CN112214896A - 一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法，基于惰性破片战斗部毁伤威力场建立相关理论，结合单枚活性破片碰撞靶板毁伤性能分析，提出了一种活性破片战斗部毁伤威力场的研究方法。本发明的方法可以分析战斗部结构参数和终点弹道对毁伤威力场的影响，为战斗部设计和终点弹道优化提供指导和参考。

Description

一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法

技术领域

本发明属于高效毁伤和活性材料应用技术领域，具体涉及一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法。

背景技术

活性破片一般可由氟聚物基体和金属颗粒经混合、模压成型和烧结硬化等工艺制备而成，在碰撞和侵彻目标过程中强动载作用下，活性破片将会被激活发生化学反应，特别是在贯穿目标防护层后，可实现对靶后目标的高效毁伤。

正是由于活性破片这种独特的热力耦合响应，使得其在高效毁伤领域的研究越来越广泛，受到世界各国的大力研究，特别是在撞击起爆活性材料配方制备、力学性能、能量释放特性、撞击起爆敏感性以及毁伤效应等方面取得了巨大进展。目前，受活性破片强度和爆炸驱动安定性的影响，活性破片在战斗部中的应用技术还未成熟。但是，毫无疑问的是，利用活性破片替代现有战斗部中的惰性金属破片，是实现战斗部毁伤威力提升的有效途径之一，特别是战斗部的引燃和引爆能力。另外，受经费和实验条件限制，采用实验测试方法研究活性破片战斗部毁伤威力往往难以获得规律性数据。因此，如何通过现有理论和相关基础实验，科学计算活性破片战斗部毁伤威力场，具有重要的意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术中由于各方面条件的限制导致活性破片战斗部毁伤威力的研究较为困难的问题，本发明提供一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法。

技术方案：一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,包括以下步骤:

(1)判断目标是否为易燃/易爆物，根据判断结果确定单枚活性破片的最小杀伤动能；

(2)计算战斗部活性破片分布的概率密度曲线，由活性破片分布的概率密度曲线计算破片的动态分布曲线，根据破片的动态分布曲线及战斗部的起爆方式计算单枚活性破片的速度，得到战斗部活性破片的飞散特性；

(3)基于破片速度衰减规律，并结合步骤(1)得到的单枚活性破片的最小杀伤动能，计算破片最大杀伤距离；建立直角坐标系，并根据步骤(2)得到的活性破片的飞散特性及破片最大杀伤距离绘制活性破片打击轨迹线，得到活性破片战斗部毁伤威力场。

