基于运动稳定性和侵彻性能的水下爆炸成型弹丸研究

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水中兵器战斗部是毁伤敌方水面、水下目标的有效武器。随着科学技术发展,现代典型水下目标的防护能力提高了数倍。鉴于EFP具有侵彻后效作用大、破坏效果好等优点,深入研究水下EFP设计,对提高毁伤典型水下目标的能力具有重要意义。在大量常规空气中EFP技术研究基础上,为了探究空气和水介质中EFP成形与侵彻性能的差异,实现EFP聚能战斗部在水介质环境下爆炸良好成形,对水下典型目标防护结构有效毁伤,针对例如双壳体含液层的典型水下防护结构,能够保持良好的运动稳定性以及侵彻性能穿过液层进而毁伤目标内部,本文开展了以下几个方面的水下EFP战斗部设计探究工作。结合EFP形成理论分析了影响EFP形成特征的关键因素及影响规律,针对水中EFP的设计需求分析了水介质对罩微元初始压垮速度理论模型的影响,并且在此基础上结合空气中常规EFP聚能战斗部设计思路与过程,对应思考与分析水介质环境下EFP的设计思路。结果表明:药型罩壁厚是影响EFP形成特征的关键因素,壁厚越大,罩微元压垮速度越小,形成EFP长径比越小;水中EFP的成形,药型罩由边缘沿着母线向轴心方向会逐渐受到水的粘滞阻力的作用,因此罩微元沿母线的压垮速度差相对空气中会变大,从而导致形成长径比更大的EFP结构;本文采用理论分析指导数值仿真模拟来完成初步设计工作,在此基础上能够更准确的进行后续试验探究工作。基于运动稳定性,根据理论模型分析结果开展了四种EFP(向后翻转型、向前压合型、压垮型和长杆型)空中和水下形成特征的对比数值试验;基于侵彻性能,针对向后翻转型EFP,开展了水中四种成形影响因素(空气内炸高h、药型罩曲率半径R、药型罩壁厚δ、壳体厚度d)的正交数值仿真试验,并得到了各成形因素对水中EFP成形及侵彻特性的影响规律。结果表明:与理论分析结果一致,相同装药条件下,水介质中向后翻转型EFP、长杆型EFP、向前压合型EFP及压垮型EFP获得的动能有所提高,对应在水中良好成形所需药型罩壁厚分别增大了26.7%、20.0%、10.0%、66.7%,进而调整药型罩曲率半径可得到与空气中形成特征类似的EFP结构;对于EFP入水10cm后侵彻性能的影响因素由主要到次要排序为:空气内炸高h、药型罩曲率半径R、药型罩壁厚δ、壳体厚度d;最终水中EFP聚能战斗部选定向后翻转式成形模式的球缺型药型罩,确定了成形参数为:h=45mm、R=21.2mm、δ=2.5mm、d=1.2mm。最后,对水下EFP战斗部毁伤典型双壳体防护结构过程进行了数值仿真模拟,得到EFP在水下对该双壳体结构的侵彻特性。仿真结果表明:所设计的EFP战斗部能够有效毁伤小型水下目标的双壳体防护结构,EFP在侵彻入水120mm左右处开始发生质量损失现象,毁伤能力下降程度较大,在入水170mm左右处质量损失开始变得严重,达到其毁伤能力极限,验证了本文设计的水下EFP战斗部的可行性。
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