双层球缺罩形成复合杆式射流的初步研究*

付建平， 冯顺山， 陈智刚， 兰宇鹏， 张均法， 赵太勇

(1. 中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 山西 太原 030051；

2. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081； 3. 山东特种工业集团， 山东 淄博 255201)



双层球缺罩形成复合杆式射流的初步研究*

付建平1， 冯顺山2， 陈智刚1， 兰宇鹏3， 张均法3， 赵太勇1

(1. 中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 山西 太原 030051；

2. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081； 3. 山东特种工业集团， 山东 淄博 255201)

摘要:为进一步提高杆式射流在大炸高下的稳定性， 设计了铜/铝双层球缺罩装药结构， 运用脉冲X光照相技术获得了射流形态. 结果表明： 采用铜/铝双层球缺罩可以形成复合杆式射流， 其形态与单铜罩形成的杆式射流基本类似， 但是在压垮形成射流时， 铜铝两种材料在初始界面发生了相互融合. 同时， 铜/铝双层球缺罩的射流整体速度略有提高， 速度梯度却有所减小， 最大侵彻深度相比单铜罩射流可以提高16.7%.

关键词:爆炸力学； 聚能装药； 双层药型罩； 射流； 侵彻

0引言

随着复合装甲、 屏蔽装甲、 爆炸反应装甲等的使用， 现代主战坦克的正面防护能力大幅度提高. 因此， 中小口径的攻顶式反坦克导弹成为发展趋势之一， 其优点是可以直接打击坦克相对薄弱的顶装甲， 但缺点是战斗部的布置空间有限和对制导系统的要求较高.

攻顶式反坦克导弹战斗部一般为爆炸成型弹丸(EFP)战斗部， 但其最大破甲深度约为装药直径(CD)的0.7～1.0倍[1]. 杆式射流[2]作为一种侵彻性能介于EFP和聚能射流之间的聚能侵彻体， 能够进一步提高攻顶式反坦克导弹的威力， 高品质射流是其侵彻性能的关键. 近年来， 国内外大量学者针对杆式射流的形成及侵彻能力进行了研究[3-9]， 结果表明大锥角和球缺罩聚能装药均能形成杆式射流， 并证实了杆式侵彻体在15 CD炸高条件下对钢靶具有较好的侵彻性能. Fu Jianping[10]等对大炸高下杆式射流的侵彻性能进行了研究， 在20 CD炸高下杆式射流的最大破甲深度可以达到1.5 CD以上.

然而关于杆式射流的大炸高稳定控制技术方面的研究相对较少， 本文在前人工作基础上， 设计了铜/铝双层球缺罩装药结构， 并运用脉冲X光照相技术获得了射流形态， 所形成的复合杆式射流在大炸高下稳定性比单层铜球缺罩杆式射流有所提高. 拟为杆式射流战斗部的设计和工程应用提供参考.

1铜/铝双层球缺罩的设计分析

根据小锥角药型罩射流形成原理， 射流是由药型罩的少量内层金属形成， 杵体则由药型罩的大量外层(接触炸药)金属形成的. 在此基础上， 设计了铜/铝双层球缺罩(这里规定， 按照双层罩内层到外层的顺序， 依次按材料进行命名)， 它的内层药型罩采用塑性好、 密度大， 易于形成侵彻射流的紫铜材料， 而外层药型罩则采用密度、 熔点、 气化点以及阻抗均较低的铝材料[11]. 通常， 小锥角铜/铝双层罩的内层铜罩厚度约占总厚度的1/4左右. 而文中内层铜球缺罩厚度约占总厚度的2/3左右， 其目的是为了保证有效杆式射流部分(大于1.0 km/s)完全由内层铜罩形成.

2试验设置

本文试验研究的对象是两种球缺形药型罩： 单层铜药型罩和铜/铝双层药型罩， 结构如图 1 和图 2 所示. 两种药型罩对应的试件代号分别为S1和S2， 装药直径为55 mm， 装药高度为53.2 mm， 药型罩底部外径为51.5 mm， 药型罩高度17.5 mm， 起爆方式均为中心点起爆. 药型罩由紫铜板和纯铝板冲压而成， 药柱采用8701炸药压制而成， 靶板材料为45#钢.

图 1　单层铜药型罩试件示意图(S1)Fig.1　Shaped charge with single copper liner

图 2　 铜/铝双层药型罩试件示意图(S2)Fig.2　Shaped charge with Cu-Al double-layer liner

试验的一些基本参数如表 1 所示.

