与此同时，活性聚能侵彻体后部杵体形成，变形过程中温度继续升高，由于未到达激活弛豫时间，未发生反应。图3.2类射流活性聚能侵彻体化学能分布式释放计算模型根据类射流活性聚能侵彻体的形状，其可分为头部、中部及杵体3部分。式即类射流活性聚能侵彻体化学能随时间分布释放模型。在空间尺度上，类射流活性聚能侵彻体不断拉伸、运动。......
2023-06-18
活性聚能侵彻体的侵彻机理
【摘要】：图4.20复合结构活性药型罩聚能装药对钢靶毁伤效应图4.21活性聚能战斗部作用钢靶毁伤原理对于所给定的聚能装药结构，炸高对活性聚能侵彻体成形和侵彻效应影响显著。由于反应弛豫时间存在，活性聚能侵彻体发生化学反应之前，才能对目标产生类似惰性侵彻体的侵彻毁伤行为。由图4.23还可得到，活性聚能侵彻体侵彻钢靶的侵彻规律与金属铜射流大致相同，即侵彻深度随着侵彻时间呈指数增长趋势。
活性聚能战斗部作用钢靶毁伤原理如图4.21所示。活性聚能战斗部作用钢靶主要分为3个阶段：首先，活性聚能战斗部在装药爆炸驱动作用下形成活性聚能侵彻体，如图4.21（b）所示；随后，活性聚能侵彻体高速侵彻钢靶，产生具有一定深度和直径的侵孔，如图4.21（c）所示；最后，剩余活性聚能侵彻体发生剧烈爆燃反应，释放大量化学能和气体产物，导致侵孔内压力骤升，对钢靶造成二次结构毁伤增强效应，如图4.21（d）所示。
图4.20 复合结构活性药型罩聚能装药对钢靶毁伤效应
图4.21 活性聚能战斗部作用钢靶毁伤原理
对于所给定的聚能装药结构，炸高对活性聚能侵彻体成形和侵彻效应影响显著。炸高对活性聚能侵彻体侵彻威力的影响可从4方面进行分析：一是随着炸高的增加，活性聚能侵彻体得到有效拉伸，从而增加侵彻深度；二是炸高增加，伸长后的活性聚能侵彻体产生径向分散和摆动，延伸至一定程度后产生缩颈，甚至出现空穴或断裂现象，稳定性降低，导致侵彻深度减小；三是活性聚能侵彻体在成形过程中可能被激活，炸高越大，活性聚能侵彻体碰靶所需时间越长，发生反应的活性材料越多，不利于侵彻威力发挥；四是随着炸高增加，活性聚能侵彻体拉伸长度大、直径小，在一定弛豫时间内，进入破甲孔内的活性材料质量减少，释放化学能减少，从而影响对目标爆裂毁伤效应。
1.类惰性射流侵彻模型
在成型装药高应变率爆轰加载下，活性药型罩发生剧烈变形，首先导致活性材料内部温度快速升高，形成热点并发生局部点火反应，爆轰压力继续作用及活性药型罩进一步变形，所形成的活性聚能侵彻体最终发生整体爆燃反应。但需要特别说明的是，从活性材料激活至最终发生化学反应，不仅需要足够高的爆轰冲击波压力，还需要一定的压力持续时间，该时间间隔即活性聚能侵彻体的反应弛豫时间。由于反应弛豫时间存在，活性聚能侵彻体发生化学反应之前，才能对目标产生类似惰性侵彻体的侵彻毁伤行为。
在类惰性射流侵彻模型的建立中，假设所有活性材料到达反应弛豫时间后瞬间起爆，且所有化学能均是一次性释放。根据惰性射流准定常不可压缩流体力学理论，忽略靶板强度效应，基于虚拟原点理论，可得图4.22所示类惰性射流侵彻厚钢靶理论模型。图中，纵轴y为轴向距离，且以活性药型罩底部坐标为原点；横轴为时间t，且以爆轰波到达装药底部为0时刻；t0为活性射流成形时间，τ为活性射流反应弛豫时间，H为炸高，BP为类惰性射流深度随时间变化曲线，BM为活性射流侵彻深度随时间变化曲线。
与M点对应的侵彻深度为L，由图中的几何关系可知
式（4.1）对t微分，因（H-a）为常数，且dL/dt=u，可得
对式（4.2）积分，得
图4.22 类惰性射流侵彻厚钢靶理论模型
将反应弛豫时间τ带入式（4.1），可得
对于理想不可压缩流体有
由式（4.5），可得
将式（4.6）代入式（4.4），可得
式（4.7）也可转化为侵彻深度L和反应弛豫时间τ的关系：
式中，ρt与ρj分别为靶板和活性聚能侵彻体的密度；（ta，a）为虚拟原点的坐标，具体值可通过数值模拟，利用最小二乘法计算获得。
