邵志宇，董超超，伍思宇，曹苗苗，楊笑天

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

本文的頭部含能桿是指將活性材料連接到動(dòng)能桿實(shí)驗(yàn)件頭部?；钚圆牧?，又稱含能反應(yīng)材料[1]，是一種異于炸藥、推進(jìn)劑、煙火劑等傳統(tǒng)含能材料的新型高效毀傷材料[2]，不僅具有高密度和高強(qiáng)度的特點(diǎn)[3]，而且還具有二次釋能的優(yōu)勢(shì)[4]。文獻(xiàn)[5-7]指出在強(qiáng)沖擊載荷下，頭部活性材料被激活發(fā)生類爆轟反應(yīng)釋放大量反應(yīng)熱。同時(shí)活性材料也是高效毀傷領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一[8]，其沖擊釋能特性受到廣泛的關(guān)注和研究。

美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心通過泰勒桿撞擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)桿體速度達(dá)到某一特定值時(shí)，活性材料會(huì)發(fā)生反應(yīng)，并且撞擊速度越大，首次激活反應(yīng)時(shí)間越短[9]。Wang等[10]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，活性材料的撞擊速度是活性材料激活反應(yīng)過程和能量釋放特性的主要影響因素。門建兵等[11]開展爆炸包覆性活性爆炸成型彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部作用于目標(biāo)靶的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)活性動(dòng)能桿撞靶時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋能，毀傷效果比惰性侵徹體大幅提高。董良龍[12]開展的含能彈丸中低速撞水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含能彈丸在464 m/s速度以下沒有引起材料反應(yīng)。楊宇[13]研究對(duì)細(xì)長(zhǎng)桿頭型航行體高速入水載荷特性研究發(fā)現(xiàn)，入水初始速度越高，首次沖擊峰值載荷和最大沖擊峰值載荷也越大。Du等[14]研究了爆炸載荷下活性材料套管的能量釋放特性，結(jié)果表明與傳統(tǒng)的2A12鋁合金外殼相比，所有活性材料外殼中的火球溫度和空氣沖擊波均有所增加。胡榕等[15]研究了Al粒徑對(duì)富鋁聚四氟乙烯基活性材料(PTFE/Al)在中高應(yīng)變率下的沖擊反應(yīng)行為的影響，表明Al粒徑和加載應(yīng)變率對(duì)活性材料的沖擊反應(yīng)擴(kuò)散、反應(yīng)速率、反應(yīng)程度有較大影響。張金忠等[16]研究不同初始條件下活性材料彈丸與靶匹配的研究，研究結(jié)果對(duì)活性材料彈丸如何有效應(yīng)用于制式彈丸，提高動(dòng)能彈丸威力具有推動(dòng)作用。劉國(guó)政等[17]基于25 mm口徑彈道炮發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行活性復(fù)合動(dòng)能桿對(duì)混凝土靶侵爆效應(yīng)研究，結(jié)果表明侵爆效應(yīng)對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成預(yù)損傷，降低靶體強(qiáng)度，提高了隨進(jìn)的鎢合金桿侵徹效率明顯提高。張哲等[18]進(jìn)行了入水沖擊壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)得不同入水速度下的入水沖擊壓力，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算的結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

相比普通射彈侵徹魚雷等水下目標(biāo)，含能高速射彈攻擊魚雷等水中目標(biāo)的增強(qiáng)毀傷效果有待進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。本文對(duì)某活性材料進(jìn)行入水沖擊實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用頭部含能桿實(shí)驗(yàn)件對(duì)水中模擬目標(biāo)進(jìn)行了入水穿靶實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了含能桿侵徹水中目標(biāo)后可增強(qiáng)其毀傷性能，為發(fā)展水中高毀傷性兵器提供了研究思路。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文的入水沖擊實(shí)驗(yàn)在兩種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成，分別為豎直入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和水平入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。應(yīng)用這兩種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行入水沖擊實(shí)驗(yàn)的原理圖分別如圖1和圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)通過火藥式速度加載裝置將實(shí)驗(yàn)件加速后以一定速度發(fā)射出去，撞擊水面并進(jìn)入水中。實(shí)驗(yàn)件的入水速度通過改變發(fā)射藥量進(jìn)行控制。通過高速攝影機(jī)對(duì)入水過程和作用過程進(jìn)行攝像。