表 1　试验方案

用脉冲X光照相法观察射流的形成过程， 用钢靶测量射流的侵彻能力， X光照相试验布置如图 3 所示. 采用了450 kV的X光设备， 由于受到当时的试验条件限制(平行式支架被打坏)， 使用的是交叉式摄影的方法， 两台闪光X射线机位于同一高度的两个不同方位， 交汇成45°角. 在该试验中， 曝光延迟时间的设定非常重要， 它是能否获得射流图像信息的关键. 根据数值模拟得到射流头部速度在3 000 m/s左右， 故在拍摄双层罩射流形成过程时， 设置X射线管的曝光时刻为45 μs和120 μs， 起爆前先在底片上拍摄静止照， 静止照中的铜标杆长度为100 mm. 将所得X光底片通过扫描仪数字化后， 参照图上标杆像进行判读， 由此可得到杆式射流的各项参数.

图 3　 脉冲X光照相试验布置Fig.3　Layout of flash X-ray test

3结果与分析

3.1复合杆式射流形成分析

文献[12]已对球缺形的单层铜罩形成杆式射流的过程进行了理论分析和X光照相试验. 因此， 文中仅对铜/铝双层球缺罩的射流形成过程进行X光照相分析， 试验得到的射流形态如图 4 所示， 图中的标尺是根据长度为100 mm铜标杆所获得的.

图 4　 铜/铝双层球缺罩射流形成过程Fig.4　Formation of jet generated by Cu-Al double-layer liner

图 4(a) 揭示了铜/铝双层球缺罩装药在射流形成初期时的形貌， 复合杆式射流在达到1.5倍口径位置处已经基本形成， 除药型罩口部材料因受稀疏波影响形成少许飞边外， 形态非常完整， 没有明显的杵体和射流之分， 与文献[12]中常规单铜罩形成的杆式射流形态基本类似. 射流的直径从头至尾逐渐增加， 呈圆锥形. 同时也发现， 从X光照片中很难将铜材料与铝材料区分开来， 分析其主要原因可能有： ① 由于铝材料的密度较小， 并且和防护铝板材质相同， X射线不能将铝材质清晰地在底片上拍摄出来； ② 由于铜铝两种材料在界面上部分融合； ③ 球缺罩在翻转时铝被铜包覆在内部.

从图 4(b) 来看， 形成的杆式射流具有良好的延展性， 射流在120.6 μs时刻已经得到了充分的拉伸， 形态均匀细长. 由于射流速度比预计的稍快， 有少部分的射流头部正好飞出了第2幅底片边界， 所以难以确定射流头部的速度以及各段的速度分布. 因此本文仅对射流的头尾直径、 初始长度等参数进行分析， 测量基准参考药型罩底部， 结果如表 2 所示.

表 2　复合杆式射流参数

根据表 2 测得的数据可以计算出射流的尾部平均速度为1 034 m/s， 尽管头部位置难以判断， 但是可以根据装药高度、 爆速、 药型罩高度和第一幅照片的时刻来估算出射流头部平均速度为2 504 m/s.

3.2两种结构形成的杆式射流断裂分析

为了比较两种药型罩结构形成的杆式射流在延伸至6～10 CD距离时的稳定性， 增加曝光延迟时间后继续进行闪光X照相试验.

图 5　两种结构形成的射流断裂情况比较Fig.5　Comparison of jet breakup images

从图 5 的射流断裂图像可以发现， 由于速度梯度的存在， 铜/铝双层罩和单铜罩形成的杆式射流在拉伸过程中均出现了不同程度的断裂， 与小锥角聚能射流断裂后图像有相似之处， 但是各段长度、 直径都要比小锥角聚能射流大得多， 个数也要少得多.

比较两种结构形成的射流达到相同位置的时刻可知， 单铜罩射流要比铜/铝双层罩射流晚15 μs 左右， 说明铜/铝双层罩射流的平均速度要略高于单铜罩射流.

比较两种结构形成的射流的断裂情况可知， 在飞行至相同位置时， 两种杆式射流均断裂为8段较大的“枣核形”颗粒. 但是铜/铝双层球缺罩形成的射流主体部分(断裂射流的前4～5段)速度梯度相对较小， 射流颗粒在继续运动过程中更稳定一些. 综合以上分析， 预计铜/铝双层罩射流具有更好的侵彻效果， 这在后面的侵彻试验中也得到了验证.

3.3侵彻结果分析

由于炸高较大， 断裂后的射流可能跑偏而无法打到靶板上， 布置靶板时分为左右两个部分， 两部分钢靶紧贴在一起， 左边靶板为一块100 mm厚的45#钢靶， 右边靶板为两块60 mm厚的45#钢靶叠加而成. 本次试验射流侵彻靶板后典型照片如图 6 所示.

