活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓特性

張雪朋，肖建光，余慶波，鄭元楓，王海福

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓特性

張雪朋，肖建光，余慶波，鄭元楓，王海福

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

采用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，對活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓特性進(jìn)行了研究。通過地面靜爆實(shí)驗(yàn)，測試了活性藥型罩聚能裝藥穿透不同厚度靶板后的內(nèi)爆超壓特性。結(jié)果表明，在給定活性藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)的條件下，內(nèi)爆超壓隨穿靶厚度基本呈拋物線衰減規(guī)律。進(jìn)一步結(jié)合準(zhǔn)定常理想不可壓縮流體力學(xué)理論，引入活性材料能量釋放激活延時(shí)參數(shù)，建立了破甲后效超壓半經(jīng)驗(yàn)分析模型。利用該模型預(yù)測的活性射流破甲后效超壓與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合較好。分析了活性材料能量釋放激活延時(shí)對破甲后效超壓的影響特性。

兵器科學(xué)與技術(shù)；聚能裝藥；活性藥型罩；破甲后效超壓；沖擊引發(fā)；能量釋放

0 引言

活性材料藥型罩在聚能裝藥上的應(yīng)用，是提高聚能射流毀傷后效的重要技術(shù)途徑，受到了世界各國的廣泛關(guān)注和大力研究［1-4］。Baker等采用脈沖X光實(shí)驗(yàn)研究了活性藥型罩聚能裝藥在爆炸驅(qū)動(dòng)下射流成形行為，并通過地面靜爆實(shí)驗(yàn)研究了活性材料配方對混凝土靶毀傷效應(yīng)的影響特性［5］；Daniels等采用數(shù)值模擬方法分析了活性射流成形過程及影響因素，并通過實(shí)驗(yàn)研究了不同炸高下活性藥型罩聚能裝藥對混凝土靶毀傷效應(yīng)［6］。從國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，有關(guān)活性材料的研究主要體現(xiàn)在活性破片能量釋放和毀傷威力評估方面，Ames等通過泰勒桿實(shí)驗(yàn)對活性破片臨界起爆壓力進(jìn)行了測試［7］，王海福等對活性破片能量釋放進(jìn)行了研究［8］，但在活性藥型罩聚能裝藥對裝甲的侵徹性能及后效超壓特性研究方面，未見有學(xué)術(shù)成果公開發(fā)表。本文采用地面靜爆實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，對活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對活性藥型罩聚能裝藥設(shè)計(jì)及威力評估有參考意義。

1 靜爆實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)方法

為了研究活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓特性，實(shí)驗(yàn)采用底徑40mm、錐角44°、密度2.3g/cm3的活性藥型罩。實(shí)驗(yàn)測試原理如圖1（a）所示，主要由活性藥型罩聚能裝藥、炸高支架、圓柱形鋼靶、后效超壓測試罐、壓力傳感器和信號采集系統(tǒng)等組成。其中:立方體后效超壓測試罐由厚度10mm鋼板焊接而成，內(nèi)腔容積約為125L，測試罐上方中心位置開設(shè)直徑30mm圓孔；鋼靶直徑200mm，厚度10～60mm；活性射流內(nèi)爆后效超壓由安裝在罐壁的兩個(gè)AK-1應(yīng)變式傳感器進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)布置如圖1（b）所示。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1　實(shí)驗(yàn)布置Fig.1 Experimental setup

活性藥型罩聚能裝藥侵徹不同厚度鋼靶典型實(shí)驗(yàn)圖片如圖2所示。從圖2中可以看出，活性藥型罩聚能裝藥對鋼靶的侵孔及熏黑程度顯著受穿靶厚度的影響。當(dāng)靶厚為10mm時(shí)，活性射流對鋼靶的侵孔直徑可達(dá)0.51D（D為裝藥直徑），靶板表面熏黑區(qū)域較小，且熏黑程度較弱；當(dāng)靶厚增大到20mm以上時(shí)，靶板上表面基本全部被活性材料爆轟產(chǎn)物覆蓋，且靶板表面熏黑程度隨靶板厚度的增大而加重，活性射流對鋼靶的侵孔直徑逐漸變小，最小侵孔直徑約為0.4D.

