头部含能杆入水穿靶释能特性

邵志宇，董超超，伍思宇，曹苗苗，杨笑天

(1.北京理工大学 机电学院，北京 100081；2.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

本文的头部含能杆是指将活性材料连接到动能杆实验件头部。活性材料，又称含能反应材料[1]，是一种异于炸药、推进剂、烟火剂等传统含能材料的新型高效毁伤材料[2]，不仅具有高密度和高强度的特点[3]，而且还具有二次释能的优势[4]。文献[5-7]指出在强冲击载荷下，头部活性材料被激活发生类爆轰反应释放大量反应热。同时活性材料也是高效毁伤领域的热点研究方向之一[8]，其冲击释能特性受到广泛的关注和研究。

美国海军水面作战中心通过泰勒杆撞击实验发现，当杆体速度达到某一特定值时，活性材料会发生反应，并且撞击速度越大，首次激活反应时间越短[9]。Wang等[10]实验研究发现，活性材料的撞击速度是活性材料激活反应过程和能量释放特性的主要影响因素。门建兵等[11]开展爆炸包覆性活性爆炸成型弹丸(EFP)战斗部作用于目标靶的实验，发现活性动能杆撞靶时发生化学反应释能，毁伤效果比惰性侵彻体大幅提高。董良龙[12]开展的含能弹丸中低速撞水实验发现，含能弹丸在464 m/s速度以下没有引起材料反应。杨宇[13]研究对细长杆头型航行体高速入水载荷特性研究发现，入水初始速度越高，首次冲击峰值载荷和最大冲击峰值载荷也越大。Du等[14]研究了爆炸载荷下活性材料套管的能量释放特性，结果表明与传统的2A12铝合金外壳相比，所有活性材料外壳中的火球温度和空气冲击波均有所增加。胡榕等[15]研究了Al粒径对富铝聚四氟乙烯基活性材料(PTFE/Al)在中高应变率下的冲击反应行为的影响，表明Al粒径和加载应变率对活性材料的冲击反应扩散、反应速率、反应程度有较大影响。张金忠等[16]研究不同初始条件下活性材料弹丸与靶匹配的研究，研究结果对活性材料弹丸如何有效应用于制式弹丸，提高动能弹丸威力具有推动作用。刘国政等[17]基于25 mm口径弹道炮发射平台进行活性复合动能杆对混凝土靶侵爆效应研究，结果表明侵爆效应对混凝土内部结构造成预损伤，降低靶体强度，提高了随进的钨合金杆侵彻效率明显提高。张哲等[18]进行了入水冲击压力测试实验，测得不同入水速度下的入水冲击压力，并结合数值计算的结果对实验数据进行了对比验证。

相比普通射弹侵彻鱼雷等水下目标，含能高速射弹攻击鱼雷等水中目标的增强毁伤效果有待进行相关实验研究。本文对某活性材料进行入水冲击实验，并应用头部含能杆实验件对水中模拟目标进行了入水穿靶实验，验证了含能杆侵彻水中目标后可增强其毁伤性能，为发展水中高毁伤性兵器提供了研究思路。

1 实验设计

本文的入水冲击实验在两种实验系统上完成，分别为竖直入水冲击实验系统和水平入水冲击实验系统。应用这两种实验系统进行入水冲击实验的原理图分别如图1和图2所示。

实验时通过火药式速度加载装置将实验件加速后以一定速度发射出去，撞击水面并进入水中。实验件的入水速度通过改变发射药量进行控制。通过高速摄影机对入水过程和作用过程进行摄像。

1.1 活性材料实验件

表1为聚四氟乙烯基活性材料相关参数，包括PTFE/Al和PTFE/Al/W(添加一定量的钨粉)。采用14.5 mm制式药筒发射，为使活性材料与药筒口径适配，活性材料加尼龙弹托。图3为活性材料、弹托和药筒图片。

表1 活性材料相关参数

表2为头部含能杆实验件相关参数。实验所用动能杆材料为45号钢，活性材料分别为PTFE/Al和PTFE/Al/W。采用40 mm口径发射管加载驱动动能杆运动，为使动能杆与发射管口径适配，在动能杆后面加尼龙弹托。图4为动能杆实验件和尼龙弹托图片。图5为头部含能杆实验件图片。

1.2 水中实验靶箱

分别为竖直冲击实验系统和水平冲击实验系统设计了水中实验靶箱，如图6和图7所示。竖直入水冲击实验靶箱尺寸为240 mm×220 mm×200 mm，顶部为厚5 mm的7075铝合金板，底板为厚度16 mm钢板，侧面透明部分为4块厚度10 mm的PC耐力板；水平入水冲击实验靶箱圆柱部分采用6061铝合金材料，其外径210 mm、内径200 mm、长度200 mm，箱体两端面为厚度5 mm的PC耐力板。各靶箱均用密封胶进行水密封以防止渗漏。

