聚能技术的发展的分析介绍

有关聚能效应现象的认识最早可追溯到19世纪末，1883年，福斯特实验发现，与无凹穴柱形装药相比，一端带凹穴柱形装药对靶板的毁伤更严重。1894年，门罗研究发现，在装药凹穴表面增贴一层薄金属罩体，爆炸作用可穿透一定厚度的钢板，这一具有里程碑意义的发现，揭开了聚能效应及其弹药战斗部技术研究的序幕。正因如此，聚能效应也称为门罗效应。

第二次世界大战期间，坦克等装甲战车大量投入战场，推动了聚能效应及反坦克弹药技术发展，包括反坦克枪榴弹、反坦克炮射破甲弹、反坦克火箭破甲弹等。特别是脉冲X光技术应用，为聚能装药理论及技术研究与发展提供了重要手段。利用脉冲X光技术，德国学者首次观察到了装药爆炸驱动药型罩压垮和聚能射流形成过程。随后，各国学者开始着手系统研究药型罩材料及结构（形状、锥角、壁厚等）、炸高、炸药类型、隔板等对聚能射流成形行为和侵彻效应影响的问题。1948年，Birkhoff等基于聚能射流成形行为和侵彻机理研究，建立了射流侵彻定常理想流体力学理论。1952年，Pugh等在考虑射流速度梯度分布影响的条件下，建立了射流侵彻准定常流体力学理论。1963年，Allison等基于虚拟原点法，实验验证了聚能射流非定常形成理论。1975年，Gedunov等基于率相关黏塑性材料本构方程，提出了射流成形黏塑性理论。1986年，Tate等建立了射流侵彻一维修正Bernoulli方程。

总体而言，目前有关聚能效应成形及侵彻理论和应用技术的发展都已比较成熟，特别是非线性动力学数值方法及大型商用分析软件的发展，为聚能效应及技术研究提供了重要手段。但是，新战场目标的不断涌现和抗毁伤能力的不断提高，对聚能弹药战斗部毁伤模式、毁伤机理和毁伤能力提出了新的挑战，新材料、新技术、新应用成为推动聚能技术发展的关键。

1.药型罩材料

药型罩作为聚能技术的核心，其材料性能直接影响聚能侵彻体的成形行为及毁伤能力。按打击目标类型、毁伤机理和毁伤模式的不同，药型罩材料大致可分为三类，一是反装甲类大穿深药型罩材料，二是反混凝土类硬目标大破孔药型罩材料，三是反多种类目标穿爆毁伤活性药型罩材料。

1）大穿深药型罩材料

对于反装甲类大穿深聚能战斗部，从聚能侵彻体成形看，药型罩具备高声速、高延塑性、高熔点是关键，从毁伤能力上看，药型罩还需具备高密度。

紫铜是国内外应用最广泛的药型罩材料，它除了密度大（8.9 g/cm3）、声速高（4.7 km/s）、延塑性好、破甲性能优良外，还得益于药型罩制备工艺成熟、材料丰富、价格低，既可电镀、旋压，也可机加。目前，紫铜药型罩技术发展主要集中在两个方面，一是晶粒结构及尺寸、再结晶温度、杂质含量等对射流性能的影响；二是药型罩制备工艺对射流性能的影响。研究表明，在相同聚能装药条件下，与旋压铜罩破甲能力相比，电铸铜罩破甲穿深可提高20%左右。

为了提高穿深和毁伤能力，世界各国大力发展其他高性能药型罩材料技术，如钽罩、钼罩、镍罩、钨罩、钨钼罩、钨镍罩、钨铜罩等。

钽的密度高（16.6 g/cm3）、动态延塑性好，并具有一定的燃烧性，但声速相对较低（3.34 km/s），不利于形成高速射流。另外，钽熔点高（2 996℃），难以通过熔炼和塑加法制备药型罩，而且材料价格高。研究表明，采用粉末冶金法制备的钽罩晶粒细小、组织均匀，可形成凝聚性良好的钽爆炸成型弹丸。目前，钽罩主要应用于中大口径爆炸成型弹丸弹药战斗部，与铜爆炸成型弹丸相比，钽罩的侵深可提高20%左右。

