大质量超高速金属破片实验技术研究进展

孙兴昀，李亮亮，陈元建，郑雄伟，李 鑫，阮喜军，苗润源，刘韩辉，王娟娟

(西安近代化学研究所，西安 710065)

战斗部的发展与武器防御系统的发展息息相关，随着科学技术发展的突飞猛进，典型目标的主要结构越来越厚，飞行速度也越来越快，为实现对该类目标的高效毁伤，大质量(超过8 g)、超高速(大于3 000 m/s)破片技术成为杀伤战斗部领域的研究难点和热点之一。

国外对超高速的研究开展较早，自1947年Whipple针对超高速碎片粒子侵彻航天器的防护问题，提出了一种可有效防护的结构，自此有关超高速的碰撞及防护问题成为各国研究的热点之一，我国在超高速问题上起步较晚，但也取得了一些成果。但针对战斗部中大破片、超高速的金属破片技术研究还鲜见报道，本文主要对产生超高速破片的实验技术进行总结，并对超高速金属破片技术应用于杀伤战斗部进行了展望。

1 破片的超高速实现手段

1.1 激光驱动

激光驱动主要利用光能量对一定厚度的破片(尺寸较小,一般为μm级别)进行加载,使其获得一定的动能,其过程为:高功率固体激光器输出能量(光能量密度为108～1010W/cm2)，利用脉宽激光束聚集能量驱动一定厚度(μm级别)的破片，使其达到km/s的速度。激光驱动破片试验的典型装置[1]如图1所示。

图1 激光驱动破片典型装置示意图

激光驱动破片的原理为激光照射破片表明，部分破片因汽化而形成等离子体，等离子体驱动剩余的破片。激光驱动破片在国内外已开展多年，主要为实验室级别的研究，如王浩宇等[1]采用激光驱动破片，使其达到3 000 m/s(烧蚀层Al为1μm/隔热层Al2O3为0.5 μm/破片层Al为2.5 μm的平均速度甚至达到4 650.3 m/s)以上的速度来冲击HNS-IV炸药，结果表明：激光能量大于59±3 MJ时即可将炸药安全起爆。

朱生华[2]等采用激光驱动复合破片，使其达到4480 m/s(激光能量未219 mJ，30 ns时间)，研究了激光能量、破片结构组成等与速度的关系。税敏[3]等对激光驱动高速破片技术进行了总结，利用纳秒短脉冲和纳秒整形长脉冲技术，使固态铝破片和复合金属破片的速度分别达到10 km/s和15 km/s。张品亮[4]、纪看看[5]等对强激光驱动不锈钢靶板的变形速度进行了数值模拟，研究了靶板变形速度随冲击波压强的变化规律。

1.2 静电粉尘加速器驱动

静电粉尘加速方式的特点是只能够加速质量很小的弹丸，弹丸通常形状不规则，但是可以将弹丸加速到很高的速度，如将微克量级的碎片加速到 40 km/s。粉尘加速器主要用到空间粒子的超高速碰撞，其粒子直径小、速度高，如Close[6]等进行了地面的超高速碰撞实验，使用 Van de Graaff 粉尘加速器发射高速微粒，通过等离子体信号特征来分析等离子体参数以及对航天器的影响。他们进行了多种金属之间的从 1 km/s 到 50 km/s 速度区间的超高速碰撞，得到了等离子体特性以及电磁辐射的特性。董尚利[7]、白羽[8]等采用静电式粉尘加速器，分别将1～10 μm铝粉加速到2～12 km/s和0.1～10 μm的铝粒子加速到0.1～4 km/s，对玻璃等材料进行碰撞研究，获得了粒子超高速碰撞后吸附在玻璃表面对其透光率的影响及成坑情况等参数。

1.3 轻气炮驱动

轻气炮是实验室内小破片(通常为几克到数十克)加载到超高速(通常3 000 m/s以上)的常用发射装置之一，一级轻气炮最高可以把弹丸或者破片加载到1.5 km/s，二级轻气炮最高可以将弹丸加速到8 km/s，三级轻气炮最高可以将弹丸加速到11 km/s，而其中尤以二级轻气炮最为常见[9-10]，研究成果较多。 NASA 早在 1980 年就建成了超高速测试装置[11]，包括一个 1.7 mm 口径的二级轻气炮、X射线照相装置、超高速照相机及其他辅助设备。此后又分别建成了4.3 mm和 12.7 mm 口径的二级轻气炮。这些装置可以将直径 100 μm～9.5 mm的铝球加速到7 km/s 以上。日本 Tohoku 大学流体科学所冲击波研究中心[12]的超高速试验装置为14 mm 口径的二级轻气炮。中国空气动力研究与发展中心超高速所[13]的发射装置为7.6 mm 口径的二级轻气炮，最高发射速度为7.36 km/s，可在0.2～7.36 km/s 的范围内精确测量直径 0.5 mm 以上弹丸的飞行速度并获得碎片云激光阴影照片。此外，中国工程物理研究院、哈尔滨工业大学、北京理工大学、中国空间五院等单位也拥有二级轻气炮，并开展了相关研究工作。

