暢 博，李繼東，敬怡東，呂永柱，張立建，栗保華

(1.西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065；2.火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第五軍事代表室， 西安 710065)

聚能裝藥結(jié)構(gòu)能夠顯著提高炸藥能量轉(zhuǎn)化效率，起爆后爆轟能量將藥型罩壓垮，最終在軸線方向匯聚形成能量密度極高的金屬射流，自二戰(zhàn)以后炸藥的聚能效應(yīng)，特別是在反裝甲目標(biāo)等軍事應(yīng)用場景中取得了驚人的發(fā)展[1]。隨著裝甲車輛、坦克及建筑物等目標(biāo)的防護(hù)能力日趨提高，對聚能射流的侵徹能力也提出了新的要求，因此近年來各國研究人員從藥型罩材料選取與分配、聚能裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面開展了提高聚能裝藥射流侵徹能力的研究工作[2-5]。

俄國科學(xué)家V.F.Minin等首次提出并定義了超聚能射流現(xiàn)象。與經(jīng)典射流相比，超聚能射流具有更高的頭部速度以及更大的射流質(zhì)量占比，因此具有更高的炸藥能量利用率和更高的射流能量[6]。王淦龍[7]結(jié)合數(shù)值仿真方法分析了截頂輔助藥型罩結(jié)構(gòu)長徑比、藥型罩錐角、輔助藥型罩厚度對超聚能射流形成的影響規(guī)律。李慶鑫等就經(jīng)典“蘑菇形”超聚能裝藥結(jié)構(gòu)開展了仿真研究，分析了部分裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對超聚能射流成型的影響[8]。石軍磊等研究了超聚能射流形成過程中輔助藥型罩材料對射流性能的影響，輔助藥罩材料密度越大，超聚能射流具有更高的頭部速度和能量[9]。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者在改進(jìn)超聚能藥型罩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，積極開展了超聚能射流成型以及侵徹過程等相關(guān)領(lǐng)域研究，就輔助藥型罩對超聚能射流成型開展了一定研究，但輔助藥型罩材料對超聚能射流的侵徹威力影響的相關(guān)研究報(bào)道較少。本研究以經(jīng)典的截頂型超聚能射流藥型罩為研究對象，通過調(diào)整輔助藥型罩的材料，對不同情況下超聚能射流成型及侵徹混凝土過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，探索不同輔助藥型罩材料對超聚能射流侵徹混凝土能力的影響規(guī)律。

1 超聚能射流原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的錐形藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)中，對聚能射流成型貢獻(xiàn)更多的是藥型罩內(nèi)層材料，外層材料大部分形成基本沒有侵徹能力的杵體，同時(shí)越靠近藥型罩口部，藥型罩材料形成杵體部分比例越高，因而難以對日益增強(qiáng)的防護(hù)裝甲目標(biāo)進(jìn)行有效殺傷。而截頂型超聚能結(jié)構(gòu)形成聚能射流速度高，侵徹有效質(zhì)量大，為對防護(hù)裝甲目標(biāo)有效毀傷提供了新的可能。

超聚能結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)聚能裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：① 提高了聚能射流的有效質(zhì)量：輔助藥型罩的使用改變了超聚能主藥型罩的壓合角，相比于傳統(tǒng)藥型罩結(jié)構(gòu)增大至其互補(bǔ)角，使得更多的藥型罩材料參與形成超聚能射流；② 提高了射流速度：與傳統(tǒng)聚能裝藥射流相比，由于輔助藥型罩的存在射流在軸線方向發(fā)生大角度碰撞，同時(shí)在輔助藥型罩的附加速度作用下形成超聚能射流[10]。

根據(jù)沖擊動(dòng)力學(xué)理論[11-12]，爆轟波從高阻抗介質(zhì)傳入低阻抗介質(zhì)時(shí)，向低阻抗介質(zhì)中入射沖擊波，低阻抗介質(zhì)可以獲得更高的質(zhì)點(diǎn)速度。由此可以得出：為形成超聚能射流，輔助藥型罩材料應(yīng)選擇比主藥型罩介質(zhì)阻抗更高的材料。常用的金屬材料沖擊阻抗如表1所示。