1.1 活性材料實(shí)驗(yàn)件

表1為聚四氟乙烯基活性材料相關(guān)參數(shù)，包括PTFE/Al和PTFE/Al/W(添加一定量的鎢粉)。采用14.5 mm制式藥筒發(fā)射，為使活性材料與藥筒口徑適配，活性材料加尼龍彈托。圖3為活性材料、彈托和藥筒圖片。

表1 活性材料相關(guān)參數(shù)

表2為頭部含能桿實(shí)驗(yàn)件相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)所用動(dòng)能桿材料為45號(hào)鋼，活性材料分別為PTFE/Al和PTFE/Al/W。采用40 mm口徑發(fā)射管加載驅(qū)動(dòng)動(dòng)能桿運(yùn)動(dòng)，為使動(dòng)能桿與發(fā)射管口徑適配，在動(dòng)能桿后面加尼龍彈托。圖4為動(dòng)能桿實(shí)驗(yàn)件和尼龍彈托圖片。圖5為頭部含能桿實(shí)驗(yàn)件圖片。

1.2 水中實(shí)驗(yàn)靶箱

分別為豎直沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和水平?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水中實(shí)驗(yàn)靶箱，如圖6和圖7所示。豎直入水沖擊實(shí)驗(yàn)靶箱尺寸為240 mm×220 mm×200 mm，頂部為厚5 mm的7075鋁合金板，底板為厚度16 mm鋼板，側(cè)面透明部分為4塊厚度10 mm的PC耐力板；水平入水沖擊實(shí)驗(yàn)靶箱圓柱部分采用6061鋁合金材料，其外徑210 mm、內(nèi)徑200 mm、長(zhǎng)度200 mm，箱體兩端面為厚度5 mm的PC耐力板。各靶箱均用密封膠進(jìn)行水密封以防止?jié)B漏。

1.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置情況

圖8所示為豎直入水沖擊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置情況。水池高度4.1 m，內(nèi)切圓直徑4 m，側(cè)面有高速攝影拍攝窗。速度加載裝置中發(fā)射管口徑為40 mm。

圖9所示為水平入水沖擊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置情況。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了兩種發(fā)射管口徑，分別為40 mm和14.5 mm。水箱的實(shí)驗(yàn)件入水處用厚度約0.1 mm的塑料薄膜進(jìn)行封堵，其對(duì)實(shí)驗(yàn)件入水沖擊幾乎不產(chǎn)生影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 活性材料入水實(shí)驗(yàn)

為探究活性材料入水時(shí)是否會(huì)發(fā)生釋能反應(yīng)現(xiàn)象，采用水平入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)活性材料進(jìn)行入水沖擊實(shí)驗(yàn)，通過高速攝影機(jī)觀察其入水過程?；钚圆牧舷嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，入水實(shí)驗(yàn)時(shí)的高速攝影圖片如圖10所示。

表3 活性材料入水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10(b)和圖10(c)中紅色圓圈標(biāo)記處為活性材料。圖10(e)和圖10(f)中活性材料入水后產(chǎn)生空泡并激起水花，并沒有觀察到釋能反應(yīng)現(xiàn)象。通過對(duì)高速攝影圖像進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，采用上述活性材料樣本在空氣介質(zhì)下2倍音速范圍內(nèi)進(jìn)行入水沖擊不會(huì)產(chǎn)生明顯的釋能反應(yīng)現(xiàn)象。

2.2 頭部含能桿入水穿靶實(shí)驗(yàn)

為研究頭部含能桿入水和穿靶后的釋能情況，采用火藥式速度加載裝置驅(qū)動(dòng)頭部含能桿進(jìn)行入水沖擊實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用豎直和水平入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共進(jìn)行了4組入水沖擊實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)情況如表4所示。

表4 頭部含能桿入水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4的第1組和第2組實(shí)驗(yàn)在豎直入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成，入水速度為接近音速的亞音速。圖11和圖12分別為應(yīng)用彩色和黑白高速攝影機(jī)拍攝的作用過程圖片。

