含能材料藥型罩的爆炸成型及毀傷作用＊

萬文乾，余道強(qiáng)，彭 飛，王維明，陽天海

（總裝備部工程兵科研一所，江蘇 無錫214035）

高效毀傷是現(xiàn)代彈藥的發(fā)展方向之一，為突破傳統(tǒng)彈藥的毀傷威力，現(xiàn)發(fā)展著新概念、新原理和新型毀傷元技術(shù)。反應(yīng)破片是一種帶有活性含能材料的新型毀傷元，它與目標(biāo)撞擊時(shí)對目標(biāo)除了具有動能侵徹作用外，還同時(shí)釋放化學(xué)能，產(chǎn)生燃燒、爆炸等，對目標(biāo)的作用效果比常規(guī)破片戰(zhàn)斗部有較大幅度的提高。反應(yīng)破片中的反應(yīng)材料是由具有類爆轟性的亞穩(wěn)態(tài)反應(yīng)材料制成，具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能，在制造、加工、儲藏、運(yùn)輸?shù)确矫娑季哂辛己玫陌踩浴＝陙恚泻芏噙@方面的研究［1－6］，研究多以鋁、鈦等金屬顆粒與聚四氟乙烯按一定比例混合后壓制燒結(jié)而成的混合式反應(yīng)破片為主［7］，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，較容易實(shí)現(xiàn)。但破片撞擊目標(biāo)時(shí)的動能較低，侵徹效果不夠理想，目前研究對象多以復(fù)合反應(yīng)破片為主。復(fù)合反應(yīng)破片由內(nèi)核為含能材料、外層由重金屬殼體包覆而成，含能材料通常為Al/Ti與PTFE的混合物，可以是柱形、球形、橢球形等，它對目標(biāo)的侵徹毀傷能力比反應(yīng)破片有較大的提高［8－12］。復(fù)合反應(yīng)破片多以彈道槍發(fā)射，破片速度基本在1km/s以下，極大限制了含能破片的工程應(yīng)用。本文中，研究由含能材料制成的藥型罩在炸藥直接驅(qū)動作用下的成型及毀傷作用，試圖為含能材料在武器裝備戰(zhàn)斗部的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic of warhead

圖1為含能材料藥型罩爆炸成型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖，主要由殼體、含能材料藥型罩、主裝藥、緩沖墊、整形裝藥組成。其中，含能材料藥型罩是由鋁、聚四氟乙烯及添加劑等按一定比例混合后壓制燒結(jié)而成的具有一定曲率半徑的藥型罩。

主裝藥采用壓裝鈍化黑索今，密度1.7cm/g3，主裝藥長徑比0.65；整形裝藥采用壓裝鈍化黑索今，密度1.65cm/g3；殼體材料為45鋼，厚度0.07D（主裝藥口徑D＝70mm）；含能材料藥型罩內(nèi)外曲率半徑相同，為0.6D；緩沖墊與含能材料藥型罩的曲率半徑相同，放置于藥型罩與主裝藥之間，降低炸藥爆轟對藥型罩的沖擊。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)件

按照圖1結(jié)構(gòu)加工，實(shí)驗(yàn)件炸藥總質(zhì)量385g，含能材料藥型罩質(zhì)量100g，緩沖墊質(zhì)量30g，實(shí)驗(yàn)件如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)件Fig.2Experimental warhead

2.2 靶 板

2.2.1 裝甲鋼

為了觀測含能材料藥型罩爆炸成型、侵徹效應(yīng)及后效毀傷，設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置。目標(biāo)靶板為裝甲鋼，尺寸為500mm×500mm×20mm；戰(zhàn)斗部炸高500mm；支架高350mm，下部放置尺寸1 000mm×1000mm×10mm的A3鋼后效鋼板。利用高速攝像拍攝整個(gè)過程。

2.2.2 鋼錠

為了研究含能材料藥型罩爆炸成型后的侵徹能力，選擇了45鋼錠，鋼錠直徑為310mm，厚度為110mm，如圖4所示。

2.3 高速攝像

實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖5所示，支架和戰(zhàn)斗部放置于箱體內(nèi)，裝甲鋼板固定在箱體的側(cè)壁預(yù)留孔處，戰(zhàn)斗部軸心和20mm裝甲鋼板的中心在同一水平面上，后效鋼板為8mm厚A3鋼板，放置于箱體外側(cè)，距裝甲鋼板1 200mm。利用高速攝像拍攝裝甲鋼板與后效鋼板間的區(qū)域，觀測含能戰(zhàn)斗部爆炸形成的含能彈丸在穿透裝甲鋼板后的反應(yīng)擴(kuò)散情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置布置Fig.3Layout of experimental device

