鋯鉭復合藥型罩EFP成型及侵徹研究

韓 偉，何 勇，沈曉軍，王傳婷

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094; 2.北京特種機電研究所， 北京 100081)

第二次世界大戰以來，隨著制導精度的提高和破甲能力的增強，聚能戰斗部已經在反裝甲武器上得到了廣泛應用[1]。但隨著復合、復反應裝甲和貧鈾裝甲等技術的出現，各種軍事目標的防護能力不斷加強，使得傳統聚能戰斗部迎來了巨大的挑戰。為實現對目標的高效毀傷，近年來人們提出雙層藥型罩、含能藥型罩等各種彈藥設計來提高聚能裝藥對新型裝甲的侵徹能力。傳統的聚能裝藥都是單層罩結構，利用其形成的射流或EFP(爆炸成型彈丸)進行動能侵徹和毀傷。而根據材料阻抗匹配關系，設計雙層含能藥型罩可以獲得更高的壓垮速度，能量轉換與吸收機制更有效，侵徹性能更強。

Phillips通過對金屬材料的物理屬性和經濟性等方面的考量，認為目前可適用于制造藥型罩的金屬有紫銅、鋁、鉭和鋯等[1]； Faibish[2]制備了雙層焊接藥型罩，對小錐角雙層藥型罩射流成型過程進行了數值仿真和實驗研究；臧濤成等[3]發現了雙層藥型罩相比于單層藥型罩的優勢，形成的射流侵徹能力更強；Weiman K和Blache A為了提高EFP的侵徹能力和飛行穩定性，提出了外鐵內鉭的雙層藥型罩形成EFP的技術方案[4]。

綜上所述，國內外陸續開展了多層藥型罩的研究，以求增強聚能裝藥的毀傷效果。利用活性材料代替外層惰性金屬，由其形成的EFP尾部材料隨進EFP頭部的開孔，發生化學反應，釋放化學能，擴大毀傷效果[5,6]。本文提出外層為鋯，內層為鉭的雙層含能藥型罩設計。內層鉭形成EFP頭部侵徹靶板，外層鋯隨進在靶后放熱產生后效。由于很難對EFP成型和侵徹進行理論研究，且為了減少實驗的成本，本文采用AUTODYN軟件模擬EFP成型，研究典型大錐角裝藥結構下不同厚度的鋯/鉭雙層藥型罩形成EFP速度及對靶板侵徹規律，得到典型大錐角雙層含能藥型罩不同內外罩厚度比的成型情況，并進行了部分實驗驗證，對于鋯/鉭雙層含能藥型罩的研究具有重要的指導意義。

1 理論模型分析

1.1 EFP的成型分析

多年來，學者們進行了大量仿真和實驗研究，但對于EFP成型的理論分析沒有太多進展。得出的EFP的成型過程大致為：EFP的成型伴隨著壓垮和翻轉。壓垮就是炸藥起爆后，藥型罩受到爆轟波的壓縮發生壓垮現象，壓垮的程度與炸藥的材料、起爆方式、起爆點的選擇和藥型罩的材料及加工方式等眾多因素有關。而EFP發生翻轉是因為部分微元的速度無法克服材料的屈服強度，無法運動到軸線上。按照鄭宇[7]的理論，將大錐角的藥型罩分為如圖1所示的3個區域。

1.2 雙層藥型罩EFP壓垮計算

由PER理論[8]得出射流速度方程：

(1)

其中，V0為壓垮速度，α為藥型罩半錐角，δ為藥型罩微元的極限偏轉角，β為壓垮角。

圖1 大錐角藥型罩的變形[7]

藥型罩微元壓垮速度簡化公式[9]：

(2)

其中，B為考慮裝藥、藥型罩結構、爆轟波入射角等多種影響因素的系數，b為雙層藥型罩壁厚，ρ為雙層藥型罩微元平均密度，P為內層銅罩壓垮壓力。

炸藥爆轟后，沖擊波運動至藥型罩表面時會發生透射和反射現象，透射波和反射波的性質由相鄰介質材料本身決定。爆轟沖擊波從低阻抗(R0)炸藥傳到高阻抗(R2)紫銅界面上時，反射波壓力為Pr2，透射波壓力為Pt2，阻抗失配方程的基本形式為：

(3)

式中，P0為炸藥爆轟初始壓力。

基于復合材料系統中的阻抗適配原理[9-10]，當在炸藥和紫銅罩中間加入阻抗為R1(R0

(4)

