活性药型罩聚能装药破甲后效超压特性

张雪朋，肖建光，余庆波，郑元枫，王海福

（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）

活性药型罩聚能装药破甲后效超压特性

张雪朋，肖建光，余庆波，郑元枫，王海福

（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）

采用实验研究和理论分析相结合的方法，对活性药型罩聚能装药破甲后效超压特性进行了研究。通过地面静爆实验，测试了活性药型罩聚能装药穿透不同厚度靶板后的内爆超压特性。结果表明，在给定活性药型罩聚能装药结构的条件下，内爆超压随穿靶厚度基本呈抛物线衰减规律。进一步结合准定常理想不可压缩流体力学理论，引入活性材料能量释放激活延时参数，建立了破甲后效超压半经验分析模型。利用该模型预测的活性射流破甲后效超压与实验测试结果吻合较好。分析了活性材料能量释放激活延时对破甲后效超压的影响特性。

兵器科学与技术；聚能装药；活性药型罩；破甲后效超压；冲击引发；能量释放

0 引言

活性材料药型罩在聚能装药上的应用，是提高聚能射流毁伤后效的重要技术途径，受到了世界各国的广泛关注和大力研究［1-4］。Baker等采用脉冲X光实验研究了活性药型罩聚能装药在爆炸驱动下射流成形行为，并通过地面静爆实验研究了活性材料配方对混凝土靶毁伤效应的影响特性［5］；Daniels等采用数值模拟方法分析了活性射流成形过程及影响因素，并通过实验研究了不同炸高下活性药型罩聚能装药对混凝土靶毁伤效应［6］。从国内外公开发表的文献看，有关活性材料的研究主要体现在活性破片能量释放和毁伤威力评估方面，Ames等通过泰勒杆实验对活性破片临界起爆压力进行了测试［7］，王海福等对活性破片能量释放进行了研究［8］，但在活性药型罩聚能装药对装甲的侵彻性能及后效超压特性研究方面，未见有学术成果公开发表。本文采用地面静爆实验和理论分析相结合的方法，对活性药型罩聚能装药破甲后效超压特性进行了研究，研究结果对活性药型罩聚能装药设计及威力评估有参考意义。

1 静爆实验

1.1实验方法

为了研究活性药型罩聚能装药破甲后效超压特性，实验采用底径40mm、锥角44°、密度2.3g/cm3的活性药型罩。实验测试原理如图1（a）所示，主要由活性药型罩聚能装药、炸高支架、圆柱形钢靶、后效超压测试罐、压力传感器和信号采集系统等组成。其中:立方体后效超压测试罐由厚度10mm钢板焊接而成，内腔容积约为125L，测试罐上方中心位置开设直径30mm圆孔；钢靶直径200mm，厚度10～60mm；活性射流内爆后效超压由安装在罐壁的两个AK-1应变式传感器进行测量，实验布置如图1（b）所示。

1.2实验结果

图1　实验布置Fig.1 Experimental setup

活性药型罩聚能装药侵彻不同厚度钢靶典型实验图片如图2所示。从图2中可以看出，活性药型罩聚能装药对钢靶的侵孔及熏黑程度显著受穿靶厚度的影响。当靶厚为10mm时，活性射流对钢靶的侵孔直径可达0.51D（D为装药直径），靶板表面熏黑区域较小，且熏黑程度较弱；当靶厚增大到20mm以上时，靶板上表面基本全部被活性材料爆轰产物覆盖，且靶板表面熏黑程度随靶板厚度的增大而加重，活性射流对钢靶的侵孔直径逐渐变小，最小侵孔直径约为0.4D.

表1　实验结果Tab.1 Experimental results

图2　侵彻不同厚度钢靶典型实验照片Fig.2 Typical photographs of penetrated steel targets with different thickness

表1为活性药型罩聚能装药侵彻不同厚度钢靶实验结果。从表1中可以看出，随着靶板厚度的增大，活性药型罩聚能装药对钢板的侵孔直径呈现减小趋势，这与金属药型罩侵彻规律相同，但活性药型罩聚能装药对钢板的侵孔直径要大得多，约为0.5D；破甲后效超压随着靶板厚度的增大而减小，在不穿靶条件下，30g活性药型罩形成的活性射流进入125L的密闭容器内可产生0.35MPa超压。当靶板厚度增大到60mm后，活性射流作用钢靶的侵彻深度为58mm，在活性射流刚好未能穿透靶板情况下，活性药型罩聚能装药在没穿透靶板情况下，测试系统依然测得了0.0051MPa的压力，这可能是因为聚能装药爆轰波作用在罐壁面导致压力传感器产生测量误差。

从图3中可以看出，测试罐内超压的上升阶段持续时间约为5ms，说明活性射流在测试罐内发生了强烈的爆燃反应。超压上升到峰值压力后就开始下降，一方面是剩余活性射流完全反应后，没有气体继续产生，使得测试罐内压力下降；另一方面是侵孔的泄压效应开始显著，测试罐内超压的下降阶段持续时间约为10ms.另外，图3中测试压力曲线有震荡，这是因为隔板虽然挡住了爆轰产物进入测试罐内，但是爆轰波会通过隔板作用在测试罐上，使得测试罐上的压力传感器发生震荡，通过对数据处理得到了准静态压力。

