彈藥戰斗部增材制造技術研究現狀與展望

蒯騰飛，宋 浦，姜 煒，張玉龍，陳荷娟，郭 銳

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094;2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065;3.南京理工大學 化學與化工學院，江蘇 南京 210094;4.中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089)

引 言

彈藥戰斗部是武器系統毀傷目標或完成既定戰斗任務的核心部分，是實現破壞敵方武器裝備、設施及有生力量的重要部件，主要由殼體、裝填物、引信等組成[1]。彈藥戰斗部威力是武器彈藥精確打擊能力的核心，因此彈藥戰斗部先進制造技術是武器裝備制造的關鍵環節之一，需要重點發展[2]。

彈藥戰斗部制造主要分為彈體與毀傷元制造及炸藥裝藥兩大部分[3]。在彈體與毀傷元制造方面，目前大多采用鑄、鍛、焊、車、銑、刨、磨等傳統機械加工制造技術。受限于“等材”和“減材”傳統制造技術，目前存在一些問題，如加工質量與制造效率低，材料利用率低；制備周期長，制造成本過高；復雜異形結構的加工困難等。在炸藥裝藥方面，目前主要采用熔鑄、壓裝、澆注等傳統成型技術，也存在一定問題，如工作人員裝填裝配時危險性高；生產效率低，環境污染大；無法滿足復雜藥柱和非勻質藥柱的生產[4]。由此可見, 目前的彈藥戰斗部制造技術發展受限于傳統的設計理念和制造工藝技術，難以推動下一代高質量武器裝備的發展與進步。

新型武器的開發和使用對彈藥戰斗部的性能提出了更高的要求[5]，如美國海軍陸戰隊后勤辦公室(Marine Corps)在馬里蘭州海軍表面戰事中心悄悄打印并引爆一種間接火力彈藥。試驗表明，該3D打印的彈藥不但能提高殺傷力而且會根據任務調整系統。此外，增材制造技術可精確控制彈藥戰斗部的威力，以達到對特殊目標低附帶損害的特殊效果。雖然這些考慮特殊要求的彈藥也可以由人工制造，但是采用增材制造方式可以更好、更快、更便宜地制備[6]。2020年英國國防部(MOD)資助的防務科技實驗室(DSTL)提出了增材制造含能材料設計方案。該項目利用增材制造技術優勢，為實現各種爆炸毀傷效應提供新方法，同時也降低彈藥組件的運輸和貯存費用。研究結果表明：3D打印定制的裝藥在不同的爆炸效應中受裝藥幾何形狀的影響[7]。2018年澳大利亞國防工業部國防科技集團(DST)與工業、學術界合作，利用增材制造技術制造炸藥、推進劑和煙火藥等含能材料，以提高工業炸藥的安全性，并催生先進武器系統的研制，從而可以針對獨特的性能和目的進行定制生產[8]。先進的彈藥設計理念通常需要復雜異形結構來實現，傳統的武器裝備制造方式很難滿足其特殊設計需求，因此亟需加強增材制造技術的研發及應用，顯著提升彈藥戰斗部的智能化制造水平和制造質量，降低制造時間與制造成本，滿足武器裝備的發展需求。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(也稱為3D打印技術)是20世紀80年代后期發展起來的先進制造技術。它通過CAD設計數據，采用材料逐層累加的方法制造實體零件，相較于傳統的材料去除加工技術，是一種“自下而上”的材料累加的制造方法[9-10]。這種制造技術可以制造傳統工藝難以或無法加工的復雜異形結構，并且無需傳統的模具或刀具，能夠有效縮短制造周期，降低生產成本。增材制造具有顛覆傳統制造技術的優勢[11-15]：

