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Prediction Model for the Dispersion Pattern of Pre-Controlled Fragments from a Multi- Layer Ring Casing

Este artículo propone y valida un nuevo modelo de predicción para el patrón de dispersión de fragmentos precontrolados de carcasas anulares multicapa, el cual utiliza un mecanismo de gradiente de velocidad axial y un concepto de tiempo de estabilización para pronosticar con precisión los ángulos de proyección de fragmentos con un error inferior al 15% en diversas configuraciones de ojivas.

Autores originales: Zhiyang Ye, Weibing Li, Weixin Bi, Junbao Li, Xianxu Huo, Zhe Liu, Hongzhi Yang

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Zhiyang Ye, Weibing Li, Weixin Bi, Junbao Li, Xianxu Huo, Zhe Liu, Hongzhi Yang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Cuando una carcasa cilíndrica llena de explosivos de alta potencia se detona desde un extremo, la carcasa metálica no se desintegra simplemente en una nube aleatoria de escombros. En cambio, la fuerza de la explosión impulsa el metal hacia afuera, rompiéndolo en piezas distintas que vuelan en ángulos específicos. Este comportamiento es fundamental para las armas modernas conocidas como ojivas de fragmentación precontrolada, donde los ingenieros dan forma deliberadamente a la carcasa para que se rompa en piezas uniformes y predecibles. El objetivo es controlar exactamente hacia dónde van estas piezas y a qué velocidad viajan, asegurando que el arma golpee su objetivo con la máxima eficacia. Sin embargo, predecir la trayectoria exacta de estos fragmentos voladores es un problema difícil. La explosión crea complejas ondas de presión que viazan a través del metal, y estas ondas no actúan de la misma manera en cada punto del cilindro. La presión es más fuerte cerca del punto donde comienza la explosión y más débil en el extremo lejano, creando un gradiente que empuja los fragmentos en direcciones ligeramente diferentes según su posición. Durante décadas, los científicos han utilizado reglas matemáticas para adivinar estos ángulos, pero esas reglas a menudo no logran tener en cuenta las sutiles formas en que el metal se dobla y gira mientras vuela, lo que provoca errores significativos en la predicción.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing y del Grupo Industrial North Huaan se propuso resolver este enigma específico para un tipo de ojiva fabricada con anillos metálicos apilados. Estas carcasas de anillos multicapa son populares porque son baratas de fabricar y producen fragmentos de un tamaño muy consistente. Los investigadores querían comprender por qué los fragmentos de estos anillos vuelan en los ángulos en los que lo hacen, y construir una nueva forma de predecir ese comportamiento con precisión. Comenzaron creando simulaciones computarizadas detalladas de la explosión. Utilizando un potente software, modelaron la ojiva como un cuarto de cilindro, llenándolo con material explosivo y rodeándolo de aire. Probaron veintiuna versiones diferentes de la ojiva, cambiando la longitud del cilindro, la altura de los anillos individuales, la profundidad de las ranuras cortadas en el metal e incluso el tipo de explosivo utilizado. Al observar el desarrollo de estas explosiones virtuales, pudieron rastrear la velocidad y la dirección de cada uno de los fragmentos a medida que nacían y volaban hacia afuera.

Las simulaciones revelaron un patrón claro que las teorías existentes habían pasado por alto. Los fragmentos no vuelan en línea recta alejándose del centro; se inclinan. Cerca del extremo donde comienza la explosión, los fragmentos se inclinan hacia atrás, apuntando hacia la parte trasera de la ojiva. Cerca del extremo opuesto, se inclinan hacia adelante. En la sección media, vuelan casi recto hacia afuera. Esta inclinación ocurre porque la explosión crea una diferencia de velocidad a lo largo del cilindro. El metal en el medio es empujado con más fuerza y se mueve más rápido que el metal en los extremos. A medida que un fragmento vuela, esta diferencia de velocidad entre su borde superior y su borde inferior hace que rote, de forma muy parecida a un trompo que se inclina mientras se mueve. Los investigadores descubrieron que el tamaño de esta inclinación depende en gran medida de qué tan altos sean los anillos metálicos individuales y de qué tan rápido viaje la onda de detonación a través del tipo específico de explosivo utilizado. Sorprendentemente, descubrieron que el material de la carcasa metálica, el diámetro total de la ojiva y la profundidad de las ranuras cortadas en el metal tenían casi ningún efecto en el ángulo al que volaban los fragmentos. La inclinación era impulsada casi por completo por la diferencia de velocidad creada por la propia explosión.

