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Keywords fuze technology safety height dynamics simulation ballistic calculation fragment initial velocity kill radius
目录
1绪论..1
1.1背景与意义..1
1.2引信自毁性能简介..1
1.4本文研究内容.4
2弹丸战斗部破片的理论研究.6
2.1破片的形成机理..6
2.2破片的类型.6
2.3破片的特性.7
2.3.1破片的数量与质量分布7
2.3.2破片初速..10
2.3.2.1破片初速度的计算10
2.3.2.2破片初速沿壳体分布11
2.3.2.3破片的速度衰减规律..12
2.3.2.4破片剩余速度..13
2.3.2.5破片的空间分布.13
3弹丸战斗部的安全高度分析..15
3.1破片远程外弹道数学模型..15
3.1.1质点外弹道方法..15
3.1.2作用在子弹上的力.15
3.1.2.1空气阻力.15
3.1.2.2重力17
3.1.3弹丸质心运动方程.17
3.1.4破片空中飞行运动情况..17
3.1.4.1破片阻力特性分析18
3.1.4.2当地空气密度..19
3.1.4.3破片迎风面积的计算..19
3.1.5建立破片远程外弹道数学模型..22
3.1.5.1建立坐标系22
3.1.5.2破片运动初始状态23
3.1.5.3破片外弹道数学模型..24
3.1.5.4破片在空中飞行的解析解24
3.2弹丸战斗部安全高度分析..25
3.2.1破片安全距离判据.26
3.2.2破片安全高度计算.27
3.3本章小结31
4弹丸战斗部破片初速仿真研究.33
4.1数值仿真理论基础..33
4.1.1数值模拟技术的工程应用.33
4.1.2LS-DYNA的发展历程.34
4.1.3LS-DYNA程序功能..36
4.1.4LS-DYNA程序分析流程37
4.2数学模型及仿真结果.38
4.2.1参数及模型.39
4.2.2算法选择..39
4.2.3材料模型及状态方程选择.39
4.2.4网格划分..42
4.2.5爆炸过程..43
4.2.6仿真结果与分析..44
5结论46
致谢..47
参考文献.48
1 绪论 1.1 背景与意义 引信空中自毁安全高度是指不危及地面设施和人员安全的条件下距离地面的最低高度。引信空炸和引信自毁时间上限均会涉及到安全高度这一概念。在小口径火炮武器系统中，引信自毁主要是在弹丸的降弧段作用，并保证一定的安全高度，以最大限度提高弹药利用率，保证我方地面人员的安全。目前还没有一个比较确切的计算方法来确定引信空中自毁时的安全高度。安全高度不能正确取值会影响引信自毁机构的设计。取值过大的话，可能会造成弹丸在未碰到目标时提前发生爆炸，影响弹丸爆炸威力；取值过小的话，会直接威胁我方人员和设备的安全，所以确定安全高度显得尤为重要。目前国内外确定安全高度一般是要求其为战斗部杀伤半径的 6~8倍，而具体为多少并没有统一规定。弹丸战斗部的有效杀伤半径可以通过试验的方法获得，还未有见到用试验的方法获得安全高度的。而在引信自毁机构设计中确定自毁时间时要用到安全高度这一概念，如果成型后的弹丸战斗部再去定安全高度已经是无济于事。所以在设计之初确定引信空中自毁时弹丸战斗部的安全高度显得非常重要。 本文通过研究建模仿真、经验公式计算、破片远程外弹道分析等探索安全高度的计算方法，并利用 ANSYS/LS-DYNA 软件进行仿真验证，以供引信自毁机构设计时使用。