(1)三維結構的快速和自由制造，不受復雜結構限制，可廣泛應用于新產品開發；

(2)可單件小批量制造，經濟性能好；

(3)設計生產一體化，產品開發周期短，效率高；

(4)可以多材料打印，多功能打印，實現材料功能一體化制造；

(5)拓展了研發人員設計思路，提高了設計維度，可提供更多產品解決方案。

增材制造是工業4.0的重要組成部分。在2013年麥肯錫咨詢公司發布的“展望2025”報告中列舉了決定未來經濟十二大顛覆技術，增材制造技術(3D打印)名列第九，排在新材料和頁巖氣之前[16-20]。增材制造技術應用于彈藥戰斗部的制造，將徹底顛覆彈藥戰斗部傳統設計制造思路，有效解決傳統制造方式存在的缺陷問題，實現先進戰斗部制造設計理念，減少武器裝備研發時間和成本，改進武器裝備綜合性能，提升武器系統作戰效能[21]。本文結合現有增材制造原理，系統性梳理了當前國內外彈藥戰斗部增材制造技術的研究工作，分別闡述了炸藥裝藥和典型侵爆戰斗部、殺爆戰斗部、破甲戰斗部的增材制造技術研究進展，分析了當前彈藥戰斗部增材制造技術所面臨的問題，并對未來增材制造技術在彈藥戰斗部應用領域的發展進行了合理展望。

1 彈藥戰斗部增材制造技術原理簡介

彈藥作為武器的毀傷分系統，是武器作戰效能的最終體現[22]。彈藥戰斗部作為武器裝備毀傷效能發揮的關鍵部件，因其作為毀傷元的主要載體，危險系數相對較高，制造效率與難度受到較大制約，這成為彈藥武器裝備制造的主要瓶頸之一。隨著先進制造技術的發展，特別是增材制造技術在武器裝備領域的應用，彈藥戰斗部制造技術也得到快速提升，為提高彈藥戰斗部的生產效率，各軍事強國均在積極探索彈藥戰斗部增材制造技術[23]。

1.1 典型彈藥戰斗部增材制造技術原理

彈藥戰斗部增材制造技術(Additive Manufacturing for Warhead)是利用增材制造技術的基本原理，結合彈藥戰斗部的特點，從而實現戰斗部快速成型的先進制造技術。目前，彈藥戰斗部增材制造技術主要有：光聚合固化技術(Vat photopolymerization)、材料擠出成型技術(Material extruding)、材料噴射技術(Material Jetting)、粉末床熔合技術(Powder Bed Fusion)[24]。

(1)光聚合(光固化)技術

通過紫外光線照射使槽中特定區域的液態光敏聚合物硬化/固化的技術(見圖1)。光聚合固化技術主要有使用激光器立體光刻技術(SLA)、連續液面生產技術(CLIP)或利用阻氧技術的連續數字光處理技術(CDLP)、使用數字投影的數字光處理技術(DLP)。目前，該技術在彈藥增材制造領域主要應用于LOVA 發射藥[25]。

圖1 SLA技術的成型原理Fig.1 Molding principle of SLA technology

(2)材料擠出成型技術

通常采用熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀送料。材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面線條和填充軌跡運動，并且將熔化的材料擠出，材料快速固化，并與周邊的材料粘合(見圖2)。主要包括熔融沉積成型技術(FDM)、三維點膠技術(3Ddispensing)、熔融纖維線材技術(FFF)和 3D 生物打印技術(3D bioplotting)。目前，該技術在彈藥增材制造領域應用包括TNT 及 TNT 基熔鑄炸藥、NC 基火藥、復合固體推進劑等。

圖2 材料擠出成型原理Fig.2 Principle of material extrusion molding

(3)材料噴射技術

將光敏聚合物樹脂液滴噴射到工件上并使用紫外線 (UV) 射線固化，并且逐步打印完成整個層面，然后逐層堆積，得到成型樣件(見圖3)。主要包括聚合物噴射打印技術(PolyJet)、噴墨打印技術(Inkjet printing)等。目前，該技術在彈藥增材制造領域應用包括火工品、爆炸序列、微裝藥、集成芯片等的成型制造。

圖3 材料噴射技術原理Fig.3 Principle of material injection technology

(4)粉末床熔合技術

利用熱能(激光、電子束、紅外)將粉末材料粘合在一起，從而形成塑料或金屬零件(見圖4)。主要包括選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(SLS) 、直接金屬激光燒結(DMLS)、電子束熔化(EBM)、選擇性熱燒結(SHS)等。目前，該技術在彈藥增材制造領域應用包括戰斗部殼體與毀傷元的制造。

