反应装甲的活性引爆机理探究

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：双层反应装甲引爆机理与单层反应装甲相同，只是引爆第二层反应装甲内的炸药是通过第一层反应装甲后的射流或逃逸射流，所以引爆双层反应装甲所需射流能量更大，临界起爆常数K值更大。对于给定结构的反应装甲，K值确定，当射流侵彻夹层炸药时的vj 2dj达到或超过K值时，反应装甲可被引爆。炸药厚度与冲击感度主要决定反应装甲引爆难易程度。

1.射流引爆反应装甲机理

射流作用单层反应装甲时，冲击波进入炸药层并在两块金属板间多次反射，引起炸药爆轰。双层反应装甲引爆机理与单层反应装甲相同，只是引爆第二层反应装甲内的炸药是通过第一层反应装甲后的射流或逃逸射流，所以引爆双层反应装甲所需射流能量更大，临界起爆常数K值更大。但需特别注意的是，双层反应装甲中第一层和第二层结构不一样，尤其是每层盒盖金属板厚度、炸药装药量、炸药类型等均存在差异，因此双层反应装甲也并非将两块单层反应装甲重复放置。双层反应装甲爆炸场特殊，作用场干扰范围和干扰时间均大于单层反应装甲，因此其起爆阈值显著更高。

射流引爆倾斜单层反应装甲的过程主要分为3个阶段。第一阶段，射流高速撞击反应装甲面板，射流头部受干扰侵蚀，横向作用力较小。第二阶段，后续射流与金属板发生斜向相互作用，后续射流穿过面板孔洞引爆夹层炸药，产生高温高压爆轰产物，推动上、下金属板运动，并在上飞板上形成匙形侵孔。第三阶段，射流与爆轰产物的相互作用，随射流继续侵彻反应装甲，一部分射流在爆炸场中运动并与爆轰气体相互作用，另外一部分射流在空气中运动，并且剩余射流头部继续与下飞板作用，产生匙形侵孔。

射流撞击金属板时，除侵彻金属板外，还会向金属板中传入强冲击波，该冲击波称为前驱波，先于射流传入炸药。前驱波的作用主要包括3种情况：一是前驱波足够强时，会直接引爆炸药，与飞片起爆炸药过程类似；二是前驱波强度稍弱，不足以引爆炸药，但会引起炸药快速燃烧或爆燃时，局部炸药发生分解，后续射流只与爆燃产物作用而无法继续引爆炸药，该过程为介于爆与不爆之间的一种钝感过程；三是前驱波强度更低时，炸药仅发生压缩，炸药中空穴闭合，密度变大，内部结构更趋均匀，射流起爆难度增大。从起爆机理上分析，起爆均质炸药要求较大侵彻体临界直径，而射流直径通常小于该临界直径，加之射流的强度较低，因此后续射流很难将其引爆。

2.射流引爆反应装甲起爆判据

对于射流引爆反应装甲起爆判据，国内外已开展了广泛而深入的研究，主要起爆判据包括Walker-Wasley准则、Held起爆判据、Held修正判据等。

1）Walker-Wasley准则

在一维冲击条件下，单位面积冲击起爆临界能量Ecr可表述为

式中，p为冲击波压力；t为持续时间；ρh为炸药密度；U为冲击波速度。

式（4.36）通常可简化为

2）Held起爆判据

Held起爆判据适用于小加载面积二维加载条件，表述为

式中，vj为射流头部速度；dj为射流头部直径；K为炸药敏感常数。

对于给定结构的反应装甲，K值确定，当射流侵彻夹层炸药时的vj 2dj达到或超过K值时，反应装甲可被引爆。

3）Held修正判据

研究表明，射流密度对炸药敏感常数K值有一定影响。Mader通过线性函数对Held起爆判据进行拟合修正，修正后的公式表述为

Chick和Hatt基于铝和钢射流引爆反应装甲实验，再次修正Held起爆判据

随后，Held也对Held起爆判据进行了修正，认为驻点压力决定了炸药起爆难易程度。修正后的Held起爆判据表述为

式（4.41）与坑底驻点压力相对应；u为夹层炸药中开坑速度；u2 dj表征开坑临界压力。假设侵彻过程为流体动力学过程，则开坑速度u可表述为

由此，修正后的Held起爆判据表述为

4）A.Koch和F.Haller角度修正判据

研究表明，射流与炸药撞击时的夹角对炸药的起爆阈值有一定程度的影响。A.Koch和F.Haller通过实验研究了射流以不同角度撞击装有PBXN-110炸药的反应装甲，获得了不同角度撞击下反应装甲的起爆阈值，通过对数据进行拟合分析，所得修正判据表述为

