活性破片引燃航空煤油实验研究

王海福，郑元枫，余庆波，刘宗伟，俞为民

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081)

0 引言

利用金属毁伤元(金属破片、射流、EFP、杆条等)动能侵彻机理毁伤目标，是现役常规硬毁伤弹药战斗部设计的基本技术理念。由于毁伤机理单一，很大程度上制约了弹药战斗部威力的发挥和提高。活性毁伤元是一种在材料构成和终点毁伤机理、毁伤模式上，都显著不同于金属毁伤元的新型高效毁伤元，其显著特点和优势在于:1)它是一种通过在高聚物中填充金属、合金、金属间化合物等含能粉体，再经特殊工艺制备而成的具有良好机械力学强度的整体复合式固体含能材料毁伤元;2)当这种活性含能毁伤元以一定速度撞击目标时，其首先依靠自身动能侵彻、贯穿目标，与此同时，由于受到强冲击载荷的作用，活性材料自身被激活并发生爆炸/爆燃反应，进入目标内部后，活性材料依靠自身释放的化学能进一步毁伤目标，从而在动能侵彻和内爆两种毁伤机理的联合作用下，实现对目标的高效打击和毁伤，使弹药战斗部的终端毁伤效能获得大幅度提升［1-3］。

活性破片及其弹药战斗部技术，作为当前高效毁伤领域的热点研究方向，受到了世界各国的广泛关注和大力研究，特别是在活性毁伤元配方设计、制备工艺、机械力学性能、撞击起爆和能量输出特性及武器化应用技术等方面，取得了显著研究进展［4-6］。本文针对活性破片引燃作用行为及效应问题，进行了弹道发射模拟实验研究，并从引燃机理上与金属破片进行了比较分析。

1 实验方案

1.1 活性破片样品

如前所述，活性破片是一种通过在高聚物中填充金属、合金、金属间化合物等含能粉体，经特殊工艺制备而成的具有良好机械力学强度又能撞击起爆的整体复合式固体含能材料毁伤元。为便于制备和弹道炮发射，采用圆柱形活性破片设计，其质量为10 g，尺寸为φ17 mm×15.5 mm，压缩强度约65 MPa，如图1(a)所示。带尼龙弹托口径25 mm 活性破片实验弹如图1(b)所示。

文献［7］已通过密闭测试罐对图1中所制备活性破片的侵彻性能与内爆效应进行了实验验证，如图2所示，测试罐容积约26.5 L，内部为自然空气，测试罐迎弹面板为厚10 mm 的LY12 硬铝，实验中，活性破片以约1 500 m/s 速度撞击、贯穿迎弹面靶后，在罐内部发生剧烈的化学反应，形成约0.75 MPa的超压，释放出约为自身动能5 倍的化学能。

1.2 模拟油箱靶标

考虑到可重复使用的问题，采用圆柱形模拟油箱靶标设计，如图3(a)所示，主要由前、后面板、钢壳及密封圈等组成，其内径290 mm，高度100 mm.实验中，圆柱形钢壳厚10 mm，两端由10 mm 厚LY12 铝板和橡胶圈密封，通过替换前、后面板及密封圈实现模拟油箱靶标的重复使用。油箱内部注满RP-3 航空煤油，如图3(b)所示。固定好的模拟油箱如图3(c)所示。

图1 活性破片及实验弹Fig.1 Reactive fragment and test bullet

图2 活性破片内爆效应Fig.2 Blast-inside effects of reactive fragment

1.3 实验原理

活性破片引燃满航空煤油油箱实验测试原理如图4所示，主要由25 mm 弹道炮、活性破片实验弹、测速网靶和模拟油箱等组成。弹靶距离10 m，通过调整发射药量控制发射初速，活性破片着靶速度由置于油箱前方的网靶测量，活性破片引燃油箱作用行为由高速摄影记录，并与相同实验条件下的钨合金破片引燃燃油效应进行对比分析。

2 实验结果

图3 满油油箱Fig.3 Full-filled fuel tank

图4 弹道实验原理Fig.4 Schematic diagram of ballistic experimental setup

活性破片和钨合金破片引燃燃油实验结果列于表1.从表1可看出，8 发活性破片实验中，有2 发没有引燃燃油，4 发引燃了燃油，2 发导致油箱前、后铝板失效、飞离，并引燃燃油，而2 发钨合金破片均未引燃燃油。活性破片以724 m/s 速度撞击模拟油箱，实验结果如图5所示，活性破片未能贯穿前铝板，仅造成一定程度的机械毁伤，没有引燃航空煤油。活性破片引燃燃油典型实验结果如图6所示，高速摄影如图7所示，活性破片以1 080 m/s 速度撞击模拟油箱后自身被激活，发出耀眼的白光，在油箱周围形成高温场，燃油从侵孔及油箱周围喷出后立即被点燃，未燃尽的燃油从油箱流出后在地面上继续燃烧，油箱前后铝板均出现了明显的外鼓变形。活性破片以1 427 m/s 速度撞击模拟油箱，典型实验结果及高速摄影如图8、图9所示，油箱前后铝板变形严重，铝材在螺栓处断裂，前后板飞离油箱，航空煤油被引燃。钨合金破片以1 643 m/s 速度撞击油箱的典型实验结果如图10 所示，航空煤油从侵孔喷出，但没有被引燃，油箱基本没有发生变形。高速摄影过程如图11 所示，钨合金破片撞击铝板的瞬间温度也很高，从侵孔喷出的燃油有被引燃的迹象，但钨合金破片仅靠动能提供的点火能量有限，侵孔附近的温度很快降低，燃油瞬间熄灭。