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results

圖2　侵徹不同厚度鋼靶典型實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Typical photographs of penetrated steel targets with different thickness

表1為活性藥型罩聚能裝藥侵徹不同厚度鋼靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表1中可以看出，隨著靶板厚度的增大，活性藥型罩聚能裝藥對鋼板的侵孔直徑呈現(xiàn)減小趨勢，這與金屬藥型罩侵徹規(guī)律相同，但活性藥型罩聚能裝藥對鋼板的侵孔直徑要大得多，約為0.5D；破甲后效超壓隨著靶板厚度的增大而減小，在不穿靶條件下，30g活性藥型罩形成的活性射流進(jìn)入125L的密閉容器內(nèi)可產(chǎn)生0.35MPa超壓。當(dāng)靶板厚度增大到60mm后，活性射流作用鋼靶的侵徹深度為58mm，在活性射流剛好未能穿透靶板情況下，活性藥型罩聚能裝藥在沒穿透靶板情況下，測試系統(tǒng)依然測得了0.0051MPa的壓力，這可能是因?yàn)榫勰苎b藥爆轟波作用在罐壁面導(dǎo)致壓力傳感器產(chǎn)生測量誤差。

從圖3中可以看出，測試罐內(nèi)超壓的上升階段持續(xù)時(shí)間約為5ms，說明活性射流在測試罐內(nèi)發(fā)生了強(qiáng)烈的爆燃反應(yīng)。超壓上升到峰值壓力后就開始下降，一方面是剩余活性射流完全反應(yīng)后，沒有氣體繼續(xù)產(chǎn)生，使得測試罐內(nèi)壓力下降；另一方面是侵孔的泄壓效應(yīng)開始顯著，測試罐內(nèi)超壓的下降階段持續(xù)時(shí)間約為10ms.另外，圖3中測試壓力曲線有震蕩，這是因?yàn)楦舭咫m然擋住了爆轟產(chǎn)物進(jìn)入測試罐內(nèi)，但是爆轟波會(huì)通過隔板作用在測試罐上，使得測試罐上的壓力傳感器發(fā)生震蕩，通過對數(shù)據(jù)處理得到了準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

2 侵徹-爆炸分析模型

2.1侵徹分析模型

活性材料本質(zhì)上是一種特殊的含能材料，是一種在聚氟物中添加金屬粉體的混合物，其在強(qiáng)沖擊載荷下自身會(huì)被激活發(fā)生爆炸反應(yīng)，活性材料的弛豫時(shí)間為活性材料激活開始直到完全反應(yīng)結(jié)束，而活性材料弛豫時(shí)間受活性材料配方和材料組分粒徑的影響，但活性材料配方及組分粒徑一定時(shí)，活性材料的弛豫時(shí)間為定值。假設(shè)活性射流在弛豫時(shí)間內(nèi)按惰性處理，達(dá)到弛豫時(shí)間后發(fā)生爆炸反應(yīng)，并在侵徹過程中忽略靶板的強(qiáng)度效應(yīng)，基于準(zhǔn)定常理想不可壓縮流體理論分析活性射流侵徹鋼板過程。活性射流破甲過程如圖4所示。圖4中縱軸y是軸向距離，以活性藥型罩底部為0，橫軸t為時(shí)間軸，以爆轟波到達(dá)藥柱底部為0時(shí)刻。在y-t圖上是從A點(diǎn)發(fā)出的一簇直線，每一條直線的斜率就是該射流的速度，H是炸高。活性射流在B點(diǎn)與靶板相遇，開始破甲，BC線是破甲隨時(shí)間加深的曲線，曲線上每一點(diǎn)的斜率是該點(diǎn)的破甲速度u，CD線是活性射流以速度vj通過侵徹孔，直到活性材料弛豫時(shí)間τ后發(fā)生劇烈的爆炸反應(yīng)，在靶后產(chǎn)生超壓。由圖4可以看出，活性藥型罩聚能裝藥的破甲后效超壓不僅與靶板厚度L有關(guān)，還與活性材料的弛豫時(shí)間τ有關(guān)。