Para convertir esta observación en una herramienta útil, el equipo desarrolló un nuevo modelo de predicción. Se dieron cuenta de que el ángulo del fragmento es el resultado de dos fuerzas separadas actuando juntas. La primera es el empuje directo de la explosión, que envía el fragmento hacia afuera. La segunda es la inclinación causada por la diferencia de velocidad a lo largo del anillo. Al medir cuánto tiempo tarda un fragmento en dejar de cambiar su dirección después de la explosión, pudieron calcular la cantidad exacta de inclinación. Introdujeron un concepto que llamaron "tiempo de estabilización", que es el momento en que la trayectoria de vuelo del fragmento se vuelve constante. Descubrieron que este tiempo está directamente relacionado con la altura del anillo y la velocidad de la onda de detonación. Utilizando esta relación, crearon una fórmula que combina el empuje hacia afuera y la inclinación para predecir el ángulo final. Cuando probaron esta nueva fórmula contra sus simulaciones por computadora, coincidió con los resultados casi perfectamente, capturando la curva compleja donde el ángulo es negativo en un extremo, positivo en el otro y plano en el medio.

Para asegurarse de que sus modelos computarizados eran correctos, los investigadores construyeron ojivas reales y las probaron en un entorno controlado. Construyeron dos versiones diferentes de la ojiva con carcasa de anillos y las detonaron frente a una placa de acero. Utilizando cámaras de alta velocidad y sensores, registraron exactamente dónde golpearon los fragmentos la placa y a qué velocidad viajaban. Los resultados del mundo real coincidieron estrechamente con sus simulaciones por computadora, confirmando que los fragmentos, en efecto, se inclinaban hacia atrás al principio y hacia adelante al final. Cuando aplicaron su nueva fórmula a estas mediciones del mundo real, las predicciones fueron precisas dentro de un margen de error de menos del quince por ciento. Esta fue una mejora sustancial respecto a los métodos anteriores, que podían tener errores de hasta el setenta por ciento en los extremos de la ojiva. Los investigadores luego probaron su fórmula contra datos de otros científicos que habían estudiado diferentes tipos de fragmentos preformados, incluyendo formas cuadradas y esféricas. La fórmula también funcionó bien para esos casos, lo que sugiere que la física de la inclinación se aplica a muchos tipos diferentes de ojivas cilíndricas, no solo al tipo de carcasa de anillos que ellos estudiaron.

El trabajo proporciona una forma fiable para que los ingenieros diseñen ojivas con un control preciso sobre hacia dónde volarán sus fragmentos. Al comprender que la inclinación es causada por la diferencia de velocidad a lo largo del cilindro y que esta inclinación puede predecirse basándose en la altura del anillo y la velocidad del explosivo, los diseñadores pueden ahora calcular el alcance letal de un arma con mucha mayor confianza. El estudio confirma que el material de la carcasa y el diámetro de la ojiva no son los factores primarios para determinar el ángulo de vuelo, lo que permite a los ingenieros centrarse en las dimensiones de los anillos y el tipo de explosivo para lograr el efecto deseado. Este nuevo modelo ofrece un camino claro y práctico para mejorar el diseño de las municiones modernas, asegurando que la energía de la explosión se dirija exactamente hacia donde es necesaria.

Resumen Técnico: Modelo de Predicción del Patrón de Dispersión de Fragmentos Precontrolados de una Carcasa de Anillo Multicapa

Planteamiento del Problema
Las ojivas de fragmentación precontrolada, particularmente aquellas que utilizan una estructura de carcasa de anillo multicapa, son componentes críticos en las municiones modernas debido a sus dimensiones de fragmento controlables y su eficiencia de fabricación. Sin embargo, la efectividad terminal de estas ojivas está determinada directamente por el comportamiento de dispersión de los fragmentos bajo carga explosiva. Mientras que las leyes de dispersión para fragmentos naturales están relativamente bien establecidas, la predicción precisa del ángulo de proyección de los fragmentos para carcasas de anillo multicapa sigue siendo un desafío de ingeniería significativo. Los modelos existentes, como la fórmula de Taylor y sus derivados (por ejemplo, Felix, Jiang), a menudo no logran predecir con precisión los ángulos de proyección cerca de los extremos de iniciación y de no iniciación de las cargas cilíndricas. Estos modelos frecuentemente omiten los efectos de las ondas de rarefacción axial y los mecanismos específicos de deflexión impulsados por los gradientes de velocidad axial inherentes a las estructuras precontroladas, lo que conduce a errores de predicción sustanciales (de hasta un 73.4% en algunos casos).

