杜 燁，李 強(qiáng)

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.中國(guó)人民解放軍96786部隊(duì)，北京 102202)

引 言

射流是打擊裝甲及固定硬目標(biāo)的有效武器，隨著目標(biāo)防護(hù)的發(fā)展，對(duì)射流的毀傷能力提出了更高的要求[1-2]，而目前傳統(tǒng)的藥型罩多采用常規(guī)材料及傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，對(duì)目標(biāo)的毀傷效能已基本達(dá)到極限，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-5]提出了含能藥型罩這一新型毀傷元概念，即在藥型罩中加入活性材料，當(dāng)其受到強(qiáng)沖擊作用時(shí)快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[6-12]，產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆炸、燃燒及超壓效應(yīng)并釋放出大量能量，對(duì)目標(biāo)的毀傷效果比常規(guī)材料戰(zhàn)斗部有大幅度提高。

然而，由于受限于測(cè)試技術(shù)及方法，含能射流毀傷目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的能量難以捕捉測(cè)量，同時(shí)射流毀傷目標(biāo)后通常四散碎裂，給射流剩余物質(zhì)的收集工作帶來了困難，因此目前國(guó)內(nèi)在含能射流對(duì)目標(biāo)毀傷效應(yīng)方面的研究多停留在對(duì)宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察的階段，較少對(duì)射流沖擊靶板釋放的能量進(jìn)行采集測(cè)量。鑒于上述情況，本研究設(shè)計(jì)了一套含能射流能量采集系統(tǒng)，對(duì)Fe/Al含能射流沖擊靶板所形成的超壓進(jìn)行定量采集測(cè)試，并提出超壓差值計(jì)算法，得到超壓信號(hào)與能量釋放值之間的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出Fe/Al含能射流沖擊靶板所釋放的能量值。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 能量采集系統(tǒng)組成

能量采集系統(tǒng)由Φ40(mm)Fe/Al復(fù)合聚能裝藥戰(zhàn)斗部、Φ380(mm)鋼制測(cè)試容器(體積21L)、超壓測(cè)試系統(tǒng)(BZ2202多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、TST3125動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀、壓力傳感器(量程5V、采樣率為20kHZ、采樣長(zhǎng)度為58kms、延時(shí)-2kμs、控制電壓為0.15V)、導(dǎo)線、前置及后置密封板、不同厚度Q235鋼隔板、鋼防護(hù)板、高速攝影儀、支架。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

1.2 測(cè)試原理

將防護(hù)板置于測(cè)試容器與藥型罩中間，用于阻隔爆轟產(chǎn)物，盡量減小對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響。為保證射流順利進(jìn)入測(cè)試容器，在防護(hù)板與前置密封板中央開Φ80mm的孔(泄壓孔)，通過激光標(biāo)定藥型罩的軸心線，調(diào)節(jié)防護(hù)板與前置密封板高度使之與藥型罩軸心位于同一高度。藥型罩置于支架上，由炸藥驅(qū)動(dòng)后形成射流，射流穿過預(yù)開孔的防護(hù)板，撞擊到鋼隔板上發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，釋放大量熱量，使容器內(nèi)空氣膨脹形成超壓，由測(cè)試容器前端的傳感器記錄射流內(nèi)含能材料釋放能量形成的電壓—時(shí)間信號(hào)，對(duì)原始信號(hào)濾波平滑后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算處理，得到釋能超壓—時(shí)間曲線。

1.3 測(cè)試方案

采用相同的球缺型藥型罩結(jié)構(gòu)，藥型罩直徑40mm，裝藥采用聚奧-8，密度為1787kg/m3，爆速為8390m/s，鋼隔板厚度統(tǒng)一取4mm，鋁粉粒徑為3.8×104nm，鐵粉粒徑為3.1×104nm。對(duì)7種不同F(xiàn)e/Al質(zhì)量比(分別為2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2)的含能射流以及作為對(duì)照用的純鋁、銅、鐵射流進(jìn)行沖擊靶板測(cè)試，每種配比材料進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值。采用高速攝影對(duì)宏觀釋能現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)形成的超壓—時(shí)間曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用XRD(X射線衍射)分析法對(duì)密閉容器中回收的粉末成分進(jìn)行細(xì)觀測(cè)試。