1.3 实验现场布置情况

图8所示为竖直入水冲击实验现场布置情况。水池高度4.1 m，内切圆直径4 m，侧面有高速摄影拍摄窗。速度加载装置中发射管口径为40 mm。

图9所示为水平入水冲击实验现场布置情况。实验中应用了两种发射管口径，分别为40 mm和14.5 mm。水箱的实验件入水处用厚度约0.1 mm的塑料薄膜进行封堵，其对实验件入水冲击几乎不产生影响。

2 实验结果与分析

2.1 活性材料入水实验

为探究活性材料入水时是否会发生释能反应现象，采用水平入水冲击实验系统对活性材料进行入水冲击实验，通过高速摄影机观察其入水过程。活性材料相关实验数据如表3所示，入水实验时的高速摄影图片如图10所示。

表3 活性材料入水实验数据

图10(b)和图10(c)中红色圆圈标记处为活性材料。图10(e)和图10(f)中活性材料入水后产生空泡并激起水花，并没有观察到释能反应现象。通过对高速摄影图像进行分析后发现，采用上述活性材料样本在空气介质下2倍音速范围内进行入水冲击不会产生明显的释能反应现象。

2.2 头部含能杆入水穿靶实验

为研究头部含能杆入水和穿靶后的释能情况，采用火药式速度加载装置驱动头部含能杆进行入水冲击实验。应用竖直和水平入水冲击实验系统共进行了4组入水冲击实验，具体实验情况如表4所示。

表4 头部含能杆入水实验数据

表4的第1组和第2组实验在竖直入水冲击实验系统上完成，入水速度为接近音速的亚音速。图11和图12分别为应用彩色和黑白高速摄影机拍摄的作用过程图片。

从图11中可以看出，含能杆入水时在动能杆周围出现了明显的空泡，含能杆包裹在空泡内运动。空泡尺度随入水速度的变化产生明显变化。在含能杆入水时均未观测到释能反应现象。

从图12中可以看出：含能杆穿透靶箱上盖板后进入靶箱内部，部分活性材料破碎飞散，碎片撞到靶箱内部壁面和底部发生一定程度反应；另一部分活性材料随含能杆高速撞击靶箱底部钢板，活性材料发生剧烈释能反应，产生高温高压的气体产物，造成实验靶箱迅速解体。图13为靶箱上盖板破坏情况以及回收的动能杆实验件情况。

竖直入水冲击实验后靶箱上盖板、侧面的4块PC耐力板以及靶箱底板均产生了较严重的破损，活性材料在其内部反应释能，产生瞬间高温高压，并伴随强烈火光，打捞出的实验箱体内壁残留烧灼痕迹，而不含能动能杆入水穿靶将不会产生活性材料的释能反应现象，没有强烈火光，实验箱体内壁不会被烧灼，表明含能杆对水中模拟目标具有较明显的增强毁伤效果。

表4所示的第3组实验在水平入水冲击实验系统上完成，此时含能杆入水速度较高，接近在空气介质下的2倍音速。头部含能杆水平入水穿靶实验时的高速摄影图片如图14所示，被头部含能杆穿透后的回收靶箱图片如图15所示。图15中箱体内壁出现烧灼痕迹，被水浸泡后有些部位烧灼痕迹不明显。

从高速摄影图像可见：当头部含能杆水平入水撞到水中实验靶箱时活性材料发生部分释能反应；当头部含能杆撞穿靶箱圆柱体一侧再次撞到靶箱内壁，活性材料发生剧烈释能反应，产生强光，火光持续2 ms左右；高速动能杆继续运动并从圆柱体另一侧穿出(见图15)。含能杆与靶箱之间的相互作用造成靶箱两端的PC耐力板与圆柱体分离，活性材料在其内部反应释能，产生瞬间高温高压，并伴随强烈火光，而不含能动能杆入水穿靶后无活性材料在实验靶箱内部反应释能，无强烈火光，也不会对内壁产生烧蚀，因此含能杆入水穿靶产生较明显的毁伤增强效果。

在前述3组实验中，均未观察到活性材料在入水时发生反应的情况。随着穿靶速度不同，活性材料反应程度不同。第1组和第2组实验的穿靶速度比第3组实验的穿靶速度低，其活性材料反应产生的火光持续时间较短，原因可能是低速下部分飞溅出去的活性材料未激发反应。

为观测发生反应的活性材料冲击入水后的发展变化情况，设计并实施了表4所示的第4组水平入水冲击实验。该实验中头部含能杆以在空气介质下约2倍音速从水平发射管飞出，含能杆在入水前其头部的活性材料与入水口的铝壁发生部分碰撞，使活性材料发生部分释能反应，随后含能杆继续冲击入水。这一过程的高速摄影图片如图16所示。

由图16可见：头部含能杆撞到水箱铝壁后，发生明显的释能反应，如图16(c)所示；在其继续侵水过程中，反应现象迅速消失，表明入水过程阻止了活性材料释能反应的持续进行。

