CN117663913A - 一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构 - Google Patents

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汤江河
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郭艺进
苏宗峰
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Abstract

本发明属于弹药的战斗部技术领域,具体涉及一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,所述复合壳体结构由内向外依次包括:壳体内层、壳体芯层和壳体表层。所述壳体内层和壳体表层采用铝合金或镁合金轻质金属,厚度在1~3mm之间。所述壳体芯层采用聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺或聚碳酸酯的低密度非金属材料,厚度在2~5mm之间。所述壳体芯层加工成整体或在环向上分为若干瓣。所述复合壳体结构的多界面设计能够大幅降低冲击波幅值,同时扰动冲击波形,进而耗散传入装药中的能量,使得装药反应不高于燃烧。

Description

一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构
技术领域
本发明属于弹药的战斗部技术领域,具体涉及一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构。
背景技术
聚能战斗部分为聚能破甲战斗部和爆炸成型弹丸(EFP)战斗部,主要用来击毁坦克、装甲车辆和混凝土构筑工事等。聚能战斗部是依靠金属药型罩形成的金属射流/EFP来击毁目标的,它对发射平台提供的初速要求不高,可适用于多种武器系统,如身管火炮(含无后坐力炮)、火箭炮(含肩扛式火箭筒)、抛投(航弹)、布设(地雷)、直升机/车载导弹等,是目前用的最多、最广的一种战斗部形式,已大量装备于坦克、装甲车辆、武装直升机、固定翼飞机、舰船等多种高价值平台。
传统的聚能战斗部结构如图1所示,主要由压环1、药型罩2、主药柱3、隔板4、副药柱5、压盖6、壳体7等组成。起爆装置一般安装于压盖的中心孔中,当导弹命中目标时,根据指令起爆副药柱,爆轰波绕过隔板向前传播,主药柱爆轰驱动药型罩,形成高速金属射流/EFP。金属射流/EFP侵彻进入目标内部,联合靶后破片对目标内部结构和人员设备进行毁伤。
随着对武器系统毁伤性能要求的不断提高,各种能量更高的炸药、发射药以及火工元件不断应用到弹药和战斗部中,而武器系统所处的战场环境却更为严酷,如何避免在火灾、子弹、破片、冲击波以及射流等剧烈外界刺激下引发的弹药爆炸,或使其被引爆的可能性最低,已经逐步成为弹药战斗部设计的基本要求,也就是弹药的不敏感要求。不敏感弹药在各种剧烈刺激条件下具有良好的稳定性,可以大大提高作战人员、武器装备的生存能力,大幅度降低对存贮、运输、维护的需求,减轻后勤保障的压力。我国在不敏感弹药研究方面起步较晚,早期各军种对不敏感弹药的考核主要是参照美军标MIL-STD-2105D执行。
聚能战斗部依靠药型罩形成的射流/EFP等毁伤元侵彻防护结构,战斗部本体不要求承受高速撞击过载,因此传统聚能战斗部设计一般只考核勤务、发射和气动等场景下的振动冲击响应。考虑到战斗部结构强度要求较低,为提高装药量和破甲威力,壳体采用单层薄壁筒状结构,选用铝合金、镁合金或碳纤维复合材料等轻质材料。除了机械接口处,壳体厚度在1~3mm之间。这种战斗部结构对装药的约束较弱,热刺激条件下装药分解产生的气体容易释放,因此聚能战斗部在快速烤燃和慢速烤燃条件下响应等级较低。但是,由于壳体是单层薄壁结构,冲击刺激下能量在壳体中耗散少,输入装药中的能量大,所以聚能战斗部难以通过冲击刺激的不敏感性能考核,特别是在破片撞击试验中,战斗部响应为爆炸甚至爆轰。一般战斗部设计要求破片撞击下反应等级不高于燃烧,传统聚能战斗部技术与设计要求差距较大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何提供一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,在聚能装药外壁安装该结构,可有效耗散破片撞击下输入战斗部中的冲击能量,使得战斗部反应等级不超过燃烧,增强战斗部的不敏感性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,所述复合壳体结构由内向外依次包括:壳体内层(7)、壳体芯层(8)和壳体表层(9)。
