕和包裹,从而达到作战目的,扩爆装置用于破碎弹体,并使扩爆能量径向集中扩散,带动捕获网张开,稳定装置采用后张式翼片,由扭簧提供展开动力,在弹丸飞出炮口后自动张开,确保弹丸飞行稳定[6]。

系统作用过程为:当目标出现后,探测系统对目标位置进行探测跟踪,火控单元实时解算射击诸元、引导发射装置对目标进行跟瞄并适时发射弹丸,弹丸出膛后,稳定翼片在扭簧的作用下自动张开,弹丸到达目标附近后,地面探测系统发送起爆指令引信接收到指令后引爆弹丸,扩爆装置产生的高温高压火药气体使弹体破碎,同时带动捕获网迅速张开形成拦截网幕对末敏子弹实施拦截[7]。

2 柔性网弹装配弹体与扩爆装置结构设计

2.1 柔性网弹装配弹体结构设计

考虑柔性网弹轻量化要求,装配弹体各组成部件均采用低密度材质。其中，弹底片为铝合金材质,可以实现在较低扩爆能量下可靠均匀地分解弹体、释放拦截网组件功能,同时,将六块纵向的弹体片预制为薄壁圆筒状,装配弹体内的弹体固定环为尼龙材质,这样扩爆时仅需较少能量即可破坏固定环,从而完整、均匀地分解弹体、可靠释放捕获网,其装配弹体如图2所示。

图2 装配弹体示意图

捕获网外形采用正六边形结构,选用高强度、防烧灼、密度小的聚乙烯丝绳编织而成。牵引块配置在六边形捕获网的各顶点,通过捕获网轴线与其相连,并在连接处套上防灼套管,防止扩爆产生的火药气体烧蚀网绳。其拦截网结构如图3所示。

图3 拦截网结构示意

2.2 扩爆装置结构设计

扩爆装置由扩爆药盒、药盒螺栓和扩爆药包等组成。结构如图4所示。扩爆药盒由高轻度铝合金加工而成,为可靠且均匀地分解扩爆药盒侧壁,在侧壁纵向预制六条凹槽,从而形成应力集中,药盒螺栓装配时限制扩爆药盒位移,起爆后,药盒侧壁向外飞散,螺栓限制残存的扩爆药盒底,阻止火药气体向上运动,使扩爆能量沿弹丸径向集中扩散,同时防止火药气体烧蚀捕获网,扩爆药包采用黑火药,用于形成扩爆能量。

图4 扩爆装置

装配时,将牵引体块调整置于调整毡圈上的扩爆药盒外周,扩爆时,火药气体冲开扩爆药盒侧壁,推动牵引块破坏弹体固定环,驱动弹体片,释放捕获网,并由牵引块带动展开捕获网。

3 柔性网弹开舱扩爆受力分析

3.1 柔性网弹扩爆药盒应力分析

柔性网弹扩爆药盒承受内压时,一般认为轴向、环向和径向为其主应力方向。考虑实际情况,采用薄壁圆筒模型对其进行应力分析[8-9],主应力方向为轴向、环向和径向三个方向,则其受力可以表示如下。

1)扩爆药盒轴向应力

式中：P为内压；D为薄壁圆筒直径；δ为薄壁圆筒厚度。

2)扩爆药盒环向应力和径向应力

3.2 弹体应力分析

由于弹体厚度相对其长度不可忽略,故需采用厚壁圆筒模型对弹体结构进行应力分析,同样认为主应力方向为轴向、环向和径向三个方向。

1)弹体轴向应力

弹体的两端封闭受内压时,在远离端部的横截面中,其轴向应力用截面法求得,将弹体沿任一横截面切开,考虑其中一部分轴向力平衡,则

式中：σφ为轴向应力；R0、R1为弹体的外半径和内半径；k为弹体外半径和内半径之比；P为内压。

2)弹体环向应力和径向应力

由于各材料变形的相互约束和限制,环向应力和径向应力沿壁厚非均匀分布,即随半径r(壁厚)变化而变化,考虑其平衡条件及变形条件进行分析[10]。

根据弹性失效准则,弹体的承压能力是根据内壁的强度条件决定的。应力最大部位的应力达到极限值时,失去承载能力。按照第四强度理论,建立内壁强度条件为

其中，弹体固定环尼龙材料的屈服极限σs,代入弹体参数及扩爆压力P,即可以求出σd。

当σd>σs时,弹体可以实现扩爆。

4 柔性网弹扩爆开舱和起爆方式模拟仿真

4.1 柔性网弹扩爆开舱模拟仿真

通过以上理论分析,柔性网弹在上述薄壁圆筒和厚壁圆筒理论前提下能否正确可靠地扩爆[11-13],扩爆装置是否能完全释放捕获网,其直接决定了柔性网弹性能的发挥,故使用LS-DYNA软件对柔性网弹扩爆过程进行模拟仿真。在仿真过程中,为简化计算步骤,扩爆装置简化为圆柱体,在扩爆药盒侧壁预制六条凹槽,扩爆装置的有限元模型具体如图5。

