彭 軍，李彪彪，袁寶慧，孫興昀，楊 青

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

活性破片是一種具有沖擊引發(fā)反應(yīng)釋能特性的含能毀傷元，與傳統(tǒng)惰性破片不同，活性破片在撞擊目標(biāo)時(shí)會(huì)迅速產(chǎn)生燃燒或爆炸效應(yīng)，所形成的局域沖擊波或準(zhǔn)靜態(tài)壓力能夠顯著提升彈藥戰(zhàn)斗部的毀傷威力，活性破片侵爆特性研究是目前高效毀傷技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。

活性破片的力學(xué)性能、沖擊反應(yīng)能量釋放特性、毀傷效應(yīng)、沖擊反應(yīng)機(jī)理等是科研人員關(guān)心的重點(diǎn)，已開(kāi)展了廣泛研究。肖艷文[6]、J.Cai[7]研究了柱形活性破片的靜態(tài)力學(xué)性能，獲得了配方組分、力學(xué)強(qiáng)度及性能之間的關(guān)系，分析了其力學(xué)失效機(jī)理；Xu F[8]等分別研究了活性破片在密閉空間及撞擊鋁板的反應(yīng)和能量釋放特性；肖艷文[9]、Sorensen B[10]研究了活性破片對(duì)鋁靶的毀傷效應(yīng)；Xu F[8]、Feng Bin[11]基于實(shí)驗(yàn)，分析了活性材料在不同條件下的反應(yīng)機(jī)理。這些研究成果主要是基于直接用活性材料制備的“裸”活性破片而開(kāi)展的，這種“裸”活性破片力學(xué)強(qiáng)度只有幾十兆帕，不能滿足殺傷戰(zhàn)斗部炸藥爆轟加載所需強(qiáng)度要求。文獻(xiàn)[10]雖然也采用了金屬外殼包覆活性材料的結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，仍不能滿足殺傷戰(zhàn)斗部炸藥爆轟加載時(shí)復(fù)雜力學(xué)環(huán)境所需強(qiáng)度要求，其目的僅是為了滿足侵徹強(qiáng)度或發(fā)射過(guò)載強(qiáng)度，而且也未開(kāi)展毀傷效應(yīng)或沖擊點(diǎn)火機(jī)理的研究。鋼包裹活性材料制成的鋼包覆式活性破片比“裸”活性破片或簡(jiǎn)單包覆式活性破片具有更高的強(qiáng)度和安定性，部分戰(zhàn)斗部靜爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[12]，該破片能夠滿足爆轟驅(qū)動(dòng)后完好且沖擊目標(biāo)后反應(yīng)釋能的要求，在殺傷戰(zhàn)斗部中具有良好的應(yīng)用前景。

本研究利用彈道槍實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究鋼包覆活性破片、鋼惰性破片對(duì)雙層鋁靶的侵徹特性，以期獲得兩型破片毀傷效應(yīng)的差異和活性破片產(chǎn)生毀傷增強(qiáng)效應(yīng)的條件，進(jìn)而分析活性破片毀傷增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)理，為活性破片殺傷戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供參考。

1 彈道實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

包覆式活性破片采用外層鋼殼體包裹內(nèi)層活性材料的結(jié)構(gòu)，經(jīng)活性材料制備、模壓成型[6]和封裝過(guò)程制備而成，實(shí)驗(yàn)樣品如圖1所示。包覆式活性破片質(zhì)量約10g，外徑12mm，高度12mm。其中內(nèi)層活性材料采用金屬/聚合物體系，由Al/PTFE/W/其他活性金屬組成，外徑9mm，高度9mm，密度與鋼相同，質(zhì)量約4.4g。外層鋼殼采用韌性較好的低碳鋼材料制成，質(zhì)量約5.6g。惰性破片為同質(zhì)量、同尺寸低碳鋼破片。

