復合裝藥包覆式活性侵徹體成型及侵徹研究

張雪朋，劉亞昆，伊建亞，尹建平

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

1 引言

傳統金屬聚能毀傷元受單一動能機械貫穿毀傷模式的限制，很大程度上制約了聚能戰斗部終點毀傷能力。將活性材料制備成藥型罩，利用爆炸載荷形成聚能毀傷元，可對目標疊加動能侵徹和化學能釋放2種毀傷模式，活性侵徹體已成為彈藥“命中即毀傷”的關鍵核心技術[1-2]。

然而，在將活性材料作為藥型罩時，受爆炸載荷作用下，活性藥型罩極易發生破碎和提前反應。為解決這個問題，王樹有[3]和門建兵[4]等采用將活性藥型罩置于金屬藥型罩內側實現了對活性罩的包覆，但難以對半懸空的活性藥型罩進行固定；萬文乾[5]和辛春亮[6]等在活性藥型罩和炸藥之間加裝了緩沖層，可避免活性藥型罩直接受爆炸載荷發生破碎，并在一定程度上減少了活性材料在成型過程中的反應程度。

眾所周知，藥型罩材料性能對目標的侵徹能力與有直接影響，以PTFE/Al為代表的活性材料，密度和聲速都較低，對目標的侵徹能力有限，Nicolich[7]、美國軍方[8]和劉亞昆[9]從藥形罩結構設計角度出發，在金屬藥型罩預制活性藥型罩或鋯合金等引燃介質，通過優化藥型罩結構，得到一種分段式侵徹體，由前端金屬侵徹體先行對目標進行破甲開孔，待包覆有活性材料的侵徹體進入目標內部，撞擊激活發生爆炸反應，釋放化學能。

另一方面，復合裝藥結構可以綜合組分性能優勢，關于復合裝藥在聚能效應上的應用，近年來，Zhang X F[10]，Wang Z[11]和Liu Y K[12]等對復合裝藥的應用展開了一系列研究，主要集中在復合裝藥超壓爆轟方面的應用，結果表明復合裝藥相比普通單一裝藥，可使裝藥軸線一直保持在超壓爆轟狀態，普通裝藥中馬赫波會最終衰減為定常球面波，復合裝藥中可一直以收斂的馬赫波傳播。本文主要利用復合裝藥中外層裝藥爆速比內層裝藥爆速高，使裝藥內部典型爆轟球面波逐漸向平面波轉化，最終提高藥型罩底部微元的徑向壓垮速度，形成緊密的包覆式活性侵徹體。

基于上述背景，本文為得到包覆式的活性侵徹體，進而提高活性侵徹體的終點毀傷效應，增強對靶后目標的殺傷作用，文中通過設計一種存在內外層爆速差異的復合裝藥，通過調整裝藥內的爆轟波形狀，最終得到成型較好的包覆式活性侵徹體，研究結果可為聚能裝藥的設計提供新思路。

2 復合裝藥結構爆轟波傳播機理

復合裝藥外層為高爆速炸藥，內層為低爆速炸藥，外層裝藥為圓杯狀，裝藥端點起爆后，如圖1所示，普通單一裝藥中爆轟波以典型球面波傳播，復合裝藥由于外層裝藥，裝藥內傳播的爆轟波由球面波逐漸轉化為平面波。理想狀態下，藥型罩受爆轟波作用向軸線處壓垮，外層高密度金屬罩緊緊包裹住內層低密度活性罩，最終形成不會分離的密實的包覆式活性侵徹體。

圖1 復合裝藥和普通裝藥爆轟波傳播

對于復合裝藥中藥型罩微元初始壓垮vi的速度求取，因為2種炸藥組合在一起，炸藥的格尼能無法確定，所以不宜采用經典格尼公式獲得復合裝藥中的藥型罩的初始壓垮速度，本文借鑒文獻[13]采用瞬時爆轟得到藥型罩微元初始壓垮vi，雙層藥型罩受爆轟波作用期間，不會發生分離，可視作單層罩考慮[14]，r是內層低爆速炸藥的裝藥直徑。

(1)

