时序控制对强磁场耦合聚能射流过程的影响

马彬， 黄正祥， 祖旭东， 肖强强， 贾鑫

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)

时序控制对强磁场耦合聚能射流过程的影响

马彬， 黄正祥， 祖旭东， 肖强强， 贾鑫

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)

基于改变时序控制的相关侵彻深度实验，对强磁场耦合聚能射流过程中的时序控制作用进行研究。采用两种不同结构的强磁体(Ⅰ型和Ⅱ型)进行相关实验研究，实验研究过程中，在其他条件不变的情况下，改变实验的时序控制，分析受强磁场作用后聚能射流的侵彻深度以及侵彻通道的孔形，研究相同电路结构、不同时序控制作用下强磁场对聚能射流稳定性的影响。研究结果表明：时序控制是强磁场耦合聚能射流过程中的重要影响因素之一；由于聚能射流的主要侵彻能力集中在中前段，通过时序控制，使强磁场充分与聚能射流中前部发生作用，能有效地提高聚能射流侵彻效能；对于Ⅰ型强磁体，通过时序调整，φ56 mm聚能装药形成的射流侵彻能力由初始增加1.7%提高到增加32.8%；对于Ⅱ型强磁体，由初始增加1.6%提高到增加69.4%.

兵器科学与技术； 聚能射流； 磁场； 时序控制； 稳定性

0 引言

随着装甲目标防护性能的不断提升，间隙装甲、复合装甲以及栅格装甲逐步投入战场，这些装甲的主要作用原理就是使聚能射流提早断裂，同时增加聚能装药的炸高，利用其空隙使聚能射流出现断裂失稳，从而达到减小破甲战斗部毁伤效果的目的[1]。为了有效对付这类新型装甲，就需要增加大炸高下聚能射流的稳定性，从而提高其侵彻能力。

提高聚能战斗部的毁伤能力一直是国内外许多学者研究的重点。传统提高聚能射流侵彻能力的研究主要集中在新结构药型罩的设计、药型罩新材料的应用、炸药性能的提高、起爆方式的选择、炸药爆轰波传播过程的控制以及加工方法的改进等方面。然而受到聚能装药本身特点、炸药性能以及药型罩材料特性的限制，导致炸药能量利用率较低，在现有炸药能量有限的情况下，仅靠改变聚能装药结构难以大幅度提高聚能射流的侵彻威力。然而强磁场耦合聚能射流技术突破了传统增加聚能战斗部毁伤能力的方式，利用预先产生的强磁场与聚能射流发生耦合作用，从而改善聚能射流的内部应力和应变状态，增加聚能射流的稳定性，使聚能射流的有效长度增加，由于聚能射流的侵彻能力正相关于其有效长度[2]，因此强磁场的施加可以有效提高聚能射流的侵彻能力。

根据公开文献可知，俄罗斯鲍曼莫斯科国立大学以及美国陆军弹道研究实验室对强磁场耦合聚能射流课题进行了研究，并取得了一定的研究成果。1991年，Littlefield[2]结合线性扰动理论，理论分析了聚能射流经历轴向强磁场作用后的稳定性，结果表明，轴向磁场的存在，抑制了聚能射流扰动的增加，增强了其稳定性，同时还得到材料的磁雷诺数会影响磁场对聚能射流扰动的抑制程度。1998年，Fedorov等[3]通过相关的实验数据展现了磁场对聚能射流的致稳作用，但是其公布的实验数据跳动量较大，且与无磁场作用的实验结果比较，聚能射流的侵彻威力无明显增加。2001年，Fedorov等[4]又通过理论研究推导了聚能射流处于磁场中时，其内部的磁场变化，同时也研究了当聚能射流处于强磁场中时，其内部应力的变化情况。2010年，Fedorov[5]通过理论研究以及数值模拟，分析了不同磁场参数以及不同聚能装药参数相互组合情况下，强磁场对聚能射流稳定性的影响，但这些理论均未得到实验验证。 2015年，马彬等[6]通过数值模拟以及实验研究的方法对强磁场抑制聚能射流颗粒的翻转和偏移进行了相关研究，结果表明磁场对射流颗粒的翻转具有抑制和修正作用。

