图4.27活性聚能战斗部对间隔靶毁伤效应实验方法实验中，活性聚能战斗部口径为48 mm，在炸高筒的支撑下，置于多层间隔靶顶部15 mm厚的45钢钢锭上。实验结果表明，与铜射流相比，活性聚能侵彻体能够产生明显的后效增强毁伤效应。图4.31铜药型罩聚能装药对间隔靶毁伤效应......
2023-06-18
钢靶毁伤增强效应的研究
【摘要】：炸高为0.5 CD、1.0 CD与1.5 CD时，在动能与化学能联合作用下，爆裂毁伤效应导致钢靶裂为多个碎块。实验结果列于表4.2，在不同炸高条件下钢靶毁伤效应如图4.17所示，钢靶侵孔剖面如图4.18所示。从图4.17可以看出，在不同炸高条件下，活性聚能战斗部对钢靶毁伤增强效应显著不同。
对于活性药型罩聚能装药，在主装药爆炸驱动下，活性药型罩形成聚能侵彻体，不仅可以像传统惰性金属聚能侵彻体一样侵彻或贯穿目标，更重要的是，其进入目标内部后可发生爆燃反应，释放大量气体产物及化学能。也就是说，活性聚能侵彻体可通过动能侵彻和强烈内爆两种毁伤机理的联合作用，对目标造成更为致命的结构爆裂毁伤，甚至局部结构解体毁伤。
1.低密度活性聚能侵彻体对钢靶毁伤效应
典型活性药型罩材料为PTFE/Al、PTFE/Ti等配方体系，通过调节铝粉、钛粉等组分含量，可调控活性材料密度，同时可保证活性材料反应释放的化学能和气体产物量，这类活性药型罩材料密度一般为2.0～3.0 g/cm3。
1）中大口径活性药型罩聚能装药
中大口径活性聚能战斗部作用钢靶实验原理及靶场布置如图4.15所示，实验系统主要由活性药型罩、主装药、炸高支架、钢靶等组成。活性药型罩口径为90 mm，炸高H分别选择0.5 CD、1.0 CD、1.5 CD与2.0 CD，以对比炸高对毁伤效应的影响。靶板材料为45钢，直径、高度均为200 mm。
图4.15 活性聚能战斗部作用钢靶实验
口径为90 mm的活性聚能战斗部在4种炸高条件下对钢靶毁伤实验结果列于表4.1。可以看出，随着炸高从0.5 CD增加到2.0 CD，活性聚能侵彻体侵彻深度先增加后减小，而侵孔直径逐渐减小；尤其当炸高从1.5 CD增加至2.0 CD时，侵彻深度降低约22%。对金属铜射流而言，在合适炸高下，侵彻深度一般为3～5 CD，侵孔直径为0.2～0.4 CD。相比之下，活性聚能侵彻体侵孔直径明显增大，具体表现为，炸高为0.5～2.0 CD时，侵孔直径为0.58～0.76 CD，但活性聚能侵彻体侵彻深度下降显著，炸高为1.5 CD时，最大侵彻深度仅为1.22 CD。
表4.1 活性聚能战斗部对钢靶毁伤实验结果
在不同炸高条件下，活性聚能战斗部对钢靶毁伤效应如图4.16所示。可以看出，炸高对钢靶爆裂毁伤模式影响显著。炸高为0.5 CD、1.0 CD与1.5 CD时，在动能与化学能联合作用下，爆裂毁伤效应导致钢靶裂为多个碎块。同时，侵孔内或侵孔周围还形成多条裂纹，且裂纹数量、大小均与炸高紧密相关。炸高为0.5 CD时，钢靶裂为6块，且最大钢靶碎块上产生2条大裂纹及1条小裂纹，且大裂纹贯穿整个钢靶，如图4.16（a）所示。炸高为1.0 CD时，钢靶裂为两块，也可观察到钢靶碎块上产生显著裂纹，如图4.16（b）所示。炸高为1.5 CD时，钢靶裂为两块，但未观察到裂纹，如图4.16（c）所示。然而，炸高为2.0 CD时，活性聚能侵彻体对钢靶毁伤效应显著下降，钢靶侵孔周围仅可观察到两条大裂纹，钢靶未发生破碎，如图4.16（d）所示。
图4.16 不同炸高条件下活性聚能战斗部对钢靶毁伤效应