进一步地，所述步骤(1)中，单枚活性破片的最小杀伤动能的确定方法为：

设活性破片的最小杀伤动能为E_min，

若目标为非易燃/易爆物，则E_min为相同尺寸和质量惰性金属破片对目标的最小杀伤动能；

若目标为易燃/易爆物，则E_min为贯穿目标防护层靶板的最小能量，即：

其中，v_s为弹道极限速度；m_p为活性破片质量；h为靶板厚度；A为活性破片平均着靶面积；k,α,β为实验系数。

进一步地，所述步骤(2)中，计算破片分布的概率密度曲线的方法为：

静态时，破片在战斗部轴向的半平面上服从正态分布，由破片静态飞散角及静态方向角确定正态分布的期望和方差，则静态破片分布密度函数

为：

其中，

为破片飞散方向与轴线的夹角，

和Ω分别为战斗部的静态方向角和静态飞散角；

根据静态破片分布密度函数得到破片分布的概率密度曲线

进一步地，所述步骤(2)中，计算破片的动态分布曲线的具体方法为：

利用误差函数计算破片分布的积分函数为：

得到破片分布的积分曲线

利用

求出破片的动态分布曲线

设v_c为战斗部的终点速度，v_x为战斗部壳体上某一微元的速度，则有：

其中，

进一步地，所述步骤(2)中，根据起爆方式计算单枚活性破片的速度，具体方法为：

若起爆方式为两端起爆，设药柱的长度为2l，则单枚破片的速度为：

若起爆方式为中心起爆，设药柱的长度为2l，则单枚破片的速度为：

若起爆方式为一端起爆，设药柱的长度为l，则单枚破片的速度为：

其中，D为炸药爆速；α＝x/l，l_x为壳体各微元离引爆点的距离，r₀为药柱的半径，r为壳体破裂时半径,β为装填系数。

进一步地，所述步骤(3)中，计算破片最大杀伤距离的方法为：

活性破片战斗部的破片总数为：

式中，N为破片总数；M为战斗部总质量；β为装填系数；m₁为外壳和缓冲层质量；m_p为破片质量；

单枚破片速度衰减规律为

式中，

为飞行距离为x时破片的速度；ξ为破片速度的衰减系数；x为飞行距离；c_x为破片迎面阻力系数；ρ为爆炸当地空气密度；S为破片迎风面积；g为爆炸当地的重力加速度；

对于战斗部中所有活性破片均做公式(14)的计算，即n_x取值范围为1≤n_x≤N，则可得到破片战斗部中所有破片的最大杀伤距离。

进一步地，所述步骤(3)中，绘制活性破片打击轨迹线的方法为：

在空间中建立直角坐标系，假设战斗部在空间爆炸时的坐标为(x₀,y₀,z₀)，通过步骤(2)破片飞散特性分析，得到第n_x枚破片的飞散方向，假设其速度矢量在该坐标系中可表示为(Vx,Vy,Vz)，绘制射击线时，起点为战斗部位置(x₀,y₀,z₀)，设终点坐标为(x_R,y_R,z_R)，坐标值可表示为

对于战斗部中所有活性破片均做公式(15)的计算，则可得到战斗部中所有活性破片的终点位置，根据战斗部所有活性破片的终点位置绘制整个活性破片战斗部的毁伤威力场。

有益效果：相比较现有技术，本发明提供一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法，可以分析战斗部结构参数和终点弹道对毁伤威力场的影响，为战斗部设计和终点弹道优化提供指导和参考。通过该方法可计算活性破片战斗部毁伤威力场，从而提高计算效率，而且，可以获得规律性的数据，优化设计战斗部结构和终点弹道参数，不受经费和实验条件限制。

附图说明

图1为活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法的流程图；

图2为活性破片战斗部的结构示意图；

图3(a)为单枚破片飞散示意图；

图3(b)为战斗部破片飞散区域示意图；

图4(a)为落角为90°的活性破片战斗部毁伤威力场的绘制图；

图4(b)为落角为60°的活性破片战斗部毁伤威力场的绘制图；

图4(c)为落角为45°的活性破片战斗部毁伤威力场的绘制图；

具体实施方式

下面根据具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,包括以下三部分内容:

(1)单枚活性破片毁伤能力研究：

设活性破片的最小杀伤动能为E_min，判断目标是否为易燃/易爆物，根据判断结果确定单枚活性破片作用不同类型目标的最小杀伤动能；当活性破片的能量大于等于最小杀伤动能时，可以对目标造成毁伤。

活性破片在作用目标过程中是通过动能碰撞和化学能释放的共同作用实现对目标的联合毁伤，若目标为如人员、雷达等非易燃/易爆物时，可以认为在杀伤非易燃/易爆性目标时，不考虑爆燃化学反应的影响，则单枚活性破片的杀伤准则与惰性金属破片相当，即E_min为相应(同尺寸和质量)惰性金属破片对目标的最小杀伤动能；

然而，当活性破片作用易燃/易爆类目标时，由于活性破片在碰撞过程中会被激活发生爆燃/爆炸化学反应，可有效提高引燃、引爆能力。因此，近似认为当活性破片贯穿防护层靶板后，爆燃/爆炸化学反应即可完成引燃、引爆，实现对目标的毁伤。也就是说，活性破片毁伤易燃/易爆类目标所需的最小动能要比惰性金属破片小得多。若目标为易燃/易爆物，则E_min为能够贯穿目标防护层靶板的最小能量，即：

而活性破片贯穿等效铝靶的弹道极限速度为：

其中，v_s为弹道极限速度(m/s)；m_p为活性破片质量(g)；h为靶板厚度(cm)；A为活性破片平均着靶面积(cm²)；k,α,β为实验系数。本实施例的活性破片采用活性破片侵彻铝板制作，k,α,β取值分别为1855.7,0.4143,-0.5549。