從圖11中可以看出，含能桿入水時(shí)在動(dòng)能桿周圍出現(xiàn)了明顯的空泡，含能桿包裹在空泡內(nèi)運(yùn)動(dòng)。空泡尺度隨入水速度的變化產(chǎn)生明顯變化。在含能桿入水時(shí)均未觀測(cè)到釋能反應(yīng)現(xiàn)象。

從圖12中可以看出：含能桿穿透靶箱上蓋板后進(jìn)入靶箱內(nèi)部，部分活性材料破碎飛散，碎片撞到靶箱內(nèi)部壁面和底部發(fā)生一定程度反應(yīng)；另一部分活性材料隨含能桿高速撞擊靶箱底部鋼板，活性材料發(fā)生劇烈釋能反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高壓的氣體產(chǎn)物，造成實(shí)驗(yàn)靶箱迅速解體。圖13為靶箱上蓋板破壞情況以及回收的動(dòng)能桿實(shí)驗(yàn)件情況。

豎直入水沖擊實(shí)驗(yàn)后靶箱上蓋板、側(cè)面的4塊PC耐力板以及靶箱底板均產(chǎn)生了較嚴(yán)重的破損，活性材料在其內(nèi)部反應(yīng)釋能，產(chǎn)生瞬間高溫高壓，并伴隨強(qiáng)烈火光，打撈出的實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)壁殘留燒灼痕跡，而不含能動(dòng)能桿入水穿靶將不會(huì)產(chǎn)生活性材料的釋能反應(yīng)現(xiàn)象，沒有強(qiáng)烈火光，實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)壁不會(huì)被燒灼，表明含能桿對(duì)水中模擬目標(biāo)具有較明顯的增強(qiáng)毀傷效果。

表4所示的第3組實(shí)驗(yàn)在水平入水沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成，此時(shí)含能桿入水速度較高，接近在空氣介質(zhì)下的2倍音速。頭部含能桿水平入水穿靶實(shí)驗(yàn)時(shí)的高速攝影圖片如圖14所示，被頭部含能桿穿透后的回收靶箱圖片如圖15所示。圖15中箱體內(nèi)壁出現(xiàn)燒灼痕跡，被水浸泡后有些部位燒灼痕跡不明顯。

從高速攝影圖像可見：當(dāng)頭部含能桿水平入水撞到水中實(shí)驗(yàn)靶箱時(shí)活性材料發(fā)生部分釋能反應(yīng)；當(dāng)頭部含能桿撞穿靶箱圓柱體一側(cè)再次撞到靶箱內(nèi)壁，活性材料發(fā)生劇烈釋能反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)光，火光持續(xù)2 ms左右；高速動(dòng)能桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng)并從圓柱體另一側(cè)穿出(見圖15)。含能桿與靶箱之間的相互作用造成靶箱兩端的PC耐力板與圓柱體分離，活性材料在其內(nèi)部反應(yīng)釋能，產(chǎn)生瞬間高溫高壓，并伴隨強(qiáng)烈火光，而不含能動(dòng)能桿入水穿靶后無活性材料在實(shí)驗(yàn)靶箱內(nèi)部反應(yīng)釋能，無強(qiáng)烈火光，也不會(huì)對(duì)內(nèi)壁產(chǎn)生燒蝕，因此含能桿入水穿靶產(chǎn)生較明顯的毀傷增強(qiáng)效果。

在前述3組實(shí)驗(yàn)中，均未觀察到活性材料在入水時(shí)發(fā)生反應(yīng)的情況。隨著穿靶速度不同，活性材料反應(yīng)程度不同。第1組和第2組實(shí)驗(yàn)的穿靶速度比第3組實(shí)驗(yàn)的穿靶速度低，其活性材料反應(yīng)產(chǎn)生的火光持續(xù)時(shí)間較短，原因可能是低速下部分飛濺出去的活性材料未激發(fā)反應(yīng)。

為觀測(cè)發(fā)生反應(yīng)的活性材料沖擊入水后的發(fā)展變化情況，設(shè)計(jì)并實(shí)施了表4所示的第4組水平入水沖擊實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)中頭部含能桿以在空氣介質(zhì)下約2倍音速從水平發(fā)射管飛出，含能桿在入水前其頭部的活性材料與入水口的鋁壁發(fā)生部分碰撞，使活性材料發(fā)生部分釋能反應(yīng)，隨后含能桿繼續(xù)沖擊入水。這一過程的高速攝影圖片如圖16所示。

