CN114508970A - 高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法与评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法与评估方法，经过能量、力学、安全一体化配方设计和制备工艺研究，所得含能微弹丸性能兼具高强度、较高密度和一定活性，可降低战斗部重量，提高装填比，具有极佳的侵彻、爆炸和燃烧的多重复合毁伤效果，可有效毁伤装甲钢、铝板及典型防热材料板。通过猛炸药爆炸驱动，高强度含能微弹丸可保持极好的完整性及对目标的毁伤效果。高强度含能微弹丸配方设计合理，原材料来源可靠，制造工艺技术成熟，稳定性好。采用梯度装药方式，经仿真模拟，高强度含能微弹丸战斗部具有实现可行性，可高效拦截飞行器，降低制导精度。同时，评估方法，该方法更加简单、高效和可靠。

Description

高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法与评估方法
技术领域
本发明涉及一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法与评估方法，属于含能材料、战斗部领域。
背景技术
目前，防空反导战斗部对目标的方式主要通过导弹直接命中目标或接近目标后战斗部爆炸形成的破片场及冲击波对目标进行毁伤。对于常规武器弹药而言在没有精准制导引信条件下直接命中目标较难实现，而冲击波的冲击毁伤效应会随着距离的增加而迅速衰减。因此，战斗部爆炸后产生的破片场对目标进行毁伤是最为常见的一种毁伤途径。然而，由于常规战斗部使用惰性钨合金作为破片，具有以下几个方面的弊病：(1)破片的有效杀伤半径仅为米量级，弹目相对速度较高情况下，造成对精确制导的要求极其高，脱靶距离需在很小的范围内才能击中目标，很难满足100％的杀伤概率；(2)为保证破片能有效击穿目标，破片需具有较高的动能和较大的质量，因此势必会大大减少破片的数量，造成单位面积上靶量有限；(3)为了追求制导的精度，势必会牺牲战斗部的重量，降低了战斗部的有效载荷，从而降低了战斗部的效费比。此外，研究在不同破片散布态势条件下对目标的毁伤作用是衡量目标毁伤效能以及做出毁伤评估的重要因素之一。由于战斗部爆炸形成的破片场在空间中的散布态势是随机的、不确定的，导致了毁伤目标时破片对目标的打击效果具有随机性和不确定性，进而使得目标在遭遇打击后呈现不同的毁伤程度。因此，现阶段针对在不同交汇条件下建立的破片散布态势模型与目标毁伤的关联计算方法是复杂的、繁琐的，同时也无法将活性破片的后效毁伤效应耦合进去，所以是不可靠的。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前以惰性钨合金为毁伤元的常规战斗部杀伤半径小、制导精度高、毁伤机理单一、毁伤效费比低及由此造成的毁伤评估方法复杂繁琐的诸多问题，解决常规防空反导方式对高速飞行器难以形成实质性威胁的技术难题，提供了一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法与评估方法，相对于常规战斗部爆炸产生的惰性破片场，该高强度含能微弹丸毁伤云杀伤半径大、拦截概率高、毁伤机理多元、毁伤效费比高，且评估方法简单、高效、可靠。
本发明涉及一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法与评估方法，其中，含能微弹丸主要包括金属单质或金属间化合物、铝热剂、亚稳态分子化合物及金属氢化物等。含能微弹丸除了具有极高的强度之外，还兼具有较高的密度和一定的活性，通常在静态或准静态载荷情况下有足够的钝感保持结构的完整性，在对目标发起冲击时有极好的侵彻能力，作为活性破片还可实现爆破效应、高温效应和纵火效应的多重打击，在防空反导、破甲破障、反辐射等国防领域具有极大的发展潜力。
含能微弹丸毁伤云，即战斗部装填大量含能微弹丸，通过战斗部抛撒形成大面积含能破片云团，在目标弹道前方形成大范围的封锁区域。当目标穿越含能破片云团时，通过含能微弹丸撞击目标后对其防热结构进行预毁伤，破坏其热平衡，使防热结构产生局部严重烧蚀，进而产生穿孔、破碎或脱落等破坏，最终使目标解体或者偏离预定弹道。含能微弹丸毁伤云的毁伤机理主要包括含能破片与飞行器碰撞所产生的动能、含能破片的爆炸能以及飞行器高速飞行的气动力和气动热能，与常规惰性破片单一动能作用相比，这是一种典型的复合能作用。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，包括：