(2)破片空间飞散特性研究：

活性破片战斗部示意如图2所示，对称轴5往外依次为炸药4、缓冲层3、活性破片2及壳体1。需要注意的是，缓冲层主要用于防止活性破片在驱动过程中发生破碎或反应。设起爆点在战斗部的轴线上，破片在战斗部径向上分布均匀，且静态时破片在轴向的半平面上服从正态分布，正态分布的参数(期望和方差)由破片静态飞散角以及静态方向角确定，则静态破片分布密度函数

为：

其中，

为破片飞散方向与轴线的夹角，

和Ω分别为战斗部的静态方向角和静态飞散角；

根据公式(3)、公式(4)得到破片分布的概率密度曲线

可以使用Matlab软件中的误差函数计算破片分布的积分函数

为：

得到破片分布的积分曲线

利用

求出破片的动态分布曲线

实际战斗部的破片初速根据起爆方式的不同沿着战斗部的壳体分布不同，这必然对战斗部破片的动态分布带来影响。若考虑破片初速沿壳体的变化，设v_c为战斗部的终点速度，v_x为战斗部壳体上某一微元的速度，则有：

其中，

破片终点飞散见图3所示，图3(a)是单枚破片飞散示意图，图3(b)是战斗部破片飞散区域的示意图。

战斗部的起爆方式不同，v_x的分布关系也有所差别，下面根据破片的动态分布曲线及战斗部的起爆方式计算单枚活性破片的速度，得到活性破片的飞散特性：

若起爆方式为两端起爆，设药柱的长度为2l，则单枚破片的速度为：

若起爆方式为中心起爆，设药柱的长度为2l，则单枚破片的速度为：

若起爆方式为一端起爆，设药柱的长度为l，则单枚破片的速度为：

其中，D为炸药爆速；α＝x/l，l_x为壳体各微元离引爆点的距离，r₀为药柱的半径，r为壳体破裂时半径，β为装填系数。

(3)战斗部毁伤威力场绘制：

活性破片战斗部的破片总数为：

式中，N为破片总数；M为战斗部总质量；β为装填系数；m₁为外壳和缓冲层质量；m_p为破片质量；

单枚破片速度衰减规律为

式中，

为飞行距离为x时破片的速度；ξ为破片速度的衰减系数；x为飞行距离；c_x为破片迎面阻力系数；ρ为爆炸当地空气密度；S为破片迎风面积；g为爆炸当地的重力加速度；

破片战斗部中共有破片总数为N，第n_x枚破片的最大杀伤距离为R_max-nx，根据，根据E_min、

m_p可得：

按照上述方法，通过循环计算的方法，即n_x取值范围为1≤n_x≤N，则可得到破片战斗部中所有破片的最大杀伤距离。

在空间中建立直角坐标系，假设战斗部在空间爆炸时的坐标为(x₀,y₀,z₀)，通过步骤(2)破片飞散特性分析，得到第n_x枚破片的飞散方向，假设其速度矢量在该坐标系中可表示为(Vx,Vy,Vz)，绘制射击线时，起点为战斗部位置(x₀,y₀,z₀)，设终点坐标为(x_R,y_R,z_R)，坐标值可表示为

按照上述方法，通过循环计算的方法，则可得到战斗部中所有活性破片的终点位置，从而绘制出整个破片战斗部的毁伤威力场。

本实施例选取战斗部质量为100kg，破片质量为10g的活性破片战斗部进行了实验，破片形状为球形，爆高为20m，战斗部终点速度为300m/s，起爆方式为中心起爆，壳体和缓冲层质量为20kg，最小杀伤动能为80J，以落角为90°、60°、45°三种条件绘制出活性破片毁伤威力场，如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，该毁伤场可较为清晰的表示破片战斗部的打击范围。

Claims (7)

1.一种活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)判断目标是否为易燃/易爆物，根据判断结果确定单枚活性破片的最小杀伤动能；

(2)计算战斗部活性破片分布的概率密度曲线，由活性破片分布的概率密度曲线计算破片的动态分布曲线，根据破片的动态分布曲线及战斗部的起爆方式计算单枚活性破片的速度，得到战斗部活性破片的飞散特性；