1.2 引信自毁性能简介 自毁[1]又称为自炸，指弹丸或火箭弹在未命中目标后，在弹道上因故障（或其他原因）失去战机时引信按预定条件（时间、高度、指令等）将弹丸或战斗部自行炸毁的现象，实际上是引信的冗余发火机构。其设计初衷是为了解决己方人员进入弹着区（包括敌阵地和试验靶场）的安全问题。尽管表现的战术性能不同，但与其他的发火机构一样都是确保引信能够尽可能高地发火，引爆或引燃火工品，防止火工品在不可预知的情况下爆炸或燃烧源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/ ，影响作战性能或引起安全性事故。自毁机构用于以下场合[2]： a）高射炮榴弹引信。高射炮榴弹主要用于城市和野战防空。由于对付的目标时飞机，作战特点是用密集的火力封锁阵地上空。为了避免未命中目标的战斗部落在我方阵地，危及地面人员和设施的安全，引信必须设置自毁机构。 b）航炮榴弹和航空火箭引信。这类弹药属于机载武器，主要用于空对空作战。当飞机在我方阵地上作战时，为了避免未命中目标的战斗部落在我方阵地，危及地面设施和人员的安全，引信应设置自毁机构。 c）对于某些导弹武器，为了避免武器完整地落在敌人手中，而泄露机密，也必须设置自毁机构。 引信自毁机构由定时器和起爆部件或环境敏感装置和起爆部件组成。现阶段引信自毁方式主要有：火药自毁、离心自毁、钟表自毁、电子自毁、化学自毁、电化学自毁、开关自毁等。 a）火药式自毁机构是利用药剂的平行层燃烧来控制自毁时间的一种自毁机构，其结构简单、成本低廉，但其最大的缺点是火药的长期贮存性差，因而影响到作用的可靠性。小口径高射炮和航炮发射过载很大，因此在设计时其膛内点火机构平时的安全性和发射时的作用可靠性矛盾不大，故利用火药自毁装置便可以实现自毁（如俄罗斯的Mг —32）。 b）离心自毁机构时利用旋转弹上转速逐渐衰减的规律控制自毁时间的一种机械自毁机构，其装置结构简单，可以同时兼有膛内保险和延期解除保险功能，且具有某种程度的自动调整引信自毁时间的作用，但离心自毁只适用于高转速弹引信（如美国的M758） 。 c）电子线路或电子线路和机械开关联用的自毁（定时）装置，结构简单，作用可靠，但需要电源（如美国的MK91Modl） 。 d）钟表机构计时精度高，作用可靠，但结构复杂，体积大，无法适用于小口径弹引信，主要用于中大口径炮弹引信和导弹引信（如美国M577AI） 。 e）化学和电化学自毁装置，时间精度不高，但作用时间可以设计的很长，适用于地雷和航空炸弹引信的自毁装置。 分析战术技术要求可知，自毁机构与引信选择最佳炸点一样，也要确定自毁的时机，即确定自毁时间的最小值和最大值。确定自毁时间[2]的基本原则如下： a）自毁时间最小值确定。对高射炮榴弹引信来说，为了保证战斗部在有效范围内毁伤敌机，自毁时间的最小值就要大于战斗部飞至有效射高的最长时间，即弹道降弧段的起始时间。对于空对空榴弹或火箭弹引信来说，自毁时间的最小值除了应满足最大攻击距离要求外，还要保证发射弹药的载机不受自毁破片的威胁。 b）自毁时间最大值确定。引信自毁时间最大值应能保证战斗部在以最小安全射角射击时，自毁高度大于或等于安全高度。 一般安全高度为弹丸杀伤半径的 6～8 倍。70 年代前的俄罗斯小口径火炮引信我国已多有引进和仿制，口径主要为 23 mm、25 mm、3O mm和37 mm，其自毁机构均为火药自毁。近年来从引进的产品来看，其火药自毁机构仍然沿用，在产品的“三化”程度上更是体现其特有的优点，集中整合为3Omm口径一种。小口径火炮引信的通用性很高，陆、海、空三军引信的结构通用程度达到85%以上。近些年也有采用钢球式离心自毁机构的引信，如BM—30ц 引信。 美国小口径炮的口径系列为 20 mm、25 mm、3O mm 和 4O mm。其小口径引信自毁机构的现状如下： a)绝大多数采用钢球式离心自毁技术。 b)自毁钢球数量均较少，一般为 2～3 个。 c)普遍采用锥形簧或柱形簧作为自毁簧。 d)自毁机构具有明显的继承性，兼容性和系列性。 德国、瑞典、英法等西欧国家的小口径火炮引信的各机构原理和类型与美国和俄罗斯基本相同，只是在机构细节、综合集成模式上各有不同，仍普遍采用球转子、软带、钢球式离心自毁等技术和结构，在设计上力求实现结构简单、使用安全、作用可靠、通用性好等性能。 我国小口径火炮引信自毁机构逐渐由火药自毁向钢球式离心自毁机构发展。目前国内离心自毁机构普遍存在自毁时间散布较大的问题，其原因是对自毁临界转速控制措施不到位。