圖4 粉末床熔合技術原理Fig.4 Principle of powder bed fusion technology

1.2 其他增材制造技術

除上述增材制造技術，還有黏結劑注射技術(Binder Jetting)、薄片層疊技術(Sheet Lamination)、定向能量沉積技術(Directed Energy Deposition)[26-27]。

(1)黏結劑注射技術

通過噴嘴逐層噴射黏結劑選區沉積在粉末床上，粘結形成固體，隨后將形成的固體置于均勻的熱環境中進行脫脂和燒結，使其致密化并獲得機械性能良好的零件。

(2)薄片層疊技術

以紙片材、金屬片材、陶瓷片材、塑料薄膜和復合材料片材等薄片材料為原材料，把薄片材堆疊起來形成三維模型。常用黏結劑、熱粘結、夾緊、超聲焊接等方式實現各層紙結合。

(3)定向能量沉積技術

利用激光、電子束、等離子弧等聚焦熱能熔化材料，分為激光同步送粉技術和電子束熔絲沉積技術兩大類。主要用于金屬粉末材料成型，因此，該技術通常稱為“金屬沉積”技術。

2 炸藥裝藥增材制造研究現狀

炸藥是彈藥戰斗部等各類武器完成毀傷的能源材料，是彈藥的重要組成部分[28]。當前，國際和周邊軍事斗爭對武器的研發提出了更高的要求，積極探索毀傷模式可調、威力可控的新型炸藥裝藥技術具有重要的戰術戰略意義[29]。

2.1 適用增材制造炸藥的配方類型

目前適用增材制造技術的炸藥配方類型為熔鑄炸藥和澆注炸藥。熔鑄炸藥的適用打印原理是熔融沉積成型，其基礎配方組成以TNT/DNAN/DNTF等為載體藥，HMX/RDX/CL-20等為主體高能炸藥，Al/Ni等為金屬燃料；澆注炸藥的適用打印原理是噴墨打印、擠出固化和光固化打印，其基礎配方組成以HMX/RDX/CL-20等為主體高能炸藥，AI/Ni等為金屬燃料，AP/ADN等為氧化組分，HTPB/HTPE/GAP等為熱固化黏結劑，光固化樹脂為光固化黏結劑。

2.2 炸藥增材制造類型

2.2.1 噴墨打印技術

美國馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所提出了采用電壓式噴墨打印技術制造單分散性粒狀炸藥的方法[30]，其利用電壓式噴墨增材制造技術，從溶解在非極性或極性溶劑中的化合物生產離散的微粒。基于計算流體力學理論建立了增材制造系統中的干燥管模型，并采用基于激光的流動可視化技術進行實驗評估，設計了具有推動加熱空氣通過管特點的干燥管(見圖5)。通過該增材制造方法生成了直徑為10～30μm的環三甲撐三硝胺純顆粒和直徑為40μm的硝酸銨顆粒，驗證了壓電噴墨增材制造技術制造單分散性顆粒狀炸藥方法的可行性。

圖5 粒子射流上部的圖像:(a)干燥管的頂部；(b)流量聚焦帽；(c)壓電噴墨噴嘴；(d)用于顯示液滴的數碼相機；(e)用于照亮液滴的閃光燈；(f)儲墨器Fig.5 An image of the upper section of the particle jet：(a) the top of the drying tube; (b) the flow-focusing cap; (c) the piezo electric inkjet nozzle; (d) the digital camera used to visualize the droplets; (e) the strobe light used to illuminate the droplets; (f) the ink reservoir

中國工程物理研究院黃瑨等[31-32]設計了3種由高能量的CL-20 炸藥和高安全性的 TATB 炸藥組成的新型復合多層裝藥結構(軸向、徑向、核殼)，采用了噴墨打印技術 3D 打印技術予以實現(見圖6)。同時研究了針頭口徑和書寫速率等工藝參數對裝藥微觀形貌和宏觀結構的影響。最終采用0.25mm口徑的針頭和3mm/s的打印速度進行制備得到穩定的裝藥結構。通過落錘撞擊試驗對3種裝藥結構的安全性進行了分析，結果表明，軸向/徑向復合多層裝藥結構(CL-20質量比90%)的特性落高達到72.00cm，比同質量的CL-20裝藥提高了3.14倍，證實了3D打印技術在制備復合裝藥結構上的可行性和優異性。

