含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用＊

万文乾，余道强，彭 飞，王维明，阳天海

（总装备部工程兵科研一所，江苏 无锡214035）

高效毁伤是现代弹药的发展方向之一，为突破传统弹药的毁伤威力，现发展着新概念、新原理和新型毁伤元技术。反应破片是一种带有活性含能材料的新型毁伤元，它与目标撞击时对目标除了具有动能侵彻作用外，还同时释放化学能，产生燃烧、爆炸等，对目标的作用效果比常规破片战斗部有较大幅度的提高。反应破片中的反应材料是由具有类爆轰性的亚稳态反应材料制成，具有稳定的物理、化学性能，在制造、加工、储藏、运输等方面都具有良好的安全性。近年来，有很多这方面的研究［1－6］，研究多以铝、钛等金属颗粒与聚四氟乙烯按一定比例混合后压制烧结而成的混合式反应破片为主［7］，其特点是结构简单，较容易实现。但破片撞击目标时的动能较低，侵彻效果不够理想，目前研究对象多以复合反应破片为主。复合反应破片由内核为含能材料、外层由重金属壳体包覆而成，含能材料通常为Al/Ti与PTFE的混合物，可以是柱形、球形、椭球形等，它对目标的侵彻毁伤能力比反应破片有较大的提高［8－12］。复合反应破片多以弹道枪发射，破片速度基本在1km/s以下，极大限制了含能破片的工程应用。本文中，研究由含能材料制成的药型罩在炸药直接驱动作用下的成型及毁伤作用，试图为含能材料在武器装备战斗部的应用提供技术基础。

1 战斗部结构

图1 战斗部结构示意图Fig.1Schematic of warhead

图1为含能材料药型罩爆炸成型战斗部结构示意图，主要由壳体、含能材料药型罩、主装药、缓冲垫、整形装药组成。其中，含能材料药型罩是由铝、聚四氟乙烯及添加剂等按一定比例混合后压制烧结而成的具有一定曲率半径的药型罩。

主装药采用压装钝化黑索今，密度1.7cm/g3，主装药长径比0.65；整形装药采用压装钝化黑索今，密度1.65cm/g3；壳体材料为45钢，厚度0.07D（主装药口径D＝70mm）；含能材料药型罩内外曲率半径相同，为0.6D；缓冲垫与含能材料药型罩的曲率半径相同，放置于药型罩与主装药之间，降低炸药爆轰对药型罩的冲击。

2 实 验

2.1 实验件

按照图1结构加工，实验件炸药总质量385g，含能材料药型罩质量100g，缓冲垫质量30g，实验件如图2所示。

图2 实验件Fig.2Experimental warhead

2.2 靶 板

2.2.1 装甲钢

为了观测含能材料药型罩爆炸成型、侵彻效应及后效毁伤，设计了如图3所示的实验装置。目标靶板为装甲钢，尺寸为500mm×500mm×20mm；战斗部炸高500mm；支架高350mm，下部放置尺寸1 000mm×1000mm×10mm的A3钢后效钢板。利用高速摄像拍摄整个过程。

2.2.2 钢锭

为了研究含能材料药型罩爆炸成型后的侵彻能力，选择了45钢锭，钢锭直径为310mm，厚度为110mm，如图4所示。

2.3 高速摄像

实验设置如图5所示，支架和战斗部放置于箱体内，装甲钢板固定在箱体的侧壁预留孔处，战斗部轴心和20mm装甲钢板的中心在同一水平面上，后效钢板为8mm厚A3钢板，放置于箱体外侧，距装甲钢板1 200mm。利用高速摄像拍摄装甲钢板与后效钢板间的区域，观测含能战斗部爆炸形成的含能弹丸在穿透装甲钢板后的反应扩散情况。

