活性復合射流侵徹多層間隔靶毀傷行為

王海福， 何鎖， 蔡軼強， 向鏡安， 蘇成海， 郭煥果

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

活性材料藥型罩及其聚能裝藥戰斗部技術近年來備受關注，是當前高效毀傷領域的熱點前沿研究方向之一[1-4]。Baker等[5]和Daniels等[6]研究了活性射流成型行為和活性射流對混凝土墩、模擬機場跑道、鋼筋混凝土墻等目標的爆破增強毀傷效應。國內學者針對活性藥型罩聚能裝藥技術也開展了大量研究工作，包括不同配方活性材料藥型罩射流成型特性[7-9]、活性聚能裝藥對混凝土靶的終點爆破毀傷效應[10-11]、活性射流對鋼靶的侵徹爆裂毀傷[8]、活性射流侵徹不同厚度鋼靶或混凝土靶的后效超壓特性[12-14]等。從活性射流作用各類靶板的終點毀傷效應看，活性射流在動能和化學能的聯合作用下可以對目標造成結構破壞。然而，活性射流由于延展性不佳，導致其對裝甲類目標的侵徹能力有限，且活性材料爆燃反應產生的超壓隨侵徹靶板厚度的增加而大幅下降，更是難以發揮活性材料爆燃引起的后效毀傷優勢。

為提高射流的侵徹能力并兼顧后效毀傷，一種由活性藥型罩與金屬藥型罩組合而成的活性復合藥型罩結構日益受到關注。相關實驗研究表明，由聚四氟乙烯(PTFE)/Al/W活性罩- 銅罩形成的復合射流對45號鋼的侵徹深度(簡稱侵深)約達裝藥口徑的4倍[15]，由PTFE/Al活性罩- 鎢銅粉末罩形成的復合射流對45號鋼的侵深大于3倍裝藥口徑[16]，由PTFE/Al活性罩- 銅罩形成的復合射流對45號鋼的侵深可達3.7倍裝藥口徑[17]。由此可見，這種活性復合罩通常外層罩選擇金屬/聚合物類活性藥型罩和內層為高密度惰性金屬罩。與傳統單層活性藥型罩相比，這種活性復合罩的能量轉換機制更合理，在爆炸驅動作用下會形成一個高速前驅射流和一個活性材料尾隨體，這種復合侵徹體結合了射流的動能侵徹能力和隨進活性材料的化學能釋放效應，可以提高對鋼靶類目標的侵徹能力。然而，目前對于這種活性復合罩聚能裝藥靶后毀傷效應的研究較少，尤其是內層金屬罩材料對活性復合射流侵爆聯合毀傷性能的影響研究工作還不深入。

本文首先開展了活性- 鈦復合罩和活性- 銅復合罩聚能裝藥作用多層間隔靶靜爆實驗；結合數值模擬討論了活性- 鈦復合射流和活性- 銅復合射流對后效間隔鋁板的鏈式侵爆毀傷行為；最后建立了間隔鋁板爆裂毀傷分析模型，揭示了活性復合射流對間隔靶的侵爆聯合毀傷機理。

1 實驗方法

1.1 活性復合罩

活性復合罩的制備方法與傳統單層活性罩[7]略有不同，但其制備流程主要也分為三步：第1步，先機械加工內層的金屬藥型罩；第2步，把準備好的活性材料倒入專用模具中，先預壓使活性罩成型，再把金屬罩放入模具中，采用300 MPa的壓力持續壓制30 s，再保壓10 min；第3步，將壓制好的活性復合罩去除殘余應力后，放入充有氮氣的燒結爐中進行高溫燒結，燒結的最高溫度為380 ℃，保溫4 h，再以0.5 ℃/min下降至315 ℃，維持4 h，燒結后的活性復合罩樣品隨爐冷卻至室溫。

為研究內層金屬罩材料對活性復合罩聚能裝藥侵徹間隔靶毀傷行為的影響，基于文獻[15]的研究結果，本文實驗選用兩種金屬罩材料：鈦合金罩和紫銅罩。活性藥型罩的材料由73.5%PTFE和26.5%Al粉質量配比而成，PTFE和Al粉顆粒的平均尺寸分別為100 μm和44 μm，經冷壓燒結后的活性罩密度約為2.3 g/cm3。制備好的活性- 鈦復合罩和活性- 銅復合罩樣品如圖1所示。兩種類型活性復合罩中，活性罩的壁厚均為5 mm，金屬罩的壁厚均為 1 mm，復合罩的錐角為60°，口徑為66 mm。

