组合式MEFP成型及对典型无人机的侵彻性能

朱斐宇,姜春兰

(北京理工大学， 北京 100081)

1 引言

迄今为止的战争中可以发现，无人机在战场上的作用越来越大，无人机能够有效减少自身战斗人员的伤亡，并且具有很强的经济性，使得无人机越来越受到世界各国的青睐，因此各国对无人机的防范也越来越急迫。

以往采用的是单一的爆炸成型弹丸(explosive formed projectile,EFP)战斗部进行攻击，不可能产生一个攻击区域，没有办法适应现代战争。但是当采用的是多爆炸成型弹丸(multiple explosively formed projectile,MEFP)战斗部时，就可以对攻击目标造成大面积的毁伤，大大提高了武器系统的毁伤能力，将传统的密集型速射武器与MEFP战斗部进行结合，形成新型反无人机的弹炮结合的武器系统，该武器系统通过发射多爆炸成型弹丸来对付来自无人机的威胁。本文中，通过Creo 2.0进行建模，Hypermesh赋予网格，利用ANSYS/LS-DYNA，通过改变影响MEFP战斗部成型的因素，对典型无人机等效靶的侵彻性能进行了数值分析。

2 战斗部结构与典型无人机靶板的建立

2.1 战斗部结构的设计

战斗部网格结构截面图如图1所示，MEFP战斗部网格结构图如图2所示。轴向组合式MEFP战斗部组成结构主要有壳体、起爆装置、填充介质、独立子装药和独立EFP药型罩。为了增大打击面积，本文中采用七罩式轴向组合式MEFP战斗部，药型罩结构为等壁厚球缺型药型罩，子装药之间有惰性装填物，本文中惰性装填物选用泡沫铝，密度1.04,采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，以减小相邻子装药间爆轰波的相互干扰。七罩式轴向组合式MEFP战斗部装药口径为220 mm，高度60 mm，药型罩直径为50 mm，相邻子装药间距为25 mm,药型罩材料为碳钢。起爆方式为7点同时起爆，起爆点位于各子装药底面圆心处。根据相关文献可知，“捕食者”无人机能够在5 000～10 000 m高度之间执行任务，为有效打击无人机，本文中轴向组合式MEFP战斗部在距离无人机150 mm处引爆。

图1 战斗部网格结构截面示意图Fig.1 Cross section of warhead grid structure

图2 MEFP战斗部网格结构示意图Fig.2 MEFP warhead grid structure diagram

2.2 典型无人机靶板的建立

本文中选取代表性的美军“捕食者”无人机，建立等效靶板，分析MEFP对无人机要害舱段的侵彻性能。根据强度理论等效公式得到等效靶板的厚度，其计算公式为：

(1)

式(1)中：0为“捕食者”无人机机身材料的强度；为“捕食者”无人机机身材料的厚度；为等效后的材料的强度;为等效后的材料的厚度。

“捕食者”无人机材料强度如表1所示。根据有关文献可知，此无人机的机身是先由碳纤维和石英纤维混合后，再由“凯夫拉”纤维材料调和而成。“捕食者”无人机机身的下面使用诺梅克斯，泡沫和木材压制而成的层合板进行保护。因此，复合材料最小抗拉强度的计算公式为：

(2)

式(2)中：1为基材抗拉强度下限标准值(MPa)；2为复材抗拉强度下限标准值(MPa);为基材厚度；为复材厚度。

表1 “捕食者”无人机材料强度Table 1 Predator material strength sheet

因此将美军代表性的“捕食者”无人机机身等效为密度为1.74 g/cm、厚度为27 mm的碳纤维靶，将层合板等效为密度为2.7 g/cm、厚度为15 mm的1 200铝靶,如图3所示。

