CN110514071B - 一种控制破片战斗部破片形状的装置和方法 - Google Patents

一种控制破片战斗部破片形状的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制破片战斗部破片形状的装置和方法，装置包括第一装药、爆轰波调整器、第二装药、炸药；所述爆轰波调整器设置在第一装药和第二装药之间；所述爆轰波调整器上设有爆轰通道；所述爆轰通道两端分别与第一装药和第二装药连通；所述爆轰通道内填充有炸药；爆轰通道之间为隔爆体；方法首先推导出相邻爆轰波叠加区传播到壳体上时的碰撞角表达式；然后推导碰撞角与叠加区爆轰压力的关系；最后推导战斗部结构参数与叠加区爆轰压力的关系：通过改变相邻爆轰通道连线到壳体的垂直距离或第二装药的厚度，与相邻爆轰通道之间的距离的比值，可控制壳体破碎。本发明能够在不损伤壳体强度的条件下，按计划破碎成预定形状。

Description

一种控制破片战斗部破片形状的装置和方法
技术领域
本发明属于破片战斗部技术领域，特别是一种控制破片战斗部破片形状的装置和方法。
背景技术
破片战斗部作为运用作为广泛的武器类型，该类战斗部主要运用壳体破碎所产生的破片对目标进行杀伤。因此其破碎的均匀性就显得尤为重要。目前国内外主要通过提前对壳体进行机械或化学处理的半预控方法或将加工好的规则金属块直接放置在炸药外围的预制方法来干预战斗部径向的破片效应。这样的破片战斗部存在以下不足：(1)壳体刻槽、局部催化以及激光重熔等方法的加工工艺较为复杂，加工成本较高。(2)壳体的预先处理会降低其强度，导致破片的初始动能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制破片战斗部破片形状的装置和方法，能够在不损伤壳体强度的条件下，按计划破碎成预定形状。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种控制破片战斗部破片形状的装置，包括第一装药、爆轰波调整器、第二装药、炸药；所述爆轰波调整器设置在第一装药和第二装药之间；所述爆轰波调整器上设有爆轰通道；所述爆轰通道两端分别与第一装药和第二装药连通；所述爆轰通道内填充有炸药；爆轰通道之间为隔爆体。
一种控制战斗部破片形状的方法，包括以下步骤：
步骤1、推导出相邻爆轰波叠加区传播到壳体上时的碰撞角表达式：
步骤2、推导碰撞角与叠加区爆轰压力的关系；
步骤3、推导战斗部结构参数与叠加区爆轰压力的关系：
Figure BDA0002163862200000011
通过改变2d3/d1的值，可以控制壳体内表面上的轰波叠加区压力比值，进而控制壳体破碎；其中，d1为相邻爆轰通道之间的距离；d3为相邻爆轰通道连线到壳体的垂直距离或第二装药的厚度；k为炸药的绝热指数；P2表示斜反射波后压力；PH表示反射波前的压力；θ为爆轰产物经过反射波后的偏转角度；P3为马赫波后的压力值。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明利用爆轰波碰撞区域爆轰压力大于炸药正常爆轰压力这一特点，在壳体内表面形成不均匀的应力加载，从而使壳体形成规则的破片。
(2)本发明通过爆轰波叠加来切割壳体，具有更好的可控制性，且未对壳体进行任何形式的加工，不会降低壳体强度，装药的能量利用率更高
附图说明
图1为控制破片战斗部破片形状的装置实施例1结构示意图。
图2为实施例1中爆轰波调整器结构示意图。
图3为控制破片战斗部破片形状的装置实施例2结构示意图。
图4为实施例2中爆轰波调整器结构示意图。
图5为爆轰波对撞形式的示意图。
图6是爆轰波对撞区的相对压力倍数随2d3/d1的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图4，本发明的一种控制破片战斗部破片形状的装置，包括第一装药1、爆轰波调整器2、第二装药3、炸药4；所述爆轰波调整器2设置在第一装药1和第二装药3之间；所述爆轰波调整器2上等间隔的设有爆轰通道21；所述爆轰通道21两端分别与第一装药1和第二装药3连通；所述爆轰通道21内填充有炸药4；爆轰通道21之间为隔爆体22。