由圖4中幾何關(guān)系可以看出，對于點(diǎn)C可以得到破甲深度L與破甲時(shí)間t1關(guān)系式為

式中:vj是C點(diǎn)射流速度；t0為活性射流碰靶需要的時(shí)間；tA為虛擬點(diǎn)A的橫坐標(biāo)；b為虛擬點(diǎn)A的縱坐標(biāo)。

（1）式對t微分可得

對于理想不可壓縮流體有

式中:ρt、ρj分別為靶板和活性射流的密度。

圖3　靶后超壓Fig.3 Armor penetration aftereffect overpressure

把（3）式代入（2）式可得

式中:tL為活性射流穿透厚度L的鋼板所需時(shí)間。

假設(shè)活性射流在侵徹過程中始終保持一個(gè)錐形形狀，且活性射流長度與炸高相同，活性射流侵徹厚度為L的鋼板消耗的射流長度為x，總長度保持不變，根據(jù)幾何關(guān)系可知，活性射流穿透L厚鋼板后消耗活性射流質(zhì)量mL為

假設(shè)活性射流侵徹鋼靶的極限深度為Ll，且活性射流在侵徹過程中一直保持等腰錐形不變，則

當(dāng)t=τ時(shí)，活性射流穿透鋼板在靶后的活性射流有效質(zhì)量為ma，則ma是一個(gè)與活性材料弛豫時(shí)間τ有關(guān)的分段函數(shù)，可表述為

圖4　侵徹分析模型Fig.4 Penetration analysis model

當(dāng)活性藥型罩結(jié)構(gòu)一定時(shí)，活性射流碰靶前t0時(shí)刻、射流的平均速度極限侵徹深度Ll可以通過數(shù)值模擬方法測得，本文取Ll=80mm.對于不同活性材料弛豫時(shí)間τ，穿靶后活性射流有效質(zhì)量ma與靶板厚度L之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5　活性材料弛豫時(shí)間與靶后有效質(zhì)量的關(guān)系Fig.5 Time for initiation versus effective mass of reactive materials after armor penetration

從圖5中可以看出，當(dāng)活性材料弛豫時(shí)間足夠大時(shí)，靶后活性射流有效質(zhì)量隨穿靶厚度的增大呈現(xiàn)出近似拋物線的衰減規(guī)律，直至活性藥型罩聚能裝藥對鋼靶的極限侵深，靶后活性射流有效質(zhì)量下降為0.當(dāng)活性材料弛豫時(shí)間較小時(shí)，靶后活性射流有效質(zhì)量隨著靶板厚度的增大呈分段減小趨勢，穿靶厚度較小時(shí)，靶后活性射流有效質(zhì)量仍表現(xiàn)為拋物線衰減規(guī)律，當(dāng)超過某一值（這是與活性材料弛豫時(shí)間、炸高和活性射流平均速度有關(guān)的值）后，靶后活性射流有效質(zhì)量急劇下降，表現(xiàn)為近似線性衰減規(guī)律，直至活性藥型罩聚能裝藥對鋼靶的極限侵深后下降為0.當(dāng)活性材料弛豫時(shí)間小于某一值（這是與炸高和活性射流平均速度有關(guān)的值）后，靶后活性射流有效質(zhì)量呈現(xiàn)出近似拋物線衰減規(guī)律，且在不穿靶條件下，靶后活性射流有效質(zhì)量隨活性材料弛豫時(shí)間的減小而減小。

2.2爆炸分析模型

與活性破片的能量釋放特性不同，活性藥型罩聚能裝藥起爆后，爆轟波作用在活性藥型罩上的平均壓力在20GPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了活性材料激活起爆壓力，活性藥型罩在爆轟波作用下被完全激活，活性材料能量釋放率達(dá)到100%.活性材料爆炸反應(yīng)釋放化學(xué)能的大小是衡量活性材料毀傷威力的重要指標(biāo)，而它又是很難直接測量的參數(shù)，一般只能通過爆炸超壓、正壓時(shí)間、溫度等參數(shù)來表征。對于密閉容器，假設(shè)定容條件下氣體不做功，同時(shí)忽略了熱損失和氣體分子作用力，對于一定質(zhì)量的活性材料，有

式中:V0為測試罐初始容積（cm3）；ψ為活性材料相對燃燒量；pψ為對應(yīng)ψ時(shí)刻爆燃?xì)怏w壓力（MPa）；δ為燃?xì)庥嗳荩╟m3/g）；f=RT1（J/g），R是氣體常數(shù)，T1是燃燒溫度（℃）.