圖4 鋼錠Fig.4Experimental steel ingot

圖5 高速攝像實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.5Setup for high －speed camera

3 結(jié)果與分析

3.1 爆炸成型過程

采用高速攝像方法對實(shí)驗(yàn)件的爆炸過程進(jìn)行了拍攝，獲得了爆炸后不同時(shí)刻的圖片，如圖6所示。

圖6 藥型罩成型過程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6Experimental results of liner forging process

高速攝像拍攝速度為10 000幀每秒。含能材料藥型罩不同于金屬藥型罩，含能材料在爆轟波的壓力下會發(fā)生反應(yīng)。由圖6中可以看出，雖然緩沖墊削弱了爆轟波對含能材料藥型罩的沖擊，但含能材料藥型罩在成型過程中還是發(fā)生了反應(yīng)。藥型罩在爆炸作用下，獲得2km/s左右的速度。高速攝像中，由于含能藥型罩反應(yīng)發(fā)出的光，并不能直接看出含能材料藥型罩爆炸成型的形狀。但鏡頭中的虛光剛好把炸藥爆炸及含能材料反應(yīng)的光屏蔽掉，剩下彈丸的大致形狀。從虛光中可以看出，含能材料制成的藥型罩在爆炸作用下，能夠形成彈丸。

利用ANSYS/LSDYNA3D軟件對含能材料藥型罩的爆炸成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，圖7為含能材料藥型罩爆炸成型過程。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，含能材料藥型罩在爆炸作用下能夠形成彈丸，彈丸長徑比為約3.6，速度為2 188m/s，這與高速攝像的結(jié)果一致。

圖7 藥型罩成型過程的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7Numerical simulation results of liner forging process

圖8為含能彈丸穿透的靶板及后效靶板的情況。穿孔直徑為0.5D，穿孔周圍有燒蝕現(xiàn)象，表明含能材料反應(yīng)時(shí)的溫度較高，大于靶板的融化溫度。后效靶板上沒有出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，表明含能彈丸在穿透靶板后加劇反應(yīng)并生成大量的氣體。后效靶只出現(xiàn)了積碳現(xiàn)象，為含能材料反應(yīng)后的生成物。

圖8 靶板和后效板的破壞Fig.8Damages of the target and aftereffect target

3.2 爆炸成型后的侵徹能力

圖9為實(shí)驗(yàn)件對厚110mm的45鋼綻侵徹結(jié)果的正面和剖開后的截面圖。結(jié)果表明，含能材料爆炸形成的彈丸具有較高的侵徹能力，穿深達(dá)到1.1D，穿孔直徑0.5D。由截面圖可以看出，鋼錠上表面穿孔周圍明顯向上突起，表明對鋼綻的侵徹穿深主要是含能彈丸動能的作用。同時(shí)，穿孔有明顯的燒蝕現(xiàn)象，這是彈丸侵徹過程中化學(xué)反應(yīng)的效果。

圖9 鋼錠的破壞Fig.9Damages of the steel ingot

比較圖8～9可以看出，含能彈丸穿透20mm裝甲鋼板需要消耗約1/3能量，約2/3能量能夠進(jìn)入目標(biāo)內(nèi)部。

3.3 靶后反應(yīng)

高速拍攝速率為10 000幀每秒，典型時(shí)刻的圖像如圖10所示。

由圖10可以看出，含能彈丸穿透裝甲鋼板后，發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物形成的光球以近似半球形擴(kuò)散。取反應(yīng)開始擴(kuò)散照片的前8幀近似計(jì)算反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散速度，如表1所示。表中，R為光球半徑，v為擴(kuò)散速度。

圖10 靶后反應(yīng)的高速攝像照片F(xiàn)ig.10Reaction photo after perforating target by high －speed camera

表1 反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散速度Table 1Pervading velocities of reaction products

由高速攝像圖像，反應(yīng)產(chǎn)物形成的火球最大直徑1 010mm，產(chǎn)物的擴(kuò)散開始最快，隨著半徑的不斷增大，擴(kuò)散的速度越來越小，擴(kuò)散的平均速度為1 100m/s，火球持續(xù)時(shí)間為28ms。

4 結(jié) 論

通過對含能材料藥型罩爆炸成型及毀傷作用的實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

（1）由含能材料制備成的藥型罩，在爆炸作用下雖然發(fā)生了部分反應(yīng)，主體仍舊能夠形成彈丸，彈丸速度2km/s左右。

（2）含能彈丸穿透20mm厚的裝甲鋼靶后反應(yīng)加劇，形成超壓、高溫、破片等多種殺傷元，反應(yīng)后形成大量的氣體，后效靶有反應(yīng)后的殘留物。