表1 实验结果Tab.1 Experimental results

3 引燃机理

图5 活性破片以724 m/s 速度撞击油箱实验结果Fig.5 Experimental results of reactive fragment impacting fuel tank at 724 m/s

图6 引燃燃油实验结果Fig.6 Photographs of igniting fuel

本文实验结果很好地验证了活性破片较钨合金破片具有更强的引燃航空煤油能力。主要原因在于金属破片对燃油的引燃行为仅依靠破片动能，破片进入油箱内部后，虽然剩余速度较高，燃油也会一定程度雾化及热解，但由于侵彻通道中含氧量低，使得油雾及热解产物与空气混合浓度难以达到可燃极限范围［8］。因此，燃油难以被冲击引燃，即使侵孔附近有局部引燃现象，也会迅速熄灭。

活性破片则不同，当其侵入油箱后便会自行发生化学反应，释放出大量化学能，这使得活性破片可通过终点动能侵彻和化学能释放/内爆效应的联合作用增强对燃油的引燃能力。活性破片对油箱的破坏和引燃燃油过程主要包括机械贯穿、油箱鼓包、油箱断裂和燃油燃烧。首先，活性破片利用动能贯穿铝板并进入油箱内部，由于受活性材料碎片和油箱壳体崩落碎块的冲击作用，油箱内燃油的温度及压力升高，燃油一定程度的雾化及热解，这与金属破片作用机理基本相同。但更为重要的是，活性材料随后在破片通道内发生剧烈化学反应，释放出大量的化学能，导致油箱内温度及压力进一步升高，使油箱发生更严重的结构破坏。文献［7］表明，活性材料内爆效应受撞击速度影响显著，速度越高，反应越完全，内爆效应越明显，释放的化学能越多，对油箱造成的破坏作用越严重，这也正是实验中高速撞击时铝板飞离，低速撞击时铝板仅出现鼓包的主要原因。与此同时，油箱内雾化、裂解的高温燃油从侵孔喷出，铝板鼓包或飞离进一步为燃油与空气充分接触提供了条件，从而使燃油完成燃烧预备过程。如前文所述，活性破片以约1 500 m/s 速度撞击目标时，能在内部释放出约为自身动能5 倍的化学能，这表明活性破片提供的点火能量数倍于钨合金破片，致使燃油从油箱内喷出时具有很高的温度，图7和图9均表明，活性破片在油箱外围同时形成一高温场。上述两方面因素为引燃燃油提供了良好的点火条件，致使燃油喷出后即被引燃。

图7 引燃燃油高速摄影结果Fig.7 High-speed video sequences of igniting fuel

图8 引燃燃油及油箱破裂实验结果Fig.8 Photographs of fuel ignition and tank rupture

图9 引燃燃油及油箱破裂高速摄影Fig.9 High-speed video sequences of fuel ignition and tank rupture

图10 钨合金破片撞击油箱实验结果Fig.10 Photographs of tungsten alloy fragment impacting fuel tank

图11 钨合金破片撞击油箱高速摄影Fig.11 High-speed video sequences of tungsten alloy fragment impacting fuel tank

由此可见，从引燃机理上看，活性破片内爆效应是引燃燃油的主控机制，而且显著降低了对破片撞击动能的要求。也就是说，只要活性破片能可靠穿透油箱的迎弹面板并被激活，即可利用自身的化学能释放对油箱造成结构破坏，并将燃油引燃。文献［7］研究表明，当活性破片着速超过1 100 m/s 时，质量10 g 活性破片便能可靠穿透10 mm 铝板且自身能发生剧烈的化学反应。因此，可以认为活性破片以高于1 100 m/s 的速度撞击本文所设计的油箱，均能可靠引燃燃油，这与文中实验结果一致，而同质量钨合金破片以1 643 m/s 速度撞击油箱，油箱未出现明显的鼓包，燃油也未能被引燃。

4 结论

针对活性破片引燃航空煤油性能问题，在25 mm弹道炮平台上进行了活性破片和同质量钨合金破片引燃满油油箱的实验研究，并进行了活性破片引燃燃油机理分析，主要结论有:

1)活性破片着速大于1 080 m/s 时可击穿10 mm厚LY12 铝板，造成油箱局部破坏，甚至破裂，并引燃航空煤油，而钨合金破片以1 643 m/s 速度撞击油箱，油箱未出现明显鼓包，燃油也未被引燃。

2)活性破片通过终点动能侵彻和化学能释放的联合作用，实现对油箱结构的破坏作用，从而显著增强和提高了对航空煤油的引燃能力。

3)活性破片内爆效应是引燃燃油的主控机制，从而显著降低了对碰撞速度和动能的要求，即只要活性破片能穿透油箱壁且自身被激活，便可对油箱造成结构破坏，并将航空煤油引燃。

References)

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