本文在总结先前对强磁场与聚能射流耦合作用研究的基础上进行了一系列的实验研究，主要通过改变相互作用的时序关系，对比分析所得的实验结果，研究了不同时序控制对强磁场耦合聚能射流作用效果的影响。

1 实验条件

图1为强磁场耦合聚能射流示意图。实验过程中，电容器组作为能量源为强磁体提供电能，通过强磁体的作用，产生耦合过程中所需的纵向强磁场，通过导爆索控制聚能装药和延时开关药柱的起爆时序，使聚能射流在适宜的时间通过强磁体，从而在强磁场的作用下增加其稳定性。

图1 强磁场耦合聚能射流示意图Fig.1 Interaction between magnetic field and jet

1.1 聚能装药

如图2所示，实验过程中所使用的φ56 mm无壳聚能装药，其炸药为JH-2高能炸药，装药密度1.713 g/cm3，其爆速为7 980 m/s.

图2 φ56 mm聚能装药结构及实物图Fig.2 Structure of φ56 mm shaped charge and its physical photo

为了对该聚能装药的性能有进一步认识，通过理论计算以及实验验证的方式，给出了该聚能装药侵彻能力随炸高的变化曲线，如图3所示，图3中D为装药直径。

图3 φ56 mm聚能装药侵彻深度随炸高的变化Fig.3 Depth of penetration of φ56 mm shaped charge at different standoffs

1.2 实验电路结构

实验过程中，所使用的电路为RLC振荡电路，电路结构如图4所示。

图4 电路结构示意图Fig.4 Schematic diagram of experimental circuit

通过所给的电路结构图可知，电容器组给整个系统提供外加电源，当电容器两端的电压达到实验设定值时，通过起爆器起爆聚能装药以及延时开关处的药柱，延时开关闭合，电容器放电，放电电流加载到强磁体处，通过强磁体产生所需要的强磁场，用于耦合聚能射流，放电电流强度通过罗氏线圈测定，所测数据经过信号传输导线输入存储设备。

实验研究中，整个系统的时序控制主要是通过导爆索延时，以及聚能装药与强磁体的相对位置进行调节。通过相关实验，研究时序控制对强磁场耦合聚能射流过程的影响。

1.3 负载

强磁体作为电路系统中的负载，用于产生实验研究过程中所需纵向强磁场。本文实验研究过程中使用了两种结构强磁体(Ⅰ型和Ⅱ型)，图5为两种磁体的结构和实物图。

图5 强磁体结构和实物Fig.5 Structure of high field magnet and its physical photos

实验过程中，对电路中相关电参数进行了测量，测量结果如表1所示。Ⅰ型强磁体是由截面为矩形(2 mm×4 mm)的铜导线绕制，单层匝数为26匝，磁体中心孔直径为40 mm，线圈绕制长度为150 mm. Ⅱ型强磁体是由截面亦为矩形(2.5 mm×6 mm)的铜导线绕制，单层匝数为16匝，磁体中心孔直径为50 mm，线圈绕制长度仍为150 mm. 这两种磁体都是双层并联绕制，由于绕线截面积、绕线匝数以及内径尺寸的变化，导致强磁体的电参数发生相应变化。

表1 测量参数Tab.1 Measured parameters

本文中使用这两种结构的强磁体进行相关的实验研究，通过对比所得实验结果，来分析时序控制对强磁场耦合聚能射流过程的影响。图6所示为使用Ⅱ型强磁体时延时开关、强磁体以及聚能装药的相对位置设置。

图6 耦合系统装配图Fig.6 Assembly drawing of coupling system

1.4 时序控制

本文的实验研究过程中，设定聚能装药的炸高为650 mm，在这个炸高下，聚能射流有足够空间经历成型、拉伸、断裂以及断裂后的偏移。在设定的炸高下，分别进行了静态实验以及强磁场与聚能射流的耦合实验。在耦合作用实验研究中，分别使用了图5所示的两种结构的强磁体，对于每种结构的强磁体耦合聚能装药实验研究中，其他条件保持不变，只改变电路的时序控制，通过分析所得实验结果，研究时序控制对强磁场耦合聚能射流过程的影响。

