對射流成型干擾裝置作用機制的X光試驗研究

夏　明，徐春雨，李永忠，楊程宇

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

對射流成型干擾裝置作用機制的X光試驗研究

夏明，徐春雨，李永忠，楊程宇

（61489部隊，河南 洛陽 471023）

針對聚能彈集裝儲運意外爆炸條件下的殉爆問題，應用脈沖X光成像技術，分別對某型聚能彈射流在空氣中自由成型及運行過程，不同材料干擾裝置作用于射流成型的過程進行X光拍攝試驗，獲得射流未被干擾狀態的基本參數和在不同材料干擾裝置作用下的干擾效果X光影像，并在影像分析基礎上，研究干擾裝置的作用機制，為提高干擾裝置的射流防護性能，提供基礎試驗數據。結果表明：試驗用聚能彈的射流準直性良好，在54～197.4mm炸高范圍內具有較強的侵徹能力，防護困難；3種材料的干擾裝置對射流成型過程都發揮顯著抑制作用，射流均未成型；干擾裝置的作用機制主要是施加干擾后，藥型罩的受力狀態發生明顯改變，干擾裝置使藥型罩變形受阻，變形速度顯著降低，最終未形成射流；強度較高、密度較大、較耐高溫的材料干擾效果較好。

X光成像技術；聚能彈；射流；干擾裝置；防護

0　引言

由于聚能彈具有定向高威力、大穿深特點，在聚能彈集裝儲運時，如某層中的一個聚能彈發生意外爆炸，產生的高速射流不僅將沖擊起爆相鄰層中的其他裝藥，還可穿透十幾厘米厚的裝甲鋼板，從而引發大規模殉爆，造成難以估量的人員和財產損失，后果不堪設想。但在聚能射流成型階段，其速度較低，且極易被干擾，威力大幅降低。因此，對射流進行初始干擾，比直接增加抗射流材料的防護方式，效費比更高，也有利于減輕防護結構重量，是射流防護的一條合理思路。射流干擾一直是防護研究的熱點問題，基于射流干擾機理的多層復合裝甲、反應裝甲，以及新概念裝甲防護技術發展迅速。HAUVER分別對熔鑄玻璃與結晶水晶對射流的干擾作用進行了研究［1］，Littlefield［2］對熱動力及磁場與射流穩定性之間的關系進行了分析，Horsfall［3］對間隙復合裝甲抗射流的問題進行了研究，Helte［4］應用開爾文-亥姆霍茲原理，開展了反應裝甲對射流的干擾作用研究；黃正祥、祖旭東等［5-12］對橡膠復合裝甲、凱夫拉纖維復合裝甲、以及異形結構裝甲等對射流的干擾作用進行了較為系統的研究。從國內外相關研究情況分析可以發現：對射流進行干擾是防護射流的重要手段，成型射流的干擾問題已經進行了深入研究，并取得了系列成果，但國內外學者集中關注于成型射流的干擾防護問題，而非初始階段。同時，射流成型初始階段的干擾問題，雖然理論研究有一定基礎，但干擾裝置的作用機制、不同材料干擾裝置的效果差異等關鍵問題卻鮮有報道。

本文應用脈沖X光成像技術，首先對某型聚能彈在空氣中射流自由成型過程進行了試驗，獲得了射流未被干擾狀態的基本參數；然后，拍攝得到了3種不同材料制成的干擾裝置對聚能射流成型過程的干擾效果影像；最后，根據影像對比分析，研究了干擾裝置的作用機制和不同材料干擾裝置的效果差異，為提高干擾裝置的射流防護性能，提供了基礎試驗數據。

1　試驗設備及器材

采用ScandiFlash公司的雙出光管300 kV脈沖X光發生裝置進行試驗過程拍攝，在有混凝土防護墻和X光出光口的爆炸洞內進行該試驗，以保證安全。同時，在爆炸洞中心設置聚能彈，在出光口與爆炸洞中心連線的法向設置X光底片，并用底片盒及支托架進行底片防護和固定，如圖1所示。試驗用某型聚能彈由聚能裝藥和裝藥殼體組成。聚能彈的藥型罩為T2紫銅，裝藥為8701炸藥，外徑為40 mm，結構為柱錐結合式。裝藥的圓柱段為27mm，錐臺段為24mm，總高度為51mm，如圖2所示。

圖2　某型聚能彈的裝藥結構

圖3　干擾裝置結構

設計了聚乙烯、酚醛樹脂和尼龍3種材料不同，但結構相同的射流干擾裝置。干擾裝置的結構，如圖3所示，干擾裝置的基本參數，見表1。3種干擾裝置的密度和強度均有明顯差異，其中聚乙烯材料的密度和強度最小，而酚醛樹脂最大，尼龍介于二者之間。