其中,所述壳体内层(7)和壳体表层(9)采用铝合金或镁合金轻质金属。
其中,所述壳体内层(7)和壳体表层(9)的厚度在1~3mm之间。
其中,所述壳体芯层(8)采用聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺或聚碳酸酯的低密度非金属材料。
其中,所述壳体芯层(8)的厚度在2~5mm之间。
其中,所述壳体芯层(8)加工成整体。
其中,所述壳体芯层(8)加工成在环向上分为若干瓣。
其中,战斗部装配时,先将药型罩、主药柱、隔板和副药柱用虫胶漆依次粘接固定,该部件称为合装药柱,合装药柱静止放置24小时以上,确保虫胶漆完全固化;
然后在壳体芯层内外表面涂上一定量硅橡胶,将壳体内层和壳体表层依次套在壳体芯层上,壳体内层和壳体表层两端通过螺钉或螺纹连接定位,由此形成复合壳体结构;
最后将合装药柱装入复合壳体结构内,在上下端面用分别压环和压盖压紧固定,形成聚能战斗部。
其中,所述聚能战斗部在受到破片撞击时,冲击波从壳体表层输入,壳体芯层非金属材料波阻抗低于壳体表层金属,在壳体表层和壳体芯层界面处先导冲击波幅值受到一定衰减,同时在反射波作用下后续冲击波也会减弱;
在较厚的壳体芯层中,高分子材料的粘性效应会进一步耗散冲击能量,同时壳体内层金属的支撑可以弥补壳体芯层强度的不足;
壳体内层金属的波阻抗大于装药波阻抗,因此冲击波在传入装药时会再次衰减。
其中,所述复合壳体结构的多界面设计能够大幅降低冲击波幅值,同时扰动冲击波形,进而耗散传入装药中的能量,使得装药反应不高于燃烧。
(三)有益效果
与现有技术相比较,本发明的关键点为:
(1)不敏感聚能战斗部抗破片撞击结构为三明治式复合壳体,由内层、芯层和表层组成。
(2)复合壳体内层和表层可采用铝合金或镁合金等轻质金属,厚度在1~3mm之间,芯层可采用聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺或聚碳酸酯等低密度非金属材料,厚度在2~5mm之间。芯层可以加工成整体或在环向上分为若干瓣。
(3)复合壳体材料选用基本原则为内层波阻抗大于装药,表层波阻抗大于芯层。
本发明的效果为:
本发明的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,在重量和厚度增加有限的情况下可以大幅衰减破片撞击的能量,使得战斗部反应等级由爆炸以上降为燃烧以下,增强战斗部的不敏感性能。复合壳体采用铝合金、镁合金、聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺或聚碳酸酯等轻质材料,密度较低,可以满足弹药系统对战斗部重量的约束。通过三层复合结构实现了波阻抗梯度变化,冲击波的幅值能够衰减50%以上,并且多次反射和透射扰动了冲击波形,有效降低了传入装药中的能量,从而可以在厚度增加有限的条件下实现降敏效果。
附图说明
图1为传统的聚能战斗部结构图。
图2为本发明结构示意图。
图3a及图3b为仿真模型示意图。
图3a为破片撞击传统结构战斗部。图3b为破片撞击复合壳体结构战斗部。
图4为下压力峰值比较图。
图5a及图5b为战斗部内装药的反应云示意图。
图5a为传统结构战斗部;图5b为复合壳体结构战斗部。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,如图2所示,所述复合壳体结构由内向外依次包括:壳体内层(7)、壳体芯层(8)和壳体表层(9)。
其中,所述壳体内层(7)和壳体表层(9)采用铝合金或镁合金轻质金属。
其中,所述壳体内层(7)和壳体表层(9)的厚度在1~3mm之间。
其中,所述壳体芯层(8)采用聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺或聚碳酸酯的低密度非金属材料。
其中,所述壳体芯层(8)的厚度在2~5mm之间。
其中,所述壳体芯层(8)加工成整体。
其中,所述壳体芯层(8)加工成在环向上分为若干瓣。
其中,战斗部装配时,先将药型罩、主药柱、隔板和副药柱用虫胶漆依次粘接固定,该部件称为合装药柱,合装药柱静止放置24小时以上,确保虫胶漆完全固化;
然后在壳体芯层内外表面涂上一定量硅橡胶,将壳体内层和壳体表层依次套在壳体芯层上,壳体内层和壳体表层两端通过螺钉或螺纹连接定位,由此形成复合壳体结构;
