活性破片引燃航空煤油實驗研究

王海福，鄭元楓，余慶波，劉宗偉，俞為民

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081)

0 引言

利用金屬毀傷元(金屬破片、射流、EFP、桿條等)動能侵徹機理毀傷目標，是現(xiàn)役常規(guī)硬毀傷彈藥戰(zhàn)斗部設計的基本技術理念。由于毀傷機理單一，很大程度上制約了彈藥戰(zhàn)斗部威力的發(fā)揮和提高?；钚詺且环N在材料構成和終點毀傷機理、毀傷模式上，都顯著不同于金屬毀傷元的新型高效毀傷元，其顯著特點和優(yōu)勢在于:1)它是一種通過在高聚物中填充金屬、合金、金屬間化合物等含能粉體，再經(jīng)特殊工藝制備而成的具有良好機械力學強度的整體復合式固體含能材料毀傷元;2)當這種活性含能毀傷元以一定速度撞擊目標時，其首先依靠自身動能侵徹、貫穿目標，與此同時，由于受到強沖擊載荷的作用，活性材料自身被激活并發(fā)生爆炸/爆燃反應，進入目標內(nèi)部后，活性材料依靠自身釋放的化學能進一步毀傷目標，從而在動能侵徹和內(nèi)爆兩種毀傷機理的聯(lián)合作用下，實現(xiàn)對目標的高效打擊和毀傷，使彈藥戰(zhàn)斗部的終端毀傷效能獲得大幅度提升［1-3］。

活性破片及其彈藥戰(zhàn)斗部技術，作為當前高效毀傷領域的熱點研究方向，受到了世界各國的廣泛關注和大力研究，特別是在活性毀傷元配方設計、制備工藝、機械力學性能、撞擊起爆和能量輸出特性及武器化應用技術等方面，取得了顯著研究進展［4-6］。本文針對活性破片引燃作用行為及效應問題，進行了彈道發(fā)射模擬實驗研究，并從引燃機理上與金屬破片進行了比較分析。

1 實驗方案

1.1 活性破片樣品

如前所述，活性破片是一種通過在高聚物中填充金屬、合金、金屬間化合物等含能粉體，經(jīng)特殊工藝制備而成的具有良好機械力學強度又能撞擊起爆的整體復合式固體含能材料毀傷元。為便于制備和彈道炮發(fā)射，采用圓柱形活性破片設計，其質(zhì)量為10 g，尺寸為φ17 mm×15.5 mm，壓縮強度約65 MPa，如圖1(a)所示。帶尼龍彈托口徑25 mm 活性破片實驗彈如圖1(b)所示。

文獻［7］已通過密閉測試罐對圖1中所制備活性破片的侵徹性能與內(nèi)爆效應進行了實驗驗證，如圖2所示，測試罐容積約26.5 L，內(nèi)部為自然空氣，測試罐迎彈面板為厚10 mm 的LY12 硬鋁，實驗中，活性破片以約1 500 m/s 速度撞擊、貫穿迎彈面靶后，在罐內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學反應，形成約0.75 MPa的超壓，釋放出約為自身動能5 倍的化學能。

1.2 模擬油箱靶標

考慮到可重復使用的問題，采用圓柱形模擬油箱靶標設計，如圖3(a)所示，主要由前、后面板、鋼殼及密封圈等組成，其內(nèi)徑290 mm，高度100 mm.實驗中，圓柱形鋼殼厚10 mm，兩端由10 mm 厚LY12 鋁板和橡膠圈密封，通過替換前、后面板及密封圈實現(xiàn)模擬油箱靶標的重復使用。油箱內(nèi)部注滿RP-3 航空煤油，如圖3(b)所示。固定好的模擬油箱如圖3(c)所示。