此外，从图4.16还可看出，钢靶断裂面均较为平整，裂纹呈韧窝状，圆柱形钢靶表现产生剪切式破坏，裂纹呈现典型厚靶拉伸平断口破裂方式。钢靶上形成的裂纹均由侵孔内表面沿径向向钢靶外表面扩展，且靠近侵孔内表面的裂纹较宽，并不断变窄。与此同时，侵孔通道上、下直径基本一致，且侵孔通道内、钢靶爆裂面以及钢靶表面均附着有黑色活性材料反应产物。
2）中小口径活性药型罩聚能装药
活性药型罩口径为66 mm，炸高分别选择0.5 CD、1.0 CD与1.5 CD，45钢钢靶直径为120 mm，高度为100 mm。实验结果列于表4.2，在不同炸高条件下钢靶毁伤效应如图4.17所示，钢靶侵孔剖面如图4.18所示。
表4.2 活性聚能战斗部对钢靶毁伤实验结果
图4.17 不同炸高条件下活性聚能战斗部对钢靶毁伤效应
图4.18 钢靶侵孔剖面
从表4.2可以看出，66 mm口径活性聚能战斗部对钢靶的侵彻深度在炸高0.5～1.5 CD之间变化较小，侵彻深度介于0.73～0.79 CD；但当炸高从1.5 CD增加到2.0 CD时，侵彻深度从0.76 CD迅速下降至0.45 CD，下降幅度约为40.7%。炸高对侵孔直径的影响较显著，随着炸高从0.5 CD增加到2.0 CD，被侵彻钢靶上表面侵孔直径从0.91 CD下降到0.59 CD。
从图4.17可以看出，在不同炸高条件下，活性聚能战斗部对钢靶毁伤增强效应显著不同。具体表现为，炸高为0.5 CD时，钢靶裂为两块，侵孔周围形成4条大裂纹；炸高为1.0 CD时，钢靶未开裂，形成的4条裂纹中3条贯穿钢靶表面；当炸高为1.5 CD和2.0 CD时，钢靶侵孔周围未产生裂纹。此外，钢靶表面及侵孔通道内均被黑色活性材料反应产物覆盖，这主要是因为PTFE/Al活性材料瞬态爆燃反应时空气中氧含量不足，氧化还原反应形成单质碳。
从图4.18可以看出，在活性聚能侵彻体动能侵彻和爆燃反应内爆耦合作用下，钢锭内部爆炸毁伤痕迹明显，整个侵坑内部在活性材料爆燃作用下出现凹凸不平的毁伤痕迹，表现为被侵彻钢靶侵孔剖面不平整，尤其是在炸高较小时，这种不平整现象更明显。还可以看出，炸高为0.5 CD时，整个侵孔直径自上而下相差不大；炸高增至1.0 CD时，侵孔上半部分直径均匀变化，中间位置直径迅速减小至最大孔径的一半；当炸高为1.5 CD时，侵孔通道相较细长；当炸高为2.0 CD时，活性聚能侵彻体在钢靶上仅形成较浅的侵坑。
2.高密度活性聚能侵彻体对钢靶毁伤效应
在传统PTFE/Al、PTFE/Ti活性材料体系的基础上，添加其他金属或金属氧化物，如Ni、Cu、Pb、W等高密度惰性金属粉体和Fe3O4、MnO2、Bi2O3等金属氧化物，一方面可提高活性药型罩密度，另一方面可改善活性聚能侵彻体的延展性及含能量，从而提高活性聚能侵彻体对目标的毁伤威力。
选用PTFE、Al、Cu和Pb四种组分，经冷压成型和烧结硬化制备出口径为100 mm、密度约为5.1 g/cm3的活性药型罩，研究高密度活性药型罩聚能装药对钢靶毁伤效应。钢靶由直径均为130 mm，厚度分别为200 mm、100 mm和50 mm的钢锭组成，炸高H分别选择0.5 CD、1.0 CD、1.5 CD和2.0 CD。
高密度活性药型罩聚能装药作用钢靶的侵彻深度及侵孔直径列于表4.3。从表中可以看出，炸高为1.5 CD时，对钢靶侵彻深度可达3.35 CD。与表4.1中低密度活性聚能侵彻体对钢靶的侵彻深度1.22 CD相比，在相同炸高条件 下，PTFE/Al/Cu/Pb比PTFE/Al活 性 聚 能 侵 彻 体 的 侵 彻 深 度 提 高 约1.75倍。这主要是因为，与PTFE/Al活性药型 罩相比，一 方面，PTFE/Al/Cu/Pb活性药型罩密度较高；另一方面，在PTFE/Al基础配方里添加Cu粉与Pb粉可以增加活性聚能侵彻体的延展性，在共同作用下，PTFE/Al/Cu/Pb活性药型罩聚能装药的侵彻深度大幅提高。