图7给出了使用两种强磁体时的时序分析图。其中使用Ⅰ型磁体实验过程中，主要通过改变炸高设置以及导爆索控制两方面进行时序的优化；使用Ⅱ型强磁体实验过程中，炸高设置不变，只调改变导爆索控制，对整个系统的时序进行了调节。图7中v为典型聚能射流单元的速度。

图7 强磁场耦合聚能装药时序图Fig.7 Timing sequence diagram of magnetic field coupled with the shaped charge jet

2 放电电流和磁场特性分析

2.1 放电电流特性

根据RLC电路相关理论[7]，首先对不同电路工况下的放电电流进行分析，如图8所示，分别为使用Ⅰ型和Ⅱ型两种磁体时，所得电路中的放电电流随时间的变化曲线。

图8 放电电流随时间的变化 Fig.8 Discharge current vs. time

根据图8中使用Ⅰ型强磁体时所得电流曲线可知，在前400 μs，通过理论计算所得放电电流信号与实验所测信号十分吻合，然而随着时间的推移，理论计算和实验结果之间出现了一定的误差。对于使用Ⅱ型强磁体所得电流曲线可知，理论计算与实验结果在前300 μs几乎一致，300 μs后同样出现了一定的误差。经过分析，出现误差的主要原因为：首先，测量设备的精度较低；其次，由于电流热效应的影响，理论计算中的电阻率不可能完全与实验过程中导体的电阻率相同。通过图8所示，使用两种类型的强磁体时，理论计算所得电流以及实验测得结果在1 000 μs以内误差较小，能够满足本研究所需的精度要求。

2.2 磁感应强度变化

根据电路特性以及强磁体的磁场分布理论，可以通过理论计算获得不同速度的聚能射流单元到达强磁体轴线任意位置时的磁感应强度。如图9和图10所示，为两种实验方案下时序调整前后典型速度的聚能射流单元通过强磁体时所经历的磁感应强度变化曲线。

图9 典型速度的聚能射流单元通过Ⅰ型强磁体时经历的磁感应强度随位置的变化曲线Fig.9 Evolution of magnetic induction intensity of shaped charge jet element with different velocities in the different positions of Ⅰ-type magnets

通过图9中的时序调整可以看到，聚能射流通过Ⅰ型强磁体时的磁感应强度随着时序的优化逐渐趋于合理，时序的调整，使Ⅰ型强磁体内部的强磁场得到了更为合理的利用。从图9中可以看出，速度小于2.0 mm/μs的射流段经历的磁感应强度的变化仍较大且强度较小，但是该段的聚能射流对最终的侵彻贡献相对较小，因此不会对最终的实验结果产生太大影响。

图10为使用Ⅱ型强磁体实验过程中时序调整前、后聚能射流通过该结构的磁体时所经历的磁感应强度变化情况。通过对比发现，时序优化后聚能射流所经历的磁感应强度总体上优于未优化的情况，同时所经历的磁感应强度在一定程度上得到提高，这两方面的改善都有利于强磁场增加聚能射流的稳定性。

图10 典型速度的聚能射流单元通过Ⅱ型强磁体时经历的磁感应强度随位置的变化曲线Fig.10 Evolution of magnetic induction intensity of element with different jet velocities in the different positions of Ⅱ-type magnets

为了更直观地了解任意速度所经历的磁感应强度，通过积分计算得到了任意速度的聚能射流单元通过强磁体时，所经历的磁感应强度的平均值，如图11所示。

图11 任意速度的聚能射流单元通过强磁体时经历的平均磁感应强度Fig.11 Average magnetic induction intensity of the element passing through themagnets at any velocity

根据图11可知，通过时序调整，不同速度的射流单元经历的平均磁感应强度发生了一定程度的变化。对于使用Ⅰ型强磁体的实验中，时序未经过优化时，具有较高侵彻能力的射流段(大于2.0 mm/μs)，其所经历的平均磁感应强度较低，系统中所产生的强磁场未能得到合理利用；经过时序的调整，从图中相应曲线可以看出，从速度约为2.0 mm/μs的射流单元开始，随着速度的增加，所经历的平均磁感应强度也逐渐增加，速度低于2.0 mm/μs的聚能射流单元所经历的平均磁感应强度仍不是十分稳定，但是该射流段基本对聚能射流的侵彻能力无贡献，因此，对最终的侵彻威力将无明显影响。