式（4.8）即准定常条件下活性射流侵彻模型。与准定常理想流体力学金属射流侵彻模型相比，引入了活性射流反应弛豫时间τ，更进一步说明了活性射流侵彻过程与活性材料反应弛豫时间显著相关。
从活性聚能侵彻体侵彻模型可知，侵彻深度除与炸高，靶板密度，活性聚能侵彻体的密度、头部速度相关外，还显著受活性材料反应弛豫时间影响。活性材反应弛豫时间为零时，活性药型罩在爆轰波作用初始时刻即发生剧烈化学反应，因此无法形成聚能侵彻体；若反应弛豫时间小于活性射流成形时间t0，活性药型罩虽然可以形成活性聚能侵彻体，但是在侵彻靶板前，活性材料即发生爆燃反应，导致侵彻深度依然为零；若反应弛豫时间小于对应类惰性射流侵彻时间，则随着反应弛豫时间的增加，侵彻深度增加；若反应弛豫时间足够长，即侵彻深度会达到最大侵彻深度Lmax，此时，反应弛豫时间不对侵彻深度造成影响。
以90 mm口径活性药型罩聚能装药侵彻钢靶为例，根据准定常条件下活性射流侵彻模型，可得到不同炸高下活性聚能侵彻体对钢靶侵彻深度与反应弛豫时间关系，如图4.23所示。理论上，对于给定的活性药型罩聚能装药结构，活性聚能侵彻体反应弛豫时间应该是一样的，但由于不同炸高下活性射流侵彻速度、碰靶时间不同，同时考虑实验误差，可得到4个不同的活性材料反应弛豫时间值。通过平均，可获得实验中活性材料反应弛豫时间约为126.2 μs。值得注意的是，聚能装药结构、炸药类型、活性药型罩锥角和壁厚对活性聚能侵彻体的反应弛豫时间都有一定程度的影响，但需结合具体问题进行分析。
图4.23 活性聚能侵彻体反应弛豫时间与炸高对侵彻深度的影响
从图4.23中还可看出，反应弛豫时间与炸高对侵彻深度有显著影响，但与炸高效应相比，反应弛豫时间对侵彻深度的影响更为显著。其主要原因在于，炸高对侵彻深度的影响，必须依赖于活性聚能侵彻体具有较长的反应弛豫时间，即在给定炸高的条件下，侵彻深度随反应弛豫时间的增加而显著增加。此外，当活性材料反应弛豫时间较短时，活性聚能侵彻体在较小炸高下可能会对钢靶产生较好的毁伤效应，因此活性材料反应弛豫时间对活性射流的有利炸高也有一定影响，一般随着反应弛豫时间的增加，活性聚能侵彻体有利炸高随之适当增加。
由图4.23还可得到，活性聚能侵彻体侵彻钢靶的侵彻规律与金属铜射流大致相同，即侵彻深度随着侵彻时间呈指数增长趋势。但对于给定的活性药型罩聚能装药结构，在一定反应弛豫时间内，随着炸高的增加，活性聚能侵彻体碰靶时间t0增加，因此活性聚能侵彻体侵彻钢靶时间减少。90 mm口径活性药型罩聚能装药侵彻钢靶实验中，炸高为0.5 CD时，虽然侵彻时间最长，但活性聚能侵彻体还未完全拉伸即开始碰靶，不利于侵彻深度的提高；当炸高从1.0 CD增至1.5 CD时，随着反应弛豫时间的增加，活性聚能侵彻体对钢靶的侵彻深度逐渐增加，这主要是因为随着炸高的增加，活性射流得到有效拉伸，从而提高侵彻深度；而当炸高从1.5 CD增至2.0 CD时，活性聚能侵彻体的侵彻深度逐渐降低，这一是因为活性聚能侵彻体的侵彻时间t随着炸高的增加而减小，且未达到惰性射流的侵彻能力就开始发生化学反应，侵彻阶段被迫提前终止；二是因为活性药型罩本质上属于粉末冶金罩，大炸高下活性聚能侵彻体在拉长过程中更容易出现空穴、缩颈及断裂现象，影响活性聚能侵彻体的侵彻深度。由此可见，为了增加活性聚能侵彻体对钢靶的侵彻深度，增加活性药型罩材料反应弛豫时间是一种有效手段。
2.考虑反应的活性射流侵彻模型
在聚能装药爆炸加载下，活性药型罩不仅形成活性聚能侵彻体，且极高的冲击波压力会激活活性材料，但由于活性材料反应弛豫时间的存在，活性聚能侵彻体在成形过程中反应有限，且反应程度显著受炸高影响。
然而，在活性聚能侵彻体高速碰撞目标时，冲击碰撞压力较高，会二次激活活性材料，加快活性材料反应速率，尤其是碰撞点附近的活性材料会在侵彻过程中发生化学反应。为此，需要对准定常条件下活性射流侵彻模型进行修正。