式中：vi的上標i表示藥型罩微元的位置，(xi,yi)是微元的坐標，D是爆速，k是炸藥的多方指數，ρJ是炸藥的密度，ρ是雙層藥型罩的等效密度，g(x)是藥型罩微元的厚度函數，厚度方向平行于X水平方向，下標H和L分別表示高爆速炸藥和低爆速炸藥。

(2)

(3)

(4)

3 數值模擬研究

采用Autodyn-3D非線性動力學軟件對包覆式活性侵徹體的成型過程進行分析，借鑒文獻[7,13]的研究方法，毀傷元成型過程中將活性罩視為惰性材料。有限元計算模型如圖2所示，模型具有軸對稱性，故只需建立1/2模型，計算區域采用0.2 mm×0.2 mm的均勻網格劃分，對歐拉域施加“Flow Out (Euler)”邊界。炸藥的爆轟過程是一個多物質相互作用的大變形過程，歐拉算法可用于計算大變形問題和處理材料界面和自由表面的多介質流場問題，計算過程中炸藥和空氣域采用歐拉算法，藥型罩采用拉格朗日算法。

圖2 有限元計算模型

3.1 材料模型

高爆速炸藥采用PBX，RDX和Comp-B，低爆速炸藥采用TNT，外層金屬藥型罩采用無氧銅，內層活性罩材料為PTFE/Al。數值模擬過程涉及炸藥沖擊問題，因此炸藥狀態方程采用Lee-Tarver模型，在Lee-Tarver模型中包含未反應炸藥的JWL狀態方程和爆轟產物的JWL狀態方程，JWL狀態方程如下：

(5)

式中:P為壓力，A、B、C為壓力和等熵膨脹壓力線性關系的常數，R1、R2和ω是炸藥相關的常數,η=ρ/ρ0,ρ0為炸藥初始密度,ρ為炸藥爆轟之后的密度,e為比內能。Lee-Tarver模型假設炸藥的反應速率由沖擊壓力和炸藥內形成的熱點表面積控制，反應速率方程為

G1(1-F)cFdpy+G2(1-F)eFgpz

(6)

式中：F為炸藥反應度，它在模擬爆轟過程中控制炸藥化學能的釋放，I和x是點火沖擊強度及持續函數；μ為炸藥壓縮比；G1和d為控制點火后早期增長函數；c和y為燃燒項的燃耗階數和壓力冪數；G2和z為高壓反應率相關函數；e和g為常數；p為爆炸氣體壓力。炸藥的參數如表1和表2所示。

表1 Lee-Tarver模型中炸藥JWL狀態方程參數

表2 炸藥的反應速率參數

藥型罩材料狀態方程采用Shock方程表達式

P=pH+ρΓ(e-eH)

(7)

Shock狀態方程描述的是Hugoniot曲線外一點壓力和內能和曲線上某點壓力和內能的關系，一般認為格森系數與材料的溫度無關，對于給定的固體材料在絕熱條件下，格森系數Γ=2，在一定的壓力范圍內可認為ρΓ為常數。藥型罩材料的強度模型采用Johnson-Cook強度模型，Johnson-Cook模型是處理高速碰撞問題時經典的強度模型之一，該模型描述了塑性應變、應變率壓力和溫度對材料強度的影響，其表達式為

(9)

(10)

式中：Tr為室內基準溫度；Tm為材料在常態下的熔化溫度。藥型罩材料參數如表3所示，其中PTFE/Al活性材料參數來自文獻[9,15]。

表3 藥型罩材料參數

3.2 包覆式活性侵徹體成型過程

包覆式侵徹體的成型過程歷經時間為微秒級，研究中表明，裝藥起爆后100 μs包覆式侵徹體已基本成型，而活性材料發生釋能化學反應歷經時間為毫秒級，因此成型過程中可同文獻[9,15]的研究方法，將活性材料視為惰性材料。復合裝藥中低爆速炸藥為TNT(爆速6 930 m/s)，高爆速炸藥分別為Comp B(爆速7 980 m/s)、RDX(爆速8 239 m/s)和PBX(爆速8 800 m/s)，裝藥端面中心點起爆。文獻[12]得到復合裝藥中爆轟波隨著傳播距離的增加，最終穩定以馬赫波的形式傳播，而普通裝藥中的超壓馬赫爆轟波最終衰減為球面波，不同裝藥中穩定傳播的爆轟波形狀如圖3所示。