对于使用Ⅱ型强磁体的实验中，通过时序的调整，可以看到速度范围约为2.0～4.7 mm/μs的聚能射流速度单元所经历的平均磁感应强度得到了改善，这个速度段的聚能射流单元在聚能射流的侵彻过程中将发挥重要作用。Held[8]研究表明，聚能射流断裂后的漂移速度随着其轴向速度的增加逐渐减小，因此与头部相比该速度段的射流单元较容易出现失稳。通过时序的调整，能够将系统所产生的强磁场合理地用于该段对侵彻贡献较大且又较容易出现失稳的速度段，将对聚能射流侵彻能力的增加产生重要的作用。

3 实验结果分析

为了研究时序控制对强磁场耦合聚能射流的影响，进行了相关的实验研究。按图7中的相对位置进行不同时序下的实验设置，实验设置完成后并通过导爆索进行另外的时序控制。表2给出了相关的实验设置以及实验测量结果。同时，图12～图14为实验所得侵彻靶板的剖面图。

图12为不存在外加磁场作用的聚能射流侵彻的靶板，主要为了得到该聚能装药在此炸高下侵彻靶板的特性，并与有磁场作用的聚能射流侵彻威力进行对比分析。通过图12所示的1号和2号两组自然装药下聚能射流侵彻靶板结果分析可知，其侵彻孔径较大，表明聚能射流在成型过程中出现断裂失稳过早，聚能射流未经历充分拉伸。由于受到不对称力以及外界扰动，断裂后的聚能射流颗粒并不是沿射流轴线飞行，而是会发生翻转和偏移[9-11]，这两方面的影响大大减少了聚能射流的有效长度。由于聚能射流的侵彻能力与其有效长度呈正相关，因此，聚能射流的过早断裂以及断裂后的翻转和偏移使其侵彻能力受到一定程度的限制。

表2 实验结果Tab.2 Experimental results

图12 φ56mm聚能装药产生的射流在自然状态下侵彻的靶板Fig.12 Target penetrated by the jet produced by φ56mm shaped charge under the natural condition

图13为在Ⅰ型强磁体所产生的磁场作用下，聚能射流侵彻靶板结果，其中3号靶板为时序未经优化的实验过程中所得侵彻结果，4号和5号为优化时序后的实验过程中所得的靶板侵彻结果。时序未优化情况下，通过对典型速度的聚能射流单元通过强磁体时所经历的磁场变化以及任意速度的射流单元通过强磁体时所经历的平均磁感应强度的分析，系统的时序控制未能使系统产生的强磁场得到合理利用。因此，由3号靶板的剖分结果可知，聚能射流的侵彻能力没有得到明显的改善，侵彻孔径仍相对较大，近似自然情况下的侵彻结果。为了研究时序控制对该耦合过程的影响，对系统的时序控制进行了优化，通过分析聚能射流单元所经历的磁感应强度变化，以及任意速度的射流单元所经历的平均磁感应强度可知，系统所产生的强磁场较时序未优化前的情况得到了很大的改善。4号和5号侵彻实验结果表明，聚能射流侵彻通道的孔径趋于细长且侵彻深度得到了很大提高，侵彻能力从时序未优化前增加1.7%提高到32.8%. 通过使用Ⅰ型强磁体的实验结果表明，时序的优化使系统强磁场更有效的与聚能射流发生耦合，从而延缓了聚能射流的断裂失稳，增加了其有效长度，最终提高了其侵彻性能。为了进一步验证所得结论，使用Ⅱ型强磁体进行了进一步的实验验证。

图13 Ⅰ 型强磁体产生的磁场作用下聚能射流侵彻的靶板Fig.13 Target penetrated by the jet affected by the magnetic field produced by Ⅰ-type magnet

图14 Ⅱ 型强磁体产生的磁场作用下聚能射流侵彻的靶板Fig.14 Target penetrated by the jet affected by the magnetic field produced by Ⅱ-type magnet