图3 无人机等效靶网格结构示意图Fig.3 Structure diagram of UAV equivalent target grid

3 影响MEFP战斗部成型因素分析及对无人机等效靶侵彻性能分析

3.1 战斗部装药种类的影响

..不同装药对MEFP战斗部成型的影响

为了分析不同装药对MEFP战斗部成型的影响，在装药结构和其他参数不变的情况下，取药型罩曲率半径为72 mm,药型罩壁厚为2.5 mm,战斗部装药选取TNT(1.63 g/cm，爆速为6 930 m/s)、B炸药(密度1.71 g/cm,爆速为7 980 m/s)、8701(密度1.78 g/cm，爆速为8 315 m/s)进行数值分析。由数值分析可知，采用各子装药中心起爆方式，战斗部装药起爆80 μs后，轴向组合式MEFP战斗部的成型结果如图4所示。

图4 不同装药时MEFP战斗部成型结果示意图Fig.4 Molding results of MEFP warhead at different charges

战斗部起爆80 μs时，不同装药产生的MEFP如图4所示，由数值分析可知，在战斗部装药启动80 μs时,TNT炸药形成的中心EFP尾裙直径为47.51 mm，B炸药形成的中心EFP尾裙直径为56.82 mm，8701炸药形成的中心EFP尾裙直径为60.13 mm。结果表明，随着主装药密度由TNT炸药提高到8701炸药，不同密度的主装药形成的尾裙直径呈现逐渐增大趋势，有利于爆炸成型后的EFP飞行稳定。

不同装药形成的中心EFP长度变化曲线和头部速度变化如图5、图6所示。

由图5不同密度的主装药形成的中心EFP长度变化的曲线可知，当轴向组合式MEFP战斗部装药起爆80 μs时，TNT炸药产生的中心EFP长度为44.69 mm，B炸药产生的中心EFP长度为61.26 mm，8701炸药产生的中心EFP长度为80.39 mm，不同装药产生的中心EFP长度有逐渐增大趋势。由图6可知，当=80 μs时，TNT炸药产生的中心EFP速度为1 390 m/s,B炸药产生的中心EFP速度为1 650 m/s,8701炸药产生的中心EFP速度为1 860 m/s,这主要是由于8701炸药比TNT炸药和B炸药具有更高的爆速和密度，8701炸药爆炸产生的能量相对于TNT及B炸药更大，所以产生的EFP速度更快。因此，在轴向组合式MEFP战斗部设计当中，应该尽量选择密度较高的主装药，以便于提高形成的EFP飞行稳定性和毁伤效能。

图5 不同装药时形成的中心EFP长度变化曲线Fig.5 Change curve of central EFP length formed by different charges

图6 不同装药形成的中心EFP头部速度变化曲线Fig.6 Curve of central EFP head velocity formed by different charges

..不同装药形成的MEFP对无人机的侵彻性能分析

为了研究不同装药形成的MEFP对无人机的侵彻性能，以提高对无人机的毁伤，以装药为8701炸药为例，MEFP对无人机等效靶板的侵彻过程如图7所示。

由数值分析可知，在战斗部起爆210 μs后，得到不同装药形成的MEFP对靶板的毁伤效果如图8所示。

图7 MEFP对无人机等效靶板的侵彻过程示意图Fig.7 MEFP penetration process of uav equivalent target plate

图8 不同装药形成的MEFP对无人机的毁伤效果图Fig.8 Damage effect of MEFP formed by different charges on UAV

由图8可知，在战斗部起爆210 μs后，不同装药形成的MEFP，对无人机等效靶的毁伤效果不同，TNT炸药形成的MEFP未打穿无人机的机身等效靶，B炸药形成的MEFP打穿了无人机的机身等效靶，但开孔较小。8701炸药形成的MEFP已经将无人机等效靶完全打散，开孔直径很大，此时弹丸的轴向剩余速度为1 530 m/s,由数值分析可知，B炸药形成的MEFP在230 μs后将无人机机身等效靶完全打散，此时弹丸轴向剩余速度为998 m/s,TNT炸药形成的MEFP在270 μs后将无人机机身等效靶完全打散，此时弹丸轴向剩余速度为760 m/s。综上所述，8701炸药形成的MEFP对无人机的毁伤时间更快，在对无人机的机身毁伤后，弹丸的轴向剩余速度更大，更有利于对无人机机身内部进行毁伤，使无人机丧失作战能力甚至解体。