式中，K1为射流垂直撞击反应装甲时的起爆阈值；θ为射流入射速度方向与反应装甲表面法线方向的夹角。

在射流垂直作用反应装甲时，可主要采用Held起爆判据。式（4.38）与式（4.43）本质上是一致的。炸药和射流密度一定时，式（4.43）可简化为式（4.38）的形式

式中，C为常数。

由此可见，用简化形式的式（4.38）作为起爆判据是可行的，式（4.38）与式（4.43）中K值相差C倍，但在形式上保持一致。

对于射流斜侵彻反应装甲的情况，依据A.Koch和F.Haller角度修正判据式（4.44），当射流入射方向与反应装甲表面法线方向夹角一定时，K值也是确定的，仅与射流垂直侵彻时K值相差一个倍数。

3.射流引爆反应装甲的影响因素

射流对反应装甲的引爆过程，可等效为射流对带有两层覆盖板夹层炸药的引爆过程。射流能否引爆反应装甲，与射流速度，射流直径，夹层炸药厚度与冲击感度，金属板厚度、材料以及射流与夹层炸药撞击角度紧密相关。

（1）射流速度。射流速度主要决定入射冲击压力。一般而言，射流侵彻炸药时，可产生高达几万个大气压的动压力，随着射流速度的增加，冲击所产生的压力不断升高，且所激发的反应愈发剧烈。同时，从射流引爆炸药临界判据也可以看出，射流速度为其引爆反应装甲的主控参数。

（2）射流直径。射流直径主要影响射流前驱波形状。射流前驱波一般为弯曲波，射流直径越大，前驱波曲面度越小。而当前驱波曲面度较小时，侧向稀疏波对前驱波作用区的影响将逐渐减弱，射流引爆能力增强。

（3）炸药厚度与冲击感度。炸药厚度与冲击感度主要决定反应装甲引爆难易程度。一般来说，炸药厚度增大，引爆难度加大；冲击感度增大，引爆难度降低。

（4）金属板厚度、材料。当射流参数一定时，不同金属板材料的冲击压力不同，故金属板的临界厚度不一样。对于同种材料的金属板，厚度增加时，剩余射流头部速度降低，导致进入炸药的前驱波强度减弱，起爆深入距离和延迟时间增加，从而相同炸药的临界起爆常数K增大。

（5）射流与夹层炸药撞击角度。从式（4.44）可以看出，K值随着撞击角度的增加而增大，这是由于当射流速度方向与反应装甲表面法线方向之间的夹角增大时，相对射流轴线方向的夹层炸药厚度增加，使引爆难度提高。

4.活性聚能侵彻体引爆反应装甲机理

通过对射流引爆反应装甲的影响因素进行分析，对于给定的反应装甲结构，传统惰性金属射流冲击给夹层炸药的比能可表述为

式中，p为冲击波后压力；u为冲击波后质点速度；t为冲击波持续作用时间，即侧向稀疏波扫过射流半径所需的时间。

它们可分别表述为

式中，A为常数，与射流和炸药密度有关，可表述为D为冲击波传播速度，与当地声速有关，可表述为c=BD。

再将式（4.48）、式（4.49）和式（4.50）代入式（4.47），可得

对于给定的反应装甲，夹层炸药的临界起爆能量为Ec，仅当E≥Ec时，射流才能引爆反应装甲，即可改写为

从式（4.51）可以看出，对于惰性金属射流来说，其对反应装甲的引爆能力主要取决于射流冲击炸药的动能，对射流的头部速度和直径要求较高。然而，活性聚能侵彻体作用反应装甲时，首先动能侵彻夹层炸药，其次进入炸药内的活性材料还会发生爆燃反应，释放化学能和产生热效应，这会显著提高对炸药的引爆能力。假设活性聚能侵彻体在炸药内释放的化学能为Er，则活性聚能侵彻体引爆反应装甲的临界条件为

则活性聚能侵彻体能引爆反应装甲所需的最小速度为

从式（4.53）可以看出，与惰性金属射流相比，活性聚能侵彻体引爆反应装甲所需的射流速度显著降低。换句话说，在打击确定的反应装甲结构时，采用活性药型罩后对射流的头部速度要求降低，反应装甲引爆概率提高，同时使聚能装药的结构尺寸减小，从而可降低活性聚能战斗部总质量。

事实上，活性聚能侵彻体在成形过程中可能被激活，且在侵彻金属板时还会被二次激活，进入炸药内部后会发生局部或全域化学反应，导致侵彻通道附近的炸药迅速升温，在夹层炸药内形成大量热点，从而可靠引爆炸药。从引爆机理上看，活性聚能侵彻体的内爆效应是其引爆炸药的主控机制，活性聚能侵彻体只要穿透金属板并被激活，即可利用自身的化学能释放效应引爆夹层炸药。

反应装甲的活性引爆机理探究

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