聚能装药超空泡射弹的设计方法与流程

本发明涉及水下超空泡弹药设计领域，特别是一种用于高效毁伤的水下超空泡射弹结构的设计方法。
背景技术：
：聚能装药技术具有诸多优良性质，应用领域甚广。但其主要用于陆地作战，由于水下与空气中的情况截然不同，即使用于水下毁伤，也仅是在水面发射，射流的作用效果受到水介质的限制，导致毁伤范围被限制在浅水区域，大大降低了其应有的侵彻威力。如何让聚能装药在水下发挥应有的毁伤效果，成为需要解决的重大问题之一，对扩大聚能装药的应用领域有重要意义。20世纪中叶，水下超空泡射弹技术的提出，为水下射弹的增程减阻提供了新的发展思路。超空泡射弹技术是弹丸在水下高速运动时，弹体表面压力降低，流体汽化后产生的空化泡，将弹体完全包裹起来后，隔绝了弹体与水的接触，使弹体表面的流体摩擦阻力降低为0的一种技术。其大大降低了射弹自身动能的消耗，达到了增程减阻的目的。若聚能装药技术能与超空泡射弹技术相结合，则可在增加射弹航程的基础上同时增加其毁伤性能，具有很好的应用前景。技术实现要素：本发明的目的是提供一种聚能装药超空泡射弹结构的设计方法，旨在通过合理设计射弹结构，实现聚能装药技术和超空泡技术的完美结合。实现本发明的技术解决方案为：聚能装药超空泡射弹结构的设计方法，包括以下步骤：步骤1、根据“v”型药型罩结构用计算机仿真确定“v”型药型罩的有利炸高，用于确定超空泡射弹头部长度；步骤2、设定初始空化器直径与装药筒直径一致，通过logvinovich独立扩张方程计算设计弹长下，射弹最大截面处的空泡尺寸，不断减小空化器尺寸，循环计算直到射弹最大截面处的空泡尺寸满足设计要求为止。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明设计完美结合两种技术的优点，在减阻增程的同时增强了其毁伤性能2)本发明设计过程简便容易操作，整个设计过程均可通过计算机实现，并可以对设计结果进行计算机分析。3)本发明在改进的同时，不增加弹丸的发射难度和入水难度，对动能弹丸的毁伤方式进行了转移，便于低速发射且降低过载。附图说明图1为本发明方法流程图。图2为聚能装药三维结构。图3为空气聚能装药射流密度云图。图4为1000m/s以上的速度时程曲线的积分。图5为典型的超空泡弹丸结构。图6为空气与水下聚能装药超空泡弹丸侵彻的静态仿真密度云图。图7为空气(左)和水下(右)目标的毁伤情况及压力云图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明方案作进一步说明。如图1，一种聚能装药超空泡射弹的设计方法，包括以下步骤：步骤1、根据“v”型药型罩和装药筒的尺寸，用计算机进行空气中的聚能射流仿真计算，同时进行空气中的射流侵彻试验与相应的仿真结果进行对比，若仿真结果与试验结果一致，则通过对射流头部速度时程曲线函数值大于1000m/s的自变量进行积分，得到有利炸高h，用计算所得到的有利炸高h作为超空泡射弹头部长度；步骤3、设定初始空化器直径与装药筒直径一致，通过logvinovich独立扩张方程计算设计弹长下，射弹最大截面处的空泡尺寸，不断减小空化器尺寸，循环计算直到射弹最大截面处的空泡尺寸达到最大尺寸的3-5倍，则视为满足设计要求。实施例1图2聚能装药立面设计图，其自身设计在空气中具有良好的毁伤性能与射流形态，表1为该聚能装药的几何尺寸。为节省计算资源，加快计算速度，需对模型进行适当简化，由于模型为轴对称结构故采用1/4建模。利用ansysls-dyna进行三维建模，采用g-cm-μs单位制。计算模型由铝制装药筒、pbx-9010炸药、紫铜药型罩以及空气/水等几部，其中装药筒采用lagrange网格建模，其余部分因其变形过大则采用euler网格建模，并在它们之间使用ale流固耦合算法达到耦合的目的，所用网格均采用solid164计算单元。