表1　干擾裝置的基本參數

2　試驗方法

試驗分為兩個階段進行，首先對某型聚能彈射流在空氣中自由成型及運行過程進行試驗，獲得射流未被干擾狀態的基本參數；然后，進行3種干擾裝置對射流成型過程的干擾效果試驗，并對實際干擾效能進行了對比分析研究。

射流自由成型及在空氣中的運行試驗設置如圖1所示，采用被動同步觸發方法。在聚能彈的柱錐結合位置環繞粘貼兩根直徑0.3mm的漆包線，斷口平行。聚能彈爆炸后產生的電離作用將接通兩根漆包線，從而產生啟動信號，以保證X光與聚能彈的同步觸發。分別設置兩個X光管的出光時間，即可一次試驗得到兩張不同時刻的X光照片。在進行影像處理時，還需確定影像放大系數。放大系數由X光管、拍攝對象和底片的相對位置決定。本試驗設置兩臺X光管距爆炸洞中心的距離與爆炸洞中心與對應底片盒的距離相等，因此，圖像的放大系數為2。此外，為了方便在X光照片上計算射流頭尾速度，在拍攝前還在底片盒上粘貼了參考標記線，上下標記線的實際距離為500mm，在底片上能清晰反映。

干擾裝置對射流成型過程的干擾效果試驗的設置、同步觸發方法和底片盒的位置與圖1中相同，主要區別在于聚能彈的設置。本試驗聚能彈采用爆炸試驗臺架上的PVC管支撐，并在聚能穴內安放了干擾裝置，以模擬實際應用情況。試驗對不同材料干擾裝置的射流成型情況進行了拍攝，記錄了藥型罩和干擾裝置變形過程。

圖4　特征時刻射流自由成型及在空氣中運行的X光照片

3　試驗結果與分析

3.1試驗結果

試驗獲得了射流自由成型及在空氣中特征時刻的X光照片，但照片上的圖像已經過放大，放大系數為2，上下標記線的實際距離為500mm。因此，根據射流頭尾距離上標記線的距離差和出光時間差，以及放大系數，即可得到射流在該時間范圍的平均速度。同時，由于0～10μs射流還未完全成型，只對15～50μs的射流頭尾位置進行了測量，如圖4所示。

試驗獲得了3種材料干擾裝置特征時刻的干擾效果X光照片，并回收了被干擾變形后的藥型罩，所有被干擾的聚能彈均未形成射流，特征時刻的干擾情況，如圖5所示。

圖5　不同材料干擾裝置特征時刻的X光照片及回收藥型罩

3.2結果分析

1）射流成型未受干擾時，40 μs之前是連續的，而50μs時部分射流出現頸縮和斷裂現象，射流斷裂時間應位于40～50μs區間內。

2）射流準直性良好，在15～25μs已產生較高的頭部平均速度，約4 736 m/s，而后續射流拉伸過程還在加速，在40～50 μs區間，頭部平均速度已達約6847m/s。在54～197.4mm炸高范圍內（即15～40μs射流運行范圍內）該射流具有較強的侵徹能力，炸高適應范圍較寬，防護困難。

3）3種材料的干擾裝置對射流成型過程都發揮了顯著抑制作用，射流均未成型。從干擾成型的效果看，酚醛樹脂材料的干擾裝置效果最好，尼龍次之，聚乙烯相對較差。

4）如表1所示，3種干擾裝置的材料強度差別明顯，密度和耐溫性能也有所差異。強度較高、密度較大、較耐高溫的材料干擾效果較好。在射流正常成型情況下，炸藥爆轟高溫高壓驅動藥型罩的平均變形速度可達幾千米每秒，而從圖5中的X光片分析，受到干擾后，以聚乙烯干擾裝置為例，在0～50μs時間區間，藥型罩的口部平均變形速度約154 m/s，而當酚醛樹脂干擾裝置作用時，則僅為58m/s。

5）干擾裝置的作用機制主要是：施加干擾后，藥型罩的受力狀態發生了顯著改變。未受干擾時，藥型罩內部為空氣，在變形過程中不承受壓力，對藥型罩的變形過程無影響；而施加干擾后，干擾裝置受到藥型罩變形的壓力，但其自身有較高強度，將反作用于藥型罩，使其變形受阻，變形速度顯著降低，最終未形成射流。此外，不同材料在高溫下保持強度的性能不同，也是導致干擾效果差異的一個因素。從圖5中的X光片分析，聚乙烯和尼龍干擾裝置在高溫作用下都很快強度失效，而酚醛樹脂的耐溫性能較好，強度能夠保持相對較長的作用時間，從而干擾效果也較好。另外，干擾裝置材料的密度也對干擾效果產生一定的影響。在聚能彈未受干擾時，炸藥爆轟作用直接驅動藥型罩；但受到干擾后，藥型罩與干擾裝置幾乎一起運動和變形，而炸藥的驅動能力并未明顯變化。藥型罩質量約為18g，而聚乙烯、尼龍和酚醛樹脂干擾裝置的結構體積一樣，密度較大的，質量也較大，分別為23.263，31.175，37.338g。因此，從炸藥驅動能力的角度分析，被驅動物體的質量顯著增加了，在同樣的作用時間內，必然降低最終速度。

