爆炸成形弹丸（EFP）飞行稳定性研究

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

炸药爆炸在瞬间释放出化学能，从而导致爆炸产生的气体产物迅速向四周膨胀并做功，由于具有这种特质，炸药在工业和军事上被广泛应用。聚能装药是指一端有空穴，另一端有雷管的炸药药柱，当炸药被引爆时，在空穴中集中爆轰产物的能量，从而产生强大的聚能作用，当空穴对准靶板时，该聚能作用能在靶板上产生比不带空穴炸药药柱深的凹坑。这种现象在美国和英国称为门罗效应，在欧洲称为冯·福斯特或纽曼效应[1]。如果在空穴内衬以药型罩，就能利用其所吸收的爆炸能量，转变为动能，形成高速射流或者自锻弹丸。lf0020

爆炸成型侵彻体（Explosively-Formed Penetrator，EFP）是近30年来发展起来的一项新技术，它是利用聚能原理，通过炸药的爆轰作用使大锥角药型罩或球缺形药型罩压垮、翻转变形而形成的一个高速弹丸，从而以动能侵彻目标[2-3]。这种“弹丸”具有高速度、大炸高、能在1000倍口径距离上保持完整的“弹丸”特性来攻击目标等特点。正是由于具备这些特点，使得它在军事上有着特殊的用途。近十多年来，爆炸成型弹丸技术受到了极大的重视，各军事强国相继开展了EFP的成型机理、运动规律和毁伤效能的数值模拟和试验研究，并将其投入实际应用[4]。因此，本文选择爆炸成型弹丸技术作为研究对象。

从目前已装备EFP的战斗部战技指标要求上看，EFP能在8-1000倍装药口径的射程上有作用。要达到这个目标，必须保证EFP在这段空气弹道段飞行稳定，且保持很好的侵彻效果。而作为EFP关键技术的气动性能和对靶板的侵彻性能决定于EFP的结构形状，因此，EFP最关键的技术是EFP的成型。

图1.1 爆炸成形弹丸

影响EFP成型的因素主要来自三方面，即起爆、装药及药形罩。就起爆来看，主要包括单点起爆、多点起爆、环形起爆等；就装药来讲，装药的密度、装药的尺寸、装药的爆速等是关键因素；就药形罩来讲，药形罩材料的机械性能、药形罩的形状及几何尺寸是关键技术。另外还有一些研究把壳体形状及厚度、壳体材料、隔板形状等作为影响因素。也有一些研究人员将重点放在金属材料的研究上，例如研究晶粒度对工业纯铁变形性能的影响、爆炸冲击硬化对高应变率材料铜和铁的影响、材料性能的动态实验与模拟等[5]。本文中选取了次口径药型罩半径的大小、药型罩边缘厚度、边缘倒角和厚度作为影响因素进行研究。

本课题在这样的研究背景下展开，主要研究爆炸成形弹丸的成型和飞行稳定性。通过LS-DYNA建立仿真模型，计算仿真结果，并对优化结构的爆炸成形弹丸进行气动性分析。而在成型方面，本文中选取了次口径药型罩半径的大小、药型罩边缘厚度、边缘倒角和厚度作为影响因素进行研究。最终希望得到飞行稳定性优良，侵彻能力较强的爆炸成形弹丸。

1.2 国内外研究概况

1.2.1 国外聚能装药研究概况

18世纪末,采矿工程师弗朗兹·冯·巴德首次发现在一端有空穴的炸药药柱被引爆后可以使炸药爆炸能量集中到一个小面积上从而增加侵彻效果,这是关于聚能装药现象的最早记载[6]。

1867年，阿尔弗雷德·诺贝尔发明了雷管，由雷管引爆的爆炸反应能通过炸药柱进行传播，这样在无外壳的作用下，炸药就可形成爆轰波或者冲击波。

1888年，门罗将炸药药块和钢板相接触进行起爆，在炸药装药引爆点的相对面上刻有标志U.S.N(美国海军)字样，炸药爆炸后发现在钢板上也出现同样的字样。门罗进一步观察到，当在炸药块内形成空穴时，对钢板的侵彻深度增加，即利用较少质量的炸药就可在钢板上形成较深的空穴，人们将这一现象称为门罗效应。1911年，德国的纽曼指出带有锥形空穴的圆柱体炸药对钢板的侵彻深度比实心圆柱体炸药对钢板的侵彻深度要大，德国将这一现象称为纽曼效应。