2 侵彻-爆炸分析模型

2.1侵彻分析模型

活性材料本质上是一种特殊的含能材料，是一种在聚氟物中添加金属粉体的混合物，其在强冲击载荷下自身会被激活发生爆炸反应，活性材料的弛豫时间为活性材料激活开始直到完全反应结束，而活性材料弛豫时间受活性材料配方和材料组分粒径的影响，但活性材料配方及组分粒径一定时，活性材料的弛豫时间为定值。假设活性射流在弛豫时间内按惰性处理，达到弛豫时间后发生爆炸反应，并在侵彻过程中忽略靶板的强度效应，基于准定常理想不可压缩流体理论分析活性射流侵彻钢板过程。活性射流破甲过程如图4所示。图4中纵轴y是轴向距离，以活性药型罩底部为0，横轴t为时间轴，以爆轰波到达药柱底部为0时刻。在y-t图上是从A点发出的一簇直线，每一条直线的斜率就是该射流的速度，H是炸高。活性射流在B点与靶板相遇，开始破甲，BC线是破甲随时间加深的曲线，曲线上每一点的斜率是该点的破甲速度u，CD线是活性射流以速度vj通过侵彻孔，直到活性材料弛豫时间τ后发生剧烈的爆炸反应，在靶后产生超压。由图4可以看出，活性药型罩聚能装药的破甲后效超压不仅与靶板厚度L有关，还与活性材料的弛豫时间τ有关。

由图4中几何关系可以看出，对于点C可以得到破甲深度L与破甲时间t1关系式为

式中:vj是C点射流速度；t0为活性射流碰靶需要的时间；tA为虚拟点A的横坐标；b为虚拟点A的纵坐标。

（1）式对t微分可得

对于理想不可压缩流体有

式中:ρt、ρj分别为靶板和活性射流的密度。

图3　靶后超压Fig.3 Armor penetration aftereffect overpressure

把（3）式代入（2）式可得

式中:tL为活性射流穿透厚度L的钢板所需时间。

假设活性射流在侵彻过程中始终保持一个锥形形状，且活性射流长度与炸高相同，活性射流侵彻厚度为L的钢板消耗的射流长度为x，总长度保持不变，根据几何关系可知，活性射流穿透L厚钢板后消耗活性射流质量mL为

假设活性射流侵彻钢靶的极限深度为Ll，且活性射流在侵彻过程中一直保持等腰锥形不变，则

当t=τ时，活性射流穿透钢板在靶后的活性射流有效质量为ma，则ma是一个与活性材料弛豫时间τ有关的分段函数，可表述为

图4　侵彻分析模型Fig.4 Penetration analysis model

当活性药型罩结构一定时，活性射流碰靶前t0时刻、射流的平均速度极限侵彻深度Ll可以通过数值模拟方法测得，本文取Ll=80mm.对于不同活性材料弛豫时间τ，穿靶后活性射流有效质量ma与靶板厚度L之间的关系如图5所示。

图5　活性材料弛豫时间与靶后有效质量的关系Fig.5 Time for initiation versus effective mass of reactive materials after armor penetration

从图5中可以看出，当活性材料弛豫时间足够大时，靶后活性射流有效质量随穿靶厚度的增大呈现出近似抛物线的衰减规律，直至活性药型罩聚能装药对钢靶的极限侵深，靶后活性射流有效质量下降为0.当活性材料弛豫时间较小时，靶后活性射流有效质量随着靶板厚度的增大呈分段减小趋势，穿靶厚度较小时，靶后活性射流有效质量仍表现为抛物线衰减规律，当超过某一值（这是与活性材料弛豫时间、炸高和活性射流平均速度有关的值）后，靶后活性射流有效质量急剧下降，表现为近似线性衰减规律，直至活性药型罩聚能装药对钢靶的极限侵深后下降为0.当活性材料弛豫时间小于某一值（这是与炸高和活性射流平均速度有关的值）后，靶后活性射流有效质量呈现出近似抛物线衰减规律，且在不穿靶条件下，靶后活性射流有效质量随活性材料弛豫时间的减小而减小。

2.2爆炸分析模型

与活性破片的能量释放特性不同，活性药型罩聚能装药起爆后，爆轰波作用在活性药型罩上的平均压力在20GPa以上，远远超过了活性材料激活起爆压力，活性药型罩在爆轰波作用下被完全激活，活性材料能量释放率达到100%.活性材料爆炸反应释放化学能的大小是衡量活性材料毁伤威力的重要指标，而它又是很难直接测量的参数，一般只能通过爆炸超压、正压时间、温度等参数来表征。对于密闭容器，假设定容条件下气体不做功，同时忽略了热损失和气体分子作用力，对于一定质量的活性材料，有

式中:V0为测试罐初始容积（cm3）；ψ为活性材料相对燃烧量；pψ为对应ψ时刻爆燃气体压力（MPa）；δ为燃气余容（cm3/g）；f=RT1（J/g），R是气体常数，T1是燃烧温度（℃）.