2 超壓差值計(jì)算法原理

由于受限于實(shí)驗(yàn)條件，無法直接測(cè)定含能射流毀傷目標(biāo)時(shí)釋放的能量值，因此需要建立測(cè)試得到的超壓信號(hào)與能量釋放值之間的關(guān)系。首先將超壓信號(hào)分為上升和泄壓兩個(gè)階段，上升階段等效為密閉容器環(huán)境，引用Richard.A.G[13]提出的密閉容器超壓值與能量值之間的關(guān)系計(jì)算出超壓上升階段所釋放的最大能量；根據(jù)無約束泄壓原理得到理論自由泄壓曲線，然后用實(shí)測(cè)泄壓曲線與理論泄壓曲線做對(duì)比，前者超出后者的這一部分即可用來表征在泄壓過程中含能材料能量釋放量沖量，進(jìn)而計(jì)算出泄壓過程的釋能值。

含能射流高速碰撞靶標(biāo)時(shí)產(chǎn)生了超壓—時(shí)間曲線的上升段，此時(shí)射流的沖擊釋能量ΔQ即為測(cè)試容器內(nèi)增加的內(nèi)能。設(shè)容器內(nèi)為理想氣體，則容器內(nèi)能量變化可表示為：

(1)

式中：dQ/dt與dW/dt分別為測(cè)試容器內(nèi)能量和功的變化率；u為氣體流動(dòng)速度；e為單位質(zhì)量氣體內(nèi)能；S為測(cè)試容器內(nèi)表面積。

假設(shè)射流穿靶后泄壓口氣體流動(dòng)性能恒定，則式(1)右側(cè)第二項(xiàng)可轉(zhuǎn)換為：

(2)

式中：dm/dt為泄壓孔氣體質(zhì)量流失速率，下標(biāo)1，2分別表示泄壓孔上游和下游的狀態(tài)。

在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析可知，密閉容器不同位置得到的超壓規(guī)律基本相似，因此式(1)右側(cè)的第一項(xiàng)可簡(jiǎn)化為：

(3)

如果視容器壁為剛體，忽略密閉容器系統(tǒng)作功，則dW/dt=0，并結(jié)合式(2)、(3)，則式(1)可轉(zhuǎn)換為：

(4)

根據(jù)焓的定義和理想狀態(tài)方程，溫度可表示為：

(5)

引入比內(nèi)能參量，并將沖擊釋能過程視為等容過程，結(jié)合式(5)則式(4)第一項(xiàng)可轉(zhuǎn)換為：

(6)

根據(jù)伯努利方程和焓的定義，將cv=R/(γ-1)代入式(6)可得：

(7)

式(7)適用于超壓產(chǎn)生的整個(gè)過程，但由于Richard.A.G認(rèn)為容器內(nèi)超壓上升階段耗時(shí)很短，通常僅有幾毫秒，且p-t關(guān)系基本呈線性，因此在超壓曲線的上升部分可忽略泄壓孔的存在，視容器為密閉的，容器內(nèi)氣體質(zhì)量恒定，則在該過程式(7)可簡(jiǎn)化為：

(8)

式(8)即為壓力曲線上升階段容器內(nèi)超壓峰值與射流釋能增值的關(guān)系，式中：γ為絕熱指數(shù)，V為容器內(nèi)容積，當(dāng)p取超壓峰值時(shí)，Q1即為超壓上升階段所釋放的最大能量。