此外，根据活性聚能侵彻体成形模拟和脉冲X光实验，成形过程中活性聚能侵彻体头部会出现发散膨胀现象，导致活性射流头部密度比活性药型罩实际密度小。忽略活性射流径向密度变化，活性聚能侵彻体密度从头部至尾部可近似为线性分布，且活性射流头部密度与炸高、炸药类型、活性药型罩结构有关。
根据活性聚能侵彻体成形特点，活性药型罩在炸药爆轰驱动作用下，形成头部速度高、尾部速度低、具有一定速度梯度的活性射流。活性聚能侵彻体在侵彻靶板前为锥形侵彻体，活性射流速度沿其轴线呈线性分布，如图4.24所示。
基于虚拟原点理论，对活性聚能侵彻体进行如下假设：一是活性聚能侵彻体被分为n个无限小微元，侵彻过程中假设活性射流连续而不断裂；二是各段微元近似为圆柱体，在成形过程中，各微元均可被拉长，但质量及微元的速度均保持不变；三是忽略各微元内部速度梯度；四是在活性聚能侵彻体侵彻靶板过程中，后续微元速度不受前面微元侵彻钢靶时产生的高温、高压与高应变率影响，即各微元在穿孔过程中互不影响。
图4.24 活性聚能侵彻体侵彻模型
如图4.24所示，从虚拟原点O出发的各条直线斜率代表对应微元速度。时间为t0时，活性射流头部撞击靶板表面，此时第i个微元头部速度为vj，i，尾部速度为vt，i，微元长度为l′j，i，微元半径为r′j，i，密度为ρ′。假设活性射 流速度和直径遵循线性分布，则第i个微元速度与直径可表述为
式中，vj、vt、rj和rt分别为t0时刻活性射流的头部速度、尾部速度、头部半径和尾部半径；lj0为t0时刻活性射流长度。
活性药型罩由含能金属粉体与聚合物基体混合后经冷压成型和烧结硬化工艺制备而成，实质上是一种声速较低的多孔复合材料药型罩，形成的活性射流容易沿径向发散成许多细小颗粒，故可认为微元彼此之间分离。微元质量不变，密度随着微元体积变化。活性射流运动过程中，前、后微元存在速度差，会导致活性射流拉伸，微元长度l′j，i发生变化。忽略微元径向速度，微元半径r′j，i不发生变化。根据微元质量不变，微元开始侵彻时的长度lj，i、半径rj，i及密度ρj可分别表述为
式中，ta，i为微元运动到侵孔底部的时间。
假设微元在碰撞过程中速度、直径不再发生变化，则活性射流对靶板侵彻过程为碰撞点上靶板材料以侵彻速度运动的过程。由于微元运动速度大于侵彻速度，微元会因速度差产生消耗，其侵彻时间即消耗该段微元所需时间，则第i个微元侵彻时间和侵彻深度可分别表述为
式中，ui为第i段微元侵彻速度，tc，i与Pi分别为该微元在侵彻过程中所对应的侵彻时间以及侵彻深度。
活性射流总侵彻深度为
根据第i个微元运动到孔底的时间ta，i等于前i-1个微元侵彻时间之和，可得到微元运动到孔底的时间ta，i为
式中，Hi为第i个微元到靶板表面的距离。
在侵彻过程中，冲击波传入活性射流中将二次激活活性材料，加快其发生化学反应，使活性射流在侵彻的同时发生反应并释放超压，从而增强活性射流的侵彻威力。忽略活性射流强度，考虑活性射流反应所带来的影响，活性射流侵彻过程满足伯努利方程，则修正后的伯努利方程表述为
式中，ρj为活性射流密度；ρt为靶板密度；ξi为活性射流反应产生的等效强度；Rt为靶板强度。
求解式（4.15）可得到第i个微元在靶板中的侵彻速度ui为
联立式（4.10）、式（4.13）、式（4.14）和式（4.16），并将活性射流相关初始参数代入，即可得到达侵孔底部时微元速度及活性射流侵彻深度L。
实际上，活性射流的速度分布、密度分布特性复杂，在侵彻过程中会形成高温、高压和高应变率的三高区，后续活性射流对三高区靶板进行侵彻时，其能量消耗会相应减少，同时三高区也会加快后续微元反应速率，当后续微元反应速率大于活性射流侵彻速率时，堆积在侵孔内的活性材料就会发生剧烈的爆燃反应，在侵孔内释放大量化学能和气体产物，从而导致活性射流侵彻过程终止，但剧烈爆燃反应可使被侵彻的靶板发生二次结构毁伤效应。
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