S1、选取高强度含能微弹丸作为战斗部破片；
S2、采用大速度梯度技术、速度梯度均匀化技术、多层破片驱动控制技术进行战斗部结构设计；
S3、选取装药壳体作为战斗部承力结构；
S4、选取适中爆速的炸药作为战斗部装药；
S5、选取战斗部尺寸、含能微弹丸尺寸、散布密度、散布半径、抛速、云团形成时间、持续时间等关键参数，计算含能微弹丸数量和质量。
优选地，所述高强度含能微弹丸材料包括活性合金材料、活性非晶材料、活性高熵合金材料等。
优选地，所述大速度梯度技术、速度梯度均匀化技术、多层破片驱动控制技术包括梯度装药、球形装药等。
含能微弹丸的爆炸分散技术直接影响到毁伤云的毁伤半径和云团中含能微弹丸分布的均匀性、以及弹目遭遇过程含能微弹丸的可靠密度。其中，大速度梯度技术是实现径向均匀散布的关键与核心，速度梯度越大，形成的毁伤云中心盲区越小；速度梯度均匀化技术是保证含能微弹丸径向间距的关键；多层破片驱动控制技术是精确驱动战斗部内部几十万甚至上百万枚含能微弹丸的关键。为此，在含能微弹丸战斗部中设计梯度抛撒组件或球形抛撒组件。梯度抛撒组件是将战斗部主体和主装药设计成具有一定锥度的形状，增大含能微弹丸最高抛速和最低抛速差距。球形抛撒组件则是含能微弹丸在表面呈球面布置，球形装药置于球心处，抛撒后呈球面散布。同时，将装药壳体作为承力结构，保证战斗部含能微弹丸均匀分布。
优选地，所述装药壳体材料包括铝合金、铝镁合金等。
优选地，所述适中爆速的炸药包括HMX基混合炸药、RDX基混合炸药、NTO基混合炸药等。
优选地，所述含能微弹丸尺寸包括5mm及5mm以下，形状包括柱形、方形、球形等。
一种高强度含能微弹丸毁伤云的评估方法，包括：
S1、以上述设计的战斗部为研究对象，通过理论计算不同时刻含能微弹丸散布范围及平均散布密度；
S2、采用Monte-Carlo仿真方法，对含能微弹丸速度、方向和尺寸进行随机抽样，选取约1m×1m的扇形区域作为统计区域，统计出每个区域内含能微弹丸平均散布密度，并与理论计算结果进行对比；
S3、根据100次Monte-Carlo仿真，计算出含能微弹丸在威力半径内各个统计区域满足散布密度要求的概率；
S4、通过工程计算与数值仿真，得到合理可行的含能微弹丸战斗部技术方案；
S5、通过发射装置、激活装置和拍摄装置对含能微弹丸的毁伤效能进行评估；
S6、通过战斗部抛撒装置对含能微弹丸的抛撒完整性、散布密度和毁伤效能进行评估；
S7、综合理论计算、数值仿真及实验验证得到的三维碎片云动能信息、火光区轮廓信息、碎片云燃烧温度信息等结果，对高强度含能微弹丸毁伤云进行综合评估。
优选地，发射装置可包括但不限于弹道枪、弹道炮、轻气炮等；
激活装置可包括但不限于典型等效靶板；
拍摄装置包括但不限于脉冲X光摄影装置、高速摄影装置和红外测温仪。
本发明有益效果：
一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法与评估方法，其中，经过能量、力学、安全一体化配方设计和制备工艺研究，所得含能微弹丸性能兼具高强度、较高密度和一定活性，可降低战斗部重量，提高装填比。高强度含能微弹丸具有极佳的侵彻、爆炸和燃烧的多重复合毁伤效果，可有效毁伤装甲钢、铝板及典型防热材料板。高强度含能微弹丸通过猛炸药爆炸驱动，可保持极好的完整性及对目标的毁伤效果。高强度含能微弹丸配方设计合理，原材料来源可靠，有保证，制造工艺技术成熟，工艺技术先进，稳定性好。此外，经理论计算和仿真模拟，含能微弹丸战斗部具有实现可行性，可高效拦截飞行器，降低制导精度。最后，对含能微弹丸毁伤云的评估方法更加合理、高效、可靠。
附图说明
图1是实施例高强度含能微弹丸实物照片；
图2是实施例含能微弹丸战斗部结构照片；
图3是实施例50ms时刻含能微弹丸散布范围及散布密度；
图4是实施例50ms时刻威力半径内各个统计区域满足散布密度要求的概率；
图5是实施例含能微弹丸的地面毁伤试验结果；