由于密閉容器前端留有泄壓孔，容器內(nèi)超壓膨脹狀態(tài)的氣體通過泄壓孔逐漸排入容器外，形成了超壓—時(shí)間曲線的泄壓段。

如果忽略黏性和容器壁摩擦熱傳導(dǎo)，泄壓氣體的流動(dòng)可以看作一維定常等熵流動(dòng)，構(gòu)建無約束泄壓容器，容器內(nèi)部無加熱或散熱流動(dòng)，且氣體為理想氣體，示意圖如圖2所示，泄壓口上游狀態(tài)下標(biāo)為1，下游狀態(tài)下標(biāo)為2。則由伯努利方程得：

(9)

(10)

對(duì)于容器內(nèi)亞音速流動(dòng)的氣體，泄壓上游氣體流動(dòng)速度v1比下游氣體流動(dòng)速度v2小得多，因此忽略式(10)中的v1項(xiàng)。

單位時(shí)間以速度v2通過泄壓孔面積為A的氣體量：

(11)

將式(10)代入式(11)，可得：

(12)

當(dāng)上游壓力等于或大于臨界壓力時(shí)v2=C，式(12)可寫為：

(13)

(14)

式(14)反映的即是容器內(nèi)在達(dá)到超壓峰值后通過泄壓孔的自由泄壓過程，然而在實(shí)驗(yàn)中射流未發(fā)生反應(yīng)的含能材料會(huì)繼續(xù)通過釋能形成超壓，這樣會(huì)減緩泄壓曲線下降的速度，因此實(shí)際測(cè)到的泄壓曲線必定在理論自由泄壓曲線之上，超出的部分即可用來表征待測(cè)目標(biāo)在泄壓過程中的能量釋放量，這里定義該方法為“超壓差值計(jì)算法”，示意圖如圖3所示，泄壓段紅色曲線為實(shí)測(cè)值，黑色曲線為計(jì)算值，p實(shí)測(cè)—p理論為最大超壓差值，陰影部分面積為泄壓釋能沖量。

通過聯(lián)立式(7)和式(14)，分別將最大超壓差值對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)壓力和理論壓力代入，通過數(shù)值計(jì)算法對(duì)上述微分方程求解即可得到泄壓階段的額外釋能值Q2。將超壓上升階段產(chǎn)生的能量Q1與泄壓階段能量釋放量Q2相加即可得到含能射流在侵徹過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的總釋能Q。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同F(xiàn)e/Al配比對(duì)射流釋放能量的影響

圖4為不同配比(質(zhì)量比)藥型罩形成射流撞擊4mm鋼隔板時(shí)測(cè)試得到的超壓—時(shí)間曲線、表1為根據(jù)圖4測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的瞬態(tài)釋能、泄壓釋能和總釋能。

表1 不同配比方案沖擊釋能值對(duì)比Table 1 Comparison of the impact energy release with different proportioning schemes

由圖4可以看出，雖然Al2O3的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓在鐵鋁系的反應(yīng)生成物中最高，但純鋁射流總釋能僅有30kJ。這是因?yàn)閱钨|(zhì)鋁在高溫熔融狀態(tài)下極易團(tuán)聚[14]，在發(fā)生氧化反應(yīng)后表面迅速包覆一層氧化鋁膜，阻隔了內(nèi)部的鋁繼續(xù)和氧氣發(fā)生反應(yīng)。隨著在純鋁中加入的鐵含量增多，F(xiàn)e/Al含能射流的釋能量得到大幅提升，F(xiàn)e/Al質(zhì)量比為4∶6的射流在密閉容器中產(chǎn)生的超壓峰值、泄壓釋能與總釋能均最高，總釋能可達(dá)83.1kJ，釋能效果最好。說明制備藥型罩時(shí)在鋁粉中添加適量的鐵粉可使鋁氧化釋能效率大幅提高。而當(dāng)鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到或超過50%后，F(xiàn)e/Al射流的釋能效果急劇下降，甚至低于純鋁射流，說明當(dāng)Fe/Al復(fù)合材料中的鐵含量超過一定比例會(huì)阻礙鋁鐵復(fù)合材料的釋能效率，當(dāng)材料為純鐵時(shí)，容器內(nèi)超壓降為最低值。