特别是当ψ=1时，活性材料燃烧结束，气体压力达到最大，

式中:Δ=m/V0.

对于一定质量的活性材料，在压力不高的条件下，通常认为δ为常量。显然，f、δ是线性方程（9）式的截距和斜率，对线性方程（9）式进行回归得

当n=2时

3 侵彻爆炸后效超压模型

由图5可以看出，在不穿靶条件下，当活性材料弛豫时间大于48μs时活性射流全部进入靶后，假设实验中1和2在活性射流形成过程及侵入测试罐内没有质量损失，则根据（9）式可得到与活性材料有关的参量，即f=1.2683×106J/kg，δ= 0.602×10-3m3/kg.活性药型罩质量为m，进入测试罐内的活性射流质量为ma，而测试罐内的超压与进入测试罐内活性射流的质量有关，可以通过测试罐内的超压确定进入测试罐内的活性射流质量ma，则

把（12）式代入（9）式中可得到测试罐超压pm与靶板厚度L之间的关系式为

图6所示为活性药型罩聚能装药破甲后效超压随靶板厚度的变化曲线。从图6可以看出，活性药型罩聚能装药破甲后效超压随靶板厚度的增加呈分段减小趋势，表现为近似抛物线衰减规律。当穿靶厚度较小时，活性药型罩聚能装药破甲后效超压下降趋势较小，这是因为活性射流侵彻薄靶过程质量损失较小，且侵彻时间较短，有足够的时间让更多质量的活性射流通过侵彻孔进入测试罐内，从而靶后超压变化趋势不明显。当穿靶厚度超过20mm后（即0.5D），活性药型罩聚能装药破甲后效超压下降趋势明显，一方面是因为活性射流侵彻靶板过程消耗质量增大，且侵彻时间变长，导致进入靶后活性射流有效质量变小；另一方面因为侵彻孔孔径变小，单位时间内通过侵孔的活性射流质量变小；这两方面制约了活性射流通过侵彻孔进入测试罐内活性射流的质量，使得测试罐内超压下降趋势明显。

图6　穿靶厚度对破甲后效超压影响Fig.6 Influences of perforated target thicknesses on armor penetration aftereffect overpressure

另外，从图6中还可以看出，实验测试得到的靶后超压值比理论值预测值要小，一方面是因为理论假设活性药型罩在爆炸驱动射流形成过程中不发生反应，事实上，炸药爆炸后爆轰波作用在活性药型罩上的平均压力在20GPa以上，远远超过了活性材料自身起爆压力，一部分活性材料在活性射流形成过程中就开始发生反应，使得假设的活性射流质量偏小；另一方面，活性射流杵体部分直径较侵彻孔要大的多，在活性射流沿侵孔随进过程有一部分活性射流不能进入侵孔，遗留在靶板表面发生爆炸，使得实验测量值较理论值小。

4 结论

1）与金属药型罩相比，在1倍装药直径炸高下，活性药型罩聚能装药对钢靶的侵孔直径要大的多，可达0.5倍装药直径，但侵彻能力有所下降，侵彻深度约为1.45倍装药直径。

2）活性药型罩聚能装药破甲后效超压显著受穿靶厚度影响，随穿靶厚度的增大，破甲后效超压呈近似抛物线衰减规律。在不穿靶条件下，质量30g活性药型罩形成的活性射流，进入125L密闭容器内爆炸超压可达0.35MPa.

3）活性药型罩聚能装药破甲后效超压除了与穿靶厚度有关外，还显著受活性材料弛豫时间影响。在给定穿靶厚度条件下，破甲后效超压随活性材料弛豫时间的增长而增大。

（References）

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Armor Penetration Aftereffect Overpressure Produced by Reactive Material Liner Shaped Charge

ZHANG Xue-peng，XIAO Jian-guang，YU Qing-bo，ZHENG Yuan-feng，WANG Hai-fu
（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Armor penetration aftereffect overpressure produced by reactive material liner shaped charge is researched through experiments and theoretical analysis.Quasi-static explosion experiments are carried out to investigate the overpressure produced by reactive material liner shaped charge impacting the steel plates with different thicknesses.The result shows that the overpressure decays parabolically with the thickness of plate.Based on the quasi-steady incompressible Bernoulli equation，a model is developed to describe the armor penetration aftereffect overpressure by introducing the self-delay time of reactive materials.The results calculated by the proposed model show a good consistence with the experimental results.And the influence of the self-delay time of reactive materials on armor penetration aftereffect overpressure is analyzed.

ordnance science and technology；shaped charge；reactive material liner；armor penetration aftereffect overpressure；shock-induced initiation；energy release

TJ413.+2

A

1000-1093（2016）08-1388-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.007

2016-01-19

国防“973”计划项目（403020201）

张雪朋（1985—），男，博士研究生。E-mail:3120110147@bit.edu.cn；王海福（1966—），男，教授，博士生导师。E-mail:wanghf@bit.edu.cn