3.2 药型罩壁厚的影响

3.2.1 不同药型罩壁厚对MEFP战斗部成型的影响

药型罩的壁厚对MEFP速度和形状有很大的影响。这是因为药型罩壁厚的变化将引起罩材料承受炸药爆轰波冲击变形能力的变化，从而导致药型罩材料流动汇聚程度的变化。因此，在装药结构和参数不变的情况下，即MEFP战斗部装药口径为220 mm，高度为60 mm，药型罩直径为50 mm，药型罩曲率半径为72 mm,战斗部装药为8701炸药，分别选取药型罩壁厚为=2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm时进行分析，经过数值分析，不同药型罩壁厚下，轴向组合式MEFP战斗部形成的中心EFP速度随时间变化曲线如图9所示。

图9 不同壁厚时中心EFP头部速度变化变化曲线Fig.9 Variation curve of velocity of central EFP head with different wall thickness

表2是在战斗部起爆60 μs后，不同壁厚弹丸成型的参数，其中和是中心EFP的长度和直径，是周边EFP的长度，是中心EFP的速度。

表2 不同药型罩壁厚弹丸成型参数(t=60 μs)Table 2 Projectile forming parameters with different shell wall thickness (t=60 μs)

由图9可知，随药型罩壁厚的增大，轴向组合式MEFP战斗部形成的中心EFP速度随之减小，从成型结果看，药型罩壁厚越薄，中心EFP速度越高。由表2可以看出，当药型罩壁厚增加时，中心EFP长径比和周边EFP长度呈现逐渐减小的趋势，当药型罩厚度由2.0 mm增加到4.0 mm时,中心EFP长径比和周边EFP长度分别降低了29.79%和27.76%，变化比较明显，随着EFP的长径比降低，意味着EFP对无人机等效靶板的侵彻深度降低，但对靶板的开孔孔径将逐渐增大。由表2可知，当药型罩壁厚增加时，当药型罩壁厚从2 mm到3 mm时，周边EFP长度逐渐减小，当壁厚从3 mm到3.5 mm时，周边EFP长度变化较大，当壁厚超过3.5 mm时，其变化的程度逐渐减小，因此，综合考虑图9和表2，为获得较好的MEFP弹丸形态，药型罩壁厚最佳取值范围为2.0 mm到3.0 mm。接下来本文根据对靶板的毁伤性能进行进一步筛选。

..不同壁厚形成的MEFP对无人机的侵彻性能分析

为了研究不同壁厚形成的MEFP对无人机的侵彻性能，根据数值分析，不同壁厚形成的MEFP对无人机机身等效靶打散时间和此时的中心弹丸轴向剩余速度见表3。

表3 不同壁厚弹丸侵彻无人机性能参数Table 3 Performance parameters of projectile penetration UAV with different wall thickness

表3中,＇是不同壁厚形成的MEFP对无人机机身等效靶的打散时间，＇是此时中心弹丸的轴向剩余速度。由表3可知，随着药型罩壁厚的增加，MEFP对无人机机身等效靶的打散时间逐渐增加，此时的轴向剩余速度逐渐减小。为了进一步研究不同壁厚形成的MEFP对无人机机身内部的毁伤能力，弹丸的发散角如表4所示,弹丸的发散角折线如图10所示。

表4 弹丸的发散角Table 4 The divergence angle of the projectile

图10 弹丸的发散角折线Fig.10 Diverging angle line diagram of projectile

由图10可知，随药型罩壁厚的增加，弹丸的发散角也发生了变化，当药型罩壁厚为2 mm到2.5 mm时，弹丸的发散角逐渐减小，但药型罩壁厚为2.5 mm到4 mm时，弹丸的发散角逐渐增大，弹丸发散角的增大,会降低其对目标的侵彻性能。因此，综合考虑图9、图10和表2～表4，为了获得较好MEFP弹丸形态和更好弹丸对于靶板的侵彻能力，轴向组合式MEFP战斗部中药型罩壁厚的最佳取值范围为2.5 ～3 mm。