由圖16可見：頭部含能桿撞到水箱鋁壁后，發(fā)生明顯的釋能反應(yīng)，如圖16(c)所示；在其繼續(xù)侵水過程中，反應(yīng)現(xiàn)象迅速消失，表明入水過程阻止了活性材料釋能反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。

3 釋能特性分析

3.1 活性材料入水?dāng)?shù)值模擬分析

由前述實(shí)驗(yàn)看，單獨(dú)活性材料以及含能桿沖擊入水時(shí)，均未發(fā)生可觀測(cè)的釋能反應(yīng)現(xiàn)象。為探究其原因，對(duì)活性材料的沖擊入水進(jìn)行數(shù)值分析。

采用非線性有限元軟件Autodyn-2D對(duì)入水過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立500 mm×500 mm的流體區(qū)域，采用多物質(zhì)歐拉求解器。活性材料模型劃分為拉格朗日網(wǎng)格，在其模型前部建立壓力測(cè)量點(diǎn)1，以其受到的沖擊壓力作為是否發(fā)生反應(yīng)釋能的判據(jù)?；钚圆牧霞捌渌牧蠀?shù)設(shè)置取自AUTODYN標(biāo)準(zhǔn)材料庫和文獻(xiàn)[19-20]。圖17為活性材料入水模型，圖18和圖19分別為活性材料入水模擬圖及壓力云圖。

圖20為活性材料入水速度300 m/s時(shí)，測(cè)量點(diǎn)1的壓力隨時(shí)間變化的曲線圖，其最大壓力約為830 MPa。根據(jù)分析可知，峰值壓力發(fā)生于撞水瞬間，持續(xù)時(shí)間非常短(微秒級(jí)別)，隨后壓力迅速下降。

根據(jù)仿真計(jì)算，可得到圖21所示活性材料入水沖擊壓力峰值隨入水速度增加而增加的趨勢(shì)圖。

由圖21數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法擬合曲線法，得到關(guān)于活性材料入水沖擊壓力峰值與入水速度的關(guān)系公式

p=3.46×v-213.39

(1)

式中：p為活性材料入水沖擊壓力峰值(MPa)；v為活性材料入水速度(m/s)。

實(shí)驗(yàn)中所用活性材料臨界反應(yīng)壓力閾值約為3.6 GPa[19]。當(dāng)活性材料以表3所示的660 m/s速度入水時(shí)，其頭部所受最大沖擊壓力峰值根據(jù)擬合公式(1)式計(jì)算約為2.1 GPa，遠(yuǎn)低于臨界反應(yīng)壓力閾值，因此活性材料入水時(shí)不能發(fā)生釋能反應(yīng)，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相符。

根據(jù)擬合公式(1)式，當(dāng)活性材料入水速度達(dá)到1 100 m/s時(shí)，其受到的沖擊壓力峰值將達(dá)到臨界反應(yīng)壓力閾值，活性材料入水瞬間可能產(chǎn)生釋能反應(yīng)。

對(duì)于頭部含能桿沖擊入水，由于入水瞬間活性材料受到的沖擊力主要由入水速度決定，上述分析結(jié)果同樣適用。

3.2 入水過程活性材料釋能反應(yīng)不能持續(xù)分析

表4中的第4組實(shí)驗(yàn)表明，入水前發(fā)生釋能反應(yīng)的活性材料在入水后其反應(yīng)現(xiàn)象迅速消失，現(xiàn)根據(jù)圖22所示的頭部含能桿侵水過程示意圖簡(jiǎn)要分析如下。

頭部含能桿侵水過程中，只有活性材料頭部表面與水接觸，其他部分被包裹在低壓空泡中，在該實(shí)驗(yàn)中空泡內(nèi)壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的飽和蒸汽壓力。由于入水時(shí)已發(fā)生反應(yīng)的活性材料在侵水過程中壓力持續(xù)降低，同時(shí)其反應(yīng)產(chǎn)生的熱量迅速通過其與空泡及頭部水介質(zhì)之間的傳導(dǎo)散失掉，致使其反應(yīng)不能持續(xù)進(jìn)行。