钼的密度（10.2 g/cm3）和声速（5.12 km/s）均高于铜，动态延塑性良好，是理想的药型罩材料，但制备工艺复杂、难度大，国内相关技术尚不够成熟。据报道，美国陆军装备研发工程中心采用锻造法成功研制出了高性能钼罩，形成的射流连续性、稳定性良好，头部速度可达12 km/s左右。在相同装药条件下，与铜射流相比，钼射流破甲深度可提高35%左右，而且钼射流的直径更大，具备对装甲内部技术装备和人员更强的后效毁伤能力。

镍的密度（8.91 g/cm3）和熔点（1 453℃）均与铜相当，延塑性优良，而且声速（5.64 km/s）较铜高。研究表明，镍罩形成射流的头部速度可达11 km/s左右，在相同装药条件下，与铜射流相比，镍射流头部速度可提高15%左右。据报道，美国AGM-114海尔法Ⅱ型反坦克导弹采用的就是镍罩。

钨也具有高密度（19.2 g/cm3）、高声速（4.03 km/s）、高熔点（3 380℃）等优势，且动态延塑性良好，可形成细长连续射流。但钨熔点高，药型罩难以一次冲压锻造成型，一般需通过粉末烧结锻造车削法和化学气相沉淀法制备。据报道，英国已成功研制出纯钨罩，其破甲性能显著优于铜罩。

事实上，不管采用哪种金属药型罩，要实现破甲穿深能力的提高，都有赖于提高射流速度梯度和增加连续射流长度。对于纯金属药型罩来说，除了铜罩以外，其他都在相当程度上存在工艺难度，成本也大幅提高。着眼于不同聚能战斗部的应用需要，研究合金药型罩技术，如钨钼罩、钨镍罩、钨铜罩等，利用各金属组分的性能优势，显著提高射流综合性能，成为另一重要发展方向。

2）大破孔药型罩材料

大破孔药型罩材料技术主要应用于反混凝土类硬目标（机场跑道、碉堡工事、飞机洞库等）串联随进战斗部。从战术使用看，这类聚能战斗部并非以追求大穿深为目标，而是在具备一定穿深能力的前提下增大贯穿通道孔径。目前，大破孔药型罩的典型应用大致有两类，一类是低着速串联随进反跑道弹药，另一类是低着速串联随进攻坚弹药。在作用原理上，它们都是利用前级聚能战斗部的大孔径侵彻效应，为后级战斗部进入目标内部爆炸提供随进通道。前级形成侵彻通道直径越大，后级随进口径及爆炸威力就越大。

从中大口径低着速串联随进反跑道弹药战术使用看，考虑到着靶姿态、角度及跑道强度等级等因素，前级聚能战斗部应具备有效贯穿厚度450 mm以上C35混凝土并形成不小于0.8倍弹径贯穿通道直径的能力。目前，国内外普遍采用大曲率铝合金药型罩，利用装药爆炸形成大尺寸聚能侵彻体，其侵彻混凝土过程中的高压、高温引发局部气化效应，实现大孔径侵彻。通过合理调控药型罩及装药结构设计，甚至可实现同口径随进，发挥反跑道毁伤优势。

从中大口径低着速串联随进攻坚弹药战术使用看，考虑到着靶条件和碉堡工事、飞机洞库目标特性等因素，前级聚能战斗部应具备一举贯穿厚度在800 mm以上C35钢筋混凝土并形成不小于0.3倍弹径贯穿通道直径的能力。目前，国内外普遍采用大锥角钛合金药型罩，形成类杆流高速钛合金侵彻体，其侵彻钢筋混凝土靶过程中的高压、高温引发局部气化效应，实现大孔径贯穿。

3）穿爆毁伤活性药型罩材料

近20年来，活性/含能药型罩及其应用技术得到了快速发展。从材料技术看，活性药型罩技术颠覆了传统金属或合金类药型罩技术理念，另辟蹊径，创制兼备类金属强度和类炸药能量双重属性的活性毁伤材料药型罩技术，通过装药爆炸形成类射流、类杆流、类弹丸等高速可爆聚能侵彻体，使毁伤机理从单一动能贯穿毁伤，向动能贯穿与化学能爆炸（穿爆）时序联合毁伤跨越，从而为聚能弹药战斗部高效打击和毁伤多种类目标开辟了新途径。