圖1 活性復合藥型罩樣品Fig.1 Samples of RM-DLL

1.2 復合聚能裝藥

活性復合罩聚能裝藥結構示意如圖2所示，主要由活性罩、金屬罩、炸藥、殼體和起爆器組成。殼體采用LY12硬鋁機械加工而成，厚度為2 mm，且船尾形殼體可以減小主裝藥質量和整個聚能裝藥的質量，并保持相似的射流特性。主裝藥長度約為 110 mm，采用8701高能炸藥在200 MPa下壓制而成，壓制成的藥柱密度約為1.70 g/cm3，其由放置在裝藥底端中心的雷管引爆。

圖2 活性復合罩聚能裝藥結構示意Fig.2 Diagram of RM-DLL shaped charge

1.3 實驗布置

活性- 金屬復合藥型罩在聚能裝藥爆炸驅動作用下，通常內層金屬罩會形成高速前驅射流對目標實施侵徹，外層活性罩成為杵體的主要部分[18-19]。隨著侵徹的進行，活性材料會沿著金屬射流的侵孔隨進目標內部產生劇烈爆燃效應，從而提高對目標的結構破壞或是后效增強毀傷效應。

為研究活性- 金屬復合射流動能侵徹能力與化學能釋放對間隔靶后效增強毀傷效應，活性復合罩聚能裝藥侵徹多層間隔靶實驗布置如圖3所示。多層間隔靶由鋼錠和間隔靶組成，鋼錠材料為45號鋼，直徑為120 mm，厚度為1.0倍裝藥口徑，主要用來模擬主裝甲板。間隔靶由1層鋼板和5層鋁板組成，鋼板的主要作用是防止射流侵徹時主鋼錠對間隔鋁板的撞擊與爆轟產物對鋁板的沖擊毀傷，鋼板的厚度是5 mm，材料也是45號鋼；間隔鋁板主要用來模擬目標靶后的裝備或人員，鋁板的材料為LY12硬鋁，厚度均為2 mm；鋼板和鋁板的長與寬均為400 mm；各層后效靶之間的距離相同，均為50 mm。炸高為1.0倍裝藥口徑。

圖3 活性復合罩聚能裝藥作用間隔靶實驗布置Fig.3 Experimental setup of RM-DLL shaped charge penetrating multi-spaced plates

2 多層間隔靶鏈式毀傷效應

2.1 多層靶毀傷效應

在活性- 鈦復合射流和活性- 銅復合射流侵爆聯合作用下，多層間隔靶典型毀傷實驗結果分別如圖4、圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，在金屬射流動能侵徹和活性材料爆燃反應聯合作用下，鋼錠與間隔靶均被穿透，尤其是間隔靶發生了顯著的形變，且鋼板及各層鋁板均受到了不同程度的爆裂毀傷。

圖4 活性- 鈦射流侵徹多層間隔靶實驗結果Fig.4 Experimental results of reactive material-titanium jet penetrating multi-spaced plates

圖5 活性- 銅射流侵徹多層間隔靶實驗結果Fig.5 Experimental results of reactive material-copper jet penetrating multi-spaced plates

當金屬罩材料為鈦和銅時，兩種活性復合射流侵徹在鋼錠上所形成的入孔直徑分別約為44 mm與33 mm，出孔直徑分別約為33 mm和29 mm。鋼板與鋁板具體毀傷效果列于表1和表2，從中可以看出鋼錠、鋼板及每層鋁板上均留下了明顯的煙熏黑色痕跡，這實際上是活性材料爆燃反應產物碳黑的痕跡。在活性- 鈦復合射流的侵爆聯合作用下，鋼板及前4層鋁板的正反面幾乎全被黑色產物覆蓋，5號鋁板正面也大部分被黑色爆轟產物覆蓋。相比較而言，在活性- 銅射流的作用下，除了鋼板正反面被碳黑產物完全覆蓋外，5層鋁板破孔周圍附近的黑色痕跡較多，鋁板邊緣痕跡較弱，整體上碳黑痕跡的范圍在逐層減小。

表1 活性- 鈦射流作用下鋼板及鋁板毀傷效應

表2 活性- 銅射流作用下鋼板及鋁板毀傷效應Table 2 Damage effects of steel plate and aluminum plates subjected to reactive material-copper jet impact