Fortov 等[14-15]采用电磁发射台(EML)对聚碳酸酯弹丸超高速撞击铝靶所作的实验研究表明，靶板的破坏形式与靶板直径紧密联系，直径较小时表现为冲塞，直径较大时则表现为层裂破坏。Bashurov 等[16]对钢球超高速正碰撞和 45°斜碰撞钢或铝合金单层靶板的实验表明，随着碰撞速度的增加，碰撞碎片的数量明显增加，相应的碎片尺寸则明显减小。Orphal[17]研究了钢球超高速斜碰撞由 SP(Silica Phenolic)和铝组成的复合靶，当碰撞倾角达到 65°时，仅有一半弹丸侵入靶板，剩余的弹丸则沿着靶板表面发生了跳弹。随着倾角的继续增大，侵入靶板的弹丸质量迅速减少，碎片的空间分布基本相似，碎片云前端速度则迅速减小。

Piekutowski[18]采用实验方法对不同的材料、弹丸形状、碰撞倾角、撞击速度以及弹径靶厚比值的超高速碰撞问题作了深入研究，得到了经典的碎片云图。并依据所拍得的碎片云图片对碎片云的内部结构作了细致的分析，碎片云的结构分析表明碎片尺寸越大破坏能力越强，且圆盘形弹丸和柱状弹丸的破坏能力明显强于球形弹丸。此外，Piekutowski[19]还对铝球超高速撞击铝靶产生的靶板孔洞作了研究，分析了靶厚弹径比值t/D对最终靶孔直径的影响，结果表明靶孔直径对t/D并不敏感，而在很大程度上受到靶板材料强度的影响。

此外Verma[20]、Watson[21]、韩雅菲[22]、TANG[23]、迟润强[24]等均采用二级轻气炮，研究了小直径的钢球或钢板的超高速碰撞问题，获得了一些规律性的结果。

针对三级轻气炮的超高速研究报道还比较少，李进[25]等利用三级轻气炮对非金属弹丸加速到8.11 km/s并采用激光测速系统对其速度进行了精确测量。

1.4 多级爆轰驱动

多级爆轰加载技术，由第一级炸药爆轰释能后驱动第一级破片，第一级破片再撞击第二级炸药并进行引爆，超高速起爆后将导致第二级炸药释放更高的能量，将第二级破片加载到更高的速度。文尚刚[26]采用多级爆轰技术，用PBX9404炸药驱动钢破片，加载速度超过4 km/s。王青松等[27]在传统的二级轻气炮设备上，利用破片撞击产生的高压，将二级破片发射至更高速度。其破片增压原理如图2所示。

图2 两种类型的破片增压原理示意图

实验所用的二级轻气炮内径为Φ28 mm，利用非汇聚型超高速装置将二级破片(LY12铝合金，尺寸为Φ25 mm×1 mm)加速到9.8～11.2 km/s(两级破片的速度比为1.63～1.65)，采用汇聚型超高速装置可将二级破片(钛合金TC4，尺寸为Φ10 mm× 1mm)加速到15 km/s以上(两级破片的速度比大于2.3)，显示出二次破片的增速能力，但结果也指出两种方法的优缺点，前者的二级破片面积较大，速度较低(10 km/s左右)，而破片的飞行姿态及其完整性很好，后者由于二次破片的面积降低，且具有汇聚作用，导致破片速度达到15 km/s以上，但破片的飞行姿态不易控制，且在飞行过程中，破片容易变形。目前二次破片实验技术还在探索之中，有待进一步研究和改善。

1.5 爆炸驱动

爆炸驱动法主要依靠炸药等高能材料的化学能，在起爆的瞬间释放的冲击波及爆轰产物做功，对破片进行加载，使其达到预期速度。Li等[28]采用TNT爆轰加载EFP的方式，将其最大加载至1957.45 m/s，研究了爆轰波的传播方式、EFP的破坏模式等。柏劲松[29]基于破片增压原理，采用两级炸药及两级破片，将第二级破片增加到10 km/s以上，