另外，觀察鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～40%的射流形成的超壓—時(shí)間曲線可以發(fā)現(xiàn)，在超壓峰值之后都存在一個(gè)超壓平臺(tái)，說明該配比下的Fe/Al含能射流在泄壓階段仍然持續(xù)發(fā)生了一段時(shí)間的釋能反應(yīng)，因此總釋能量遠(yuǎn)比其他配比高。

3.2 釋能現(xiàn)象分析

由于鐵含量過高或過低時(shí)的釋能效果區(qū)別不大，因此在對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和回收粉末成分時(shí)選取鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、40%和50%的Fe/Al射流進(jìn)行研究。圖5為3種配比Fe/Al射流侵徹4mm鋼隔板在達(dá)到超壓峰值時(shí)的釋能現(xiàn)象。

由圖5可以看出， Fe/Al質(zhì)量比為4∶6時(shí)觀察窗看到的亮度最高，且從泄壓孔噴出的火花最多，表明射流在撞靶后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)最劇烈，對(duì)容器內(nèi)形成的超壓最大。而Fe/Al質(zhì)量比為5∶5時(shí)射流從火光亮度上均明顯低于前者。

3.3 回收粉末微觀組織分析

取Fe/Al質(zhì)量比分別為3∶7、4∶6、5∶5進(jìn)行回收粉末的形貌、成分、組織結(jié)構(gòu)微觀分析對(duì)比，結(jié)果見圖6，圖7為純Al射流撞擊4mm鋼板回收粉末的XRD圖。

由圖6可以看出，F(xiàn)e/Al質(zhì)量比為4∶6和3∶7時(shí)回收的粉末成分及含量大致相同，以Al2O3、Fe3O4為主，有少量的Fe2O3以及鋁和鐵的單質(zhì)，沒有檢測(cè)出鋁鐵的金屬間化合物，說明這兩種配比的射流在撞靶過程中發(fā)生了大量放熱量高的鋁、鐵的氧化反應(yīng)及鋁熱反應(yīng)，沒有發(fā)生放熱量低的鋁鐵化合反應(yīng)，因而釋能效率高。而Fe/Al質(zhì)量比為5∶5時(shí)回收的粉末中包含了大量的Fe2Al5、FeAl3及FeAl等金屬間化合物，僅有少量的金屬單質(zhì)及金屬氧化物，說明大量的鋁優(yōu)先與鐵單質(zhì)結(jié)合并形成生成焓低的金屬間化合物，只有極少的鋁參與了氧化反應(yīng)，從細(xì)觀角度驗(yàn)證了所得的過量鐵會(huì)阻礙鋁氧化釋能反應(yīng)的結(jié)論。

由圖7可知，Al射流撞擊4mm鋼板后回收的粉末中大部分是未參與氧化反應(yīng)的鋁單質(zhì)，僅有少部分的氧化鋁，說明鋁射流在高沖擊能量條件下的氧化反應(yīng)率不高，微觀分析得到的結(jié)果與圖5宏觀測(cè)試結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)相同沖擊條件下，F(xiàn)e/Al質(zhì)量比為4∶6的射流在密閉容器中產(chǎn)生的超壓峰值(64.9kJ)、泄壓釋能(18.2kJ)和總釋能(83.1kJ)均最高，釋能效果最好。

(2)在純鋁中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～40%的鐵顆粒的射流所釋放能量達(dá)到21.64kJ/g，是純鋁射流的2倍，使鋁氧化釋能效率大幅提高，當(dāng)鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%會(huì)對(duì)射流釋能效率起到阻礙作用。

(3)Fe/Al含能射流釋能原理是：當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%時(shí)，F(xiàn)e/Al射流在受沖擊加載后可以最大限度促成鋁與鐵的氧化反應(yīng)以及鋁熱反應(yīng)，同時(shí)抑制放熱量低的鋁鐵金屬間化合反應(yīng)發(fā)生。