图5 扩爆装置的有限元模型图

模型采用Johnson-cook模型,自定义接触,材料选用铝材质,采用中心爆炸点方式,参数如表1、2所示。

表1 JOHNSON_COOK模型参数

表2 Gruneisen状态方程参数

其具体仿真结果见图6～8。

图6 扩爆过程模拟图

从图6可以看出,扩爆装置在上述结构条件下,在应力集中处能够完全扩爆展开,从药盒侧壁向外飞散,从而带动捕获网的张开。

从图7可以看出，柔性网弹的扩爆装置在炸药爆炸后,扩爆能量迅速变大,在15 μs左右达到最大,后趋于缓和,扩爆装置在上述能量值的情况下,侧壁因为开有六片凹槽,从而形成六片弹底片,释放捕获网。其侧壁在柔性网弹扩爆的过程中距离变化见图8。

图7 扩爆装置扩爆能量变化曲线图

图8 扩爆装置侧壁位置距离变化曲线图

从图8可以看出,扩爆装置的侧壁位置随着时间的变化是不断加大的,说明在上述扩爆条件下,柔性网弹能够完全扩爆,仿真结果与理论分析是比较符合的。

4.2 起爆方式对网弹扩爆开舱的数值仿真

在起爆方式上,分析对柔性网弹扩爆的影响,同样利用上述模型进行仿真研究,在材料参数和算法上定义炸药选用8701型号,采用High-Explosive-Burn材料模型和JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程,部分参数见表3,ρ为炸药密度,VD为炸药爆速,PCJ为炸药C-J压力,JWL状态方程其常用系数为A,B,R1,R2。材料选用铝合金材质,参数见表4,A,B,n,C,m是材料对应的常数,为更好地模拟网弹扩爆过程,仿真采用拉格朗日算法,接触同样采用自定义接触,起爆方式分别采用中心点起爆、顶点起爆、底端起爆和轴起爆四种方式,研究其对网弹扩爆张开的影响。

表3 炸药材料参数

表4 材料参数

4.2.1 结果与分析

不同的起爆位置对网弹的扩爆结果是不尽相同的,首先对于顶点起爆和底端起爆这两种方式,其起爆后由于爆炸点不在扩爆机构的中心位置上,所以，造成弹体片向外扩散时受力不均匀,其后影响了拦截网组件的释放,造成柔性网弹性能不稳定,其具体扩爆状态如图9和图10。

图9 顶点起爆仿真结果

图10 底端起爆仿真结果

相对于上两种起爆方式,轴起爆和中心点起爆的方式其优点较为明显,弹体分散时受力较为均匀,拦截网组件可以正确释放,扩爆装置也可以完全扩爆,其具体扩爆状态如图11和图12。

图11 中心点起爆仿真结果

图12 轴起爆仿真结果

图13 不同起爆方式起爆扩爆能量变化曲线图

通过以上四种起爆方式仿真,可以看出其扩爆机构能量在不同的起爆方式下变化是不相同的,其集体变化如图13。从图中可以看出,底端起爆和顶点起爆其扩爆能量变化基本相同,但中心点起爆和轴起爆变化速率快,尤其是轴起爆方式,因为是多点起爆,其能量变化迅速,在最短的时间内能量达到最大值,所以相对于底端起爆和顶点起爆,优势较为明显。

图14是不同起爆方式扩爆装置侧壁位置距离变化曲线,从图中明显可以看出，采用轴起爆和中心点起爆的方式其扩爆装置的侧壁位置变化较为明显,而顶点起爆和底端起爆其侧壁变化变化相差不大,但明显小于另外两种起爆方式。

图14 不同起爆方式扩爆装置侧壁位置距离变化曲线图

综合各个方面性能指标,通过模拟仿真,可以认为中心点起爆和轴起爆相对于另外两种起爆方式优势明显,考虑扩爆装置内部的结构特点,减少弹体重量等指标,采用中心点起爆的方式因为弹体结构简单和经济效益明显,应为柔性网弹的扩爆装置的起爆方式。

4.2.2 开舱扩爆实验验证

通过以上分析,为检验仿真是否正确,对柔性网弹能否在实验条件下完全扩爆开舱进行验证,进行拦截网弹静爆实验,见图15。图中展示了柔性网弹扩爆开舱的实验。通过高速摄像机拍摄,进行逐帧分析,观察整个柔性网弹开舱扩爆的过程,可以看到，柔性网弹能扩爆开舱顺利,柔性网能顺利张开,实验验证了柔性网弹在扩爆开舱过程中具有较高的安全性和可靠性。

图15 柔性网弹扩爆实验图

5 结束语

本文针对柔性网弹弹体的总体设计进行分析,同时对装配弹体和扩爆装置结构设计分析,重点运用仿真软件对柔性网弹扩爆开舱的过程进行了仿真,结合柔性网弹的特点,验证了柔性网弹扩爆开舱结构的安全性和可靠性,对实际运用具有重要的参考意义。