以上方式为实验室常用方法，工程上常用的爆炸加载方式主要为杀伤战斗部的定向技术，其起爆方式是提高破片速度非常有效的方法之一，如偏心起爆方式[30-44]可通过调整爆轰波波形，使波的传播在目标方向上出现叠加，进而提高目标区域的破片速度[45]和破片数量。引爆方式是影响偏心起爆战斗部破片速度增益的主要因素之一，目前已有诸多研究者进行了研究，屈明等[46]研究了相异引爆模式对爆轰破片预定方向效果的影响，王晓英[47]、王树山[48]等研究了多点不对称引爆战斗部时的破片增速程度，结果表明破片的速度增益均超过110%。仲凯等[49]对比了底端面中心单点和七点同时起爆两种起爆方式对破片速度的影响，结果表明，七点同时起爆条件下破片速度是中心单点起爆时的104.01%～115.02%。

王力等[50]利用Whitham方法对两点对称(起爆点位于装药内部，两点的夹角为45°、60°和90°)爆轰波的叠加进行了计算，结果表明，偏心两点对称起爆，可使定向区域内破片的初速增益达到30%左右。夏长峰[51]研究了不对称起爆状况下的破片速度增益问题，结果表明，与中心起爆方式相比，一个起爆点起爆后在目标方向上的速度增益约为11%。孙兴昀[52]研究了不同偏心多点起爆方式对破片速度增益问题，结果表明90°九点连位起爆方式对破片的速度增益达到12.39%，其径向速度在主方向上超过2 000 m/s。梁争锋[53]等研究了爆炸网络控制定向战斗部的速度增益，结果表明速度增益为114.88%。沈慧铭等[54]采用偏心起爆方式研究了破片的速度增益问题，偏心多点起爆时的速度增益约34%，并认为爆轰波碰撞形成马赫超压是导致破片速度增益的原因。

另一种爆轰方式是利用凹形曲面(定向聚能)的聚能作用，对破片进行超高速加载[55-60]，邢柏阳[61]等采用此定向聚能方式结合仿真方法，研究了炸药种类、长径比和药型罩材料、曲率、厚度及锥角等因素对碎片速度的影响，结果表明通过此方法可以将1.533 g的紫铜碎片加速到11.649 km/s。

除了以上几种加载方式外，电磁轨道炮[62-63]、等离子加速器[64-68]等均可实现碎片的超高速加载，但碎片质量一般为几克。

2 破片初速测试

破片初速是战斗部威力性能的表征参量之一，破片的超高速研究绕不开破片初速测试问题，因此破片初速的测量技术非常关键。而测试技术一般针对相关试验开展，如针对实验室内常用的轻气炮实验手段，开展了一定的测试方法研究[69-74]。目前常用的测试方法为预定距离测破片飞行时间，利用距离与时间的比值得到破片初速，主要包括接触式测量和非接触式测量，前者又可根据靶子的性能分为网靶[74]、铝箔靶等，后者主要有线圈靶、光幕靶及高速摄影法等。李丽萍等[75]对常用的破片速度测量方法进行了综述，详细介绍了各测量方法的优缺点，武江鹏[76]等对国内外战斗部爆炸后的破片参数测试技术进行了综述，总结了各种测试方法的优缺点，并对测试技术的发展趋势进行了展望。以下仅介绍破片速度测量的最新技术及研究成果。

2.1 高速摄像法

高速摄像法即采用摄影手段[77-78]对破片进行跟踪，获得破片信息。Watson[79]采用两台同步高速相机对破片云进行拍摄，主要的实验检测手段为X射线高速摄影和激光联合测速。以激光测速装置检测弹丸初速，以高速摄影分析碎片云的形态和变化过程，并对其逐帧进行区分，获得了破片的3D速度分布。高速相机拍摄的图像如图3所示。

WANG等[80]采用脉冲X射线摄影技术获得了速度参数，其测速原理如图4所示。试验时，第一路获得试样的原始图像，随后第二路在不同时刻(t1、t2)获得两张图片，故破片速度所涉及的时间间隔为t2-t1，利用预定的间距(ΔL，确定方法如图所示)，即可获得破片速度。

郝伟江[81]对硬铝合金弹丸直径12.7 mm，以6.38 km/s的初始撞击速度撞击2.03 mm厚的铝合金靶板进行了仿真分析，获得了不同撞击速度下弹丸内的压力峰值变化规律，同时分析了脉冲峰值与层裂厚度的关系，不同靶板厚度下弹丸背表面的层裂情况。

2.2 光幕靶测速法

光幕靶测速法是实验室及工程中常用的测试方法之一，研究人员进行了大量的试验[82-83]，获得了一些具有指导性的研究结果。如周彤等[84]为滤掉枪炮发射时炮口的烟焰，采用X射线光幕靶在碰撞的后效区内进行测量，经实验验证方法可行。倪晋平等[85]采用多个光幕靶探测破片的飞行时刻，确定了破片穿透时的起始点，用位置标识器(胶合板)识别破片飞行方向，确定破片飞行距离，结果显示，战斗部静爆试验验证了此方法原理可行，方法有效，该方法可识别的最小破片面积为2 mm×2 mm，但该方法仅适合小当量静爆试验。