Metodología
Este estudio emplea un enfoque multifacético que combina simulación numérica, derivación teórica y validación experimental:

Simulación Numérica: Utilizando el software AUTODYN-3D, se estableció un modelo de un cuarto de una ojiva de carcasa de anillo multicapa. El estudio analizó 21 casos computacionales variando parámetros como la relación longitud-diámetro, la altura del anillo, la profundidad de la ranura, el tipo de explosivo (Comp B, TNT, PBX9502) y el material de la carcasa (Acero 45, Acero 4340). La carcasa fue modelada utilizando los modelos de resistencia y falla de Johnson-Cook, mientras que el explosivo fue descrito mediante la ecuación de estado JWL. El análisis de convergencia de malla determinó un tamaño de malla de carcasa óptimo de 0.45 mm.
Derivación Teórica: Los autores analizaron el mecanismo físico de la deflexión de los fragmentos. Identificaron que la onda de rarefacción axial crea un gradiente de velocidad axial (velocidad baja en los extremos, alta en el medio), lo que provoca que los fragmentos se desvíen hacia los extremos con menor velocidad. Se desarrolló un nuevo marco de predicción introduciendo los conceptos de "tiempo de estabilización del fragmento" y un "factor de corrección de posición axial".
Validación Experimental: Se realizaron dos grupos de experimentos físicos utilizando placas testigo y cámaras de alta velocidad para medir las velocidades de los fragmentos y los ángulos de proyección. El Grupo #1 validó la metodología de simulación contra los parámetros del Caso 7, mientras que el Grupo #2 (con diferentes alturas de anillo) y datos externos de Predebon y Jiang se utilizaron para validar la universalidad del modelo propuesto.

Contribuciones Clave
La contribución principal de este trabajo es el desarrollo de un nuevo modelo de predicción para el ángulo de proyección de fragmentos que tiene en cuenta la deflexión impulsada por el gradiente axial. A diferencia de los modelos anteriores que tratan el ángulo de proyección únicamente como una función del ángulo de Taylor (interacción de la onda de detonación), este modelo postula que el ángulo de proyección total ( $\beta$ ) es la suma del ángulo de Taylor ( $\theta/2$ ) y un ángulo de deflexión ( $\gamma$ ) impulsado por el gradiente de velocidad axial.

Los avances teóricos clave incluyen:

Mecanismo de Deflexión: El modelo describe matemáticamente cómo la diferencia de velocidad entre los bordes superior e inferior de un anillo de fragmento causa rotación y deflexión.
Tiempo de Estabilización: La introducción de un "tiempo de estabilización del fragmento" ( $t_s$ ), definido como el tiempo requerido para que la dirección de la velocidad se estabilice, el cual se encuentra que es proporcional a la relación entre la altura del anillo y la velocidad de detonación ( $h/D_{ex}$ ).
Corrección Axial: Se derivó un factor de corrección axial $\delta(x/L)$ para dar cuenta de la variación en el tiempo de estabilización a lo largo del eje de la ojiva, el cual exhibe una tendencia de ser mayor en los extremos y menor en el medio.
Desacoplamiento: El estudio demuestra que factores como el material de la carcasa, el diámetro de la ojiva y la profundidad de la ranura están desacoplados del ángulo de proyección, mientras que la altura del anillo y la velocidad de detonación son factores de acoplamiento críticos.

Resultos

Características de Dispersión: Las simulaciones numéricas confirmaron que los ángulos de proyección de los fragmentos son negativos cerca del extremo de iniciación, positivos cerca del extremo de no iniciación, y exhiben grandes gradientes angulares en ambos extremos con una pendiente más suave en el medio.
Precisión del Modelo: El modelo propuesto (Ecuación 15) captura con precisión estas características. Al compararse con los datos experimentales, el error relativo absoluto para la carcasa de anillo multicapa fue inferior al 15% (específicamente, los errores oscilaron entre -12.73% y 13.50% en los conjuntos de validación). Esto representa una mejora significativa respecto a la fórmula de Taylor (error de hasta -73.4%) y la fórmula de Jiang (error de hasta -31.3%).
Universalidad: El modelo fue validado contra datos experimentales independientes de fragmentos preformados cuadrados (Predebon) y fragmentos preformados esféricos con un revestimiento (Jiang). El modelo mantuvo una alta precisión, con errores generalmente inferiores al 10% para fragmentos cuadrados y menores al 15% para fragmentos esféricos, demostrando su aplicabilidad a diversos tipos de ojivas cilíndricas donde las dimensiones axiales de los fragmentos son conocidas.

Significancia
Los autores afirman que este estudio mejora la precisión y la universalidad de la predicción de los ángulos de proyección de fragmentos bajo carga explosiva. Al establecer una base teórica fiable que incorpora la deflexión impulsada por el gradiente axial, el modelo proporciona una herramienta para el diseño de optimización estructural y la regulación precisa del rango letal de las ojivas de carcasa de anillo multicapa. El trabajo ofrece orientación de ingeniería para mejorar el diseño de la correspondencia entre el explosivo y la carcasa en las municiones modernas, abordando una brecha específica en la predicción de la dispersión de fragmentos precontrolados que los modelos empíricos y teóricos existentes no pudieron resolver adecuadamente.

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