所述爆轰波调整器2在一些实施例中为开有沟槽或通孔的平面结构或曲面结构，分别用于切割平面或曲率较大的金属件。
作为一种实施方式，所述爆轰波调整器2为圆管结构，所述爆轰波调整器2外圆上等间隔的设有沟槽作为爆轰通道21，所述沟槽平行于圆管的轴向设置。沟槽之间为隔爆体22。所述第一装药1设置在爆轰波调整器2圆管内；所述爆轰波调整器2外部同轴的设有壳体5；所述第二装药3设置在爆轰波调整器2于壳体5之间的环形空腔内。
作为另外一种实施方式，所述爆轰波调整器2为圆盘结构；圆盘上等间隔的设有通孔作为爆轰通道21；通孔之间为隔爆体22。
进一步的，所述炸药4采用高爆炸药，为使爆轰通道21内爆轰波优先传播至第二炸药3，形成子波，所述爆轰通道21内炸药4的爆速要高于第一炸药1在隔爆体22中的传播速度。在爆轰波传播过程中，过小的直径会导致爆轰波无法传播，所以爆轰通道21宽度或直径应大于内部填充炸药4的临界爆轰直径。
进一步的，为确保爆轰波绕爆过程中不发生熄爆现象，第二装药3厚度d2要大于爆轰波绕爆死区的宽度，同时第二装药3厚度不易过大，由相邻爆轰通道21的距离d1、爆轰波到达时间t以及炸药类型共同决定，最优厚度d2为碰撞角
Figure BDA0002163862200000031
时的厚度。
下面以第一种实施方式，说明本发明装置的工作原理：所述爆轰波调整器2一般选用惰性的轻质材料，可以选用酚醛树脂、尼龙或者聚氨酯。所述爆轰波调整器2放置在第一炸药1和第二装药3中间，起爆第一炸药1时，爆轰波向外传播，经由爆轰波调整器2后变为多个部分，一部分在隔爆体22被阻碍，另一部分经由爆轰通道21按原速度继续传播，最终在第二装药3内形成多个独立的子波。通过相邻子波间的碰撞叠加，产生高于正常爆轰压力的叠加区，并在壳体5内表面上形成可控的应力集中区域，使得该应力集中区域率先发生断裂，从而达到控制壳体5破碎的效果。
结合图5和图6，本发明提供了一种控制战斗部破片形状的方法，包括以下步骤：
步骤1、推导出相邻爆轰波叠加区传播到壳体上时的碰撞角
Figure BDA0002163862200000032
表达式：
(1)当爆轰波调整器为曲面结构时
碰撞角
Figure BDA0002163862200000033
可以表示为：
Figure BDA0002163862200000034
d3＝R-d4+d2
Figure BDA0002163862200000035
R为爆轰波调整器2外表面的曲率半径，d1为相邻爆轰通道21之间的距离，d2为第二装药3的厚度，d3为相邻爆轰通道连线到壳体的垂直距离，d4为起爆点到相邻爆轰通道连线的垂直距离。
(2)当爆轰波调整器平面结构时
爆轰波调整器2为平面时，曲率半径R＝0，因此d3可以直接表示为d3＝d2，碰撞角
Figure BDA0002163862200000041
为：
Figure BDA0002163862200000042
步骤2、推导碰撞角与叠加区爆轰压力的关系：
爆轰波从两个点同时向外传播时，两个爆轰波的波阵面会相互重叠碰撞，随着爆轰波的持续传播，爆轰波的碰撞角会不断变化，叠加碰撞区域的压力值也会随之变化。
步骤2.1、确定入射角与临界角间的关系：
叠加碰撞区域的压力值随入射角的变化，可能涉及到波的斜反射和马赫反射，存在一个临界角
Figure BDA0002163862200000043
入射角
Figure BDA0002163862200000044
小于临界角
Figure BDA0002163862200000045
时，属于斜反射；入射角
Figure BDA0002163862200000046
大于临界角
Figure BDA0002163862200000047
时，属于马赫反射。由此可以得到爆轰波叠加区的压力可以表示为：
Figure BDA0002163862200000048
P为爆轰波叠加区的压力，
Figure BDA0002163862200000049
为临界角，PH表示反射波前的压力，P2表示斜反射波后压力，P3为马赫波后的压力值。当炸药的绝热指数k取3时，临界角