图6是实施例含能微弹丸的地面静爆试验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细说明本发明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。除非特别说明，本发明实施例使用的各种原料均可以通过常规市购得到，或根据本领域的常规方法制备得到，所用设备为实验常用设备。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。
实施例1
一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，包括：
S1、选取高强度金属合金含能微弹丸作为战斗部破片，如图1；
S2、采用中心管梯度装药进行战斗部结构设计，如图2；
S3、选取1.5mm铝合金装药壳体作为战斗部承力结构；
S4、选取RDX基炸药作为战斗部装药；
S5、选取战斗部作用高度30km以上、尺寸
Figure BDA0003464721710000041
×295mm、含能微弹丸尺寸为5mm圆柱、战斗部威力半径为20m、形成时间为50ms、持续时间为40～60ms、平均速度为400m/s等关键参数，计算得到含能微弹丸数量为35.7万枚、质量为27.5kg。
该高强度含能微弹丸毁伤云的评估方法，包括：
S1、通过理论计算50ms时刻含能微弹丸散布范围外径达到20m、内部半径为4m，最低平均散布密度为15枚/m2；
S2、采用Monte-Carlo仿真方法，对含能微弹丸速度、方向和尺寸进行随机抽样，选取约1m×1m的扇形区域作为统计区域，统计出每个区域内含能微弹丸最低平均散布密度满足设计要求，如图3；
S3、根据100次Monte-Carlo仿真，计算出50ms时刻含能微弹丸在威力半径内各个统计区域满足散布密度要求的概率为1，如图4；
S4、通过工程计算与数值仿真，该含能微弹丸战斗部技术方案合理可行；
S5、通过12.7mm弹道枪、12mm钢板和高速摄影、红外热成像仪对含能微弹丸的毁伤效能进行评估，毁伤效果如图5；
S6、通过地面静爆试验对含能微弹丸的抛撒完整性、散布密度和毁伤效能进行评估，试验效果如图6；
综合理论计算、数值仿真和实验验证得到的结果可知，5mm圆柱高强度含能微弹丸毁伤云完全可以满足技术要求。
实施例2
一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，包括：
S1、选取高强度金属合金含能微弹丸作为战斗部破片；
S2、采用中心管梯度装药进行战斗部结构设计；
S3、选取1.5mm铝合金装药壳体作为战斗部承力结构；
S4、选取RDX基炸药作为战斗部装药；
S5、选取战斗部作用高度30km以上、尺寸
Figure BDA0003464721710000051
×440mm、含能微弹丸尺寸为5mm圆柱、战斗部威力半径为20m、形成时间为50ms、持续时间为40～60ms、平均速度为400m/s等关键参数，计算得到含能微弹丸数量为52.6万枚、质量为40.5kg。
该高强度含能微弹丸毁伤云的评估方法，包括：
S1、通过理论计算50ms时刻含能微弹丸散布范围外径达到20m、内部半径为4m，最低平均散布密度为22.5枚/m2；
S2、采用Monte-Carlo仿真方法，对含能微弹丸速度、方向和尺寸进行随机抽样，选取约1m×1m的扇形区域作为统计区域，统计出每个区域内含能微弹丸最低平均散布密度满足设计要求；
S3、根据100次Monte-Carlo仿真，计算出50ms时刻含能微弹丸在威力半径内各个统计区域满足散布密度要求的概率为1；
S4、通过工程计算与数值仿真，该含能微弹丸战斗部技术方案合理可行；
S5、通过12.7mm弹道枪、12mm钢板和高速摄影、红外热成像仪对含能微弹丸的毁伤效能进行评估；
S6、通过地面静爆试验对含能微弹丸的抛撒完整性、散布密度和毁伤效能进行评估；
综合理论计算、数值仿真和实验验证得到的结果可知，5mm圆柱高强度含能微弹丸毁伤云完全可以满足技术要求。
实施例3
一种高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，包括：
S1、选取高强度高熵合金含能微弹丸作为战斗部破片；
S2、采用中心管梯度装药进行战斗部结构设计；
S3、选取1.5mm铝合金装药壳体作为战斗部承力结构；
S4、选取RDX基炸药作为战斗部装药；
S5、选取战斗部作用高度30km以上、尺寸
Figure BDA0003464721710000061