根據(jù)上述超聚能射流原理，設(shè)計(jì)的超聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，錐形主藥型罩為等壁厚結(jié)構(gòu)，厚度為1.7 mm，錐角為58°，藥型罩口部直徑為45 mm，選取的藥型罩材料為高導(dǎo)無氧銅；輔助藥型罩厚度為3.4 mm，直徑為16.6 mm，材料分別選取鐵、鉭、鎢，截頂處直徑為13.8 mm，超聚能裝藥均為LX-14，殼體材料為鋁合金，厚度為2 mm。

表1 材料的沖擊阻抗

圖1 截頂型超聚能射流結(jié)構(gòu)示意圖

2 超聚能射流仿真方法

本研究選取有限差分軟件AUTODYN開展超聚能射流形成和侵徹混凝土過程的數(shù)值仿真[13]，超聚能裝藥結(jié)構(gòu)模型具有軸對稱性質(zhì)，采用二維建?？梢詽M足要求，因而采用AUTODYN高精度多物質(zhì)求解器Euler-2D Multi-material求解器進(jìn)行仿真計(jì)算。

藥型罩裝藥LX-14和空氣分別采用JWL狀態(tài)方程和Ideal Gas狀態(tài)方程進(jìn)行描述，兩者狀態(tài)方程參數(shù)如表2和表3所示[14]。

式中：A、B、R1、R2、ω為狀態(tài)方程獨(dú)立參數(shù)；P、E0、V分別為爆轟產(chǎn)物壓力、炸藥比內(nèi)能和比容。該方程能精確地描述爆轟氣體產(chǎn)物的體積、壓力、能量等特性。

P=A(γ-1)ρe

式中：γ為理想氣體常數(shù)；ρ為空氣初始密度；e為空氣比內(nèi)能。

表2 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

表3 空氣狀態(tài)方程參數(shù)

輔助藥型罩鐵、鉭、鎢材料參數(shù)均從AUTODYN2D標(biāo)準(zhǔn)材料庫中選取，鋁殼體材料選用A12024T351，采用Shock狀態(tài)方程和Johnson-Cook強(qiáng)度模型。各材料參數(shù)如表4所示。

表4 藥型罩材料參數(shù)

3 超聚能射流仿真結(jié)果與分析

3.1 超聚能射流成型仿真結(jié)果

利用AUTODYN有限差分軟件對截頂型超聚能裝藥的射流成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到鎢材質(zhì)輔助藥型罩超聚能射流不同時(shí)刻的成型過程，如圖2所示。

圖2 超聚能射流的成型過程

當(dāng)聚能裝藥引信起爆后，爆轟波在炸藥內(nèi)快速傳播，6 μs時(shí)刻爆轟波幾乎同時(shí)到達(dá)輔助藥型罩頂部和主藥型罩肩部，在極大的爆轟壓力作用下，輔助藥型罩被賦予一個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)速度，主藥型罩壓合速度為2 000～3 000 m/s，方向與藥型罩表面垂直。8 μs時(shí)刻主藥型罩壓垮過程由于附加輔助藥型罩的存在，改變了射流的速度方向，射流在中軸線處發(fā)生大角度碰撞[10]。射流繼續(xù)與輔助藥型罩發(fā)生碰撞并沿壁面流動(dòng)，射流頭部逐漸達(dá)到藥型罩口部，射流形態(tài)良好。20 μs時(shí)刻由于超聚能射流速度梯度的存在，不斷拉伸形成頭部細(xì)錐，杵體較少的細(xì)長的射流形態(tài)。30 μs時(shí)刻射流頭部到達(dá)3CD(藥型罩口徑)位置處，開始侵徹混凝土靶板。

