彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

蒯騰飛，宋 浦，姜 煒，張玉龍，陳荷娟，郭 銳

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094;2.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065;3.南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇 南京 210094;4.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

引 言

彈藥戰(zhàn)斗部是武器系統(tǒng)毀傷目標(biāo)或完成既定戰(zhàn)斗任務(wù)的核心部分，是實(shí)現(xiàn)破壞敵方武器裝備、設(shè)施及有生力量的重要部件，主要由殼體、裝填物、引信等組成[1]。彈藥戰(zhàn)斗部威力是武器彈藥精確打擊能力的核心，因此彈藥戰(zhàn)斗部先進(jìn)制造技術(shù)是武器裝備制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，需要重點(diǎn)發(fā)展[2]。

彈藥戰(zhàn)斗部制造主要分為彈體與毀傷元制造及炸藥裝藥兩大部分[3]。在彈體與毀傷元制造方面，目前大多采用鑄、鍛、焊、車、銑、刨、磨等傳統(tǒng)機(jī)械加工制造技術(shù)。受限于“等材”和“減材”傳統(tǒng)制造技術(shù)，目前存在一些問題，如加工質(zhì)量與制造效率低，材料利用率低；制備周期長(zhǎng)，制造成本過高；復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的加工困難等。在炸藥裝藥方面，目前主要采用熔鑄、壓裝、澆注等傳統(tǒng)成型技術(shù)，也存在一定問題，如工作人員裝填裝配時(shí)危險(xiǎn)性高；生產(chǎn)效率低，環(huán)境污染大；無(wú)法滿足復(fù)雜藥柱和非勻質(zhì)藥柱的生產(chǎn)[4]。由此可見, 目前的彈藥戰(zhàn)斗部制造技術(shù)發(fā)展受限于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和制造工藝技術(shù)，難以推動(dòng)下一代高質(zhì)量武器裝備的發(fā)展與進(jìn)步。

新型武器的開發(fā)和使用對(duì)彈藥戰(zhàn)斗部的性能提出了更高的要求[5]，如美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)后勤辦公室(Marine Corps)在馬里蘭州海軍表面戰(zhàn)事中心悄悄打印并引爆一種間接火力彈藥。試驗(yàn)表明，該3D打印的彈藥不但能提高殺傷力而且會(huì)根據(jù)任務(wù)調(diào)整系統(tǒng)。此外，增材制造技術(shù)可精確控制彈藥戰(zhàn)斗部的威力，以達(dá)到對(duì)特殊目標(biāo)低附帶損害的特殊效果。雖然這些考慮特殊要求的彈藥也可以由人工制造，但是采用增材制造方式可以更好、更快、更便宜地制備[6]。2020年英國(guó)國(guó)防部(MOD)資助的防務(wù)科技實(shí)驗(yàn)室(DSTL)提出了增材制造含能材料設(shè)計(jì)方案。該項(xiàng)目利用增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)各種爆炸毀傷效應(yīng)提供新方法，同時(shí)也降低彈藥組件的運(yùn)輸和貯存費(fèi)用。研究結(jié)果表明：3D打印定制的裝藥在不同的爆炸效應(yīng)中受裝藥幾何形狀的影響[7]。2018年澳大利亞國(guó)防工業(yè)部國(guó)防科技集團(tuán)(DST)與工業(yè)、學(xué)術(shù)界合作，利用增材制造技術(shù)制造炸藥、推進(jìn)劑和煙火藥等含能材料，以提高工業(yè)炸藥的安全性，并催生先進(jìn)武器系統(tǒng)的研制，從而可以針對(duì)獨(dú)特的性能和目的進(jìn)行定制生產(chǎn)[8]。先進(jìn)的彈藥設(shè)計(jì)理念通常需要復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的武器裝備制造方式很難滿足其特殊設(shè)計(jì)需求，因此亟需加強(qiáng)增材制造技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，顯著提升彈藥戰(zhàn)斗部的智能化制造水平和制造質(zhì)量，降低制造時(shí)間與制造成本，滿足武器裝備的發(fā)展需求。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)(也稱為3D打印技術(shù))是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)。它通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件，相較于傳統(tǒng)的材料去除加工技術(shù)，是一種“自下而上”的材料累加的制造方法[9-10]。這種制造技術(shù)可以制造傳統(tǒng)工藝難以或無(wú)法加工的復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，并且無(wú)需傳統(tǒng)的模具或刀具，能夠有效縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本。增材制造具有顛覆傳統(tǒng)制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[11-15]：

(1)三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造，不受復(fù)雜結(jié)構(gòu)限制，可廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)；

(2)可單件小批量制造，經(jīng)濟(jì)性能好；

(3)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化，產(chǎn)品開發(fā)周期短，效率高；

(4)可以多材料打印，多功能打印，實(shí)現(xiàn)材料功能一體化制造；

(5)拓展了研發(fā)人員設(shè)計(jì)思路，提高了設(shè)計(jì)維度，可提供更多產(chǎn)品解決方案。

增材制造是工業(yè)4.0的重要組成部分。在2013年麥肯錫咨詢公司發(fā)布的“展望2025”報(bào)告中列舉了決定未來(lái)經(jīng)濟(jì)十二大顛覆技術(shù)，增材制造技術(shù)(3D打印)名列第九，排在新材料和頁(yè)巖氣之前[16-20]。增材制造技術(shù)應(yīng)用于彈藥戰(zhàn)斗部的制造，將徹底顛覆彈藥戰(zhàn)斗部傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造思路，有效解決傳統(tǒng)制造方式存在的缺陷問題，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)戰(zhàn)斗部制造設(shè)計(jì)理念，減少武器裝備研發(fā)時(shí)間和成本，改進(jìn)武器裝備綜合性能，提升武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能[21]。本文結(jié)合現(xiàn)有增材制造原理，系統(tǒng)性梳理了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)的研究工作，分別闡述了炸藥裝藥和典型侵爆戰(zhàn)斗部、殺爆戰(zhàn)斗部、破甲戰(zhàn)斗部的增材制造技術(shù)研究進(jìn)展，分析了當(dāng)前彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)所面臨的問題，并對(duì)未來(lái)增材制造技術(shù)在彈藥戰(zhàn)斗部應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了合理展望。