特別是當(dāng)ψ=1時(shí)，活性材料燃燒結(jié)束，氣體壓力達(dá)到最大，

式中:Δ=m/V0.

對于一定質(zhì)量的活性材料，在壓力不高的條件下，通常認(rèn)為δ為常量。顯然，f、δ是線性方程（9）式的截距和斜率，對線性方程（9）式進(jìn)行回歸得

當(dāng)n=2時(shí)

3 侵徹爆炸后效超壓模型

由圖5可以看出，在不穿靶條件下，當(dāng)活性材料弛豫時(shí)間大于48μs時(shí)活性射流全部進(jìn)入靶后，假設(shè)實(shí)驗(yàn)中1和2在活性射流形成過程及侵入測試罐內(nèi)沒有質(zhì)量損失，則根據(jù)（9）式可得到與活性材料有關(guān)的參量，即f=1.2683×106J/kg，δ= 0.602×10-3m3/kg.活性藥型罩質(zhì)量為m，進(jìn)入測試罐內(nèi)的活性射流質(zhì)量為ma，而測試罐內(nèi)的超壓與進(jìn)入測試罐內(nèi)活性射流的質(zhì)量有關(guān)，可以通過測試罐內(nèi)的超壓確定進(jìn)入測試罐內(nèi)的活性射流質(zhì)量ma，則

把（12）式代入（9）式中可得到測試罐超壓pm與靶板厚度L之間的關(guān)系式為

圖6所示為活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓隨靶板厚度的變化曲線。從圖6可以看出，活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓隨靶板厚度的增加呈分段減小趨勢，表現(xiàn)為近似拋物線衰減規(guī)律。當(dāng)穿靶厚度較小時(shí)，活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓下降趨勢較小，這是因?yàn)榛钚陨淞髑謴乇“羞^程質(zhì)量損失較小，且侵徹時(shí)間較短，有足夠的時(shí)間讓更多質(zhì)量的活性射流通過侵徹孔進(jìn)入測試罐內(nèi)，從而靶后超壓變化趨勢不明顯。當(dāng)穿靶厚度超過20mm后（即0.5D），活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓下降趨勢明顯，一方面是因?yàn)榛钚陨淞髑謴匕邪暹^程消耗質(zhì)量增大，且侵徹時(shí)間變長，導(dǎo)致進(jìn)入靶后活性射流有效質(zhì)量變小；另一方面因?yàn)榍謴乜卓讖阶冃。瑔挝粫r(shí)間內(nèi)通過侵孔的活性射流質(zhì)量變小；這兩方面制約了活性射流通過侵徹孔進(jìn)入測試罐內(nèi)活性射流的質(zhì)量，使得測試罐內(nèi)超壓下降趨勢明顯。

圖6　穿靶厚度對破甲后效超壓影響Fig.6 Influences of perforated target thicknesses on armor penetration aftereffect overpressure

另外，從圖6中還可以看出，實(shí)驗(yàn)測試得到的靶后超壓值比理論值預(yù)測值要小，一方面是因?yàn)槔碚摷僭O(shè)活性藥型罩在爆炸驅(qū)動(dòng)射流形成過程中不發(fā)生反應(yīng)，事實(shí)上，炸藥爆炸后爆轟波作用在活性藥型罩上的平均壓力在20GPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了活性材料自身起爆壓力，一部分活性材料在活性射流形成過程中就開始發(fā)生反應(yīng)，使得假設(shè)的活性射流質(zhì)量偏小；另一方面，活性射流杵體部分直徑較侵徹孔要大的多，在活性射流沿侵孔隨進(jìn)過程有一部分活性射流不能進(jìn)入侵孔，遺留在靶板表面發(fā)生爆炸，使得實(shí)驗(yàn)測量值較理論值小。