圖3 不同裝藥中穩定傳播的爆轟波形狀

從圖3可以看出：為得到向前壓攏型的包覆式侵徹體，需盡量避免裝藥軸線處形成馬赫波，因此復合裝藥的長徑比不宜過大，最理想的狀態應是，作用在藥型罩表面的爆轟波為平面波，復合裝藥和普通裝藥得到的包覆式侵徹體如圖4所示。

從圖4可以看出：金屬罩為銅罩，當采用普通單一裝藥TNT和RDX時，金屬藥型罩不能完全包覆活性藥型罩，且隨著飛行距離的增加，有相互脫離的趨勢，與想得到的理想型包覆式活性侵徹體存在差異；當采用復合裝藥結構時，3種復合裝藥結構Comp B-TNT、RDX-TNT和PBX-TNT皆能實現包覆效果。在裝藥起爆后30 μs，爆炸載荷作用于藥型罩使其向軸線處壓垮，與普通裝藥相比，藥型罩底部微元受高爆速炸藥作用具有更高的徑向速度，可以使金屬罩對活性罩更快的形成收口，形成密實的包覆式活性侵徹體，且隨著內外爆速差異的增大，侵徹體的長徑比也在增加；在PBX-TNT裝藥組合中，金屬罩對活性罩的擠壓尤為明顯，使活性侵徹體頭部在軸線處壓垮形成了射流形狀的毀傷元，這樣容易造成活性侵徹體內部形成熱點，發生提前反應。從圖4中可以看出，當采用Comp B-TNT和RDX-TNT時，即高爆速與低爆速比值為1.15～1.18時，包覆式活性侵徹體成型效果較優。

圖4 復合裝藥和普通單一裝藥包覆式活性侵徹體

3.3 包覆式活性侵徹體后效毀傷效應

采用Autodyn特有的映射技術，將復合裝藥RDX-TNT組合得到的包覆式活性侵徹體映射為SPH算法，對厚度為20 mm的鋼靶進行侵徹，靶板材料為4340鋼，包覆式活性侵徹體侵徹過程和毀傷后效如圖5所示。

圖5 包覆式活性侵徹體的侵徹過程和毀傷后效

從圖5可以看出：包覆式活性侵徹體在侵徹靶板過程中，由于活性材料自身侵徹能力較弱，在接觸靶板后，受到靶板和金屬毀傷元的擠壓，靶板對活性侵徹體的擠壓轉化為活性侵徹體對金屬外殼的徑向膨脹能量，對靶板的侵徹主要由金屬毀傷元完成，最終對靶板形成剪切破壞，形成一個較大的沖塞塊。在包覆式活性侵徹體穿透靶板后，活性侵徹體的徑向膨脹能量得到釋放，使金屬毀傷元和其自身破裂形成大量的殺傷破片，殺傷破片速度可達1 000 m/s，侵徹過程到形成破片云歷經300 μs，此時活性材料尚未完全反應，高速且形成破片云的活性侵徹體可極大的增強聚能毀傷元的后效殺傷作用。

4 結論

模擬研究得到了一種理想型的包覆式活性侵徹體，不同于現有研究采用優化藥型罩結構的方法，通過采用外層為高爆速炸藥，內層為低爆速炸藥的復合裝藥結構，實現紫銅藥型罩對PTFE/Al活性藥型罩的包覆效果。給出了復合裝藥結構中藥型罩微元初始壓垮速度的計算方法，并對包覆式活性侵徹體的成型和侵徹過程進行了數值模擬分析，結果表明：復合裝藥中高爆速和低爆速炸藥比值為1.15～1.18時，包覆式侵徹體成型較優，對厚度為20 mm的鋼靶進行侵徹，可在靶后形成速度為1 000 m/s的金屬破片和活性破片，增強活性毀傷元侵徹能力的同時，增強了聚能毀傷元的后效毀傷能力。