全含能侵徹戰(zhàn)斗部對多層鋼介質(zhì)的毀傷威力表征技術(shù)

沈 波，李 延

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

1 引言

傳統(tǒng)侵徹戰(zhàn)斗部由金屬殼體、炸藥及引信等部件組成，在戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)過程中，需要保證殼體具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、炸藥具有一定的安定性，同時(shí)需要保證引信具有可靠的引戰(zhàn)配合功能。近年來，各類高速飛行器不斷涌現(xiàn)，侵徹戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)、炸藥及引信等各方面性能都面臨著極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。對于現(xiàn)役侵徹戰(zhàn)斗部來說，炸藥是主要的能量輸出來源，作為傳統(tǒng)含能材料，其高能與高鈍感設(shè)計(jì)技術(shù)幾乎趨于瓶頸。隨著新型含能結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的不斷發(fā)展，全含能侵徹戰(zhàn)斗部的概念應(yīng)運(yùn)而生。戰(zhàn)斗部由高強(qiáng)高韌含能殼體及堵蓋、低密度高釋能含能內(nèi)芯材料組合而成。在侵徹多層鋼介質(zhì)過程中，戰(zhàn)斗部能夠逐層發(fā)生破碎及釋能效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)侵徹?cái)U(kuò)孔、高溫高壓及縱火引燃等功能，對目標(biāo)形成多層級立體式打擊，從而脫離平臺(tái)速度提升帶來的彈體強(qiáng)度、裝藥安定及引信可靠性等一系列限制，為艦船類目標(biāo)的有效打擊帶來新的思路。

含能侵徹戰(zhàn)斗部最早以橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體（PELE）的概念提出，該侵徹體外殼由鋼或鎢等重金屬材料制備，內(nèi)核由金屬/氟聚物低密度含能材料填充。凃勝元［1］、朱永清［2］、李干［3］采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）仿真算法描述了PELE 侵徹金屬靶的應(yīng)力演化與破碎飛散過程；殷藝峰［4］、張?zhí)镉樱?］利用Powder Burn 模型模擬了PELE 的爆燃反應(yīng)；朱建生［6］從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了彈體材料及著靶速度對破片飛散的影響。近年來，含能材料開始應(yīng)用于侵徹戰(zhàn)斗部殼體，楊華［7］設(shè)計(jì)了由含能殼體和鋼殼體組成的復(fù)合殼體侵徹戰(zhàn)斗部，通過侵徹5 層建筑靶標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證了含能殼體應(yīng)用于侵徹戰(zhàn)斗部的可行性。汪濤［8］通過真空電弧熔煉技術(shù)制備得到侵徹戰(zhàn)斗部殼體所需材料，通過成分優(yōu)化找出材料強(qiáng)韌性匹配成分點(diǎn)。

從國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，目前含能侵徹體多采用部分含能結(jié)構(gòu)，即殼體含能或內(nèi)芯含能，而有關(guān)全含能侵徹戰(zhàn)斗部的研究較少。此外，研究多關(guān)注戰(zhàn)斗部的侵徹能力、膨脹破裂等力學(xué)行為，研究手段多為理論分析和數(shù)值模擬。而有關(guān)含能侵徹戰(zhàn)斗部沖擊釋能特性的研究仍然較少，特別是釋能威力的表征，幾乎是空白。為此，本文通過試驗(yàn)方法，對戰(zhàn)斗部侵徹?cái)U(kuò)孔、高溫高壓、縱火引燃等毀傷效應(yīng)開展研究，研究結(jié)果對全含能侵徹戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)和效能評估具有一定的參考價(jià)值。

2 毀傷效應(yīng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件狀態(tài)

全含能侵徹戰(zhàn)斗部由含能殼體、含能堵蓋及含能內(nèi)芯組成，如圖1 所示。彈體采用卵形頭+直筒形彈身外形結(jié)構(gòu)，殼體及堵蓋均由多元高熵合金材料制備而成，具有較高的強(qiáng)度和韌性，密度5.6 g·cm-1。內(nèi)芯由金屬/氟聚物復(fù)合材料澆注成型，具有高釋能特性，密度1.9 g·cm-3。試驗(yàn)彈總質(zhì)量16 kg，其中內(nèi)芯材料質(zhì)量3.6 kg，占總質(zhì)量的22.5%。