圖3為10 μs時(shí)刻主藥型罩在輔助藥型罩推動(dòng)作用下形成的超聚能射流形態(tài)圖，可以看出：輔助藥型罩為鐵材料時(shí)，鐵材料在爆轟壓力作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)，占據(jù)軸線中心位置，主藥型罩受此影響沿軸向壓垮但未閉合，鐵輔助藥型罩參與超聚能射流頭部的形成；輔助藥型罩為鉭和鎢時(shí)，輔助藥型罩材料與主藥型罩外層材料形成的杵體部分一起運(yùn)動(dòng)，由主藥型罩材料形成射流部分。分析原因認(rèn)為：可能是鐵材料的屈服強(qiáng)度相對較低，在主藥型罩壓垮閉合前發(fā)生大變形并沿軸向運(yùn)動(dòng)，最終影響主藥型罩的壓垮閉合。

圖3 10 μs時(shí)刻超聚能射流形態(tài)

由圖4和圖5可知：形成的超聚能射流頭部在到達(dá)3CD炸高位置時(shí)，輔助藥型罩材料為鐵時(shí)，形成的超聚能射流連續(xù)性最差，射流形態(tài)緊縮程度最為嚴(yán)重，出現(xiàn)多處斷裂間隙，射流頭部呈箭鏃狀，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)些許鐵材料參與形成射流頭部，射流頭部速度約為5 855 m/s，低于純銅藥型罩形成的射流頭部速度6 359 m/s；輔助藥型罩材料為鎢時(shí)，輔助藥型罩材料不參與形成射流，而是位于射流尾部與杵體混合在一起，射流連續(xù)性較好，有少量射流間隙，射流形態(tài)軸向分布均勻，射流頭部細(xì)長斷裂較多，射流頭部速度約為8 553 m/s；輔助藥型罩材料為鉭時(shí)，與為鎢時(shí)形成的超聚能射流形態(tài)基本相同，射流頭部斷裂較少，射流主體部分連續(xù)性最好，射流頭部速度為7 762 m/s。當(dāng)輔助藥型罩材料為鉭與鎢時(shí)，兩者介質(zhì)阻抗均顯著大于銅介質(zhì)阻抗，形成的超聚能射流速度也顯著大于純銅藥型罩形成的射流速度，形成的射流形態(tài)更細(xì)更長。

3.2 超聚能射流侵徹混凝土仿真結(jié)果

利用AUTODYN提供的Euler 2D 到Lagrange 3D映射功能，輸出不同藥型罩材料超聚能射流在3D炸高著靶前形態(tài)，并添加混凝土靶板模型，最終得到超聚能射流侵徹混凝土仿真模型如圖6。其中混凝土靶板的尺寸為φ80 mm×400 mm，材料選取CONC 35 MPa，采用P alpha狀態(tài)方程和RHT Concrete本構(gòu)模型，并定義失效和侵蝕參數(shù)，更好地模擬混凝土材料在動(dòng)態(tài)加載條件下的塑性和剪切破壞[15]。

圖4 三倍口徑炸高超聚能射流形態(tài)

圖5 三倍口徑炸高超聚能射流的速度云圖

圖6 侵徹混凝土靶板有限元模型

不同材料的聚能射流侵徹不同材料的目標(biāo)靶時(shí)，其對應(yīng)的射流臨界侵徹速度也不盡相同。相對于混凝土靶板，銅材質(zhì)聚能射流的臨界侵徹速度約為1 500 m/s，因此可認(rèn)為當(dāng)超聚能射流頭部速度為1 500 m/s時(shí)，超聚能射流對混凝土靶板不再具有侵徹能力，侵徹孔深度和形態(tài)不再發(fā)生變化[16]。