根據(jù)3.1節(jié)分析，頭部含能桿在入水速度超過1 100 m/s時(shí)，活性材料在入水瞬間可能發(fā)生釋能反應(yīng)?，F(xiàn)簡(jiǎn)要分析其后續(xù)入水過程中反應(yīng)是否能夠持續(xù)進(jìn)行。對(duì)于發(fā)射入水的動(dòng)能桿，其入水速度一般不超過在空氣介質(zhì)下的5倍音速。假設(shè)頭部含能桿的入水速度為1 400 m/s，根據(jù)圖17所示模型，測(cè)量點(diǎn)1的壓力隨時(shí)間變化的曲線圖如圖23所示。

由圖23可見：入水瞬間沖擊壓力峰值超過活性材料反應(yīng)閾值，頭部觸水部分的某些活性材料將產(chǎn)生釋能反應(yīng)；約4.4 μs后，壓力降低到反應(yīng)閾值之下，此后產(chǎn)生釋能反應(yīng)的活性材料的量不再增加；而根據(jù)圖16所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，在頭部含能桿繼續(xù)沖擊入水過程中，那些已產(chǎn)生釋能反應(yīng)的活性材料并不會(huì)持續(xù)發(fā)生釋能反應(yīng)，也不會(huì)使未發(fā)生反應(yīng)的活性材料發(fā)生釋能反應(yīng)。此外，空泡對(duì)釋能反應(yīng)的影響效果相當(dāng)于產(chǎn)生散熱作用，活性材料沖擊受壓時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生并聚集的熱量通過空泡水蒸汽向周圍水介質(zhì)中迅速散失，對(duì)釋能反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行起到相反作用或抑制作用。因此，當(dāng)已發(fā)生釋能反應(yīng)的活性材料停止釋能后，動(dòng)能桿頭部活性材料的釋能反應(yīng)將停止，釋能反應(yīng)不能持續(xù)。

根據(jù)上述分析推測(cè)，即使活性材料高速入水時(shí)因其與水面間的高速碰撞而發(fā)生釋能反應(yīng)，在后續(xù)侵水過程中釋能反應(yīng)也將難以持續(xù)。按照這一推論，當(dāng)將動(dòng)能桿與活性材料進(jìn)行復(fù)合以應(yīng)用于攻擊水中目標(biāo)時(shí)，在活性材料滿足強(qiáng)度要求或采取防入水沖擊措施的前提下，將活性材料復(fù)合于動(dòng)能桿端部的設(shè)計(jì)時(shí)可行的。這一推論有待于通過進(jìn)一步的理論分析及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文通過火藥式速度加載裝置分別加載活性材料和頭部含能桿入水，對(duì)其入水沖擊和穿靶釋能性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。得出主要結(jié)論如下：

1)單獨(dú)的小質(zhì)量活性材料以及頭部含能桿在空氣介質(zhì)下的2倍音速范圍內(nèi)沖擊入水時(shí)，其受到的沖擊壓力小于臨界反應(yīng)壓力閾值，在侵水過程中活性材料均不產(chǎn)生可觀測(cè)的釋能反應(yīng)現(xiàn)象。

2)在避免入水時(shí)活性材料碎裂的條件下，頭部含能桿的高速入水沖擊及侵水過程幾乎不會(huì)對(duì)活性材料的目標(biāo)毀傷效果產(chǎn)生影響，將活性材料復(fù)合于動(dòng)能桿頭部的設(shè)計(jì)是可行的。

3)將活性材料復(fù)合于動(dòng)能桿入水端頭部以形成攻擊水中目標(biāo)的射彈類兵器并利用活性材料的增強(qiáng)毀傷效果對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行高效毀傷的設(shè)想是合理可行的。

上述結(jié)論是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的初步分析得出的，而對(duì)于合理的含能桿射彈設(shè)計(jì)、入水沖擊、含能桿撞水激發(fā)釋能及演化機(jī)理等問題的解決還有待于更深入的實(shí)驗(yàn)和理論研究。