圖6 三種新型復合裝藥結構圖Fig.6 Structure diagram of three new kinds of composite charges

2.2.2 光固化成型技術

洛斯阿拉莫斯國家實驗室化學家亞歷克斯·穆勒[33]基于光固化成型技術提出了一種陣列式多孔裝藥結構設計方案，通過操縱炸藥的微觀結構對其行為施加前所未有的控制(見圖7)。通過對爆炸材料的靈敏度進行分級，在炸藥產生實際爆炸的突破點定制了爆炸前沿。一個由具有徑向變化孔隙密度的高爆炸性材料制成的圓筒受到沖擊，沖擊開始于用1km/s的速度移動的沖擊板撞擊圓筒底部。空穴密度越高，沖擊波傳播越快，因此，爆轟前沿在突破時顯示出明顯的正弦形狀，這證實了利用增材制造改變徑向孔隙密度從而達到對爆轟威力控制的可行性。

圖7 變孔隙密度結構的裝藥設計Fig.7 Charge design of variable pore density structure

2.2.3 直接墨水書寫技術(DIW)

美國勞倫斯利弗莫爾國家安全實驗室提出了一種基于DIW技術控制含能材料輸出沖擊波特性的方法[34]。其中錐形結構為增材制造系統第一部分，打印定位為增材制造系統第二部分，實現了炸藥的沖擊波輸出特性控制(見圖8)。此方法突破了傳統制造方法和材料的限制，實現了對含能材料前段輸出激波的控制。

圖8 炸藥藥柱打印成型示意圖Fig.8 Schematic diagram of printing and forming of explosive charge column

2.2.4 熔融沉積成型技術(FDM)

南京理工大學姜煒等[35-36]將FDM技術應用到熔鑄炸藥的成型制備中。以納米奧克托今(HMX)與梯恩梯(TNT)為熔鑄炸藥配方設計，基于熔鑄炸藥黏流和熔融特性，研制了熔鑄炸藥 3D 打印成型原理樣機(見圖9)。通過優化3D打印工藝參數、設計熔鑄炸藥配方，成功制備出多種結構的含TNT和納米HMX的熔鑄炸藥藥柱(見圖10)。對打印的藥柱和傳統澆鑄的藥柱進行了對比分析，結果表明：打印藥柱的密度、抗壓強度、爆速均有所提高，綜合性能明顯優于傳統澆鑄成型的藥柱。這驗證了FDM技術的應用可為含能材料高精度成型和復雜異形異質結構含能材料的制備提供技術支撐。

圖9 熔鑄炸藥3D打印原理樣機和噴頭Fig.9 Prototype of 3D printing principle of fusion and casting explosive and extrusion nozzle

圖10 成型藥柱實物圖Fig.10 Photos of printed explosive samples

3 典型戰斗部增材制造研究現狀

3.1 侵爆類戰斗部

侵爆戰斗部作為破壞敵方機場跑道、摧毀敵方戰略指揮防護工程、戰略導彈基地等重要目標的首選彈藥戰斗部，在現代戰爭中有著不可替代的地位和作用。為了達到侵徹效果，要求殼體能夠承受強載荷，殼體往往都很厚，但厚壁會降低爆炸毀傷效果。如何提高戰斗部裝填比，增大戰斗部毀傷威力，越來越受到研究人員及機構的重視[37-49]。

國外方面，美軍已啟動通用彈藥先進制造項目，支持增材制造技術用于彈藥戰斗部的研發。美空軍研究實驗室Richards等[50]利用點陣填充和拓撲優化方法對侵徹戰斗部進行了優化設計，優化后的戰斗部殼體壁厚減小，頭部填充了點陣結構(見圖11)，并采用了增材制造技術制備了彈體，開展了侵徹試驗研究，增材制造的彈體能夠在450m/s的速度下侵徹到混凝土靶體上，且保持彈體結構(除尾部外)完整(見圖12)。