特别是应用于反轻中型装甲目标（战车、潜艇、舰船等）弹药，可大幅提升对装甲内部技术装备和人员的内爆毁伤；应用于反本体功能型混凝土类硬目标（机场跑道、轨条砦、桥梁桥墩、水库大坝等）弹药，单级战斗部即可显著发挥聚能-爆破两级串联战斗部的毁伤效能，大幅提升对目标的结构爆裂毁伤能力；应用于反防护功能型混凝土类目标（碉堡工事、飞机洞库等）弹药，既可采用两级串联战斗部体制，大幅提升贯穿通道直径和后级随进毁伤威力，也可由单级聚能战斗部发挥聚能-爆破两级串联战斗部的毁伤效能。

目前，这项具有颠覆性的聚能毁伤技术已得到全面推广应用，成为推动和引领新一代聚能弹药战斗部技术发展的重大核心技术。

2.药型罩结构

在选定药型罩材料的条件下，药型罩结构成为聚能效应成形行为和毁伤能力的关键。药型罩结构多样，按母线形状的不同，大致可分为单一形状药型罩（单锥罩、双锥罩、曲率罩、喇叭罩等）、异形组合药型罩（圆柱-截锥罩、圆柱-球缺罩、W形罩、褶皱形罩等）和复合结构药型罩等类型。另外，按壁厚的不同，药型罩还可分为等壁厚药型罩和变壁厚药型罩。

1）单一形状药型罩

锥形罩是最常用的药型罩结构，如图1.10（a）所示，通过调控锥角大小可以形成不同形貌、尺寸及速度梯度分布的聚能侵彻体。一般而言，射流型药型罩锥角多选用30°～60°范围，锥角越小，形成射流头部速度越高，穿深能力越强，但对称性要求高，稳定性往往变差。为提高射流头部速度、稳定性和穿深能力，也常采用双锥罩，如图1.10（b）所示。当锥角增大至80°～110°时，形成的聚能侵彻体头部速度下降，侵彻能力变弱，但尺寸变大，穿孔直径变大。继续增大锥角至120°～160°或过渡为大曲率罩时，如图1.10（c）所示，不再形成射流，而是翻转形成爆炸成型弹丸。除锥形罩外，为提高中大口径聚能战斗部的穿深能力，也常采用喇叭罩。喇叭罩是一种变锥角药型罩，顶部锥角小，底部锥角大，既增大了母线长度，又提高了炸药装药量，从而提高了射流头部速度和稳定性，增强了穿深能力，但精度要求高，如图1.10（d）所示。

2）异形组合药型罩

在炸药装药相同的条件下，喇叭罩形成的射流速度最高，锥形罩次之，曲率罩最低。为弥补单一形状药型罩的不足，异形组合药型罩技术得到发展及应用，如圆柱-截锥罩、圆柱-曲率罩、W形罩、褶皱形罩等，如图1.11所示。

图1.10　典型单一形状药形罩

与单一形状药型罩相比，圆柱-截锥罩形成的射流头部速度更高，侵彻能力更强，如图1.11（a）所示，而圆柱-曲率罩则既可提高穿深能力，又能增大侵孔直径，如图1.11（b）所示。另外，随着药型罩制造工艺及装药技术的发展，诸多异形复杂结构药型罩也得到了应用，如具有二次射流效应的W形罩和褶皱形罩等，如图1.11（c）和（d）所示。这类药型罩主要是通过改变聚能侵彻体成形行为，实现穿深和毁伤能力的提高。

图1.11　典型异形组合药型罩

3）复合结构药型罩

复合结构药型罩指由两个或多个不同材料药型罩相互叠合而成的药型罩类型，相邻药型罩之间既可紧密贴合，也可带有一定间隙。研究表明，与传统单一材料药型罩相比，复合结构药型罩的能量转换机制更为合理，炸药爆炸能量利用率更充分。典型双层复合结构药型罩如图1.12所示。

研究表明，对于小锥角双层复合结构药型罩而言，如图1.12（a）和（b）所示，通过合理调控内、外层药型罩材料与壁厚，可形成少杵体甚至无杵体高速射流。与单层铜罩相比，铝-铜双层复合结构药型罩形成的复合射流头部速度更高，穿深能力可提高20%以上，是解决射孔弹杵堵的有效途径。