Figure BDA00021638622000000410
步骤2.2、推导碰撞角与叠加区爆轰压力的关系：
(1)斜反射时碰撞角与叠加区爆轰压力的关系：
两个爆轰波以一定的角度相互碰撞，可以将该过程转化为带有一定夹角的入射波撞击刚性壁，当入射角不大于临界角时，刚性壁会反射回一束反射波，并与入射波相交与刚性壁面。同样的可以通过C-J条件以及质量守恒和动量守恒关系建立相应的方程组：
ρHu1n＝ρ2u2n
Figure BDA00021638622000000411
Figure BDA00021638622000000412
Figure BDA00021638622000000413
Figure BDA00021638622000000414
PH、ρH、q1分别表示反射波前的压力、密度和质点运动速度，P2、ρ2、q2分别表示反射波后的压力、密度和质点运动速度，u1n和u2n分别为q1、q2在垂直于爆轰波阵面方向上的分量，
Figure BDA0002163862200000051
为反射角，θ为爆轰产物经过反射波后的偏转角度，k由炸药本身确定，通常情况下k＝3。
通过化简和整理上述方程组可以得到两波碰撞点的压力与入射角的相互关系：
Figure BDA0002163862200000052
以及偏转角θ与反射角
Figure BDA0002163862200000053
之间的关系：
Figure BDA0002163862200000054
Figure BDA0002163862200000055
其中ψ入射角。给定某一个入射角后，可以通过数值迭代的方法求出反射角
Figure BDA0002163862200000056
进而求得碰撞区域的爆轰压力。
(2)马赫反射时碰撞角与叠加区爆轰压力的关系：
当入射角大于临界角时，反射波会从刚性壁壁面上脱离，此时刚性壁附近会出现第三个波，即马赫波。此时上述方程将得不到有意义的实数解
Figure BDA0002163862200000057
试验证明马赫波是一个近似垂直于刚性波的爆轰波，其爆速可以表示为：
Figure BDA0002163862200000058
D3为马赫波的爆速，D是炸药C-J爆轰的爆速。
由此可见马赫爆轰波的爆速要大于C-J爆速，是一个超压爆轰。对于超压爆轰C-J条件不在适用，此时炸药的Rayleigh线和Hugoniot曲线不再相切。只能通过质量守恒、动量守恒和能量守恒关系推到出马赫波前后的压力关系：
Figure BDA0002163862200000059
步骤3、推导战斗部结构参数与叠加区爆轰压力的关系：
利用碰撞角
Figure BDA00021638622000000510
作为中间参数，可以上述的公式联立得到结构参数d1，d3与爆轰波叠加区压力比值间的关系：
Figure BDA0002163862200000061
通过改变2d3/d1的值，可以控制壳体内表面上的轰波叠加区压力比值，进而控制壳体破碎。图6为轰波叠加区压力比值P/PH随2d3/d1的变化情况。
实施例
步骤1、推导出相邻爆轰波叠加区传播到壳体上时的碰撞角
Figure BDA0002163862200000062
本实施例优选爆轰波调整器2外表面的曲率半径R＝30mm，相邻爆轰通道21间距d1＝16mm；第二装药3的厚度d2＝10mm。根据步骤1可以求得碰撞角
Figure BDA0002163862200000063
如下：
Figure BDA0002163862200000064
d3＝30-28.91+10＝11.09
Figure BDA0002163862200000065
步骤2、
(1)比较入射角与临界角
Figure BDA0002163862200000066
入射角
Figure BDA0002163862200000067
大于临界角
Figure BDA0002163862200000068
此时爆轰波叠加区的情况属于马赫反射
(2)计算叠加区爆轰压力倍数P3/PH
Figure BDA0002163862200000069