比较各种方法可知,高速摄像类测试方法主要用于实验室测试,可对其目标区域内进行补光/滤镜等,确保测试成功率,而光幕靶类测试主要用于工程测量,其测试方法及对实验条件的要求简单,可满足不同工况下的破片速度测试。

3 结论

本文从破片的超高速实现手段和速度测试方法2个方面总结了国内外大质量超高速金属破片实验技术研究进展，重点讨论了轻气炮驱动、多级爆轰驱动和爆炸驱动3种加载手段，获得了一定的基础认识，但由于各自研究体系存在差异，现有的X射线高速摄影法等速度测试方法在工程应用时存在诸多困难等，目前针对大质量超高速金属破片实验技术的研究还缺乏系统性。基于此，建议对大质量超高速金属破片的研究包含以下几个方面：

1) 加快三代高能炸药的应用研究，继续第四代高能炸药的深入研究及高爆速、高爆热的炸药装药配方研究

装填比及其他条件一定时，炸药装药的爆轰性能(如格尼能)直接决定了杀伤战斗部的破片速度，而目前二代高能量密度材料(典型代表如HMX及RDX)的复合装药，其单质炸药HMX及RDX能量一定，导致复合炸药装药的爆轰性能限制了破片速度的进一步提高。在三代高能量密度材料还未大规模应用的条件下，必须对二代高能量密度材料的炸药配方进行改进，才可能获得高的破片初速，如黄辉[86]团队提出了一种新思路，认为炸药配方中添加富氧物质可提高炸药对破片的驱动能力，提高破片初速。在此设计理念下，袁建飞[87]、王辉[88]等将硝酸酯作为RDX基炸药的粘合剂，研究对比了其与不含硝酸酯的炸药的格尼能及做功效率，结果表明，在2～10倍相对比容范围内，含有硝酸酯的炸药的格尼能较不含硝酸酯的炸药高3%～10%，验证了富氧材料对金属驱动力的贡献，相同壳体时，硝酸酯炸药较非硝酸酯炸药的驱动能量利用率具有明显优势，可在此方面进行深入研究。

目前三代高能量密度材料，典型代表如DNTF[89-91]、CL-20[92-94]、HATO[95-96]等，此类单质炸药的爆轰性能优异，但目前仍处于研究阶段。屈晨曦[97]制备了CL-20和HATO的复合物并计算了其理论爆速为9516 m/s，表明两种以上的单质炸药有效复合可大幅提高装药的爆速。刘晓军[98]等将CL-20加入到硝酸酯炸药中，实测爆速为9 125 m/s，实测爆热为6 862 J/g，进一步表明复合炸药对破片加速的潜力。

因此，继续加大高能炸药(第四代叠氮类炸药)研究的同时，装药配方中应将二代炸药与三代炸药有机结合，甚至将两种以上的三代炸药相结合，并对含铝炸药引入富氧材料，增加爆速的同时(提高炸药的格尼能)，也增加炸药爆轰产物的作用时间，进而提高炸药的驱动能力，最终有效提高金属的破片初速。

高爆速、高爆热均对破片加速有利，因此，配方中除高能炸药外，应添加铝粉、硝酸酯、富氧材料等，两种以上的高能炸药，在最优配比下产生“叠加”效应，有利于提高爆速，铝粉一方面降低炸药感度，提高装药的密度和爆热，另一方面因其特殊的“后燃”效应[99]，提高爆轰产物的作用时间，增加爆轰产物对破片的驱动能，提高破片的速度。

2) 深入研究高能炸药的释能原理，提高炸药化学能的利用率

炸药对破片的驱动包含两个方面，一方面是炸药爆轰后冲击波对破片赋予初始动能，另一方面是炸药的爆轰产物对破片进行驱动，新型高能量密度材料或其炸药配方主要关注的是爆轰性能，提高其冲击波的作用，针对爆轰产物的作用过程研究相对较少。同时，偏心起爆较中心起爆对破片速度有较大增益，但两种方式均未完全利用高能炸药的能量，故提高炸药化学能的利用率对破片速度的提高有利，可在结构方面进行强化设计，如宋浦[100]计算了装填结构、能量激发序列与高能炸药的释能的关系，认为合理的装填结构和能量激发序列可高效转换高能物质潜在的化学能，爆炸输出能量将以数量级形式增加，有利于提高破片速度。

3) 加大新原理、新技术研究

目前流行的破片增速方式主要为偏心起爆，在其他条件一定时，持续增加速度增益存在困难，因此需考虑新原理、新技术或新概念战斗部，如继续深入研究新型壳体材料(如贫铀材料[101])、聚能/释能模式(如二次爆轰技术)、起爆方式等对破片初速的贡献，以期最大化利用化学能或非化学能，提高破片速度。