对于大锥角或球缺双层复合结构药型罩，如图1.12（c）和（d）所示，通过合理调控药型罩材料、形状和壁厚，可形成速度梯度小、长径比大、连续或分离随进式类爆炸成型弹丸侵彻体，显著增强对多层间隔靶的侵彻和毁伤能力，在反爆炸反应装甲、反装甲战车、反舰反潜等方面有重要应用前景。

图1.12　典型双层复合结构药型罩

3.聚能技术应用

聚能技术在军事和民用领域均有广泛的应用，特别是在反装甲和反混凝土弹药上应用更是重要，如反坦克导弹、反坦克炮弹、反坦克末敏弹、轻型反潜鱼雷、反跑道弹药、攻坚弹药、反坦克地雷、反直升机地雷等。

（1）反坦克导弹。随着爆炸反应装甲在主战坦克上广泛应用，国内外反坦克导弹大多采用两级串联聚能战斗部设计，前级聚能战斗部用于引爆反应装甲，后级聚能主战斗部用于贯穿坦克主装甲。前、后两级战斗部通过起爆延时规避前级引爆反应装甲对后级主射流造成干扰，一举穿透和毁伤坦克。

（2）反坦克末敏弹。末敏弹是一种通过大口径火炮或火箭发射的顶攻式反坦克弹药，母弹飞行至坦克上空一定高程处抛撒末敏子弹，末敏子弹经减速减旋后，利用红外、毫米波、激光等探测手段空中螺旋扫描搜索坦克，一经识别坦克，末敏子弹即时爆炸形成高速爆炸成型弹丸，以顶攻方式毁伤坦克。

（3）轻型聚能鱼雷。轻型鱼雷战斗部装药量少，利用水中爆炸冲击波和气泡脉动效应，往往难以发挥一举击沉潜艇的毁伤效果。目前，国内外轻型鱼雷普遍采用聚能战斗部定向打击方式，大锥角药型罩聚能战斗部爆炸形成高速爆炸成型弹丸，击穿潜艇非耐压和耐压壳体，毁伤内部技术装备和杀伤人员。

（4）低空布撒反跑道弹药。机载布撒器、巡航导弹是携带子弹药的重要武器平台，低空布撒反跑道弹药成为高效打击和毁伤机场跑道的重要手段。但是，由于受母弹平台低空低速布撒的局限，子弹药着速和动能往往不足，难以直接贯穿跑道混凝土面层并进入碎石层内爆炸和毁伤跑道。聚能-爆破两级串联战斗部结构设计，成为低着速反跑道弹药的重要制式，即先利用前级聚能战斗部爆炸形成高速大尺寸聚能侵彻体，一举贯穿跑道混凝土面层并形成大孔径通道，使后级爆破战斗部随进跑道内部爆炸。

（5）两级串联战斗部结构钻地弹。钻地弹是打击深层工事等钢筋混凝土类坚固目标的重要武器。目前，国内外钻地弹主要有两种制式，一种是聚能-侵彻式两级串联战斗部结构，另一种是动能侵彻整体战斗部结构。对于两级串联战斗部钻地弹，先利用前级聚能战斗部爆炸形成大尺寸高速聚能侵彻体，侵入目标内部一定深度后，再利用后级战斗部动能侵彻作用，一举贯穿坚固目标。两级串联战斗部结构钻地弹的主要技术优势是，能显著降低对着速、弹体结构强度和装药安定性等的要求，主要不足除结构复杂外，前级聚能战斗部开坑孔径往往比较有限，而且会对后级战斗部侵彻能力造成一定不利影响。

（6）火箭攻坚弹。火箭攻坚弹是打击碉堡工事、轻型装甲战车等目标的重要手段。火箭攻坚弹着速和侵彻能力有限，为了有效贯穿800～1 200 mm厚钢筋混凝土墙，普遍采用两级串联战斗部结构设计，前级为聚能战斗部，后级为杀爆战斗部。利用前级聚能战斗部爆炸形成的大尺寸高速聚能侵彻体，一举贯穿钢筋混凝土墙，并形成不小于0.3倍弹径的贯穿通道，后级杀爆战斗部则利用自身速度随进目标内部爆炸，杀伤人员，毁伤技术装备。