由此可以得出相邻爆轰通道21间距d1＝16mm，第二装药3厚度d2＝10mm，爆轰波调整器2外表面曲率半径R＝30mm时，能够在壳体内表面产生高于非叠加区域2.41倍的应力集中位置，进而产生切割壳体的效果。

Claims (6)

1.一种控制破片战斗部破片形状的装置，包括第一装药(1)、爆轰波调整器(2)、第二装药(3)、炸药(4)；所述爆轰波调整器(2)设置在第一装药(1)和第二装药(3)之间；所述爆轰波调整器(2)上设有爆轰通道(21)；所述爆轰通道(21)两端分别与第一装药(1)和第二装药(3)连通；其特征在于，
所述爆轰通道(21)内填充有炸药(4)；爆轰通道(21)之间为隔爆体(22)；
所述爆轰通道(21)用于在第二装药(3)内形成多个独立的子波，通过相邻子波间的碰撞叠加产生叠加区；
所述爆轰通道(21)内炸药(4)的爆速要高于第一装药(1)在隔爆体(22)中的传播速度；爆轰通道(21)宽度大于内部填充炸药(4)的临界爆轰直径；
所述爆轰波调整器(2)为圆管结构，所述爆轰波调整器(2)外圆上设有沟槽作为爆轰通道(21)，所述沟槽平行于圆管的轴向设置；沟槽之间为隔爆体(22)；所述爆轰波调整器(2)外部同轴的设有壳体(5)；所述第二装药(3)设置在爆轰波调整器(2)与壳体(5)之间的环形空腔内；
所述第二装药(3)厚度要大于爆轰波绕爆死区的宽度。
2.一种控制破片战斗部破片形状的装置，包括第一装药(1)、爆轰波调整器(2)、第二装药(3)、炸药(4)；所述爆轰波调整器(2)设置在第一装药(1)和第二装药(3)之间；所述爆轰波调整器(2)上设有爆轰通道(21)；所述爆轰通道(21)两端分别与第一装药(1)和第二装药(3)连通；其特征在于，
所述爆轰通道(21)内填充有炸药(4)；爆轰通道(21)之间为隔爆体(22)；
所述爆轰通道(21)用于在第二装药(3)内形成多个独立的子波，通过相邻子波间的碰撞叠加产生叠加区；
所述爆轰通道(21)内炸药(4)的爆速要高于第一装药(1)在隔爆体(22)中的传播速度；爆轰通道(21)直径大于内部填充炸药(4)的临界爆轰直径；
所述爆轰波调整器(2)为圆盘结构；圆盘上等间隔的设有通孔作为爆轰通道(21)；通孔之间为隔爆体(22)；
所述第二装药(3)厚度要大于爆轰波绕爆死区的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述爆轰波调整器(2)选用惰性的轻质材料。
4.根据权利要求1所述的装置，以控制战斗部破片形状的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、推导出相邻爆轰波叠加区传播到壳体上时的碰撞角表达式：
步骤2、推导碰撞角与叠加区爆轰压力的关系；
步骤3、推导战斗部结构参数与叠加区爆轰压力的关系：
Figure FDA0003516884100000021
通过改变2d3/d1的值，可以控制壳体内表面上的轰波叠加区压力比值，进而控制壳体破碎；其中d1为相邻爆轰通道之间的距离；d3为相邻爆轰通道连线到壳体的垂直距离或第二装药的厚度；k为炸药的绝热指数；P2表示斜反射波后压力；PH表示反射波前的压力；θ为爆轰产物经过反射波后的偏转角度；P3为马赫波后的压力值，
Figure FDA0003516884100000022
为碰撞角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1中碰撞角
Figure FDA0003516884100000023
为：
Figure FDA0003516884100000024
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2碰撞角与叠加区爆轰压力的关系为：
(1)斜反射时碰撞角与叠加区爆轰压力的关系：
Figure FDA0003516884100000025
(2)马赫反射时碰撞角与叠加区爆轰压力的关系：
Figure FDA0003516884100000026
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