圖11 Richards優化設計的彈體Fig.11 Richards optimized design of projectile body

圖12 侵徹試驗后的彈體Fig.12 The projectile body after the penetration test

Graves和Provchy[51-53]以Richards設計的彈體為基礎，基于拓撲優化理論對彈體內部設計了桁架結構(見圖13)，并進行了平滑處理，提高了彈體的結構強度。彈體由15-5不銹鋼材料打印成型，并且通過侵徹試驗驗證了3D打印彈體成型的可行性，3D打印彈體侵徹了半無限厚混凝土靶體(見圖14)，且保持彈體結構和功能正常。

圖13 Provchy設計的彈體結構Fig.13 Provchy designed projectile structure

圖14 Graves設計的侵徹彈試驗結果Fig.14 Test results of the penetrating warhead designed by Graves

Patel等[54-55]基于金屬3D打印技術提出了鋁桁架結構(見圖15和圖16)填充支撐不銹鋼戰斗部殼體方法。通過數值模擬方法對新型彈體進行了斜侵徹多層間隔靶分析，侵徹后的彈體結構完整(見圖17)，表明3D打印鋁桁架結構對最終彈體設計是有價值的，且復合材料(兩種金屬材料)的使用提高了戰斗部殼體整體強度。

圖15 Patel采用桁架結構來提升彈體強度Fig.15 Patel used a truss structure to increase the strength of the projectile

圖16 3D打印桁架結構Fig.16 3D printed truss structure

圖17 3D打印彈體斜侵徹侵徹多層間隔靶Fig.17 3D printed projectile penetrated the multilayer interval target obtrusibly

Beard等[56]基于金屬增材制造技術提出了一種以不銹鋼、鎢和碳化硅增強鋁作為內外殼材料，芯體為TPMS結構(見圖18)的夾層殼體戰斗部方法。采用鉻鎳鐵合金的TPMS晶格結構TPMS為戰斗部外殼提供高剛強度，同時減少用于戰斗部殼體制造材料。并且通過有限元方法模擬彈體撞擊鋁、鋼和混凝土靶體，獲得了彈體撞擊動態響應。

圖18 增材制造的TPMS晶格Fig.18 TPMS lattice for additive manufacturing

韓國漢陽大學Tae Hee Lee等[57]基于有限元分析，開發了反應材料結構的設計優化方法，進行了穿甲彈反應材料結構的拓撲優化(見圖19)。采用了一種用于侵徹分析的有限元方法，評估了彈體結構抗沖擊性，并通過與實驗結果的比較驗證了仿真結果。在驗證模型的基礎上，引入拓撲優化方法來確定結構的形狀。在考慮制造技術限制的基礎上，提出優化設計變量和約束條件，并確定了利用冷噴涂3D打印方法可制造的最佳結構形狀。

圖19 侵徹戰斗部反應材料結構拓撲優化Fig.19 Structural topology optimization of the reactive material for the intrusive warhead

北京理工大學敬晨晨等[58]運用點陣拓撲優化設計方法對典型侵徹戰斗部GBU-28彈體縮比模型進行優化設計(見圖20)，優化后殼體壁厚減少了37.5%。并采用增材制造技術方法加工制造了對比實驗戰斗部殼體樣件。

圖20 優化設計的實物彈體圖Fig.20 Optimally designed physical projectile body

北京理工大學皮愛國等[59]采用3D打印鈦合金薄壁骨架以填充固定活性破片，提出了一種能承受強過載的可應用于侵爆戰斗部的活性破片結構(見圖21)，且骨架材料與粉末冶金的殼體基體材料都是鈦合金，殼體內部具有良好的相容性，殼體結構強度得到保證。

圖21 鈦合金基體含全預制活性破片的侵爆戰斗部設計示意圖Fig.21 Penetration blasting warhead containing fully prefabricated active fragments in titanium alloy matrix

西安近代化學研究所周忠彬等[60]基于增材制造技術設計了一種頭部風帽與殼體復合的彈體結構(見圖22)。

圖22 彈體實物圖Fig.22 Photos of the projectiles

采用傳統機械加工和增材制造兩種方法制備了侵徹彈彈體，并開展了彈體高速侵徹鋼板試驗研究。和傳統加工成型技術相比，增材制造技術制造的侵徹彈能夠可靠貫穿兩層10mm厚的鋼板，且保持彈體結構和功能正常(見圖23)。