4　結束語

1）試驗用聚能彈的射流準直性良好，在 54～197.4 mm炸高范圍內具有較強的侵徹能力，炸高適應范圍較寬，防護困難。

2）3種材料的干擾裝置對射流成型過程都發揮了顯著抑制作用，射流均未成型。從干擾成型的效果看，酚醛樹脂材料的干擾裝置效果最好，尼龍次之，聚乙烯相對較差。

3）干擾裝置的作用機制主要是：施加干擾后，藥型罩的受力狀態發生了顯著改變，干擾裝置使藥型罩變形受阻，變形速度顯著降低，最終未形成射流。強度較高、密度較大，較耐高溫的材料干擾效果較好。

［1］HAUVER G E，NETHERWOOD P H，BENCK R F，et al.Penetration of shaped charge jets into glass and crystalline quartz：BRL-TR-3273［R］.1991.

［2］LITTLEFIELD D L.Thermomechanical and magnetohydrodynamic stability in shaped charge jets：ADA271369［R］. 1993.

［3］HORSFALL I，PETROU E，CHAMPION S M.Shaped charge attack of spaced and composite armour 23rd Internation Symposium on Ballistics［C］∥Tarragona Spain，2007：1281-1288.

［4］HELTE A，LIDEN E.The role of Kelvin-Helmholtz instabilities on shaped charge jet interaction with reactive armoursplates 25th International Symposium on Ballistics［C］∥Beijing，2010：1347-1350.

［5］黃正祥，張鐘文，祖旭東，等.折狀夾芯復合靶對射流侵徹的影響［J］.彈道學報，2013，25（4）：69-74.

［6］言克斌，祖旭東，黃正祥，等.陶瓷/橡膠復合裝甲對射流防護效能的實驗研究［J］.彈道學報，2013，25（4）：59-64.

［7］張鐘文，黃正祥，祖旭東，等.異型夾層結構復合靶板抗射流侵徹性能研究［J］.高壓物理學報，2013，27（6）：928-935.

［8］肖強強，黃正祥，祖旭東，等.新結構藥型罩射流對等效前艙的抗干擾研究［J］.彈道學報，2012，24（1）：47-68.

［9］鑫賈，黃正祥，祖旭東，等.織物纖維增強橡膠復合板抗射流侵徹的防護效能［J］.復合材料學報，2012，29（6）：66-72.

［10］祖旭東，黃正祥，鑫賈.橡膠復合靶板抗射流侵徹的理論和實驗研［J］.爆炸與沖擊，2012，32（4）：376-383.

［11］祖旭東，黃正祥，鑫賈，等.橡膠復合靶板抗成型裝藥射流侵徹研究［J］.南京理工大學學報，2012，36（6）：1047-1051.

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（編輯：劉楊）

The X-ray experimental research on the mechanism of the jet for mation jamming device

XIA Ming，XU Chunyu，LI Yongzhong，YANG Chengyu
（The 61489 Troop of the PLA，Luoyang 471023，China）

Withregardtotheinduceddetonationfeatureofshapedchargeafteraccidental explosion in packaging and transportation process，pulsed X-ray imaging technology is applied to have X-ray photographing test on the free forming and moving process of the jet flow of one type of shaped charge in air and the process that jamming device of difference materials acts on the jet formation.Through the test，basic parameters under the condition that the jet flow is not interfered and the X-ray image of interfering effect of jamming devices of different materials are obtained.In addition，the acting mechanism of jamming device is studied on the basis of image analysis to provide data in basic test for the improvement of jet protection performance of jamming device.Results show that the shaped charge for test has good jet alignment and it has strong penetration ability within a burst height ranging 54 to197.4mm；jamming devices of three materials have obvious effects in restraining the jet formation and the jet formation always fails；the acting mechanism of jamming device is that after an interference is posed，the stress state of shaped charge liner will change obviously，the jamming device will deform and restrict the liner，the deformation speed will be decreased obviously and finally jet will not be formed；material with strong strength，large intensity and great high temperature resistance has good interfering effects.

X-ray imaging technology；shaped charge；jet；jamming devices；protection

A

1674-5124（2016）10-0090-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.017

2016-04-21；

2016-05-29

夏明（1981-），男，湖南益陽市人，工程師，博士，主要從事防護技術和武器毀傷效應研究。