×580mm、含能微弹丸尺寸为5mm球、战斗部威力半径为20m、形成时间为50ms、持续时间为40～60ms、平均速度为400m/s等关键参数，计算得到含能微弹丸数量为85.3万枚、质量为53.0kg。
该高强度含能微弹丸毁伤云的评估方法，包括：
S1、通过理论计算50ms时刻含能微弹丸散布范围外径达到20m、内部半径为4m，最低平均散布密度为36.9枚/m2；
S2、采用Monte-Carlo仿真方法，对含能微弹丸速度、方向和尺寸进行随机抽样，选取约1m×1m的扇形区域作为统计区域，统计出每个区域内含能微弹丸最低平均散布密度满足设计要求；
S3、根据100次Monte-Carlo仿真，计算出50ms时刻含能微弹丸在威力半径内各个统计区域满足散布密度要求的概率为1；
S4、通过工程计算与数值仿真，该含能微弹丸战斗部技术方案合理可行；
S5、通过12.7mm弹道枪、10mm钢板+2mm铝板和高速摄影、红外热成像仪对含能微弹丸的毁伤效能进行评估；
S6、通过地面静爆试验对含能微弹丸的抛撒完整性、散布密度和毁伤效能进行评估；
综合理论计算、数值仿真和实验验证得到的结果可知，5mm球高强度含能微弹丸毁伤云完全可以满足技术要求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取高强度含能微弹丸作为战斗部破片；
S2、采用大速度梯度技术、速度梯度均匀化技术、多层破片驱动控制技术进行战斗部结构设计；
S3、选取装药壳体作为战斗部承力结构；
S4、选取适中爆速的炸药作为战斗部装药；
S5、选取战斗部尺寸、含能微弹丸尺寸、散布密度、散布半径、抛速、云团形成时间、持续时间关键参数，计算含能微弹丸数量和质量。
2.根据权利要求1所述的高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，其特征在于，所述高强度含能微弹丸材料包括活性合金材料、活性非晶材料、活性高熵合金材料。
3.根据权利要求1所述的高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，其特征在于，所述大速度梯度技术、速度梯度均匀化技术、多层破片驱动控制技术包括梯度装药、球形装药、组合装药。
4.根据权利要求1所述的高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，其特征在于，所述装药壳体材料包括铝合金、铝镁合金。
5.根据权利要求1所述的高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，其特征在于，所述适中爆速的炸药包括HMX基混合炸药、RDX基混合炸药、NTO基混合炸药。
6.根据权利要求1所述的高强度含能微弹丸毁伤云的制备方法，其特征在于，所述含能微弹丸尺寸包括5mm及5mm以下，形状包括柱形、方形、球形。
7.高强度含能微弹丸毁伤云的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以权利要求1到6任一项制备方法所得的战斗部为研究对象，通过理论计算不同时刻含能微弹丸散布范围及平均散布密度；
S2、采用Monte-Carlo仿真方法，对含能微弹丸速度、方向和尺寸进行随机抽样，选取约1m×1m的扇形区域作为统计区域，统计出每个区域内含能微弹丸平均散布密度，并与理论计算结果进行对比；
S3、根据100次Monte-Carlo仿真，计算出含能微弹丸在威力半径内各个统计区域满足散布密度要求的概率；
S4、通过工程计算与数值仿真，得到合理可行的含能微弹丸战斗部技术方案；
S5、通过发射装置、激活装置和拍摄装置对含能微弹丸的毁伤效能进行评估；
S6、通过战斗部抛撒装置对含能微弹丸的抛撒完整性、散布密度和毁伤效能进行评估；
S7、综合理论计算、数值仿真及实验验证得到的三维碎片云动能信息、火光区轮廓信息、碎片云燃烧温度信息结果，对高强度含能微弹丸毁伤云进行综合评估。
8.根据权利要求7所述的高强度含能微弹丸毁伤云的评估方法，其特征在于，发射装置包括弹道枪、弹道炮、轻气炮；
激活装置包括典型等效靶板；
拍摄装置包括脉冲X光摄影装置、高速摄影装置和红外测温仪。
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