聚能效应的分类与特征

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：图1.1所示为装药结构及作用条件变化对靶板毁伤效应的影响。图1.3聚能装药爆炸驱动药型罩形成射流行为及速度分布1.聚能射流一般而言，药型罩锥角在30°～60°范围时，聚能装药爆炸形成射流，是反坦克导弹穿透主装甲的主要手段。图1.4典型聚能射流成形行为显著不同于聚

图1.1所示为装药结构及作用条件变化对靶板毁伤效应的影响。从图1.1（a）可以看出，圆柱装药直接置于靶板表面爆炸时，只在靶板表面产生一个近似等深的浅凹坑。当底部带有锥形空穴的圆柱装药置于靶板表面爆炸时，凹坑深度有显著增大，形状呈近似卵形，如图1.1（b）所示。在装药的锥形空穴外壁贴合一层金属或非金属罩体后置于靶板表面爆炸时，破孔深度进一步得到大幅提高，形状呈类锥形，表明内衬罩体对装药爆炸能量轴向汇聚发挥了重要作用，如图1.1（c）所示。将带罩装药置于靶板上方一定高度（炸高）时，破孔深度进一步有大幅增加，形状更接近锥形，如图1.1（d）所示。

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图1.1　装药结构及作用条件变化对靶板毁伤效应的影响

这种装药一端带有特定形状的空穴并在其外表面贴合薄壁金属或非金属罩体的装药结构称为聚能装药或成型装药（Shaped Charge，SC），贴合于装药空穴表面的金属或非金属罩体称为药型罩（liner）。利用聚能装药爆炸作用使药型罩材料沿轴线汇聚形成聚能射流（JET）、杆式射流（Jetting Projectile Charge，JPC）和爆炸成型弹丸（Explosively Formed Projectile，EFP）等高速侵彻体的效应称为聚能效应，是反装甲和反混凝土类战斗部毁伤目标的主要手段。

从不同装药结构爆炸能量释放行为看，圆柱装药一端引爆后，随着爆轰波在装药内传播，高温、高压爆轰产物近似沿装药侧面法线方向向外飞散，如图1.2（a）所示。也就是说，当圆柱装药置于靶板表面爆炸时，只有装药端部少部分爆轰产物作用于靶板表面起毁伤作用，爆轰产物密度低，作用面积大，持续时间短，一般只能在靶板表面产生形状类似装药截面的浅坑。

一端带有锥形（或球缺形、喇叭形等）空穴的装药起爆后，由于空穴的存在，高温、高压爆轰产物向外高速飞散时会在轴线汇聚，形成高速汇聚气流。与非汇聚爆轰产物气流相比，这种汇聚气流速度更高，遭遇靶板作用面积更小，穿靶能力更强，从而产生穿深更大、孔径更小的破孔。但爆轰产物沿轴线汇聚形成高压区，又迫使爆轰产物向周围低压区膨胀，导致高压气流离装药柱端面一定距离后就逐渐发散，穿孔能力下降，如图1.2（b）所示。

对于带有药型罩的空穴装药而言，爆轰波传至药型罩表面时，在极高爆轰压力的作用下，药型罩被压垮，沿轴线汇聚形成JET、JP或EFP等高速聚能侵彻体，炸药释放的大部分化学能转化为聚能侵彻体的动能。与爆轰产物汇聚气流相比，聚能侵彻体密度更大，持续时间更长，比动能更大，穿靶能力更强，从而造成穿深更大、孔径更小的破孔，如图1.2（c）所示。

在射流形成过程中，受装药爆炸能量分布作用影响，头部速度高，尾部速度低，这导致随着时间的推移射流逐渐拉长，直至发生颈缩甚至断裂。也就是说，射流穿靶能力的发挥存在某个有利炸高范围，炸高过小，连续射流长度和速度不足，炸高过大，射流发生颈缩甚至断裂，导致穿深下降。

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图1.2　装药结构对爆轰能量释放行为的影响

聚能装药爆炸驱动药型罩形成射流行为及速度分布如图1.3所示。为便于问题分析，按图1.3（a）所示将药型罩由顶至底划分为4个微元，高能炸药爆轰后，在极高的爆轰压力作用下，由顶至底各微元依次被压垮，沿轴线汇聚，在轴线上闭合和碰撞后形成两部分，微元内壁形成高速射流，外壁形成速度较低的杵体。爆轰波传至微元2底端时药型罩典型压垮形貌如图1.3（b）所示，在该时刻，微元4已完成轴线碰撞，并形成了射流和杵体两部分，微元3正在轴线处碰撞，而微元2正在向轴线闭合。微元4经轴线碰撞后分成射流和杵两部分，因二者速度差显著，碰撞后快速分离，微元3刚好填补微元4射流后部空间并发生碰撞，同样形成射流和杵体两部分。随后，微元2、微元1依次在轴线上闭合、碰撞和分离，由此完成射流和杵体形成过程。

