對(duì)射流成型干擾裝置作用機(jī)制的X光試驗(yàn)研究

夏　明，徐春雨，李永忠，楊程宇

（61489部隊(duì)，河南 洛陽 471023）

對(duì)射流成型干擾裝置作用機(jī)制的X光試驗(yàn)研究

夏明，徐春雨，李永忠，楊程宇

（61489部隊(duì)，河南 洛陽 471023）

針對(duì)聚能彈集裝儲(chǔ)運(yùn)意外爆炸條件下的殉爆問題，應(yīng)用脈沖X光成像技術(shù)，分別對(duì)某型聚能彈射流在空氣中自由成型及運(yùn)行過程，不同材料干擾裝置作用于射流成型的過程進(jìn)行X光拍攝試驗(yàn)，獲得射流未被干擾狀態(tài)的基本參數(shù)和在不同材料干擾裝置作用下的干擾效果X光影像，并在影像分析基礎(chǔ)上，研究干擾裝置的作用機(jī)制，為提高干擾裝置的射流防護(hù)性能，提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：試驗(yàn)用聚能彈的射流準(zhǔn)直性良好，在54～197.4mm炸高范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的侵徹能力，防護(hù)困難；3種材料的干擾裝置對(duì)射流成型過程都發(fā)揮顯著抑制作用，射流均未成型；干擾裝置的作用機(jī)制主要是施加干擾后，藥型罩的受力狀態(tài)發(fā)生明顯改變，干擾裝置使藥型罩變形受阻，變形速度顯著降低，最終未形成射流；強(qiáng)度較高、密度較大、較耐高溫的材料干擾效果較好。

X光成像技術(shù)；聚能彈；射流；干擾裝置；防護(hù)

0　引言

由于聚能彈具有定向高威力、大穿深特點(diǎn)，在聚能彈集裝儲(chǔ)運(yùn)時(shí)，如某層中的一個(gè)聚能彈發(fā)生意外爆炸，產(chǎn)生的高速射流不僅將沖擊起爆相鄰層中的其他裝藥，還可穿透十幾厘米厚的裝甲鋼板，從而引發(fā)大規(guī)模殉爆，造成難以估量的人員和財(cái)產(chǎn)損失，后果不堪設(shè)想。但在聚能射流成型階段，其速度較低，且極易被干擾，威力大幅降低。因此，對(duì)射流進(jìn)行初始干擾，比直接增加抗射流材料的防護(hù)方式，效費(fèi)比更高，也有利于減輕防護(hù)結(jié)構(gòu)重量，是射流防護(hù)的一條合理思路。射流干擾一直是防護(hù)研究的熱點(diǎn)問題，基于射流干擾機(jī)理的多層復(fù)合裝甲、反應(yīng)裝甲，以及新概念裝甲防護(hù)技術(shù)發(fā)展迅速。HAUVER分別對(duì)熔鑄玻璃與結(jié)晶水晶對(duì)射流的干擾作用進(jìn)行了研究［1］，Littlefield［2］對(duì)熱動(dòng)力及磁場(chǎng)與射流穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，Horsfall［3］對(duì)間隙復(fù)合裝甲抗射流的問題進(jìn)行了研究，Helte［4］應(yīng)用開爾文-亥姆霍茲原理，開展了反應(yīng)裝甲對(duì)射流的干擾作用研究；黃正祥、祖旭東等［5-12］對(duì)橡膠復(fù)合裝甲、凱夫拉纖維復(fù)合裝甲、以及異形結(jié)構(gòu)裝甲等對(duì)射流的干擾作用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況分析可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)射流進(jìn)行干擾是防護(hù)射流的重要手段，成型射流的干擾問題已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，并取得了系列成果，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者集中關(guān)注于成型射流的干擾防護(hù)問題，而非初始階段。同時(shí)，射流成型初始階段的干擾問題，雖然理論研究有一定基礎(chǔ)，但干擾裝置的作用機(jī)制、不同材料干擾裝置的效果差異等關(guān)鍵問題卻鮮有報(bào)道。

本文應(yīng)用脈沖X光成像技術(shù)，首先對(duì)某型聚能彈在空氣中射流自由成型過程進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了射流未被干擾狀態(tài)的基本參數(shù)；然后，拍攝得到了3種不同材料制成的干擾裝置對(duì)聚能射流成型過程的干擾效果影像；最后，根據(jù)影像對(duì)比分析，研究了干擾裝置的作用機(jī)制和不同材料干擾裝置的效果差異，為提高干擾裝置的射流防護(hù)性能，提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　試驗(yàn)設(shè)備及器材