圖1 全含能侵徹戰(zhàn)斗部Fig.1 All-energy penetration warhead

取高熵合金殼體材料8 mg，以氧化鋁為坩堝進(jìn)行線性升溫綜合熱分析，初始溫度30 ℃，加熱速率10 k·min-1，終止溫度1300 ℃，測試氣氛為工業(yè)純N2和O2按4∶1 體積比合成的模擬大氣。圖2a 為合金材料差示掃描量熱（DSC）曲線和熱重（TG）曲線。在大氣氣氛線性升溫過程中，材料氧化增重達(dá)20.24%，出現(xiàn)明顯氧化放熱峰，放熱峰值1032.9 ℃，熱氧化放熱值（放熱峰面積）16953 J·g-1。收集少量內(nèi)芯材料在模擬大氣中進(jìn)行DSC 和TG 分析，如圖2b 所示，材料氧化減重達(dá)50%，同樣出現(xiàn)明顯氧化放熱峰，放熱峰值約600 ℃，熱值5215 J·g-1。相比于內(nèi)芯材料，殼體材料熱值更高，然而由于內(nèi)芯材料反應(yīng)溫度較低，分子活化能較高，且材料為樹脂基材料，其力學(xué)性能與合金殼體材料具有顯著差異，在戰(zhàn)斗部侵靶過程中破碎更為完全，反應(yīng)接觸面積更大，因此內(nèi)芯材料更易于激發(fā)化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到更高的釋能效率。

為了表征含能侵徹戰(zhàn)斗部與惰性動(dòng)能侵徹戰(zhàn)斗部的毀傷威力差異，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1 發(fā)惰性試驗(yàn)件作為對比參照，殼體與堵蓋均采用45#鋼材料，彈體內(nèi)部采用空心結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)彈質(zhì)量16 kg，與含能侵徹戰(zhàn)斗部保持一致。

圖2 含能殼體材料與內(nèi)芯材料的TG-DSC 曲線Fig.2 TG-DSC curves of high-entropy alloy energetic shell material and inner core material

圖3 惰性侵徹戰(zhàn)斗部試驗(yàn)件Fig.3 Inert penetration warhead test piece

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

全含能侵徹戰(zhàn)斗部威力表征試驗(yàn)系統(tǒng)主要由125 mm 火炮、侵徹靶板、效應(yīng)物靶標(biāo)、高速運(yùn)動(dòng)分析儀、超壓測試儀及溫度測試儀組成，試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖4 所示。侵徹靶板由5 層Q345 鋼板組成，各層靶板與地面保持垂直，靶面尺寸1 m×1 m，靶板厚度依次為22，8，16，8，8 mm，靶面間距依次為1，3，1，1 m。第二層與第五層靶板后方分別放置油箱作為效應(yīng)物靶標(biāo)，油箱由3 mm 厚LY12 鋁板焊接而成，敞口放置，油箱尺寸500 mm（長）×150 mm（寬）×500 mm（高），內(nèi)裝0#航空煤油，油面高度約為油箱高度的1/3。高速運(yùn)動(dòng)分析儀、超壓測試儀及溫度測試儀均放置于靶板側(cè)方掩體內(nèi)部。其中高速運(yùn)動(dòng)分析儀用于記錄戰(zhàn)斗部侵靶過程，拍攝頻率5000 Hz，曝光時(shí)間158 ms；超壓測試儀用于記錄戰(zhàn)斗部在侵靶過程中產(chǎn)生的超壓信息，三路壓電傳感器放置于1～4 層靶板之間的地面處，距離炮擊跡線1.2 m，通過導(dǎo)線連接掩體內(nèi)部數(shù)據(jù)采集器；溫度測試儀采用高速紅外相機(jī)，用于記錄戰(zhàn)斗部在侵靶過程中產(chǎn)生的溫度場效應(yīng)，拍攝頻率400 Hz。此外，靶前放置測速網(wǎng)靶，用于測量戰(zhàn)斗部的著靶速度。