圖23 試驗彈穿靶后照片Fig.23 Photo of the projectiles after penetrating the target

3.2 殺爆類戰斗部

殺爆戰斗部是最基本的也是最常用的戰斗部類型，是各個軍事強國重點研究的對象。殺爆戰斗部裝藥爆炸產生的沖擊波及殼體破裂形成的高速破片對人員、車輛等目標進行毀傷。軍事上對殺爆戰斗部的要求是向著遠程化、高效毀傷和多功能方向發展，結構越來越復雜[61]。

洛克希德·馬丁公司基于直接金屬沉積技術提出了半預制破片戰斗部結構設計方案，并獲得專利授權[62]。其利用預成型的破片能夠控制凹槽的位置和深度，以實現預期的破片效果(見圖24)。通過改變材料密度、溫度、時間來控制破片形狀，并且加入特殊金屬材料顆粒制成單個破片區域(見圖25)，對比傳統武器裝備制造工藝，縮短時間，提高生產效率，能夠制造復雜異形結構的彈藥殼體。

圖24 具有預制破片的戰斗部殼體截面Fig.24 Warhead shell section with prefabricated fragments

圖25 含有特殊材料成分的戰斗部殼體Fig.25 Warhead shell containing a special material composition

南京理工大學郭美紅等[63]以激光選區熔化成型技術(SLM)打印得到的預控破片戰斗部為研究對象(見圖26和圖27)，利用有限元方法對殼體膨脹斷裂過程進行模擬，研究了殼體結構的參數對殼體破碎形成的影響規律。通過靜爆試驗和破碎性試驗驗證了SLM技術制造預控破片戰斗部殼體的可行性，并且研究V形槽深度對殼體破碎和破片形成的影響規律。

圖26 預控破片戰斗部殼體結構剖面圖Fig.26 Profile of shell structure of pre-controlled fragment warhead

圖27 SLM技術加工的預控破片戰斗部實物圖Fig.27 Photos of the pre-controlled fragment warhead processed by SLM

瑞典薩伯(SAAB)公司[64]提出了基于激光燒結技術制造的戰斗部殼體的設計方案(見圖28)，無需進行焊接裝配，可實現復雜結構殼體加工，并且激光燒結材料密度相對較低，可減少殼體的質量。此外，采用該制造技術還降低了爆炸形成的小碎片所造成的附帶損害。

圖28 激光燒結技術制造戰斗部殼體Fig.28 Laser sintering technology for the manufacture of combatant shells

美國軌道ATK公司等[65]對3D打印制備的高超聲速戰斗部進行了靜爆試驗(見圖29)。該致命性增強型彈藥(LEO)戰斗部適用于高超聲速武器，并且采用了異形結構，結構構型復雜，與傳統外形存在較大差異。基于3D打印的優勢，提出了符合工藝要求的簡潔設計方案，相比于傳統制造工藝，生產效率得到了提升，僅用了不到兩個月就完成了戰斗部的設計—制備—試驗的全流程，實現了高效研發。

圖29 軌道ATK公司的3D打印高超聲速戰斗部爆炸測試Fig.29 Orbital ATK′s 3D-printed hypersonic warhead explosion test

瑞典Christer等[66]提出了基于格柵結構基體的戰斗部破片結構設計方案 (見圖30)。通過熱等靜壓(HIP)制造方法將金屬粉末、預制破片結構和殼體連接在一起，以創造一種更容易、更快和更經濟有效的方法來生產預制破片戰斗部。與之類似，北京理工大學劉長猛等[67]基于增材制造技術提出了金屬格柵結構為基體的破片結構設計方法，其特點是將預制破片固定在菱形格柵結構的包圓單元內(見圖31)，從而能夠使得預制破片均勻分布，且在穩定固定的基礎上避免過度約束造成的彈道軌跡偏差。

圖30 金屬格柵結構為基體的破片結構示意圖Fig.30 Schematic diagram of the fragment structure based on metal grid structure matrix

圖31 基于格柵結構基體的戰斗部破片結構示意圖Fig.31 Schematic diagram of warhead fragment structure based on lattice structure matrix

3.3 破甲類戰斗部

破甲戰斗部依靠空心裝藥的聚能效應壓垮藥型罩形成的高速射流，擊穿裝甲目標，被廣泛應用于各種反裝甲的武器彈藥上。隨著裝甲防護性能不斷提升，促使破甲戰斗部不斷應用新技術和新結構，以提高破甲攻擊能力[68]。