高能炸药爆炸驱动药型罩形成射流和杵体空间位置及速度分布如图1.3（c）所示。在空间位置上，射流与微元位置的顺序刚好相反，而杵体则与微元位置的顺序一致。在速度分布上，射流首、尾速度分布约为3～10 km/s范围，杵体首、尾速度分布约为0.8～1.5 km/s范围。从射流和杵体速度梯度分布影响看，除了显著依赖于炸药类型和药型罩材料、锥角、壁厚及母线形状外，还与壳体材料及厚度、装药形状及长径比、起爆方式等有关。一般来说，在其他因素一定的条件下，炸药爆压越高、罩锥角越小、罩壁越薄，速度梯度越高。

在实际应用中，为满足不同需要，通过调控药型罩形状及结构、起爆方式等可以形成不同类型的聚能侵彻体，如JET、JPC、EFP等。

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图1.3　聚能装药爆炸驱动药型罩形成射流行为及速度分布

1.聚能射流

一般而言，药型罩锥角在30°～60°范围时，聚能装药爆炸形成射流，是反坦克导弹穿透主装甲的主要手段。射流形状细长，轴向速度梯度大，头部速度最高，可达7～10 km/s，尾部速度为3～4 km/s，杵体平均速度为1 km/s左右。射流平均直径约为药型罩外径的1/20，质量约占约药型罩质量的20%。

另外，受药型罩材料延展性和轴向速度梯度影响，射流拉伸至一定长度后会发生颈缩甚至断裂，导致穿深和毁伤能力显著下降。也就是说，从高效毁伤的角度看，射流只有在某一有利炸高范围才能发挥穿深和毁伤优势。对于大多数破甲战斗部而言，有利炸高在10倍装药直径（Charge Diameter，CD）以下。在有利炸高下，中小口径铜罩聚能战斗部具备侵彻4～8 CD厚度均质装甲（RHA）的穿深能力，大口径铜罩聚能战斗部具备侵彻8～10 CD厚度RHA的穿深能力。典型聚能装药爆炸驱动铜质药型罩射流成形行为如图1.4所示。

2.爆炸成型弹丸

爆炸成型弹丸是一种通过聚能装药爆炸驱动大锥角药型罩形成的大尺寸、无速度梯度聚能侵彻体，是反坦克末敏弹、反坦克地雷、反直升机地雷、反潜鱼雷等打击和毁伤目标的主要手段。一般而言，药型罩锥角在120°～160°范围时，在聚能装药爆轰作用下，罩内、外壁不再产生能量分配，而是以翻转方式形成特定形状和长径比、中前部密实、后部空心的弹丸，速度约为2 km/s。

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图1.4　典型聚能射流成形行为

显著不同于聚能射流，由于爆炸成型弹丸无轴向速度梯度，随着时间推移不会发生颈缩和断裂。也就是说，气动外形良好的爆炸成型弹丸能在大炸高下保持形态稳定，发挥显著的毁伤优势。研究表明，在1 000 CD甚至更大炸高下，中大口径铜质爆炸成型弹丸战斗部具备贯穿0.6～0.8 CD厚度RHA的能力，孔径约为0.3 CD。典型爆炸成型弹丸成形行为如图1.5所示。

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图1.5　典型爆炸成型弹丸成形行为

3.杆式射流

杆式射流是一种介于聚能射流和爆炸成型弹丸之间的聚能侵彻体，头部速度可达4 km/s左右，尾部速度为2.5 km/s左右。从穿靶能力上看，杆式射流远不如聚能射流强，但穿靶孔径更大，后效毁伤更强。与爆炸成型弹丸相比，杆式射流的头部速度更高，尾部速度相差不是很大，长径比和比动能更大，穿靶能力更强，但后效毁伤不如爆炸成型弹丸。

与聚能射流相比，杆式射流的轴向速度梯度要小得多，但径向尺寸更大，随着时间推移，也会发生颈缩甚至断裂，但所需时间更长，一般在250 μs以上，使其具备在更大炸高下毁伤目标的优势。研究表明，10 CD炸高下，中大口径铜杆式射流战斗部具备贯穿3.5 CD厚RHA的穿深能力，50 CD炸高下，具备贯穿2 CD厚RHA的穿深能力。典型杆式射流成形行为如图1.6所示。

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图1.6　典型杆式射流成形行为

聚能效应的分类与特征

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