表1计算模型参数装药量/g31.8药型罩厚度/mm2.0外壳厚度/mm2.0装药直径/mm26战斗部直径/mm30.0装药直径/mm26.0点火点与药型罩距离/mm11聚能射流侵彻目标时，具有毁伤作用的主要是射流头部区域，因此确定聚能射流有利炸高最关键的因素是射流头部的速度，图3为空气聚能装药射流密度云图。图4为1000m/s以上的速度时程曲线的积分，可以看出速度峰值集中在0-0.0002s之间，因此有利炸高位于该时间区间内。为保证均能射流具有较好的侵彻性能，考虑将聚能射流头部速度的侵彻最低速度限定在1000m/s，因此对0-0.0002s上速度大于等于1000m/s的速度时程曲线积分，如图4，可得到有利炸高的下限为13.7cm，聚能装药射流的有利炸高范围为3-8倍的战斗部口径，对于该聚能装药战斗部而言为9-24cm。计算结果在该区间之内与经验基本吻合，即9-13.7cm。本文设计计算取12cm作为聚能装药超空泡弹丸的内部长度。表2给出了三种工况下，弹体最大直径(弹体最大直径为30mm)处的空泡直径的计算结果，从数值上来看这三种尺寸空化器均满足计算要求，从实际的角度出发，1号空化器产生的空泡与弹体直径差别小，这种情况下，聚能装药超空泡弹丸容易因小扰动而使其与空泡壁面相接触，完全丧失了超空泡射弹的良好减阻性能。2号空化器虽具有合理的空泡直径，但从聚能射流侵彻的角度来看，其尺寸过小，由于聚能射流在实际形成的过程中不能严格按照设计的轨迹运动，可能因炸药点火的不均匀性，使得射流形态不一，故当空化器过小，射流很可能从射弹的侧面穿出，在水中运动一段时间后再侵彻目标，降低了聚能射流的侵彻性能，此时所设计的空心头部丧失了让射流形成最佳侵彻形态的功能。为保证聚能射流的侵彻性能同时兼顾超空泡射弹运动的减阻要求，本文采用20mm的空化器作为设计尺寸。传统超空泡弹丸头部空化器往往具有一定的尺寸和厚度如图5，但是传统超空泡弹丸毁伤机制主要是其自身的动能，而聚能装药超空泡弹丸的主要毁伤机制是聚能射流，由于传统弹丸头部的空化器具有一定的厚度，若在聚能装药超空泡弹丸中采用，则金属射流必须先穿透头部空化器，再进行目标毁伤，这降低了其聚能装药超空泡弹丸的毁伤能力，因此这里的空化器采用平头壳式空化器，以达到降低射流动能损失的目的。表2弹体最大直径处的空泡直径的计算结果序号空化器直径(mm)射弹最大直径处空泡直径(mm)1564.421094.15320138.78超空泡弹丸的头部壁厚，考虑加工方便的因素，设计壁厚为2mm，从另一方面来看，可以保证射弹头部与聚能装药的药筒可以良好吻合，由于射弹在入水的瞬间头部会承受高过载，因此这里采用的材料为钢。图6为空气与水下聚能射流侵彻的密度对比云图，可以看出，在炸药点燃后产生的爆轰波未到达聚能装药药筒和药型罩时，空气与水中没有差别，当爆轰波到达聚能装药药筒时，空气中的药筒在3μs时迅速发生断裂，而水下的药筒由于存在水的“支撑”发生了屈曲，随着时间的演化在6μs后才发生断裂，与此同时两种介质中均形成了金属射流，并向前方高速运动，40μs时水下聚能射流最先穿透空化器侵彻目标，44.99μs时空气中的聚能射流也开始侵彻目标，比较44.99μs和51μs时的射流侵彻情况可以看到，水下聚能射流在侵彻时，具有更高的动能，在撞击目标的瞬时比空气中的聚能射流具有更大的开孔(图7)，造成这种现象的原因是：对于空气中聚能装药爆炸而言，装药筒、药型罩背部介质相同，因此爆炸产生的爆轰波在其背部产生的反射压力波与透射压力波相差很小，总体上是均匀的；然而水下则不同，水下情况中药筒背部的介质为水，药型罩背部介质为空气，使爆炸后的火药气体扩张的速度不同，由于空气密度小会很快耗散爆炸产生的能量，然而水的密度远大于空气密度，会使能量在短时间聚集，此时爆炸的能量耗散缓慢，作用在药型罩上的时间略长于空气中的情形，因此水下情况比空气情况聚能射流的毁伤性能更优，与此同时弹丸头部在与铝制药筒相接的部位，水下情况发生了较大变形，同样是由于流体介质不同的缘故，使爆炸后弹头内部压强不等，从而产生了径向压力造成了弹丸头部的变形。综上实例，可以看到将两种技术相结合后，在水下的毁伤能力比在空气中的毁伤能力更强。当前第1页12