從間隔鋁板的毀傷效應還可以看出：當活性- 鈦射流作用多層間隔靶時，在前4層鋁板上均形成了大開孔及大翻邊現象，尤其是第2號與4號鋁板發生了極大變形，且撕裂嚴重，但是5號鋁板的變形及侵爆毀傷面積較小；當活性- 銅射流侵徹多層間隔靶時，僅第1號鋁板的變形及翻邊現象比較明顯，后4層鋁板的毀傷面積逐漸減小，尤其是最后一層鋁板的侵孔面積急劇下降，形成的侵孔形狀也較規則，幾乎沒有翻邊現象。由此可見，內層金屬罩材料對活性復合罩聚能裝藥侵徹多層間隔靶的毀傷行為影響顯著。

2.2 間隔靶爆裂面積

根據間隔靶毀傷實驗結果，被侵徹鋁板的毀傷模式主要有3種：一種是鋁板變形極大且發生斷裂，一種是出現大孔加翻邊現象，一種是翻邊不明顯僅形成小孔。對于鋁板發生斷裂的現象，由于鋁板變形較大，造成侵爆聯合毀傷面積難以統計，僅從失效模式對其進行分析；對于其余兩種毀傷模式，可通過鋁板上侵孔毀傷面積判別威力大小。

圖6 靶板上爆裂孔毀傷面積評估計算方法Fig.6 Method for measuring penetration hole area on the spaced plates

未斷裂的被侵徹靶板上侵孔面積的評估計算方法如圖6所示。采用固定標尺拍照- 標尺識別- 灰度變換- 圖像分割- 輪廓識別等5個步驟，再通過程序計算，則可以自動檢測出靶板上的侵孔毀傷面積。根據上述計算方法，表3列出了被侵徹鋼板及多層鋁板上的爆裂孔毀傷面積。

表3 鋼板及鋁板上爆裂孔面積測量結果Table 3 Measurement results of penetration hole areas on the steel plates and aluminum plates

從表3中可以看出，與活性- 鈦復合射流相比，活性銅復合射流對鋼板和5層鋁板的侵爆毀傷面積較小。隨內層金屬罩從鈦罩變為銅罩，鋼板上的侵孔面積從5 145 mm2減小到4 691 mm2，減少了約9.7%；第1層鋁板上的爆裂孔面積相差不大。然而，活性- 銅復合射流對后4層鋁板上的侵孔面積大幅下降，尤其是第5號鋁板上的侵孔面積僅約為活性- 鈦復合射流所造成侵孔面積的1/4。可見，對于活性復合罩聚能裝藥技術，復合射流的侵徹及活性材料的隨進行為對目標及其后效增強毀傷行為有顯著影響。

3 多層間隔靶鏈式毀傷機理

3.1 活性復合射流侵爆間隔靶行為

為進一步討論兩種活性復合罩聚能裝藥對多層間隔靶的鏈式毀傷機理，基于Autodyn-2D仿真平臺，對活性- 鈦罩和活性- 銅罩聚能裝藥作用多層間隔靶進行數值模擬。數值模擬所采用的聚能裝藥和靶板結構與實驗一致，所涉及的材料模型、狀態方程及建模方法參考文獻[19]。不同時間下兩種活性復合罩聚能裝藥侵徹多層間隔靶的仿真結果如圖7和圖8所示。

圖7 活性- 鈦射流侵徹多層間隔靶仿真結果Fig.7 Numerical simulations of reactive material-titanium composite jet penetrating multi-spaced plates

圖8 活性- 銅射流侵徹多層間隔靶仿真結果Fig.8 Numerical simulations of reactive material-copper composite jet penetrating multi-spaced plates

數值模擬結合實驗可以看出，這種結構活性復合藥型罩聚能裝藥侵徹多層間隔靶主要分為四個階段：活性- 金屬射流成型階段、侵徹鋼錠階段、侵徹間隔靶階段和活性材料爆燃反應增強毀傷階段。

活性- 金屬復合射流成型階段，在聚能裝藥爆炸驅動作用下，不僅壓垮活性復合罩形成高速射流侵徹體，同時也會激活活性藥型罩材料，但由于活性材料反應弛豫時間的存在，可假設射流成型階段活性材料不發生化學反應[13]。

活性復合射流侵徹鋼錠階段，由圖7與圖8仿真結果看，活性- 鈦射流和活性- 銅射流在侵徹鋼錠時，主要起侵徹作用的均是前驅高速金屬射流，活性材料還沒有開始與靶板接觸，只是活性材料杵體會被拉長、進一步形成活性材料侵徹體。