圖1 活性破片及實驗彈Fig.1 Reactive fragment and test bullet

圖2 活性破片內(nèi)爆效應Fig.2 Blast-inside effects of reactive fragment

1.3 實驗原理

活性破片引燃滿航空煤油油箱實驗測試原理如圖4所示，主要由25 mm 彈道炮、活性破片實驗彈、測速網(wǎng)靶和模擬油箱等組成。彈靶距離10 m，通過調(diào)整發(fā)射藥量控制發(fā)射初速，活性破片著靶速度由置于油箱前方的網(wǎng)靶測量，活性破片引燃油箱作用行為由高速攝影記錄，并與相同實驗條件下的鎢合金破片引燃燃油效應進行對比分析。

2 實驗結果

圖3 滿油油箱Fig.3 Full-filled fuel tank

圖4 彈道實驗原理Fig.4 Schematic diagram of ballistic experimental setup

活性破片和鎢合金破片引燃燃油實驗結果列于表1.從表1可看出，8 發(fā)活性破片實驗中，有2 發(fā)沒有引燃燃油，4 發(fā)引燃了燃油，2 發(fā)導致油箱前、后鋁板失效、飛離，并引燃燃油，而2 發(fā)鎢合金破片均未引燃燃油?；钚云破?24 m/s 速度撞擊模擬油箱，實驗結果如圖5所示，活性破片未能貫穿前鋁板，僅造成一定程度的機械毀傷，沒有引燃航空煤油?；钚云破既加偷湫蛯嶒灲Y果如圖6所示，高速攝影如圖7所示，活性破片以1 080 m/s 速度撞擊模擬油箱后自身被激活，發(fā)出耀眼的白光，在油箱周圍形成高溫場，燃油從侵孔及油箱周圍噴出后立即被點燃，未燃盡的燃油從油箱流出后在地面上繼續(xù)燃燒，油箱前后鋁板均出現(xiàn)了明顯的外鼓變形?；钚云破? 427 m/s 速度撞擊模擬油箱，典型實驗結果及高速攝影如圖8、圖9所示，油箱前后鋁板變形嚴重，鋁材在螺栓處斷裂，前后板飛離油箱，航空煤油被引燃。鎢合金破片以1 643 m/s 速度撞擊油箱的典型實驗結果如圖10 所示，航空煤油從侵孔噴出，但沒有被引燃，油箱基本沒有發(fā)生變形。高速攝影過程如圖11 所示，鎢合金破片撞擊鋁板的瞬間溫度也很高，從侵孔噴出的燃油有被引燃的跡象，但鎢合金破片僅靠動能提供的點火能量有限，侵孔附近的溫度很快降低，燃油瞬間熄滅。

表1 實驗結果Tab.1 Experimental results

3 引燃機理

圖5 活性破片以724 m/s 速度撞擊油箱實驗結果Fig.5 Experimental results of reactive fragment impacting fuel tank at 724 m/s

圖6 引燃燃油實驗結果Fig.6 Photographs of igniting fuel

本文實驗結果很好地驗證了活性破片較鎢合金破片具有更強的引燃航空煤油能力。主要原因在于金屬破片對燃油的引燃行為僅依靠破片動能，破片進入油箱內(nèi)部后，雖然剩余速度較高，燃油也會一定程度霧化及熱解，但由于侵徹通道中含氧量低，使得油霧及熱解產(chǎn)物與空氣混合濃度難以達到可燃極限范圍［8］。因此，燃油難以被沖擊引燃，即使侵孔附近有局部引燃現(xiàn)象，也會迅速熄滅。