圖4 全含能侵徹戰(zhàn)斗部毀傷試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 All-energy penetration warhead damage test system

3 結(jié)果與討論

3.1 戰(zhàn)斗部侵靶過程分析

高速運(yùn)動(dòng)分析儀記錄的全含能侵徹戰(zhàn)斗部侵靶過程如圖5 所示，圖像中判讀戰(zhàn)斗部著靶速度952 m·s-1。戰(zhàn)斗部侵徹第一層靶板瞬間激發(fā)強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)，釋放大量能量，在3 m×3.6 m 范圍內(nèi)形成強(qiáng)烈火光。隨后在撞擊每一層靶板過程中，戰(zhàn)斗部攜帶含能結(jié)構(gòu)材料均不斷激發(fā)反應(yīng)，火光分布范圍不斷擴(kuò)大，亮度逐漸增強(qiáng)，在20 ms貫穿5層靶板后，火光分布范圍已超過6 m×10 m，在40 ms 時(shí)，火光范圍和亮度均達(dá)到最大值，隨著含能材料不斷反應(yīng)消耗，在隨后的一段時(shí)間里，火光強(qiáng)度不斷削弱，120 ms 時(shí)火光接近熄滅。由于高速相機(jī)拍攝故障，未記錄到惰性戰(zhàn)斗部的侵靶過程。

針對含能侵徹戰(zhàn)斗部的侵靶過程開展數(shù)值仿真再現(xiàn)分析，由于含能結(jié)構(gòu)材料具有沖擊釋能特性，材料模型不僅需要反映材料的力學(xué)行為，還需反映釋能行為。目前國內(nèi)學(xué)者已嘗試采用JWL［9］、Powder Burn［10］等模型對該類材料的釋能行為進(jìn)行描述，但仿真結(jié)果與試驗(yàn)效果有不小偏差。為此本研究在仿真過程中仍然假設(shè)戰(zhàn)斗部為惰性，含能殼體及堵蓋材料選用MAT_JOHNSON_COOK 模型，活性內(nèi)芯材料選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC 理想彈塑性模型，材料參數(shù)基于力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。戰(zhàn)斗部殼體、堵蓋、內(nèi)芯和靶標(biāo)均采用單元侵蝕算法來模擬破碎失效。

從仿真結(jié)果可以看出，對于16 kg 全含能侵徹戰(zhàn)斗部，在952 m·s-1的初始速度條件下，戰(zhàn)斗部初始動(dòng)能7.25 MJ，在侵靶過程中沿頭部向后不斷發(fā)生侵蝕破碎，戰(zhàn)斗部侵徹各層靶板后的剩余動(dòng)能依次為5.9，4.7，3.7，3.2 MJ 和2.5 MJ，侵靶結(jié)束后的剩余動(dòng)能約占初始動(dòng)能的34%。侵靶過程中，戰(zhàn)斗部損失材料依靠自身自供氧體系發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時(shí)與周圍氧氣反應(yīng)生成金屬氧化物，通過戰(zhàn)斗部的連續(xù)侵徹、破碎與沖擊形成能量的自分布釋放。

3.2 戰(zhàn)斗部侵靶溫度場效應(yīng)分析

高速紅外相機(jī)記錄到含能戰(zhàn)斗部與惰性戰(zhàn)斗部的侵靶溫度場如圖7所示。由圖7可以看出，由于含能戰(zhàn)斗部攜帶含能材料在侵靶過程中不斷反應(yīng)釋能，侵徹彈道附近一定區(qū)域內(nèi)形成強(qiáng)烈高溫場，溫度場的分布范圍和形態(tài)演變與高速攝像記錄的火光相一致，且溫度值與火光強(qiáng)度呈正相關(guān)性，最高溫度約為2100 ℃。反觀惰性戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部僅在各層靶板侵孔附近很有限的區(qū)域內(nèi)形成高溫場，溫度場范圍約為1 m×0.5 m，最高溫度約830 ℃，在14.5 ms時(shí)，溫度場已消散殆盡。