美國Gaston等[69]提出了一種3D打印的周向MEFP戰斗部的設計方案(見圖32和圖33)，對比傳統武器彈藥制造工藝，3D打印不僅能提高生產和裝配效率，縮短研發周期，而且降低MEFP戰斗部生產時的廢品率，具有十分可觀的應用前景。國內南京理工大學宋平等[70]以316L不銹鋼為材料，采用選區激光熔化(SLM)技術制備了殼/罩一體式周向MEFP戰斗部，該戰斗部主裝藥為鑄裝B炸藥。3D 打印的MEFP戰斗部能夠在戰斗部周向形成獨立的多EFP毀傷元，且能穿透10mm厚的A3鋼板，穿透直徑在25～30mm之間。

圖32 基于增材制造工藝制備周向MEFP戰斗部結構示意圖Fig.32 Structure diagram of circumferential MEFP warhead prepared by additive manufacturing

圖33 一體式周向 MEFP 戰斗部實物圖Fig.33 Photo of the integrated circumferential MEFP warhead

南京理工大學劉峻豪等[71]探討了激光選區熔化技術(SLM)成型藥型罩的制備工藝，制備了縱向和橫向兩種不同生長方向的316L不銹鋼藥型罩(如圖34所示)，并且對藥型罩表面進行精加工。在25倍炸高下，縱向生長制備的藥型罩形成的爆炸成型彈丸毀傷元對鋼靶的侵徹深度較橫向生長制備的藥型罩形成的毀傷元提高21.1%，在200倍炸高下EFP能夠保持飛行穩定性。

圖34 SLM制備的藥型罩(經精加工)及EFP戰斗部Fig.34 SLM shaped charge(finished) and EFP warhead

南京理工大學王宇碩等[72]利用數值模擬方法定量分析了傳統裝藥工藝的幾種典型裝藥缺陷(如裝藥密度不均勻、縮孔、裂紋、裝配不對稱等)對破甲彈聚能射流性能的影響規律，面向殺人蜂應用背景，基于超壓爆轟原理和智能優化算法提出了一種微口徑嵌套式組合裝藥戰斗部，藥型罩由聚乳酸(PLA)材料打印成型(見圖35(a))，通過靜破甲試驗驗證了打印成型的Ф20mm聚能射流戰斗部成型的可行性(見圖35 (b)和(c))，形成的聚能射流可靠穿透了12mm硬鋁靶板，并具有較高后效。

圖35 打印成型的聚能射流戰斗部及其靜破甲試驗Fig.35 Printing chaped charge jet and its static armor-breaking test

北京理工大學王樹有等[73]將SLM應用于CuSn10藥型罩的制造，與機加工的CuSn10藥型罩產生的聚能裝藥射流性能進行比較(見圖36)。由于SLM制造過程中的快速加熱和冷卻速度，發現SLM生產的藥型罩的晶粒度比機加工藥型罩小得多，這有助于改善射流性能。侵徹試驗結果表明，SLM生產的藥型罩形成的射流侵徹深度比機加工藥型罩形成的射流侵徹深度大27%左右，證明SLM技術在聚能裝藥藥罩制造中具有良好的適應性。

圖36 兩種加工方式制造的藥型罩實物圖Fig.36 Photo of the liners manufactured by two methods

4 問題與展望

戰斗部威力是武器彈藥精確打擊能力的核心。隨著未來戰爭的復雜戰場形態和靈活多變的作戰需求，武器彈藥正向著精確智能化制導和先進精準毀傷方向發展。現有的常規戰斗部多以追求毀傷的最大化為目標方向，但是，隨著現代城區作戰、近空火力支援和日益迫切的低附帶損傷需求，最大的爆炸威力不一定獲得預期的毀傷效果。根據目標特征選擇特定匹配毀傷效應的戰斗部作用方式，一方面提高了武器彈藥戰場使用的靈活性，另一方面也對我國常規彈藥的設計理論和制造實現提出了更高的要求。因此，亟需開展彈藥戰斗部增材制造技術的研究，為先進戰斗部的研發提供支持[74-77]。