活性破片則不同，當其侵入油箱后便會自行發(fā)生化學反應，釋放出大量化學能，這使得活性破片可通過終點動能侵徹和化學能釋放/內(nèi)爆效應的聯(lián)合作用增強對燃油的引燃能力?；钚云破瑢τ拖涞钠茐暮鸵既加瓦^程主要包括機械貫穿、油箱鼓包、油箱斷裂和燃油燃燒。首先，活性破片利用動能貫穿鋁板并進入油箱內(nèi)部，由于受活性材料碎片和油箱殼體崩落碎塊的沖擊作用，油箱內(nèi)燃油的溫度及壓力升高，燃油一定程度的霧化及熱解，這與金屬破片作用機理基本相同。但更為重要的是，活性材料隨后在破片通道內(nèi)發(fā)生劇烈化學反應，釋放出大量的化學能，導致油箱內(nèi)溫度及壓力進一步升高，使油箱發(fā)生更嚴重的結構破壞。文獻［7］表明，活性材料內(nèi)爆效應受撞擊速度影響顯著，速度越高，反應越完全，內(nèi)爆效應越明顯，釋放的化學能越多，對油箱造成的破壞作用越嚴重，這也正是實驗中高速撞擊時鋁板飛離，低速撞擊時鋁板僅出現(xiàn)鼓包的主要原因。與此同時，油箱內(nèi)霧化、裂解的高溫燃油從侵孔噴出，鋁板鼓包或飛離進一步為燃油與空氣充分接觸提供了條件，從而使燃油完成燃燒預備過程。如前文所述，活性破片以約1 500 m/s 速度撞擊目標時，能在內(nèi)部釋放出約為自身動能5 倍的化學能，這表明活性破片提供的點火能量數(shù)倍于鎢合金破片，致使燃油從油箱內(nèi)噴出時具有很高的溫度，圖7和圖9均表明，活性破片在油箱外圍同時形成一高溫場。上述兩方面因素為引燃燃油提供了良好的點火條件，致使燃油噴出后即被引燃。

圖7 引燃燃油高速攝影結果Fig.7 High-speed video sequences of igniting fuel

圖8 引燃燃油及油箱破裂實驗結果Fig.8 Photographs of fuel ignition and tank rupture

圖9 引燃燃油及油箱破裂高速攝影Fig.9 High-speed video sequences of fuel ignition and tank rupture

圖10 鎢合金破片撞擊油箱實驗結果Fig.10 Photographs of tungsten alloy fragment impacting fuel tank

圖11 鎢合金破片撞擊油箱高速攝影Fig.11 High-speed video sequences of tungsten alloy fragment impacting fuel tank

由此可見，從引燃機理上看，活性破片內(nèi)爆效應是引燃燃油的主控機制，而且顯著降低了對破片撞擊動能的要求。也就是說，只要活性破片能可靠穿透油箱的迎彈面板并被激活，即可利用自身的化學能釋放對油箱造成結構破壞，并將燃油引燃。文獻［7］研究表明，當活性破片著速超過1 100 m/s 時，質(zhì)量10 g 活性破片便能可靠穿透10 mm 鋁板且自身能發(fā)生劇烈的化學反應。因此，可以認為活性破片以高于1 100 m/s 的速度撞擊本文所設計的油箱，均能可靠引燃燃油，這與文中實驗結果一致，而同質(zhì)量鎢合金破片以1 643 m/s 速度撞擊油箱，油箱未出現(xiàn)明顯的鼓包，燃油也未能被引燃。

4 結論

針對活性破片引燃航空煤油性能問題，在25 mm彈道炮平臺上進行了活性破片和同質(zhì)量鎢合金破片引燃滿油油箱的實驗研究，并進行了活性破片引燃燃油機理分析，主要結論有:

1)活性破片著速大于1 080 m/s 時可擊穿10 mm厚LY12 鋁板，造成油箱局部破壞，甚至破裂，并引燃航空煤油，而鎢合金破片以1 643 m/s 速度撞擊油箱，油箱未出現(xiàn)明顯鼓包，燃油也未被引燃。

2)活性破片通過終點動能侵徹和化學能釋放的聯(lián)合作用，實現(xiàn)對油箱結構的破壞作用，從而顯著增強和提高了對航空煤油的引燃能力。

3)活性破片內(nèi)爆效應是引燃燃油的主控機制，從而顯著降低了對碰撞速度和動能的要求，即只要活性破片能穿透油箱壁且自身被激活，便可對油箱造成結構破壞，并將航空煤油引燃。

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