（3）含能彈丸侵徹是動能和化學(xué)反應(yīng)的綜合作用過程，穿孔有明顯的燒蝕現(xiàn)象，穿孔口徑0.5D，最大穿深1.1D。

（4）穿透20mm裝甲鋼板后反應(yīng)產(chǎn)物形成的火球最大直徑1 010mm，產(chǎn)物的擴(kuò)散開始最快，隨著半徑的不斷增大，擴(kuò)散的速度越來越小，擴(kuò)散的平均速度為1 100m/s，火球持續(xù)時(shí)間為28ms。

［1］ Douglas D.Reactive material enhanced warhead［C］∥Peo Perspective of Manufacturing，Defense Manufacturing Conference.Las Vegas，2001.

［2］ 黃亨建，黃輝，陽世清，等.毀傷增強(qiáng)型破片探索研究［J］.含能材料，2007，15（6）：566 －569.Huang Heng－jian，Huang Hui，Yang Shi －qing，et al.Preliminary research on damage enhanced fragment［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2007，15（6）：566 －569.

［3］ Vasant S J，Waldorf M D.Process for making polytet －rafluoroethylene －aluminum composite and product made：USA 6547993B1［P］.2003 －04 －15.

［4］ 帥俊峰，蔣建偉，王樹有.準(zhǔn)球形復(fù)合爆炸成型彈丸成型的數(shù)值模擬［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（1）：38 －41.Shuai Jun －feng，Jiang Jian －wei，Wang Shu －you.Numerical simulation of formation of quasi －spherical compound explosively formed projectile［J］.Journal of North University of China：Natural Science Edition，2008，29（1）：38 －41.

［5］ Richard G A.A standardized evaluation technique for reactive warhead fragments［C］∥Proceedings of the 23rd International Symposium Ballistics.Tarragona，Spain：International Ballistics Committee，2007：16 －20.

［6］ Raftenberg M N，Mock W，Kirby G C.Modeling the impact deformation of rods of a pressed PTFE/Al compound mixture［J］.International Journal of Impact Engineering，2008（35）：113 －117.

［7］ 門建兵，蔣建偉，帥俊鋒，等.復(fù)合反應(yīng)破片爆炸成型與毀傷實(shí)驗(yàn)研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（10）：1143 －1146.Men Jian －bing，Jiang Jian －wei，Shuai Jun －feng，et al.Experimental research on formation and terminal effect of explosively formed compound reactive fragments［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2010，30（10）：1143 －1146.

［8］ 孫文旭，李尚斌，黃亨建，等.防護(hù)材料對爆炸驅(qū)動反應(yīng)破片的影響［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2011，29（11）：30 －34.Sun Wen －xu，Li Shang －bin，Huang Heng－jian，et al.Impact of the protective materials on explosive driving reactive fragments［J］.Science ＆ Technology Review，2011，29（11）：30 －34.

［9］ 帥俊鋒，蔣建偉，王樹友，等.復(fù)合反應(yīng)破片對鋼靶侵徹的實(shí)驗(yàn)研究［J］.含能材料，2009，17（6）：722 －725.Shuai Jun －feng，Jiang Jian －wei，Wang Shu －you，et al.Compound reactive fragment penetrating steel target［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17（6）：722 －725.

［10］ 謝長友，蔣建偉，帥俊峰，等.復(fù)合式反應(yīng)破片對柴油油箱的毀傷效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.高壓物理學(xué)報(bào)，2009，23（6）：447 －452.Xie Chang－you，Jiang Jian －wei，Shuai Jun －feng，et al.Experimental study on the damage effect of compound reactive fragment penetrating diesel oil tank［J］.Chinese Journal of High Pressure Physics，2009，23（6）：447 －452.

［11］ 楊華楠，廖雪松，王紹慧，等.含能破片技術(shù)與應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31（12）：4 －7.Yang Hua －nan，Liao Xue －song，Wang Shao －h(huán)ui，et al.Technology and application of energetic fragments［J］.Sichuan Ordnance Journal，2010，31（12）：4 －7.

［12］ 吳榮波，陳智剛，劉俊波，等.柱形含能破片對帶殼炸藥引爆能力的數(shù)值模擬［J］.設(shè)計(jì)與研究，2011，38（9）：8 －11.Wu Rong －bo，Chen Zhi －gang，Liu Jun －bo，et al.Numerical simulation of shelled explosive detonation ability by column energetic fragments［J］.Design and Research，2011，38（9）：8 －11.