實(shí)驗(yàn)靶板采用尺寸200mm×200mm、厚度3mm、材料為2A12鋁的前后雙層間隔鋁靶，前靶板與后靶板之間的距離為200mm。

圖1 活性破片試樣及雙層鋁靶Fig.1 The reactive fragments and double-layer-aluminum target

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由14.5mm彈道槍、彈托、破片、測(cè)速網(wǎng)靶、雙層間隔鋁靶、反光鏡和高速攝影組成，示意圖如圖2所示。通過(guò)調(diào)整彈道槍發(fā)射藥量控制破片發(fā)射速度，利用測(cè)速網(wǎng)靶系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到破片的著靶速度。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)破片著靶速度范圍為500～1400m/s，共進(jìn)行25發(fā)有效實(shí)驗(yàn)。其中惰性鋼破片進(jìn)行8發(fā)實(shí)驗(yàn)，速度步長(zhǎng)約150m/s，每種速度獲得1發(fā)有效數(shù)據(jù)；活性破片進(jìn)行17發(fā)實(shí)驗(yàn)，速度步長(zhǎng)約100m/s，每種速度附近獲得2發(fā)有效數(shù)據(jù)。

活性破片沖擊引發(fā)化學(xué)反應(yīng)將形成沖擊波和熱等多種毀傷效應(yīng)。因此，本研究在實(shí)驗(yàn)后利用游標(biāo)卡尺或圖像處理軟件測(cè)量的靶板穿孔直徑或面積、靶板側(cè)面隆起高度等數(shù)據(jù)作為表征其毀傷增強(qiáng)效應(yīng)的參量，測(cè)量方法如圖3所示。同時(shí)利用高速攝影觀測(cè)破片侵徹靶板過(guò)程的發(fā)火現(xiàn)象，記錄火光持續(xù)時(shí)間，作為活性破片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)劇烈程度的參量。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量方法Fig.3 Measurement method of experiment results

2 結(jié)果與分析

2.1 包覆式活性破片侵徹靶板過(guò)程的現(xiàn)象

利用高速攝影觀測(cè)破片侵徹靶板過(guò)程中的反應(yīng)情況，圖4為活性破片侵徹靶板過(guò)程的典型圖像。

由圖4(a)可知，破片著靶速度為947m/s時(shí)，在兩靶之間出現(xiàn)持續(xù)200μs左右的火光，而低于此速度時(shí)，由于破片穿靶過(guò)程極短暫，僅持續(xù)數(shù)十微秒，高速攝影中未見(jiàn)明顯火光。由圖4(b)可知，當(dāng)著靶速度至1010m/s時(shí)，活性破片在兩靶之間出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間約800μs的明亮火光。由圖4(c)可知，當(dāng)提高著靶速度至1128m/s時(shí)，火光明亮程度進(jìn)一步提高，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到十幾毫秒，與活性材料在Taylor實(shí)驗(yàn)中發(fā)生后燃燒反應(yīng)時(shí)間尺度相同[13]。分析認(rèn)為當(dāng)活性破片著靶速度大于947m/s時(shí)，開(kāi)始發(fā)生點(diǎn)火，隨著靶速度的提高，反應(yīng)的劇烈程度增加，這主要是因?yàn)楫?dāng)著靶速度大于活性破片反應(yīng)閾值后，隨著靶速度的提高，活性材料的反應(yīng)程度提高[9]。

圖4 活性破片在不同著靶速度下侵徹雙層鋁靶的過(guò)程Fig.4 The process of reactive fragment impact double-layer aluminum plate under different impact velocities

2.2 前后靶毀傷效應(yīng)

2.2.1 前靶毀傷效應(yīng)

圖5為同質(zhì)量、同尺寸的兩型破片分別以約500m/s和1000m/s著靶速度侵徹前靶后的典型穿孔圖像。由圖5可見(jiàn)，兩型破片對(duì)前靶的穿孔形態(tài)均為圓孔，穿孔模式均為沖塞型穿孔。

圖5 前靶典型穿孔圖像Fig.5 Typical perforation of the front plate

圖6 前靶穿孔直徑與著靶速度的關(guān)系Fig.6 The relationship between perforation diameter of the front plate and impact velocity

根據(jù)兩型破片在500～1500m/s著靶速度范圍內(nèi)對(duì)前靶的穿孔直徑實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用Origin軟件進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可看出，兩型破片對(duì)前靶的穿孔直徑與破片著靶速度成線性關(guān)系，且孔徑大小和斜率基本一致，穿孔直徑(D)范圍為12.5～14.7mm，是破片直徑(D0)的1.04～1.24倍。