彈藥戰斗部的增材制造尚屬于前沿問題，面臨著當前發展的一些問題。具體表現在以下幾方面：

(1)采用傳統制造和裝配工藝的彈藥戰斗部不可避免存在著質量問題及局限性，會影響到彈藥戰斗部性能的發揮，難以實現“所得即所需”。如戰斗部裝藥成型過程中易產生氣泡、縮孔、微裂紋、密度均一性差等質量缺陷；炸藥裝藥與彈體易存在弱界面；大長徑比侵徹戰斗部深盲孔和復雜內腔難加工；聚能戰斗部的藥型罩、隔板等部件加工尺寸偏差和裝配產生的結構不對稱，容易減弱其能量的集中匯聚等；

(2)受限于傳統的設計理念和制造工藝技術，彈藥戰斗部的爆炸能量釋放過程調控難度大，性能固化，導致其能量利用率低，不能滿足威力提升和毀傷靈活性的迫切需求。要實現彈藥戰斗部威力的高效能恰當輸出，其關鍵部件往往設計成復雜、復合結構，常規制造工藝難以保障質量，而且效率低下。因此，彈藥戰斗部亟需解決關鍵核心部件的極端尺寸、異型異質、梯度結構、多層多材料等等高質量制造問題。

增材制造技術可以快速精確制造出具有復雜形狀的零件，極大地縮短了加工周期，可顯著提高武器彈藥的制造效率，改善武器彈藥制造流程，不但為武器彈藥的研發帶來重大變革，而且可能影響國防工業基礎，甚至對作戰模式和戰爭形態產生顛覆性影響。因此，增材制造技術一經問世，便成為西方軍事強國關注和研究的焦點，歐美發達國家紛紛制定了推動和發展增材制造技術的國家國防戰略和規劃。我國國防領域近年來雖然也高度關注增材制造技術，但是總體而言，還是存在明顯差距。一方面，受制于高度集成的先進自動化增材制造專用裝備設計與研制的瓶頸問題，缺乏有力的制備手段保障，研究工作并未全面展開，研究面較窄；另一方面，國內研究力量分散，研究水平較國際還有一定差距，多數僅停留在基礎原理性研究方面。因此，加強增材制造技術在武器彈藥領域的基礎應用研究，對于我軍武器彈藥性能的跨越式提升具有重要的戰略意義，應用前景廣泛[78-84]。為此，在增材制造基礎關鍵材料、安全精密成型裝備、新型戰斗部開發等諸多方面仍然面臨新的挑戰，仍有待于加強，主要包括：

(1)基于增材制造彈藥戰斗部對基礎關鍵材料的需求，建立新型基礎關鍵材料的設計準則、制備方法及性能表征技術體系，掌握單、多組元材料流變學規律、多尺度設計方法及微介觀結構控制方法，實現基礎關鍵材料在微細觀層面上的組合組裝，形成增材制造彈藥戰斗部專用材料數據庫，為彈藥戰斗部的性能設計和威力調控提供支撐；

(2)基于增材制造彈藥戰斗部對安全精密成型裝備的需求，建立復雜三維模型高效高精度切層數據生成與工藝路徑智能規劃算法，突破打印材料的精細定量輸送配給、多尺度復雜結構的精確高效成型、多維度缺陷的原位在線識別與多傳感器多信息數據融合在線監測等關鍵技術，形成多材料、多工藝增材制造工藝參數庫及知識庫，研制面向過程檢測和裝備自診斷的智能元器件及模組，實現自動化高效安全增材制造專用設備集成，為彈藥戰斗部增材制造裝備的研制與應用提供支撐。

為顯著提升未來我軍武器彈藥的高效、精準毀傷效能及其作戰使用的靈活性，構建適宜于增材制造手段的彈藥戰斗部設計理論體系，突破基于增材制造原理的典型戰斗部、新概念新原理戰斗部及高安全戰斗部設計方法，揭示多尺度結構下爆轟波隨形可調可控規律，掌握彈藥戰斗部精密成型制造與性能的匹配關系，豐富智能毀傷效應戰斗部類型，提升現役典型戰斗部的威力和安全性能，為我軍彈藥戰斗部的智能毀傷理論的發展提供支撐。