侵徹間隔靶階段，由圖7可見，對于活性- 鈦復合射流，侵徹間隔靶中的鋼板及1號與2號鋁板的主要是鈦射流，但可看出當侵徹完2號鋁板后，剩余鈦射流極少，侵徹3號、4號及5號鋁板的主要是被拉長的活性材料侵徹體，當侵徹時間為200 μs時，5號鋁板被穿透。從圖8中可以看出，對于活性- 銅射流，由于銅射流密度高及延展性好，侵徹間隔靶的均為前驅銅射流，活性材料會跟隨進入被侵徹的間隔靶內部，但是由于銅射流對鋼錠的侵孔直徑較小，部分活性材料被堵在鋼錠外面，當侵徹時間為160 μs時，依然是前驅銅射流在侵徹第5號鋁板，當侵徹時間為230 μs時，活性材料會隨進到第4層鋁靶。

最后，活性材料爆燃反應鏈式增強毀傷階段，通過對比數值模擬與實驗結果，在活性材料爆燃反應化學能的作用下，鋼板及各層鋁板上的初始侵孔面積均不同程度增大，且鋁板變形較大，部分鋁板甚至出現撕裂現象。從機理上分析，活性復合射流動能侵徹形成的初始孔徑為裂縫的形成創造基本條件，但僅依靠動能無法使裂紋進一步擴大，活性材料在多層間隔靶間的爆燃反應增強了對鋁板的進一步毀傷。這主要是因為在到達活性材料反應弛豫時間時，活性材料劇烈爆燃后會在靶板內部釋放大量化學能及氣體產物，高溫高壓氣體產物的快速膨脹會產生一個向前的強沖擊波，從而導致鋼板及鋁板的初始侵孔面積大幅增加，甚至出現極大變形、產生更大裂縫或是鋁板出現撕裂現象[20]。

3.2 間隔鋁板爆裂毀傷模型

結合數值模擬與實驗結果可看出，當到達活性材料的反應弛豫時間時，剩余活性侵徹體發生劇烈的爆燃反應，會對間隔鋁板造成二次結構破壞。由于數值模擬無法獲得活性復合射流侵爆聯合作用下鋁板破裂孔面積，需要建立理論模型以預測動能和化學能耦合作用下的鋁板破裂孔毀傷面積。

實際上，活性材料侵徹體的化學反應會釋放大量化學能和氣體產物，從而以超壓形式作用靶板，如圖9所示。圖9中將作用在鋁板上的超壓簡化為三角形載荷，用q表示，沖擊載荷從中部到邊緣呈線性遞減規律；參數2ai(i=1～5)為復合射流動能作用造成的鋁板平均穿孔直徑；參數2bi為活性復合射流動能和化學能聯合作用下造成的最終破裂孔平均直徑。

圖9 作用在鋁板上的等效爆燃壓力Fig.9 Equivalent deflagration pressure on the spaced Al plates

考慮鋁板彈性響應，拉伸應力σ寫為

(1)

式中：E為鋁板的楊氏模量；ε為材料應變；δ為鋁板隆起高度；b為破裂孔平均直徑。

針對裂紋的產生與傳播，鋁板的應力強度因子參數KI可表述為

(2)

式中：S′為常量；a為鋁板平均穿孔直徑。

當鋁板中的拉伸應力達到臨界值時，裂紋將不再穩定，造成鋁板發生結構性的破壞并形成明顯的破裂孔。與此同時，應力強度因子KI線性上升為斷裂韌性KIC。在此基礎上，將式(1)代入式(2)，并使用KIC替代KI，得到鋁板隆起高度的臨界值δc為

(3)

式中：A為常量。

與此同時，鋁板隆起高度δ也可表示為

(4)

式中：B為常量；p為活性材料爆燃反應形成的爆燃壓力；Δt為爆燃壓力有效作用時間；ρ為鋁板密度；h為鋁板厚度。聯立式(3)和式(4)，則活性復合射流動能和化學能聯合作用下在鋁板上形成的破裂孔半徑b可表示為

(5)

式中：C為常量。活性材料爆燃反應形成的等效壓力與活性材料有效質量meff呈正比：

p=k·meff

(6)

式中：k為常量。

聯立式(5)和式(6)，可得

(7)

式中：D為常量。

根據式(7)，活性復合射流動能與化學能聯合作用下造成的鋁板破裂孔面積為

(8)

式中：F為常量；基于實驗數據[20]，爆轟作用時間Δt取40 ms；鋁板的楊氏模量E、斷裂韌性KIC和密度分別取68 000 MPa、44 MPa·m1/2和2.74 g/cm3。

從式(8)中可以看出，在活性復合射流動能與化學能聯合作用下，后效間隔鋁板的破裂侵孔面積與隨進活性材料質量和動能侵孔面積呈正比，但相對于動能侵孔半徑ai，進入鋼錠靶后的活性材料有效質量meff對其影響更顯著。