图3 实验装置布置Fig.3Layout of experimental device

图4 钢锭Fig.4Experimental steel ingot

图5 高速摄像实验设置Fig.5Setup for high －speed camera

3 结果与分析

3.1 爆炸成型过程

采用高速摄像方法对实验件的爆炸过程进行了拍摄，获得了爆炸后不同时刻的图片，如图6所示。

图6 药型罩成型过程的实验结果Fig.6Experimental results of liner forging process

高速摄像拍摄速度为10 000帧每秒。含能材料药型罩不同于金属药型罩，含能材料在爆轰波的压力下会发生反应。由图6中可以看出，虽然缓冲垫削弱了爆轰波对含能材料药型罩的冲击，但含能材料药型罩在成型过程中还是发生了反应。药型罩在爆炸作用下，获得2km/s左右的速度。高速摄像中，由于含能药型罩反应发出的光，并不能直接看出含能材料药型罩爆炸成型的形状。但镜头中的虚光刚好把炸药爆炸及含能材料反应的光屏蔽掉，剩下弹丸的大致形状。从虚光中可以看出，含能材料制成的药型罩在爆炸作用下，能够形成弹丸。

利用ANSYS/LSDYNA3D软件对含能材料药型罩的爆炸成型过程进行数值模拟，图7为含能材料药型罩爆炸成型过程。

数值模拟结果表明，含能材料药型罩在爆炸作用下能够形成弹丸，弹丸长径比为约3.6，速度为2 188m/s，这与高速摄像的结果一致。

图7 药型罩成型过程的数值模拟结果Fig.7Numerical simulation results of liner forging process

图8为含能弹丸穿透的靶板及后效靶板的情况。穿孔直径为0.5D，穿孔周围有烧蚀现象，表明含能材料反应时的温度较高，大于靶板的融化温度。后效靶板上没有出现冲击现象，表明含能弹丸在穿透靶板后加剧反应并生成大量的气体。后效靶只出现了积碳现象，为含能材料反应后的生成物。

图8 靶板和后效板的破坏Fig.8Damages of the target and aftereffect target

3.2 爆炸成型后的侵彻能力

图9为实验件对厚110mm的45钢绽侵彻结果的正面和剖开后的截面图。结果表明，含能材料爆炸形成的弹丸具有较高的侵彻能力，穿深达到1.1D，穿孔直径0.5D。由截面图可以看出，钢锭上表面穿孔周围明显向上突起，表明对钢绽的侵彻穿深主要是含能弹丸动能的作用。同时，穿孔有明显的烧蚀现象，这是弹丸侵彻过程中化学反应的效果。

图9 钢锭的破坏Fig.9Damages of the steel ingot

比较图8～9可以看出，含能弹丸穿透20mm装甲钢板需要消耗约1/3能量，约2/3能量能够进入目标内部。

3.3 靶后反应

高速拍摄速率为10 000帧每秒，典型时刻的图像如图10所示。

由图10可以看出，含能弹丸穿透装甲钢板后，发生了剧烈的化学反应，反应产物形成的光球以近似半球形扩散。取反应开始扩散照片的前8帧近似计算反应产物的扩散速度，如表1所示。表中，R为光球半径，v为扩散速度。

图10 靶后反应的高速摄像照片Fig.10Reaction photo after perforating target by high －speed camera

表1 反应产物的扩散速度Table 1Pervading velocities of reaction products

由高速摄像图像，反应产物形成的火球最大直径1 010mm，产物的扩散开始最快，随着半径的不断增大，扩散的速度越来越小，扩散的平均速度为1 100m/s，火球持续时间为28ms。

4 结 论

通过对含能材料药型罩爆炸成型及毁伤作用的实验研究，得出以下结论。

（1）由含能材料制备成的药型罩，在爆炸作用下虽然发生了部分反应，主体仍旧能够形成弹丸，弹丸速度2km/s左右。

（2）含能弹丸穿透20mm厚的装甲钢靶后反应加剧，形成超压、高温、破片等多种杀伤元，反应后形成大量的气体，后效靶有反应后的残留物。

（3）含能弹丸侵彻是动能和化学反应的综合作用过程，穿孔有明显的烧蚀现象，穿孔口径0.5D，最大穿深1.1D。

（4）穿透20mm装甲钢板后反应产物形成的火球最大直径1 010mm，产物的扩散开始最快，随着半径的不断增大，扩散的速度越来越小，扩散的平均速度为1 100m/s，火球持续时间为28ms。

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