3.3 药型罩曲率半径的影响

3.3.1 不同曲率半径对MEFP成型的影响

当战斗部中的药型罩采用球缺型药型罩时，曲率半径就是决定其EFP形状和速度的主要因素。这主要是由于随着药型罩曲率半径的改变，引起了爆轰波阵面对药型罩作用位置的改变，并进一步造成了药型罩材料的流动方向改变。在装药结构和参数不变的情况下，其中药型罩直径为50 mm，壁厚为2.5 mm,选取药型罩曲率半径为67～97 mm(每种情况下依次增加5 mm)。轴向组合式MEFP随曲率半径变化的各项参数如表5所示。EFP速度随曲率半径变化曲线如图11所示。

表5 不同药型罩曲率半径弹丸成型参数(t=60 μs)Table 5 Projectile forming parameters of different charge type cover radius of curvature (t=60 μs)

表5中，为药型罩的曲率半径，和是中心EFP的长度和直径，为周边EFP的长度，为药型罩整体动能，为中心EFP的速度，为周边EFP的速度。

由表5可知，在轴向组合式MEFP战斗部中，当药型罩采用不同曲率半径时形成的EFP，随着药型罩曲率半径的逐渐增加，中心弹丸的长径比逐渐减小，意味着对等效靶板的侵彻深度降低，对靶板的开孔孔径将逐渐增大，弹丸尾裙直径随着曲率半径的增大而增大，意味着子EFP的飞行稳定性大大增加。并且当药型罩曲率半径逐渐增大时，周边EFP的长度变化不大，中心EFP和周边EFP的速度和整体动能逐渐增大。然而曲率半径并不能无限的增大，这是因为随着曲率半径的不断增大，会逐渐形成杆式弹丸，明显不利于远距离的攻击目标。因此，对相邻子装药间距为25 mm而言，结合表5和图11，综合考虑MEFP的飞行稳定性及毁伤效能，轴向组合式MEFP战斗部药型罩曲率半径取72 mm到87 mm。接下来再根据对靶板的毁伤性能进行进一步筛选。

图11 EFP速度随曲率半径变化曲线(t=60 μs)Fig.11 Curve of EFP velocity changing with radius of curvature (t=60 μs)

..不同曲率半径形成的MEFP对无人机的侵彻性能分析

为了研究不同曲率半径形成的MEFP对无人机的侵彻性能，根据数值分析，不同MEFP在对无人机机身等效靶毁伤后的中心EFP轴向剩余速度如表6和图12所示。

表6 不同曲率半径下中心EFP轴向剩余速度(t=260 μs)Table 6 Axial residual velocity of central EFP at different curvature radii (t=260 μs)

图12 不同曲率半径下中心EFP轴向剩余 速度曲线(t=260 μs)Fig.12 Axial residual velocity diagram of central EFP under different curvature radii (t=260 μs)

由表6和图12可知，曲率半径在67～87 mm时，中心EFP的轴向剩余速度随着曲率半径的增大而逐渐减小，当在87～97 mm时，随着曲率半径的增加，中心EFP的速度先增加后减小。轴向剩余速度更大，更有利于对无人机机身内部进行毁伤。因此，结合表5、表6和图11、图12，综合考虑MEFP的飞行稳定性及毁伤效能，轴向组合式MEFP战斗部药型罩最佳曲率半径取72 mm到82 mm。

4 结论

通过使用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,本文就轴向组合式MEFP的成型及对典型无人机的侵彻性能进行了数值分析，实验结果表明：

1) 轴向组合式MEFP战斗部设计时，尽量选择密度较高的主装药，以提高EFP飞行稳定性和毁伤效能。本文中通过数值模拟得到密度较高和爆速较快的8701炸药对轴向组合式MEFP的成型和对无人机的毁伤性能更好。

2) 轴向组合式MEFP战斗部中药型罩壁厚的选择，要考虑形成具有一定速度的EFP，又避免出现EFP对无人机机身毁伤过程中形变过大，确保性能良好。本文中通过数值模拟得到了在特定的装药条件下，药型罩壁厚的最佳取值范围为2.5～3 mm。

3) 当战斗部中的药型罩采用球缺型药型罩时，曲率半径是决定EFP形状和速度的主要因素。本文通过数值模拟得到了在特定的装药条件下，轴向组合式MEFP战斗部药型罩最佳曲率半径取值范围为72～82 mm，更有利于对无人机进行毁伤。