图 6　射流侵彻靶板效果图Fig.6　Images of targets after jet penetration

图6(b)中的靶板正面呈银白色， 侵彻孔道呈黄色， 与铜射流侵彻后截然不同， 分析其原因为： ① 铜/铝双层罩在压垮形成复合杆式射流时， 铜铝两种材料在初始界面发生了相互融合， ② 由于复合杆式射流从头部至尾部的材料依次为“铜、 铜铝混合、 铝”， 在射流侵彻靶板时也按这样的先后顺序喷向侵彻孔洞. 侵彻参数见表 3， 表中炸高是药型罩底部至靶板的距离.

表 3　侵彻参数比较

从表 3 中可看出， 在20 CD的大炸高情况下， 与单层铜罩相比， 铜/铝双层罩形成的复合杆式射流侵彻孔径虽然有所减小， 但是最大侵彻深度却提高了16.7%. 针对单层铜罩， 之前已经做了50多发试验， 平均深度为80 mm. 因此虽然本次试验只安排了2发铜/铝双层罩， 数量偏少， 但是从最大侵彻深度来看， 双层球缺罩可以在一定程度上提高侵彻深度.

3.4铜/铝双层球缺罩的初步分析

文中设计的双层球缺罩， 内层铜罩厚度约占总厚度的0.6倍， 保证了有效杆式射流部分(大于1.0 km/s)完全由内层铜罩形成. 铜/铝双层球缺罩射流形成过程与单铜罩基本相同， 但最大的特点是： 铜、 铝两种材料没有发生分离， 而是在药型罩初始分界面处相互融合， 形成了复合杆式射流.

由于复合杆式射流中铝射流密度低， 且速度也不高， 因此在侵彻钢靶时起决定性作用的是铜射流. 与单铜罩相比， 在增加外层铝罩后， 药型罩微元速度增大， 尤其是药型罩底部微元(单铜罩时形成射流的低速段)得以加速， 铜射流的尾部速度明显提高， 同时射流尾部速度的提高幅度大于射流头部， 因而射流的头尾速度差有所减小. 在20CD的大炸高情况下， 复合杆式射流侵彻深度有所提高的主要原因是铜射流的速度梯度减小， 射流断裂情况有一定改善.

4结论

通过对两种球缺形药型罩形成杆式射流及侵彻靶板的试验研究， 可以得出以下结论：

1) 采用铜/铝双层球缺罩可以形成复合杆式射流， 其形态与单层铜球缺罩形成的杆式射流基本类似， 但是在压垮形成复合杆式射流时， 铜铝两种材料在初始界面发生了相互融合.

2) 与单层铜球缺罩形成的射流相比， 铜/铝双层球缺罩形成的射流整体速度得以提高， 速度梯度却有所减小， 最大侵彻深度提高了16.7%.

3) 外层铝药型罩可以减小扰动对铜罩的影响， 射流品质好， 大炸高下的稳定性和侵彻性能好.

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Preliminary Study of Composite Jetting Penetrator Charge with Double-Layer Spherical Segment Liner

FU Jian-ping1， FENG Shun-shan2， CHEN Zhi-gang1， LAN Yu-peng3，ZHANG Jun-fa3， ZHAO Tai-yong1

(1. National defense Key Laboratory of Underground Damage Technology,North University of China, Taiyuan 030051, China；2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China；3. Shandong Special Industry Group， Zibo 255201， China )

Abstract:In order to further improve the stability of rod-like jet at long stand-off distance, composite jetting penetrator charge (CJPC) with Cu-Al double-layer spherical segment liner was designed. Meanwhile jet shape was obtained by using flash X-ray photographic technology. The results show that the Cu-Al double-layer spherical segment liner can form composite rod-like jet, and the shape of rod-like jet is substantially similar to single-layer copper liner. When the double-layer liner forms composite rod-like jet, copper and aluminum intermingle with each other at the initial interface. It is concluded that, the velocities of rod-like jet formed by the CJPC are increased overall while the jet velocity gradients is decreased. The maximum penetration depth is increased by 16.7% than single-layer copper liner.

Key words:explosion mechanics; shaped charge; double-layer liner; jet; penetration

中图分类号:TJ410.33

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.01.006

作者简介：付建平(1987-)， 博士生， 主要从事弹药高效毁伤技术研究.

基金项目：2014年山西省优秀研究生创新项目(20143075)

*收稿日期:2015-10-27

文章编号:1673-3193(2016)01-0024-05