采用ScandiFlash公司的雙出光管300 kV脈沖X光發(fā)生裝置進(jìn)行試驗(yàn)過程拍攝，在有混凝土防護(hù)墻和X光出光口的爆炸洞內(nèi)進(jìn)行該試驗(yàn)，以保證安全。同時(shí)，在爆炸洞中心設(shè)置聚能彈，在出光口與爆炸洞中心連線的法向設(shè)置X光底片，并用底片盒及支托架進(jìn)行底片防護(hù)和固定，如圖1所示。試驗(yàn)用某型聚能彈由聚能裝藥和裝藥殼體組成。聚能彈的藥型罩為T2紫銅，裝藥為8701炸藥，外徑為40 mm，結(jié)構(gòu)為柱錐結(jié)合式。裝藥的圓柱段為27mm，錐臺(tái)段為24mm，總高度為51mm，如圖2所示。

圖2　某型聚能彈的裝藥結(jié)構(gòu)

圖3　干擾裝置結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)了聚乙烯、酚醛樹脂和尼龍3種材料不同，但結(jié)構(gòu)相同的射流干擾裝置。干擾裝置的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，干擾裝置的基本參數(shù)，見表1。3種干擾裝置的密度和強(qiáng)度均有明顯差異，其中聚乙烯材料的密度和強(qiáng)度最小，而酚醛樹脂最大，尼龍介于二者之間。

表1　干擾裝置的基本參數(shù)

2　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段進(jìn)行，首先對(duì)某型聚能彈射流在空氣中自由成型及運(yùn)行過程進(jìn)行試驗(yàn)，獲得射流未被干擾狀態(tài)的基本參數(shù)；然后，進(jìn)行3種干擾裝置對(duì)射流成型過程的干擾效果試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)際干擾效能進(jìn)行了對(duì)比分析研究。

射流自由成型及在空氣中的運(yùn)行試驗(yàn)設(shè)置如圖1所示，采用被動(dòng)同步觸發(fā)方法。在聚能彈的柱錐結(jié)合位置環(huán)繞粘貼兩根直徑0.3mm的漆包線，斷口平行。聚能彈爆炸后產(chǎn)生的電離作用將接通兩根漆包線，從而產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)，以保證X光與聚能彈的同步觸發(fā)。分別設(shè)置兩個(gè)X光管的出光時(shí)間，即可一次試驗(yàn)得到兩張不同時(shí)刻的X光照片。在進(jìn)行影像處理時(shí)，還需確定影像放大系數(shù)。放大系數(shù)由X光管、拍攝對(duì)象和底片的相對(duì)位置決定。本試驗(yàn)設(shè)置兩臺(tái)X光管距爆炸洞中心的距離與爆炸洞中心與對(duì)應(yīng)底片盒的距離相等，因此，圖像的放大系數(shù)為2。此外，為了方便在X光照片上計(jì)算射流頭尾速度，在拍攝前還在底片盒上粘貼了參考標(biāo)記線，上下標(biāo)記線的實(shí)際距離為500mm，在底片上能清晰反映。

干擾裝置對(duì)射流成型過程的干擾效果試驗(yàn)的設(shè)置、同步觸發(fā)方法和底片盒的位置與圖1中相同，主要區(qū)別在于聚能彈的設(shè)置。本試驗(yàn)聚能彈采用爆炸試驗(yàn)臺(tái)架上的PVC管支撐，并在聚能穴內(nèi)安放了干擾裝置，以模擬實(shí)際應(yīng)用情況。試驗(yàn)對(duì)不同材料干擾裝置的射流成型情況進(jìn)行了拍攝，記錄了藥型罩和干擾裝置變形過程。

圖4　特征時(shí)刻射流自由成型及在空氣中運(yùn)行的X光照片

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)獲得了射流自由成型及在空氣中特征時(shí)刻的X光照片，但照片上的圖像已經(jīng)過放大，放大系數(shù)為2，上下標(biāo)記線的實(shí)際距離為500mm。因此，根據(jù)射流頭尾距離上標(biāo)記線的距離差和出光時(shí)間差，以及放大系數(shù)，即可得到射流在該時(shí)間范圍的平均速度。同時(shí)，由于0～10μs射流還未完全成型，只對(duì)15～50μs的射流頭尾位置進(jìn)行了測(cè)量，如圖4所示。