4 結(jié)論

1）與金屬藥型罩相比，在1倍裝藥直徑炸高下，活性藥型罩聚能裝藥對鋼靶的侵孔直徑要大的多，可達(dá)0.5倍裝藥直徑，但侵徹能力有所下降，侵徹深度約為1.45倍裝藥直徑。

2）活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓顯著受穿靶厚度影響，隨穿靶厚度的增大，破甲后效超壓呈近似拋物線衰減規(guī)律。在不穿靶條件下，質(zhì)量30g活性藥型罩形成的活性射流，進(jìn)入125L密閉容器內(nèi)爆炸超壓可達(dá)0.35MPa.

3）活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓除了與穿靶厚度有關(guān)外，還顯著受活性材料弛豫時(shí)間影響。在給定穿靶厚度條件下，破甲后效超壓隨活性材料弛豫時(shí)間的增長而增大。

（References）

［1］ Raftenberg M N，Mock G C.Modeling the impact deformation of rods of a pressed PTFE/AL composite mixture［J］.International Joumal of Impact Engineering，2008，35（12）:1735-1744.

［2］ Willis M J，William H H.Impact initiation of rods of pressed polytetrafluoroethylene（PTFE）and aluminum powders［C］∥Proceedings of 14th APS Topical Conference on Shock Compression Condensed Matter.Los Angeles:American Physical Society，2005:98-103.

［3］ Ames R G，Waggener S S.Reaction efficiencies for impact-initiated energetic materials［C］∥32nd International Pyrotechnics Seminar.Karlsruhe，Germany:ICT，2005.

［4］ 余慶波，劉宗偉，金學(xué)科，等.活性破片戰(zhàn)斗部威力評價(jià)方法［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（7）:661-664. YU Qing-bo，LIU Zong-wei，JIN Xue-ke，et al.Method for assessing lethality of reactive fragment warhead［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2012，32（7）:661-664.（in Chinese）

［5］ Daniels A S，Baker E L，DeFisher S E，et al.Bam Bam:large scale unitary demolition warheads［C］∥Proceedings of the 23rd International Symposium on Ballistics.Tarragona，Spain:IBC，2007.

［6］ Daniels A，Baker E，Ng K.A unitary demolition warhead［C］∥Mines，Demolitions and Non-Lethal Weapons Conference.New Orleans，LA:NDIA，2003:9-11.

［7］ Ames R.Energy release characteristics of impact-initiated energetic materials［J］.MRS Online Proceedings Library，2004，896（3）:321-333.

［8］ 王海福，劉宗偉，俞為民，等.活性破片能量輸出特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（8）:663-666. WANG Hai-fu，LIU Zong-wei，YU Wei-min，et al.Experimental investigation of energy release characteristics of reactive fragments［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2009，29（8）:663-666.（in Chinese）

Armor Penetration Aftereffect Overpressure Produced by Reactive Material Liner Shaped Charge

ZHANG Xue-peng，XIAO Jian-guang，YU Qing-bo，ZHENG Yuan-feng，WANG Hai-fu
（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Armor penetration aftereffect overpressure produced by reactive material liner shaped charge is researched through experiments and theoretical analysis.Quasi-static explosion experiments are carried out to investigate the overpressure produced by reactive material liner shaped charge impacting the steel plates with different thicknesses.The result shows that the overpressure decays parabolically with the thickness of plate.Based on the quasi-steady incompressible Bernoulli equation，a model is developed to describe the armor penetration aftereffect overpressure by introducing the self-delay time of reactive materials.The results calculated by the proposed model show a good consistence with the experimental results.And the influence of the self-delay time of reactive materials on armor penetration aftereffect overpressure is analyzed.

ordnance science and technology；shaped charge；reactive material liner；armor penetration aftereffect overpressure；shock-induced initiation；energy release

TJ413.+2

A

1000-1093（2016）08-1388-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.007

2016-01-19

國防“973”計(jì)劃項(xiàng)目（403020201）

張雪朋（1985—），男，博士研究生。E-mail:3120110147@bit.edu.cn；王海福（1966—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:wanghf@bit.edu.cn