聚能射流頭部首先與混凝土靶板開始接觸，接觸的瞬間向混凝土內(nèi)部傳入瞬時(shí)沖擊波，響應(yīng)區(qū)域雖然較小，但壓力的驟然變化使得混凝土發(fā)生壓縮和剪切變形，產(chǎn)生橫向擴(kuò)孔效應(yīng)，形成混凝土“漏斗坑”破壞過程；當(dāng)射流頭部侵徹進(jìn)入混凝土靶板后，聚能射流進(jìn)入穩(wěn)定侵徹過程，形成粗細(xì)相間的柱形侵徹孔；在聚能射流向混凝土靶板內(nèi)傳入沖擊波的同時(shí)，混凝土也反作用于聚能射流一個(gè)沖擊波，隨著聚能射流侵徹深度的增加，射流頭部速度快速降低，加之聚能射流存在速度梯度，在侵徹過程會(huì)出現(xiàn)堆積現(xiàn)象；當(dāng)聚能射流頭部速度小于銅材質(zhì)侵徹混凝土靶板的臨界侵徹速度時(shí)，侵徹過程基本結(jié)束，混凝土靶板侵徹深度達(dá)到最大[15,17]。

圖7表示3種輔助藥型罩材料超聚能射流及純銅藥型罩聚能射流侵徹混凝土結(jié)果，可以看出：(1)聚能射流侵徹混凝土?xí)r，均在混凝土上表面附近因?yàn)闄M向擴(kuò)孔作用形成“漏斗坑”破壞區(qū)域，鐵、鉭、鎢輔助藥型罩材料的混凝土漏斗坑直徑分別為27.5 mm、18.3 mm和12.1 mm，而純銅藥型罩形成射流的侵徹漏斗坑直徑為19.05 mm，即漏斗坑的直徑隨聚能射流的頭部速度的增加而減小，同樣地，混凝土侵徹孔翻邊的程度也隨著超聚能射流速度的增加而減弱，即“漏斗坑”塑性破壞區(qū)域大小和程度與超聚能射流頭部速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；(2)鐵、鉭、鎢輔助藥型罩材料的超聚能射流侵徹深度分別為207.6 mm、523.7 mm和452.8 mm，而純銅藥型罩形成射流的最終侵徹深度為274.8 mm。分析得出：鐵輔助藥型罩的混凝土最終侵徹深度最小，小于純銅藥型罩的最終侵徹深度，這是因?yàn)殍F輔助藥型罩形成的聚能射流頭部速度小于純銅藥型罩，且形成的侵徹混凝土的射流有效部分較少；鉭輔助藥型罩形成的超聚能射流同時(shí)兼顧了射流整體速度和連續(xù)性，因而最終的混凝土侵徹深度最大；鎢輔助藥型罩形成的超聚能射流速度最高，但最終的混凝土侵徹深度反而小于鉭輔助藥型罩最終的混凝土侵徹深度，分析原因可能是高的射流速度梯度影響了射流的連續(xù)性，最終對超聚能射流侵徹混凝土結(jié)果產(chǎn)生影響。因此最終的混凝土靶板侵徹深度不僅與射流速度相關(guān)，同時(shí)也與射流連續(xù)性有直接關(guān)系。

圖7 不同輔助藥型罩材料侵徹結(jié)果

4 結(jié)論

1)輔助藥型罩介質(zhì)阻抗越高，形成的超聚能射流頭部速度越高。為形成連續(xù)性好，梯度分布均勻的超聚能射流，輔助藥型罩與主藥型罩的材料存在最佳介質(zhì)阻抗匹配關(guān)系：輔助藥型罩介質(zhì)阻抗接近主藥型罩時(shí)，射流形態(tài)連續(xù)性較差，緊縮現(xiàn)象較嚴(yán)重，而輔助藥型罩介質(zhì)阻抗過高時(shí)，雖提高了超聚能射流整體速度，但高的射流速度梯度可能會(huì)出現(xiàn)細(xì)長射流頭部斷裂。

2) 射流侵徹混凝土靶板形成的“漏斗坑”的直徑隨超聚能射流的頭部速度的增加而減小，混凝土侵徹孔翻邊程度也隨著頭部射流速度的增加而減弱，即“漏斗坑”破壞區(qū)域大小和程度與超聚能射流頭部速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。最終的混凝土靶板侵徹深度不僅與射流速度相關(guān)，同時(shí)也與射流連續(xù)性有直接關(guān)系。