試驗(yàn)獲得了3種材料干擾裝置特征時(shí)刻的干擾效果X光照片，并回收了被干擾變形后的藥型罩，所有被干擾的聚能彈均未形成射流，特征時(shí)刻的干擾情況，如圖5所示。

圖5　不同材料干擾裝置特征時(shí)刻的X光照片及回收藥型罩

3.2結(jié)果分析

1）射流成型未受干擾時(shí)，40 μs之前是連續(xù)的，而50μs時(shí)部分射流出現(xiàn)頸縮和斷裂現(xiàn)象，射流斷裂時(shí)間應(yīng)位于40～50μs區(qū)間內(nèi)。

2）射流準(zhǔn)直性良好，在15～25μs已產(chǎn)生較高的頭部平均速度，約4 736 m/s，而后續(xù)射流拉伸過程還在加速，在40～50 μs區(qū)間，頭部平均速度已達(dá)約6847m/s。在54～197.4mm炸高范圍內(nèi)（即15～40μs射流運(yùn)行范圍內(nèi)）該射流具有較強(qiáng)的侵徹能力，炸高適應(yīng)范圍較寬，防護(hù)困難。

3）3種材料的干擾裝置對(duì)射流成型過程都發(fā)揮了顯著抑制作用，射流均未成型。從干擾成型的效果看，酚醛樹脂材料的干擾裝置效果最好，尼龍次之，聚乙烯相對(duì)較差。

4）如表1所示，3種干擾裝置的材料強(qiáng)度差別明顯，密度和耐溫性能也有所差異。強(qiáng)度較高、密度較大、較耐高溫的材料干擾效果較好。在射流正常成型情況下，炸藥爆轟高溫高壓驅(qū)動(dòng)藥型罩的平均變形速度可達(dá)幾千米每秒，而從圖5中的X光片分析，受到干擾后，以聚乙烯干擾裝置為例，在0～50μs時(shí)間區(qū)間，藥型罩的口部平均變形速度約154 m/s，而當(dāng)酚醛樹脂干擾裝置作用時(shí)，則僅為58m/s。

5）干擾裝置的作用機(jī)制主要是：施加干擾后，藥型罩的受力狀態(tài)發(fā)生了顯著改變。未受干擾時(shí)，藥型罩內(nèi)部為空氣，在變形過程中不承受壓力，對(duì)藥型罩的變形過程無影響；而施加干擾后，干擾裝置受到藥型罩變形的壓力，但其自身有較高強(qiáng)度，將反作用于藥型罩，使其變形受阻，變形速度顯著降低，最終未形成射流。此外，不同材料在高溫下保持強(qiáng)度的性能不同，也是導(dǎo)致干擾效果差異的一個(gè)因素。從圖5中的X光片分析，聚乙烯和尼龍干擾裝置在高溫作用下都很快強(qiáng)度失效，而酚醛樹脂的耐溫性能較好，強(qiáng)度能夠保持相對(duì)較長(zhǎng)的作用時(shí)間，從而干擾效果也較好。另外，干擾裝置材料的密度也對(duì)干擾效果產(chǎn)生一定的影響。在聚能彈未受干擾時(shí)，炸藥爆轟作用直接驅(qū)動(dòng)藥型罩；但受到干擾后，藥型罩與干擾裝置幾乎一起運(yùn)動(dòng)和變形，而炸藥的驅(qū)動(dòng)能力并未明顯變化。藥型罩質(zhì)量約為18g，而聚乙烯、尼龍和酚醛樹脂干擾裝置的結(jié)構(gòu)體積一樣，密度較大的，質(zhì)量也較大，分別為23.263，31.175，37.338g。因此，從炸藥驅(qū)動(dòng)能力的角度分析，被驅(qū)動(dòng)物體的質(zhì)量顯著增加了，在同樣的作用時(shí)間內(nèi)，必然降低最終速度。

4　結(jié)束語

1）試驗(yàn)用聚能彈的射流準(zhǔn)直性良好，在 54～197.4 mm炸高范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的侵徹能力，炸高適應(yīng)范圍較寬，防護(hù)困難。

2）3種材料的干擾裝置對(duì)射流成型過程都發(fā)揮了顯著抑制作用，射流均未成型。從干擾成型的效果看，酚醛樹脂材料的干擾裝置效果最好，尼龍次之，聚乙烯相對(duì)較差。

3）干擾裝置的作用機(jī)制主要是：施加干擾后，藥型罩的受力狀態(tài)發(fā)生了顯著改變，干擾裝置使藥型罩變形受阻，變形速度顯著降低，最終未形成射流。強(qiáng)度較高、密度較大，較耐高溫的材料干擾效果較好。

［1］HAUVER G E，NETHERWOOD P H，BENCK R F，et al.Penetration of shaped charge jets into glass and crystalline quartz：BRL-TR-3273［R］.1991.