表4.3 高密度活性药型罩聚能装药侵彻钢靶实验结果
在不同炸高条件下，高密度活性聚能侵彻体对钢靶毁伤效应如图4.19所示。PTFE/Al/Cu/Pb活性聚能侵彻体在侵孔通道内发生剧烈爆燃反应，释放大量化学能及气体产物，导致钢靶发生严重爆裂，形成若干碎块。炸高为0.5 CD时，在高密度活性聚能侵彻体动能与化学能联合作用下，1号钢靶碎裂为一个大块和若干小块，但未穿透2号钢靶。炸高为1.0 CD时，1号钢靶碎裂为2个大块和若干小小块，虽未穿透2号钢靶，但在2号钢靶入孔处产生两条交叉裂纹。炸高为1.5 CD时，1号钢靶碎裂为2个大块和2个小块，2号钢靶被穿透，但3号钢靶未被穿透。随着炸高增至2.0 CD，1号钢靶未发生碎裂，仅形成一条贯穿裂纹，2号钢靶被穿透，3号钢靶未被穿透。在PTFE/Al/Cu/Pb活性聚能侵彻体动能侵彻与爆燃反应内爆耦合作用下，1号钢靶会发生严重碎裂，且这种碎裂行为受炸高影响显著。
3.复合结构活性聚能侵彻体对钢靶毁伤效应
通过活性药型罩部分替代金属药型罩，即可获得复合结构活性药型罩聚能装药。活性药型罩对金属药型罩的替代方式主要分为两种，一是药型罩顶部使用活性材料，下半部分使用金属，在爆炸驱动下，利用活性射流与金属射流的时序作用差异，实现高效毁伤；二是通过活性药型罩替代双层或多层药型罩的一层，结合传统金属射流的高密度、高延展性和活性聚能侵彻体的内爆毁伤优势，联合发挥活性药型罩与传统金属药型罩综合毁伤优势。
图4.19 高密度活性聚能侵彻体对钢靶毁伤效应
实验中，复合结构活性药型罩口径为50 mm，靶板材料为45钢，总厚度为250 mm，由厚度分别为100 mm、50 mm、30 mm、20 mm、20 mm和30 mm的钢锭组成。炸高分别选择1.0 CD、2.0 CD和2.5 CD。复合结构活性药型罩聚能装药对钢靶侵彻深度和每块钢靶侵孔直径列于表4.4。
表4.4 复合结构活性药型罩聚能装药侵彻钢靶实验结果
在3种炸高条件下，复合结构活性聚能侵彻体对钢靶的侵彻深度均超过3.0 CD；炸高为2.5 CD时，最大侵彻深度可达3.72 CD。与表4.1中90 mm口径低密度活性聚能侵彻体最大侵彻深度1.22 CD相比，复合结构活性聚能侵彻体侵彻深度增加约2倍；与表4.2中66 mm口径低密度活性聚能侵彻体最大侵彻深度0.79 CD相比，复合结构活性聚能侵彻体的侵彻深度增加约3.7倍。
在不同炸高条件下，复合结构活性药型罩聚能装药对钢靶毁伤效应如图4.20所示。从图中可以看出，复合结构活性药型罩聚能装药侵彻钢靶后，各块钢靶入孔和出孔周围均不同程度地分布有黑色的活性材料爆燃反应产物。相比较而言，第一块钢靶上表面烟气熏黑痕迹最强，且入孔周围分布有细小裂纹；在3种炸高条件下，第三块钢靶正面黑色痕迹依然明显，尤其是当炸高为1.0 CD时，第三块钢靶正面几乎全被活性材料爆燃产物所覆盖。事实上，钢靶上黑色残留与进入侵孔内的活性材料质量呈正比关系，且对钢靶破坏模式有显著影响。
从实验结果还可看到，复合结构活性药型罩聚能装药技术体现了一种新的毁伤机理，结合了金属射流的侵彻能力和活性材料爆燃化学能释放效应。在合理设计复合结构活性药型罩聚能装药结构的前提下，充分发挥金属射流和活性射流各自的优势，可大幅提升聚能装药结构对目标毁伤效应。
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