最后将合装药柱装入复合壳体结构内,在上下端面用分别压环和压盖压紧固定,形成聚能战斗部。
其中,所述聚能战斗部在受到破片撞击时,冲击波从壳体表层输入,壳体芯层非金属材料波阻抗低于壳体表层金属,在壳体表层和壳体芯层界面处先导冲击波幅值受到一定衰减,同时在反射波作用下后续冲击波也会减弱;
在较厚的壳体芯层中,高分子材料的粘性效应会进一步耗散冲击能量,同时壳体内层金属的支撑可以弥补壳体芯层强度的不足;
壳体内层金属的波阻抗大于装药波阻抗,因此冲击波在传入装药时会再次衰减。
其中,所述复合壳体结构的多界面设计能够大幅降低冲击波幅值,同时扰动冲击波形,进而耗散传入装药中的能量,使得装药反应不高于燃烧。
采用非线性动力学分析软件AUTODYN对传统结构和复合壳体结构的聚能战斗部在破片撞击下的响应进行了仿真计算。仿真模型如图3a及图3b所示,传统结构壳体为铝合金,复合壳体结构内层和表层为铝合金,芯层为聚乙烯。战斗部装药的冲击起爆行为采用点火与增长模型描述。按照海军标的规定采用18.6g圆柱高强钢破片,速度为1830m/s。提取破片撞击线上装药表层压力,如图4所示,传统结构下压力峰值为18.02GPa,复合壳体结构下压力峰值为7.10GPa,可以看出复合壳体结构可以大幅衰减冲击波强度。经过4μs后,战斗部内装药的反应度云图如图5a及图5b所示,可以看出传统结构战斗部中冲击波扫过的炸药区域反应度几乎为100%,可以认为发生了爆轰,而复合壳体结构战斗部中仅在炸药表层反应度较大,其余区域的反应度极低,说明炸药没有起爆。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述复合壳体结构由内向外依次包括:壳体内层(7)、壳体芯层(8)和壳体表层(9)。
2.如权利要求1所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述壳体内层(7)和壳体表层(9)采用铝合金或镁合金轻质金属。
3.如权利要求2所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述壳体内层(7)和壳体表层(9)的厚度在1~3mm之间。
4.如权利要求3所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述壳体芯层(8)采用聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺或聚碳酸酯的低密度非金属材料。
5.如权利要求4所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述壳体芯层(8)的厚度在2~5mm之间。
6.如权利要求5所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述壳体芯层(8)加工成整体。
7.如权利要求5所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述壳体芯层(8)加工成在环向上分为若干瓣。
8.如权利要求5所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,战斗部装配时,先将药型罩、主药柱、隔板和副药柱用虫胶漆依次粘接固定,该部件称为合装药柱,合装药柱静止放置24小时以上,确保虫胶漆完全固化;
然后在壳体芯层内外表面涂上一定量硅橡胶,将壳体内层和壳体表层依次套在壳体芯层上,壳体内层和壳体表层两端通过螺钉或螺纹连接定位,由此形成复合壳体结构;
最后将合装药柱装入复合壳体结构内,在上下端面用分别压环和压盖压紧固定,形成聚能战斗部。
9.如权利要求8所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述聚能战斗部在受到破片撞击时,冲击波从壳体表层输入,壳体芯层非金属材料波阻抗低于壳体表层金属,在壳体表层和壳体芯层界面处先导冲击波幅值受到一定衰减,同时在反射波作用下后续冲击波也会减弱;
在较厚的壳体芯层中,高分子材料的粘性效应会进一步耗散冲击能量,同时壳体内层金属的支撑可以弥补壳体芯层强度的不足;
壳体内层金属的波阻抗大于装药波阻抗,因此冲击波在传入装药时会再次衰减。
10.如权利要求9所述的不敏感聚能战斗部抗破片撞击复合壳体结构,其特征在于,所述复合壳体结构的多界面设计能够大幅降低冲击波幅值,同时扰动冲击波形,进而耗散传入装药中的能量,使得装药反应不高于燃烧。
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