2.2.2 后靶毀傷效應(yīng)

圖7為同質(zhì)量、同尺寸的兩型破片侵徹后靶的典型穿孔圖像。當(dāng)活性破片速度高于點(diǎn)火閾值時(shí)，后靶穿孔為不規(guī)則孔，因此，用后靶的穿孔面積作為其毀傷效應(yīng)的參量，用后靶穿孔面積S與破片截面積S0之比(S/S0)作為后靶毀傷增強(qiáng)效應(yīng)的參量。圖8為后靶穿孔面積和破片截面積之比(S/S0)與破片著靶速度的關(guān)系。圖9為后靶隆起高度與破片著靶速度的關(guān)系。

圖7 后靶典型穿孔圖像Fig.7 Typical perforation of rear plate

由圖7～圖9可知，當(dāng)兩型破片的著靶速度小于947m/s時(shí)，相同著靶速度對(duì)后靶形成的穿孔形態(tài)和直徑基本相等，穿孔模式由韌性擴(kuò)孔和沖塞型穿孔復(fù)合穿孔模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闆_塞型穿孔模式，背部隆起高度隨穿孔模式的變化而改變，即隆起高度隨著靶速度提高而降低。但當(dāng)著靶速度大于947m/s時(shí)，活性破片對(duì)后靶的穿孔與惰性破片相比出現(xiàn)顯著差異?；钚云破軌?qū)蟀行纬筛蟮拇┛?，穿孔周圍伴隨花瓣形翻邊隆起。當(dāng)著靶速度為947～1391m/s時(shí)，活性破片對(duì)后靶穿孔面積平均為4.1倍破片截面積，最大為7.2倍破片截面積；對(duì)后靶產(chǎn)生的翻邊隆起高度平均為11mm，最大為22mm。分析認(rèn)為，活性破片在著靶速度大于947m/s后發(fā)生反應(yīng)釋放能量，產(chǎn)生侵爆耦合毀傷效應(yīng)，從而加劇了對(duì)后靶毀傷。因此，活性破片的釋能是后靶毀傷增強(qiáng)效應(yīng)的主因。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究彈靶條件下活性破片點(diǎn)火閾值速度約為947m/s。

圖8 后靶毀傷增強(qiáng)效應(yīng)隨撞擊速度變化Fig.8 The relationship between damage enhanced effect and impact velocity of rear plate

圖9 后靶板隆起高度隨撞擊速度變化Fig.9 The relationship between protuberance height and impact velocity of rear plate

2.3 包覆式活性破片點(diǎn)火機(jī)制

活性破片與惰性破片穿孔差異的主要原因是活性破片滿足點(diǎn)火條件后在前后靶之間發(fā)生反應(yīng)釋放化學(xué)能，對(duì)后靶形成侵爆耦合毀傷效應(yīng)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩型破片形成毀傷差異的臨界速度為947m/s。

文獻(xiàn)[9]研究了未包覆冷壓成型活性破片的沖擊鋁靶點(diǎn)火情況，認(rèn)為破片在沖擊壓力P=Pcr時(shí)(Pcr=0.75GPa)，可發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。

基于一維應(yīng)力波理論，本研究彈靶條件下活性破片中沖擊壓力用以下公式計(jì)算：

(1)

式中：P0為彈靶界面初始?jí)毫?；v0為破片撞靶速度；ρp、Up、ρt、Ut分別是破片和靶板初始密度與應(yīng)力波速度，下標(biāo)p表示破片殼體，t表示靶板。

進(jìn)一步依據(jù)彈丸頭部與靶板撞擊面處的連續(xù)條件及彈靶材料的線性 Hugoniot 關(guān)系:

(2)

式中：cp、sp、ct、st分別是Hugoniot參數(shù)；up、ut分別是粒子速度，式中參數(shù)取值見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

P′0=P0exp(-αD)

(3)

(4)

式中：a為殼體材料中應(yīng)力波衰減系數(shù)，取0.0536mm-1[15]； 為包覆殼體頭部厚度，得到P′0=9.67GPa。

應(yīng)力波在兩種介質(zhì)界面處傳播規(guī)律：

(5)