［2］LITTLEFIELD D L.Thermomechanical and magnetohydrodynamic stability in shaped charge jets：ADA271369［R］. 1993.

［3］HORSFALL I，PETROU E，CHAMPION S M.Shaped charge attack of spaced and composite armour 23rd Internation Symposium on Ballistics［C］∥Tarragona Spain，2007：1281-1288.

［4］HELTE A，LIDEN E.The role of Kelvin-Helmholtz instabilities on shaped charge jet interaction with reactive armoursplates 25th International Symposium on Ballistics［C］∥Beijing，2010：1347-1350.

［5］黃正祥，張鐘文，祖旭東，等.折狀?yuàn)A芯復(fù)合靶對(duì)射流侵徹的影響［J］.彈道學(xué)報(bào)，2013，25（4）：69-74.

［6］言克斌，祖旭東，黃正祥，等.陶瓷/橡膠復(fù)合裝甲對(duì)射流防護(hù)效能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2013，25（4）：59-64.

［7］張鐘文，黃正祥，祖旭東，等.異型夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合靶板抗射流侵徹性能研究［J］.高壓物理學(xué)報(bào)，2013，27（6）：928-935.

［8］肖強(qiáng)強(qiáng)，黃正祥，祖旭東，等.新結(jié)構(gòu)藥型罩射流對(duì)等效前艙的抗干擾研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2012，24（1）：47-68.

［9］鑫賈，黃正祥，祖旭東，等.織物纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合板抗射流侵徹的防護(hù)效能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2012，29（6）：66-72.

［10］祖旭東，黃正祥，鑫賈.橡膠復(fù)合靶板抗射流侵徹的理論和實(shí)驗(yàn)研［J］.爆炸與沖擊，2012，32（4）：376-383.

［11］祖旭東，黃正祥，鑫賈，等.橡膠復(fù)合靶板抗成型裝藥射流侵徹研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，36（6）：1047-1051.

［12］祖旭東，黃正祥，鑫賈，等.橡膠夾層厚度對(duì)復(fù)合靶板抗射流侵徹性能的影響［J］.高壓物理學(xué)報(bào)，2012，26（5）：551-556.

（編輯：劉楊）

The X-ray experimental research on the mechanism of the jet for mation jamming device

XIA Ming，XU Chunyu，LI Yongzhong，YANG Chengyu
（The 61489 Troop of the PLA，Luoyang 471023，China）

Withregardtotheinduceddetonationfeatureofshapedchargeafteraccidental explosion in packaging and transportation process，pulsed X-ray imaging technology is applied to have X-ray photographing test on the free forming and moving process of the jet flow of one type of shaped charge in air and the process that jamming device of difference materials acts on the jet formation.Through the test，basic parameters under the condition that the jet flow is not interfered and the X-ray image of interfering effect of jamming devices of different materials are obtained.In addition，the acting mechanism of jamming device is studied on the basis of image analysis to provide data in basic test for the improvement of jet protection performance of jamming device.Results show that the shaped charge for test has good jet alignment and it has strong penetration ability within a burst height ranging 54 to197.4mm；jamming devices of three materials have obvious effects in restraining the jet formation and the jet formation always fails；the acting mechanism of jamming device is that after an interference is posed，the stress state of shaped charge liner will change obviously，the jamming device will deform and restrict the liner，the deformation speed will be decreased obviously and finally jet will not be formed；material with strong strength，large intensity and great high temperature resistance has good interfering effects.

X-ray imaging technology；shaped charge；jet；jamming devices；protection

A

1674-5124（2016）10-0090-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.017

2016-04-21；

2016-05-29

夏明（1981-），男，湖南益陽市人，工程師，博士，主要從事防護(hù)技術(shù)和武器毀傷效應(yīng)研究。