(3)基于破片速度衰减规律，并结合步骤(1)得到的单枚活性破片的最小杀伤动能，计算破片最大杀伤距离；建立直角坐标系，并根据步骤(2)得到的活性破片的飞散特性及破片最大杀伤距离绘制活性破片打击轨迹线，得到活性破片战斗部毁伤威力场。

2.根据权利要求1所述的活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,其特征在于,所述步骤(1)中，单枚活性破片的最小杀伤动能的确定方法为：

设活性破片的最小杀伤动能为E_min，

若目标为非易燃/易爆物，则E_min为相同尺寸和质量惰性金属破片对目标的最小杀伤动能；

若目标为易燃/易爆物，则E_min为贯穿目标防护层靶板的最小能量，即：

其中，v_s为弹道极限速度；m_p为活性破片质量；h为靶板厚度；A为活性破片平均着靶面积；k,α,β为实验系数。

3.根据权利要求1或2所述的活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,其特征在于,所述步骤(2)中，计算破片分布的概率密度曲线的方法为：

静态时，破片在战斗部轴向的半平面上服从正态分布，由破片静态飞散角及静态方向角确定正态分布的期望和方差，则静态破片分布密度函数

为：

其中，

为破片飞散方向与轴线的夹角，

和Ω分别为战斗部的静态方向角和静态飞散角；

根据静态破片分布密度函数得到破片分布的概率密度曲线

4.根据权利要求3所述的活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,其特征在于,所述步骤(2)中，计算破片的动态分布曲线的具体方法为：

利用误差函数计算破片分布的积分函数为：

得到破片分布的积分曲线

利用

求出破片的动态分布曲线

设v_c为战斗部的终点速度，v_x为战斗部壳体上某一微元的速度，则有：

其中，

5.根据权利要求4所述的活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,其特征在于,所述步骤(2)中，根据起爆方式计算单枚活性破片的速度，具体方法为：

若起爆方式为两端起爆，设药柱的长度为2l，则单枚破片的速度为：

若起爆方式为中心起爆，设药柱的长度为2l，则单枚破片的速度为：

若起爆方式为一端起爆，设药柱的长度为l，则单枚破片的速度为：

其中，D为炸药爆速；α＝x/l，l_x为壳体各微元离引爆点的距离，r₀为药柱的半径，r为壳体破裂时半径,β为装填系数。

6.根据权利要求5所述的活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,其特征在于,所述步骤(3)中，计算破片最大杀伤距离的方法为：

活性破片战斗部的破片总数为：

式中，N为破片总数；M为战斗部总质量；β为装填系数；m₁为外壳和缓冲层质量；m_p为破片质量；

单枚破片速度衰减规律为

式中，

为飞行距离为x时破片的速度；ξ为破片速度的衰减系数；x为飞行距离；c_x为破片迎面阻力系数；ρ为爆炸当地空气密度；S为破片迎风面积；g为爆炸当地的重力加速度；

破片战斗部中共有破片总数为N，第n_x枚破片的最大杀伤距离为R_max-nx，根据，根据E_min、

m_p可得：

对于战斗部中所有活性破片均做公式(14)的计算，即n_x取值范围为1≤n_x≤N，则可得到破片战斗部中所有破片的最大杀伤距离。

7.根据权利要求5所述的活性破片战斗部毁伤威力场的获取方法,其特征在于,所述步骤(3)中，绘制活性破片打击轨迹线的方法为：

在空间中建立直角坐标系，假设战斗部在空间爆炸时的坐标为(x₀,y₀,z₀)，通过步骤(2)破片飞散特性分析，得到第n_x枚破片的飞散方向，假设其速度矢量在该坐标系中可表示为(Vx,Vy,Vz)，绘制射击线时，起点为战斗部位置(x₀,y₀,z₀)，设终点坐标为(x_R,y_R,z_R)，坐标值可表示为

对于战斗部中所有活性破片均做公式(15)的计算，则可得到战斗部中所有活性破片的终点位置，根据战斗部所有活性破片的终点位置绘制整个活性破片战斗部的毁伤威力场。

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