式中：下標(biāo)h表示活性材料相關(guān)參數(shù)，其取值可由混合物質(zhì)的沖擊絕熱參數(shù)的混合法則求出[16]。

依據(jù)本研究活性材料組分配比，計(jì)算得ch=4323m/s，sh=1.31。

聯(lián)立式(4)和式(5)，計(jì)算得到傳入活性材料中的壓力為5.61GPa，此速度包覆式活性破片不點(diǎn)火，但此時(shí)壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[9]中活性材料反應(yīng)壓力閾值。因此，認(rèn)為包覆式活性破片點(diǎn)火機(jī)制與冷壓成型活性破片點(diǎn)火機(jī)制顯著不同。

文獻(xiàn)[11]認(rèn)為活性材料在低速?zèng)_擊下點(diǎn)火發(fā)生在裂紋間，反應(yīng)的劇烈程度與裂紋的數(shù)量和尺寸相關(guān)，在本研究中，通過(guò)觀察點(diǎn)火閾值速度附近破片撞靶過(guò)程認(rèn)為，包覆式活性破片發(fā)生點(diǎn)火的前提是其外殼在侵徹前靶過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，此時(shí)內(nèi)部活性材料不再受外殼約束，產(chǎn)生較大的裂紋及形成碎片。裂紋及碎片產(chǎn)生的原因一方面來(lái)自于內(nèi)應(yīng)力的剪切作用，此部分活性材料在彈靶作用區(qū)域的三高(高壓、高溫、高應(yīng)變率)環(huán)境下點(diǎn)火發(fā)生反應(yīng)；另一部分未損傷或顆粒尺寸較大的活性材料，在隨后高速撞擊后靶時(shí)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋及形成碎片，點(diǎn)火發(fā)生反應(yīng)。參照PELE彈丸研究成果[17]，本研究彈靶條件下活性破片著靶速度越高，其自身?yè)p傷越大。因此，前后靶之間觀察到的反應(yīng)越劇烈，后靶的毀傷增強(qiáng)效應(yīng)越大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。可以預(yù)測(cè)，當(dāng)著靶速度達(dá)到一定上限閾值時(shí)，外殼完全破碎，此時(shí)活性材料反應(yīng)程度將達(dá)到最大，后靶毀傷增強(qiáng)效應(yīng)也達(dá)到最大。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)彈道槍開(kāi)展了同質(zhì)量、同尺寸的惰性鋼破片、鋼包覆活性破片撞擊雙層鋁靶的實(shí)驗(yàn)，包覆式活性破片在滿足點(diǎn)火閾值速度后，能夠?qū)﹄p層鋁靶形成顯著的毀傷增強(qiáng)效應(yīng)，表現(xiàn)為對(duì)后靶形成穿孔和隆起變形綜合毀傷效應(yīng)，本研究彈靶條件下活性破片點(diǎn)火閾值速度為947m/s，當(dāng)著靶速度為947～1391m/s時(shí)，活性破片對(duì)后靶穿孔面積平均為4.1倍破片截面積，最大為7.2倍破片截面積；對(duì)后靶產(chǎn)生的翻邊隆起高度平均為11mm，最大為22mm。

(2)包覆式活性破片外殼結(jié)構(gòu)損傷是其點(diǎn)火發(fā)生反應(yīng)的前提，當(dāng)包覆殼體在沖擊壓力條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷后，內(nèi)部活性材料不再受外殼約束，在剪切效應(yīng)下產(chǎn)生較大的裂紋及形成碎片，一部分在彈靶作用區(qū)域的三高(高壓、高溫、高應(yīng)變率)環(huán)境下點(diǎn)火發(fā)生反應(yīng)，另一部分未損傷或顆粒尺寸較大的活性材料，在高速撞擊后靶時(shí)進(jìn)一步點(diǎn)火發(fā)生反應(yīng)。

(3)由于彈道槍發(fā)射最大速度的限制，未能得到后靶毀傷增強(qiáng)效應(yīng)最大時(shí)活性破片的上限速度閾值，但可以預(yù)測(cè)，當(dāng)著靶速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，活性破片反應(yīng)程度達(dá)到最大，后靶毀傷增強(qiáng)效應(yīng)也達(dá)到最大。