由此可見，相比于惰性戰(zhàn)斗部，含能侵徹戰(zhàn)斗部具有強(qiáng)烈的高溫場效應(yīng)，溫度值、分布范圍及持續(xù)時(shí)間均有顯著提升，相比于惰性戰(zhàn)斗部，最高溫度增益可以達(dá)到約1270 ℃。

圖5 全含能侵徹戰(zhàn)斗部侵靶過程Fig.5 All-energetic penetration warhead

圖6 戰(zhàn)斗部侵靶過程數(shù)值仿真描述Fig.6 Numerical simulation description of warhead penetration process

3.3 戰(zhàn)斗部侵靶超壓場效應(yīng)分析

超壓測試儀記錄了兩種戰(zhàn)斗部在侵靶過程中產(chǎn)生的超壓數(shù)據(jù)，如圖8 所示。由圖8 可以看出，兩種戰(zhàn)斗部在三個(gè)測壓點(diǎn)位均獲得連續(xù)脈沖信號(hào)，壓力在很短的時(shí)間內(nèi)上升至最大值，隨后迅速下降，此后又產(chǎn)生了多個(gè)脈沖震蕩，這是由于超壓在周圍介質(zhì)中不斷反射所造成的。惰性戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的超壓主要源于戰(zhàn)斗部在空氣中飛行產(chǎn)生的脫體沖擊波，而含能戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的超壓主要源于含能材料不斷沖擊釋能疊加而產(chǎn)生的爆燃沖擊波。 對于含能戰(zhàn)斗部來說，三個(gè)測壓點(diǎn)位測得初始超壓峰值分別為0.23，0.24 MPa 和0.57 MPa；對于惰性戰(zhàn)斗部來說，三個(gè)測壓點(diǎn)位測得初始超壓峰值分別為0.07，0.08 MPa 和0.07 MPa。

圖7 含能戰(zhàn)斗部與惰性戰(zhàn)斗部侵靶溫度場效應(yīng)對比Fig.7 Comparison of the temperature field effect of energetic warhead and inert warhead

由此可見，相比于惰性戰(zhàn)斗部，含能戰(zhàn)斗部能夠產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的超壓場效應(yīng)，利用含能戰(zhàn)斗部與惰性戰(zhàn)斗部的超壓差值可以對含能戰(zhàn)斗部爆燃超壓進(jìn)行表征，即含能戰(zhàn)斗部爆燃產(chǎn)生的超壓增益約為0.16～0.5 MPa。

3.4 戰(zhàn)斗部對鋼介質(zhì)侵徹?cái)U(kuò)孔效應(yīng)分析

圖8 含能戰(zhàn)斗部與惰性戰(zhàn)斗部侵靶超壓對比Fig.8 Comparison of overpressure between energetic warhead and inert warhead

含能戰(zhàn)斗部與惰性戰(zhàn)斗部對多層鋼靶板的毀傷效果如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出，惰性戰(zhàn)斗部侵徹彈道平直，形成的侵孔基本呈現(xiàn)圓形，侵孔直徑與彈體直徑相當(dāng)。從圖11統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，1～5層靶板侵孔面積分別為153，220，255，375，452 cm2，隨著侵徹層數(shù)遞增，侵孔面積略有增加，這是由于彈體侵徹姿態(tài)發(fā)生改變而造成的。對于含能戰(zhàn)斗部來說，首層鋼板形成的侵孔為規(guī)整圓形，此后侵孔形狀逐漸呈現(xiàn)不規(guī)則性，第5層靶板已發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，從圖11統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，1～4層靶板的侵孔面積分別為175，473，790，2570 cm2，侵孔面積呈現(xiàn)出迅速遞增趨勢，這一方面是由于含能戰(zhàn)斗部殼體在侵靶過程中不斷發(fā)生破裂，提高了彈靶接觸面積；另一方面是由于戰(zhàn)斗部攜帶含能材料沖擊釋能產(chǎn)生爆燃超壓，加劇了侵孔的橫向破裂與變形。