3.3 侵爆耦合毀傷計算結果

為進一步分析活性材料有效質量meff和活性復合射流動能侵孔ai對后效鋁板最終破裂孔面積的影響，對于任意一層間隔鋁板，參數meff和ai能夠通過數值模擬獲得，根據圖7與圖8統計的meff和ai列于表4。需要強調的是，對于每層鋁板而言，活性材料有效質量meff是指位于該層鋁板上方的活性材料質量，而位于該層鋁板下方的活性材料對該層鋁板的作用可忽略。這是因為反應中的活性材料仍具有很高的宏觀速度，從而直接導致爆燃反應產物具有很高的宏觀速度，爆燃產物形成的沖擊壓力主要作用位于自身下方的鋁板，對自身上方鋁板的沖擊作用較小。

表4 活性材料有效質量meff和動能侵孔直徑2aiTable 4 Effective mass of the reactive materials and hole diameters caused by kinetic energy of the composite jets

圖10 變量X和S之間的擬合曲線Fig.10 Fitted curve of variables X and S

把擬合的F值代入式(8)，可得到活性復合射流動能和化學能聯合作用下的鋁板爆裂毀傷面積。不同的活性材料有效質量meff、動能侵孔半徑ai和鋁板厚度h對鋁板爆裂毀傷面積的影響如圖11所示，比較相同顏色曲線，可得到動能侵孔半徑ai對鋁板最終爆裂孔的影響規律，對于相同厚度的鋁板，隨ai從20 mm增大到40 mm，鋁板爆裂孔面積逐漸增大，然而，與動能侵孔半徑從20 mm增至30 mm相比，當ai從30 mm增加到40 mm時，若隨進相同質量活性材料時，則鋁板爆裂毀傷面積增幅明顯下降。對比相同線型曲線，可得鋁板厚度h對最終爆裂孔的影響規律，當h從1 mm增至2 mm時，鋁板爆裂孔面積逐漸下降，且下降幅度隨鋁板厚度增加而增大。而任意一條曲線表示對于給定鋁板厚度和相同的動能侵孔下活性材料有效質量對最終爆裂孔大小的影響規律，每條曲線均說明鋁板爆裂毀傷面積隨meff增加而逐漸增大，且當鋁板厚度較薄時，隨meff增加，鋁板爆裂毀傷面積的增幅顯著增大。

圖11 動能和化學能耦合下鋁板爆裂毀傷面積Fig.11 Rupture areas induced by the coupling of kinetic and chemical energy of the composite jets

綜上所述，活性復合罩聚能裝藥對間隔鋁板的鏈式毀傷行為及后效增強毀傷效應不僅與金屬射流的侵徹能力密切相關，還顯著受活性材料爆燃反應威力的影響，如果在能穿透目標防護靶的基礎上，有更多的活性材料可進入目標內部，則可以極大地增強活性復合射流的后效毀傷能力。

4 結論

本文主要對活性復合射流侵徹多層間隔靶毀傷效應開展了研究，對后效間隔鋁板爆裂毀傷行為與機理進行了分析和討論。得出主要結論如下：

1)活性復合罩聚能裝藥作用多層間隔靶實驗結果表明，活性復合射流在穿透一定厚度的鋼錠后可對間隔鋁板造成鏈式結構毀傷效應；對于給定的活性復合聚能裝藥結構和罩壁厚比條件下，與活性- 銅射流相比，在活性- 鈦射流動能與化學能聯合作用下可造成后效鋁板嚴重變形甚至撕裂。

2)機理上，當活性- 銅射流侵徹多層間隔靶時，部分活性材料會被堵在鋼錠的侵孔外；當活性- 鈦射流侵徹時，幾乎所有的活性材料都可進入侵孔和間隔靶內，隨進活性材料質量的增多是引起后效鋁板嚴重爆裂毀傷的關鍵機制。

3)活性復合射流對間隔鋁板的鏈式毀傷行為顯著受前驅金屬射流動能侵徹和隨進活性材料爆燃反應行為的影響，動能侵徹和化學能釋放的侵爆時序配合是造成間隔鋁板鏈式爆裂毀傷的重要因素。

4)建立了活性復合射流對間隔鋁板侵爆耦合毀傷理論模型，鋁板上的破裂孔面積與隨進的活性材料有效質量和動能侵孔半徑呈正相關，與鋁板的厚度呈負相關；對于給定厚度的鋁板，相對于動能初始侵孔，進入鋼錠內部的活性材料質量對后效鋁靶的結構毀傷有決定性的影響。