如图14所示，为使用Ⅱ型强磁体的实验中所得侵彻靶板结果，其中6号和7号靶板为未经时序优化所得的聚能射流侵彻靶板的剖分结果。为了分析时序对强磁场耦合聚能射流过程的影响，经过时序优化，得到了8号和9号侵彻靶板的剖分结果。图10和图11为该种实验方案下，时序未优化和优化两种情况下聚能射流单元所经历的磁感应强度以及平均磁感应强度的变化曲线。计算结果表明，时序的优化，使系统产生的强磁场合理作用在聚能射流具有较高侵彻能力且容易发生失稳的速度段(2.0～4.7 mm/μs)。因此，在强磁场作用下，聚能射流的惯性拉伸阶段得到增加，能够使聚能射流变得更加细长，从而提高其侵彻能力。实验结果表明，时序的优化，使聚能射流由未优化前的侵彻能力提高1.6%增加到69.4%.

通过使用Ⅰ型和Ⅱ型强磁体的实验研究结果表明，时序优化后得到的射流侵彻靶板，其侵彻通道变得更加细长，侵彻深度有了大幅度的提高。通过分析，说明时序的优化，使系统产生的强磁场得到了更为充分的利用，从而延缓了聚能射流的断裂失稳。同时，孔径变得更加细长表明，外加强磁场的作用使聚能射流的同轴性得到改善。

通过上述实验研究结果表明，外加强磁场改善了聚能射流的断裂失稳以及聚能射流颗粒的同轴性，提高了聚能射流的稳定性，增加了最终的侵彻能力。

4 结论

本文使用Ⅰ型和Ⅱ型强磁体进行了不同时序控制情况下的相关实验研究，分析了不同时序控制下不同速度的聚能射流单元通过强磁场时所经历的磁感应强度，以及任意速度的射流单元通过强磁体时所经历的平均磁感应强度。通过对比本文的实验研究结果，可以得到如下结论：

1) 时序控制是强磁场耦合聚能射流过程的重要影响因素之一；

2) 聚能射流通过强磁体时所经历的磁感应强度受耦合过程时序的重要影响，只有合理设计耦合过程的时序才能使系统产生的强磁场得到合理利用；

3) 合理的时序设置下，强磁场能够有效增加聚能射流的稳定性，从而提高聚能射流的侵彻能力；

4) 对于Ⅰ型磁体，通过时序调整，φ56 mm聚能装药形成的射流侵彻能力由初始增加1.7%提高到增加32.8%；Ⅱ型磁体，由初始增加1.6%提高到增加69.4%.

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Effect of Time-sequence Control on Coupling of Strong Magnetic Field and Shaped Charge Jet

MA Bin, HUANG Zheng-xiang, ZU Xu-dong, XIAO Qiang-qiang, JIA Xin

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,Jiangsu, China

Effect of time-sequence control on the coupling of strong magnetic field and shaped charge jet is analyzed based on the relevant depth of penetration (DOP) tests. Two kinds of magnets with different structures (Ⅰ-type andⅡ-type) are used in the experiments. The depth of penetration and the crater form, which is penetrated by the jet impacted by the magnetic field in different time-sequence, are measured and analyzed. Meanwhile, the effect of magnetic field under different time-sequence control on the stability of shaped charge jet is researched. The research results show that time-sequence control is one of the important influence factors. The major penetration ability of jet focuses on its front and middle parts. Its penetration ability is increased effectively if those parts are coupled with the magnetic field by improving the time-sequence control of the system. The penetration ability of jet produced byφ56 mm shaped charge is increased from 1.7% to 32.8% under the effect of magnetic field generated by Ⅰ-type magnets, and the penetration ability is improved from 1.6% to 69.4% for Ⅱ-type magnets.

ordnance science and technology; shaped charge jet; magnetic field; time-sequence control; stability

2016-03-23

国家自然科学基金项目(11272157);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20123219120052)

马彬(1988—)，男，博士研究生。E-mail: dashu.000@163.com； 黄正祥(1967—)，男，教授，博士生导师。E-mail: huangyu@mail.njust.edu.cn.

TJ413+.2

A

1000-1093(2016)12-2177-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.001