由此可見，相比于惰性戰(zhàn)斗部，含能戰(zhàn)斗部能夠?qū)Χ鄬愉摻橘|(zhì)形成顯著的侵徹?cái)U(kuò)孔行為，對于5 層鋼靶板來說，含能戰(zhàn)斗部對鋼靶的破孔面積累計(jì)增益可以達(dá)到300%以上。

圖9 含能戰(zhàn)斗部侵靶效果Fig.9 Energetic warhead penetration effect

圖10 惰性戰(zhàn)斗部侵靶效果Fig.10 Inert warhead penetration effect

圖11 含能戰(zhàn)斗部與惰性戰(zhàn)斗部侵孔面積對比Fig.11 Comparison of penetration area of energetic warhead and inert warhead

3.5 含能戰(zhàn)斗部對燃油引燃效應(yīng)分析

含能戰(zhàn)斗部對燃油的引燃效果如圖12 所示。由圖12 可以看出，前油箱內(nèi)部燃油發(fā)生劇烈燃燒，形成強(qiáng)烈火焰，油箱外表面被明顯熏黑。前后兩油箱在試驗(yàn)后均產(chǎn)生少量破孔，其中前油箱的正面和背面各有破孔1 個(gè)，后油箱正面破孔6-7 個(gè)，背面破孔4 個(gè)。這是由于戰(zhàn)斗部在侵靶過程中，高強(qiáng)高韌含能殼體發(fā)生破碎，形成含能金屬破片，對油箱形成了侵徹破孔。隨著戰(zhàn)斗部侵靶層數(shù)遞增，殼體破碎程度加劇，油箱被殼體破片擊中數(shù)量增加，破孔數(shù)量增多。在含能破片侵徹油箱的過程中，自身化學(xué)反應(yīng)被進(jìn)一步激發(fā)，釋放能量，對油箱內(nèi)燃油形成縱火引燃。

由此可見，含能戰(zhàn)斗部在侵靶過程中可以形成含能破片二次殺傷元，對燃油類效應(yīng)物靶標(biāo)具有良好的縱火引燃效果。

圖12 含能戰(zhàn)斗部引燃油箱Fig.12 Energetic warhead ignites the fuel tank

4 結(jié)論

建立了全含能侵徹戰(zhàn)斗部毀傷威力表征試驗(yàn)系統(tǒng)，通過多物理信息測試對全含能戰(zhàn)斗部侵徹?cái)U(kuò)孔、高溫高壓、縱火引燃等效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)全面表征，并揭示了其與惰性戰(zhàn)斗部的毀傷威力差異，主要研究成果如下：

（1）全含能戰(zhàn)斗部在侵徹多層鋼介質(zhì)過程中能夠激發(fā)強(qiáng)烈爆燃反應(yīng)，形成大范圍火球，16 kg 含能戰(zhàn)斗部侵徹5 層鋼靶板形成火光范圍超過6 m×10 m，持續(xù)時(shí)間約120 ms，火焰最高溫度約2100 ℃，相比于惰性戰(zhàn)斗部，溫度增益約1270 ℃。

（2）全含能戰(zhàn)斗部侵徹多層鋼介質(zhì)能夠在一定范圍內(nèi)形成超壓效應(yīng)，相比于惰性戰(zhàn)斗部，16 kg 含能戰(zhàn)斗部在1.2 m 處的超壓增益約為0.16～0.5 MPa。

（3）全含能戰(zhàn)斗部侵徹多層鋼介質(zhì)具有顯著的擴(kuò)孔效應(yīng)，相比于惰性戰(zhàn)斗部，16 kg 含能戰(zhàn)斗部對5 層鋼靶破孔面積的累計(jì)增益達(dá)到300%以上。

（4）全含能戰(zhàn)斗部在侵靶過程中可以形成含能破片二次殺傷元，對燃油類效應(yīng)物靶標(biāo)具有良好的縱火引燃效果。