可以看出，通過配置合適的外層罩材料可以提高雙層藥型罩微元壓垮速度，增大射流速度。

2 數值模擬

聚能裝藥EFP的形成和侵徹是一個高壓、大應變的過程。非線性動力學仿真軟件AUTODYN可以很好的解決大變形過程。本文使用AUTODYN軟件模擬EFP的成型與侵徹問題。Euler算法適宜求解大變形和流體流動問題，但是耗費大量的求解資源。本文在計算EFP的形成時，選用Euler算法，而EFP侵徹靶板宜采用Lagrange算法。在仿真過程中，當應力波或爆轟產物到達邊界時會發生應力波固壁反射以及爆轟產物回流，將對仿真結果產生很大影響，故設置邊界條件為“Flow-out(All Equal)”,假設所有的物質可以無障礙流出，且應力波可以在邊界無反射傳播出去。由于聚能裝藥結構為對稱圓柱體，在仿真中為減少求解時間，將其簡化為二維軸對稱模型。

2.1 計算模型

仿真計算聚能裝藥采用60基準彈無殼體裝藥結構，以140°錐形藥型罩為原型，主裝藥為8701炸藥，中心點起爆，裝藥結構示意圖為圖2，結構參數值見表1。

圖2 聚能裝藥結構示意圖

裝藥直徑/mm內罩直徑/mm半錐角/(°)內罩壁厚/mm內罩口部直徑/mm6056703.038.46

藥型罩選用內外罩壁厚比為1/3、2/3、3/3三種結構進行計算。圖3為雙層藥型罩內外罩厚度比為3/3的有限元模型，模型由空氣域、主裝藥、殼體、外罩和內罩構成。由于EFP的形成和侵蝕過程都是在軸線位置上發生的，因此為計算的方便，軸線附近的網格設置為0.2×0.2，其他網格為0.5×0.5。

圖3 鋯/鉭藥型罩內外厚度3/3的二維計算模型

2.2 材料模型

選取鋯和鉭兩種金屬作為雙層藥型罩材料。鋯的密度比鉭小得多，但材料聲速比鉭略大，聲阻抗介于炸藥和鉭之間，根據上一節理論分析可知，這樣的結構有利于增大藥型罩壓垮速度。材料狀態方程和強度模型如表2所示，其物理參數如表3所示。表中C為材料聲速；γ0為Gruneisen系數。

主裝藥選用8701炸藥，計算采用高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態方程共同描述炸藥爆轟過程。JWL狀態方程表達式為[6]

pu=Fpe(V,E)

(8)

(9)

式中:pu為任意時刻炸藥微元所釋放的壓力；pe為來自JWL狀態方程的炸藥爆轟產物壓力；F為炸藥燃燒質量分數；V為相對體積；E為單位體積內的內能密度；e為比動能。

表2 各材料狀態方程及強度模型

表3 藥型罩材料物理參數

8701炸藥的JLW方程中的主要參數如表4所示，其C-J參數如表5所示。表中ρ為實驗制備主裝藥的平均密度；D為爆速；e0為初始比動能。

表4 8701炸藥JWL狀態方程參數

表5 8701炸藥C-J參數

2.3 高斯點設置

設置動、靜態高斯點跟蹤和監測材料相關信息：動態高斯點附著在罩材料上，可以實時顯示罩材料流動的位置，記錄藥型罩壓垮過程中對應材料的速度、密度、應力等的動態數據。計算結束后判讀各個高斯點的速度、位置等信息，比較內外罩不同厚度比情況下EFP的速度狀態及成型情況。

如圖4所示，在軸線上的藥型罩兩端，共設置三個流動高斯點，以其瞬時監測EFP從形成到侵徹等一系列過程的速度、密度、壓力等參數，還在Euler區域的軸線上每隔50 mm設置一個固定高斯點，以其監測沖擊波和EFP經過時速度、密度等信息的變化。

設置高斯點記錄EFP成型過程中的數據信息，計算結束后對數據進行處理便可分析出任意時刻EFP成型性能及材料流動情況。

圖4 計算模型局部高斯點設置

3 仿真及實驗結果分析

3.1 鋯鉭雙層藥型罩EFP成型結果

以內外罩厚度比3∶3為例，如圖5所示，炸藥爆轟后約0.02 ms時藥型罩被壓垮，內外罩同時發生變形，內罩形成EFP頭部。運動至0.13 ms時雙層罩同時翻轉，外罩向后流動形成尾部。在大約0.86 ms時EFP基本完成最終成型。

圖5 鋯鉭雙層藥型罩EFP成型過程

對1/3、2/3、3/3壁厚下鋯/鉭雙層藥型罩結構進行EFP成型數值計算，EFP飛行至約500 mm(9倍炸高)時各裝藥結構EFP成型基本完成，此時的EFP速度最大，如圖6所示。從鋯/鉭藥型罩形成的EFP圖6(a)、(b)、(c)分析對比可以看出，在相同的裝藥及起爆條件下，隨著含能層(鋯層)厚度的增加，EFP的翻轉形成彈丸長徑比變小，這將導致其飛行速度衰減快，侵徹能力下降。