3 释能特性分析

3.1 活性材料入水数值模拟分析

由前述实验看，单独活性材料以及含能杆冲击入水时，均未发生可观测的释能反应现象。为探究其原因，对活性材料的冲击入水进行数值分析。

采用非线性有限元软件Autodyn-2D对入水过程进行数值模拟分析。建立500 mm×500 mm的流体区域，采用多物质欧拉求解器。活性材料模型划分为拉格朗日网格，在其模型前部建立压力测量点1，以其受到的冲击压力作为是否发生反应释能的判据。活性材料及其他材料参数设置取自AUTODYN标准材料库和文献[19-20]。图17为活性材料入水模型，图18和图19分别为活性材料入水模拟图及压力云图。

图20为活性材料入水速度300 m/s时，测量点1的压力随时间变化的曲线图，其最大压力约为830 MPa。根据分析可知，峰值压力发生于撞水瞬间，持续时间非常短(微秒级别)，随后压力迅速下降。

根据仿真计算，可得到图21所示活性材料入水冲击压力峰值随入水速度增加而增加的趋势图。

由图21数据，根据最小二乘法拟合曲线法，得到关于活性材料入水冲击压力峰值与入水速度的关系公式

p=3.46×v-213.39

(1)

式中：p为活性材料入水冲击压力峰值(MPa)；v为活性材料入水速度(m/s)。

实验中所用活性材料临界反应压力阈值约为3.6 GPa[19]。当活性材料以表3所示的660 m/s速度入水时，其头部所受最大冲击压力峰值根据拟合公式(1)式计算约为2.1 GPa，远低于临界反应压力阈值，因此活性材料入水时不能发生释能反应，与实验观测相符。

根据拟合公式(1)式，当活性材料入水速度达到1 100 m/s时，其受到的冲击压力峰值将达到临界反应压力阈值，活性材料入水瞬间可能产生释能反应。

对于头部含能杆冲击入水，由于入水瞬间活性材料受到的冲击力主要由入水速度决定，上述分析结果同样适用。

3.2 入水过程活性材料释能反应不能持续分析

表4中的第4组实验表明，入水前发生释能反应的活性材料在入水后其反应现象迅速消失，现根据图22所示的头部含能杆侵水过程示意图简要分析如下。

头部含能杆侵水过程中，只有活性材料头部表面与水接触，其他部分被包裹在低压空泡中，在该实验中空泡内压力远低于标准大气压下的饱和蒸汽压力。由于入水时已发生反应的活性材料在侵水过程中压力持续降低，同时其反应产生的热量迅速通过其与空泡及头部水介质之间的传导散失掉，致使其反应不能持续进行。

根据3.1节分析，头部含能杆在入水速度超过1 100 m/s时，活性材料在入水瞬间可能发生释能反应。现简要分析其后续入水过程中反应是否能够持续进行。对于发射入水的动能杆，其入水速度一般不超过在空气介质下的5倍音速。假设头部含能杆的入水速度为1 400 m/s，根据图17所示模型，测量点1的压力随时间变化的曲线图如图23所示。

由图23可见：入水瞬间冲击压力峰值超过活性材料反应阈值，头部触水部分的某些活性材料将产生释能反应；约4.4 μs后，压力降低到反应阈值之下，此后产生释能反应的活性材料的量不再增加；而根据图16所示的试验结果可知，在头部含能杆继续冲击入水过程中，那些已产生释能反应的活性材料并不会持续发生释能反应，也不会使未发生反应的活性材料发生释能反应。此外，空泡对释能反应的影响效果相当于产生散热作用，活性材料冲击受压时内部产生并聚集的热量通过空泡水蒸汽向周围水介质中迅速散失，对释能反应的持续进行起到相反作用或抑制作用。因此，当已发生释能反应的活性材料停止释能后，动能杆头部活性材料的释能反应将停止，释能反应不能持续。

根据上述分析推测，即使活性材料高速入水时因其与水面间的高速碰撞而发生释能反应，在后续侵水过程中释能反应也将难以持续。按照这一推论，当将动能杆与活性材料进行复合以应用于攻击水中目标时，在活性材料满足强度要求或采取防入水冲击措施的前提下，将活性材料复合于动能杆端部的设计时可行的。这一推论有待于通过进一步的理论分析及实验进行验证。

4 结论

本文通过火药式速度加载装置分别加载活性材料和头部含能杆入水，对其入水冲击和穿靶释能性能进行实验研究。得出主要结论如下：

1)单独的小质量活性材料以及头部含能杆在空气介质下的2倍音速范围内冲击入水时，其受到的冲击压力小于临界反应压力阈值，在侵水过程中活性材料均不产生可观测的释能反应现象。

2)在避免入水时活性材料碎裂的条件下，头部含能杆的高速入水冲击及侵水过程几乎不会对活性材料的目标毁伤效果产生影响，将活性材料复合于动能杆头部的设计是可行的。

3)将活性材料复合于动能杆入水端头部以形成攻击水中目标的射弹类兵器并利用活性材料的增强毁伤效果对水中目标进行高效毁伤的设想是合理可行的。

上述结论是基于对实验结果的初步分析得出的，而对于合理的含能杆射弹设计、入水冲击、含能杆撞水激发释能及演化机理等问题的解决还有待于更深入的实验和理论研究。