圖6 雙層藥型罩EFP成型結果

3.2 雙層藥型罩EFP侵徹靶板

對1/3、2/3、3/3壁厚下鋯/鉭雙層藥型罩結構進行EFP后對半無限45#鋼靶板的侵徹進行數值仿真，在9倍炸高下的侵徹速度最高，侵徹能力最好，對比3種不同內外罩厚度比藥型罩形成EFP侵徹45#鋼侵徹結果如圖7所示。顯然，在同一裝藥結構條件下，相同位置處，隨著外罩厚度的增加，EFP的侵徹深度下降。

圖7 在9倍裝藥口徑炸高處EFP侵徹情況

將1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩、2 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩、3 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩形成EFP對半無限靶侵徹的3種仿真結果加以對比分析，見表6，表7和表8。

表6 1 mmZr/3 mmTa藥型罩EFP侵徹仿真結果

表7 2 mmZr/3 mmTa藥型罩EFP侵徹仿真結果

表8 3 mmZr/3 mmTa藥型罩EFP侵徹仿真結果

相同藥型罩厚度下，在6～9倍口徑炸高左右，EFP的速度最大和侵徹能力最強；當炸高繼續增大的情況下，EFP的速度和侵徹能力受到的影響越來越小。

鋯/鉭雙層藥型罩在內層鉭厚度不變的情況下，隨著外層鋯厚度增加，EFP成型后的速度和穿透靶板的能力都有所下降，但開坑直徑差距不大。

3.3 雙層藥型罩侵徹靶板實驗結果

采用粉末冶金方法制備的雙層藥型罩，選取仿真結果較好的1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩與60 mm銅基準罩，于9倍裝藥口徑炸高下進行侵徹45#鋼靶(35 mm)+2A12Al(2 mm)實驗，其侵徹及后效毀傷結果為圖8、圖9。

圖8 1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩侵徹45#鋼實驗結果

圖9 60 mm銅基準罩侵徹45#鋼實驗結果

由圖8所示為1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩侵徹結果，鋼靶正面有明顯的材料破碎后侵徹痕跡，表明EFP的成型后部分破碎；對鋼靶侵徹深度約為32 mm，開坑直徑約為50 mm，與仿真結果吻合較好；鋼靶靶后崩落使整個侵徹孔貫通，EFP材料穿過45#鋼靶，在崩落物和部分破碎的EFP共同作用下，對后效鋁靶產生擴孔，鋁靶表面有明顯的熏黑，表明藥型罩侵徹后的釋能效果明顯。

圖9為60基準罩的侵徹結果，對鋼靶侵徹開坑直徑約為50 mm，侵徹深度34 mm。同樣，對后效鋁靶有開孔，鋁靶表面有黃色痕跡，未見明顯的反應效果。

研究后效鋁靶表面殘留物元素成分，分析藥型罩的釋能行為，對表面殘留物進行能譜儀(EDS)元素分析，圖10所示。圖10為鋯鉭雙層藥型罩侵徹后鋁靶表面殘留物EDS分析圖，其結果表明：在鋁靶上殘留物元素主要為鋯、鉭、鐵和氧，氧含量很高，表明侵徹后發生了氧化反應，驗證了鋯鉭雙層藥型罩釋能特性。圖11為60 mm銅基準罩侵徹后鋁靶表面殘留物EDS分析圖，其中主要有銅、鐵、鋁三種元素，氧元素含量很低，表明幾乎未發生氧化反應，無釋能特性。

1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩和60 mm銅基準罩在侵徹能力上差距不大，但是1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩具備靶后釋能特性，具有更強的后效毀傷效果。

高效毀傷聚能戰斗部外層罩為鋯，內層罩為鉭的雙層含能藥型罩，可實現延展性優秀的內層鉭形成EFP頭部侵徹靶板，外層鋯隨進發生反應并在靶后迅速放熱產生后效，對靶后目標(干草、棉絮、煤油等)進行有效引燃。

圖10 1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩后效鋁靶表面殘留物EDS分析結果

圖11 60 mm Cu基準罩后效鋁靶表面殘留物EDS分析結果

4 結論

1) 基于60基準罩而設計的鋯/鉭雙層含能藥型罩形成EFP的彈丸長徑比較小，速度衰減快。

2) 內外罩厚度比一定時，6到9倍口徑炸高處EFP的速度最大和侵徹能力最強；當炸高繼續增大的情況下，EFP的速度和侵徹能力有所降低。

3) 相同裝藥和炸高條件下，鋯/鉭雙層藥型罩厚度比越大，形成的EFP速度越來越小，侵徹能力越來越弱，而擴孔能力差距不大。

4) 通過實驗結果對比，1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩與60 mm基準罩侵徹深度和擴孔直徑差距不大，但1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩具備很強的后效毀傷能力，在穿透目標靶板后，可利用其放熱特性對靶后目標(例如，干草、棉絮、煤油等)有效引燃，可為高效聚能戰斗部和含能藥型罩的設計和研究提供參考。