1 彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)原理簡(jiǎn)介

彈藥作為武器的毀傷分系統(tǒng)，是武器作戰(zhàn)效能的最終體現(xiàn)[22]。彈藥戰(zhàn)斗部作為武器裝備毀傷效能發(fā)揮的關(guān)鍵部件，因其作為毀傷元的主要載體，危險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)較高，制造效率與難度受到較大制約，這成為彈藥武器裝備制造的主要瓶頸之一。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，特別是增材制造技術(shù)在武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用，彈藥戰(zhàn)斗部制造技術(shù)也得到快速提升，為提高彈藥戰(zhàn)斗部的生產(chǎn)效率，各軍事強(qiáng)國(guó)均在積極探索彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)[23]。

1.1 典型彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)原理

彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing for Warhead)是利用增材制造技術(shù)的基本原理，結(jié)合彈藥戰(zhàn)斗部的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部快速成型的先進(jìn)制造技術(shù)。目前，彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)主要有：光聚合固化技術(shù)(Vat photopolymerization)、材料擠出成型技術(shù)(Material extruding)、材料噴射技術(shù)(Material Jetting)、粉末床熔合技術(shù)(Powder Bed Fusion)[24]。

(1)光聚合(光固化)技術(shù)

通過紫外光線照射使槽中特定區(qū)域的液態(tài)光敏聚合物硬化/固化的技術(shù)(見圖1)。光聚合固化技術(shù)主要有使用激光器立體光刻技術(shù)(SLA)、連續(xù)液面生產(chǎn)技術(shù)(CLIP)或利用阻氧技術(shù)的連續(xù)數(shù)字光處理技術(shù)(CDLP)、使用數(shù)字投影的數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)。目前，該技術(shù)在彈藥增材制造領(lǐng)域主要應(yīng)用于LOVA 發(fā)射藥[25]。

圖1 SLA技術(shù)的成型原理Fig.1 Molding principle of SLA technology

(2)材料擠出成型技術(shù)

通常采用熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀送料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面線條和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，并且將熔化的材料擠出，材料快速固化，并與周邊的材料粘合(見圖2)。主要包括熔融沉積成型技術(shù)(FDM)、三維點(diǎn)膠技術(shù)(3Ddispensing)、熔融纖維線材技術(shù)(FFF)和 3D 生物打印技術(shù)(3D bioplotting)。目前，該技術(shù)在彈藥增材制造領(lǐng)域應(yīng)用包括TNT 及 TNT 基熔鑄炸藥、NC 基火藥、復(fù)合固體推進(jìn)劑等。

圖2 材料擠出成型原理Fig.2 Principle of material extrusion molding

(3)材料噴射技術(shù)

將光敏聚合物樹脂液滴噴射到工件上并使用紫外線 (UV) 射線固化，并且逐步打印完成整個(gè)層面，然后逐層堆積，得到成型樣件(見圖3)。主要包括聚合物噴射打印技術(shù)(PolyJet)、噴墨打印技術(shù)(Inkjet printing)等。目前，該技術(shù)在彈藥增材制造領(lǐng)域應(yīng)用包括火工品、爆炸序列、微裝藥、集成芯片等的成型制造。

圖3 材料噴射技術(shù)原理Fig.3 Principle of material injection technology

(4)粉末床熔合技術(shù)

利用熱能(激光、電子束、紅外)將粉末材料粘合在一起，從而形成塑料或金屬零件(見圖4)。主要包括選擇性激光熔化(SLM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS) 、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束熔化(EBM)、選擇性熱燒結(jié)(SHS)等。目前，該技術(shù)在彈藥增材制造領(lǐng)域應(yīng)用包括戰(zhàn)斗部殼體與毀傷元的制造。

圖4 粉末床熔合技術(shù)原理Fig.4 Principle of powder bed fusion technology

1.2 其他增材制造技術(shù)

除上述增材制造技術(shù)，還有黏結(jié)劑注射技術(shù)(Binder Jetting)、薄片層疊技術(shù)(Sheet Lamination)、定向能量沉積技術(shù)(Directed Energy Deposition)[26-27]。

(1)黏結(jié)劑注射技術(shù)

通過噴嘴逐層噴射黏結(jié)劑選區(qū)沉積在粉末床上，粘結(jié)形成固體，隨后將形成的固體置于均勻的熱環(huán)境中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，使其致密化并獲得機(jī)械性能良好的零件。

(2)薄片層疊技術(shù)

以紙片材、金屬片材、陶瓷片材、塑料薄膜和復(fù)合材料片材等薄片材料為原材料，把薄片材堆疊起來(lái)形成三維模型。常用黏結(jié)劑、熱粘結(jié)、夾緊、超聲焊接等方式實(shí)現(xiàn)各層紙結(jié)合。

(3)定向能量沉積技術(shù)

利用激光、電子束、等離子弧等聚焦熱能熔化材料，分為激光同步送粉技術(shù)和電子束熔絲沉積技術(shù)兩大類。主要用于金屬粉末材料成型，因此，該技術(shù)通常稱為“金屬沉積”技術(shù)。

2 炸藥裝藥增材制造研究現(xiàn)狀

炸藥是彈藥戰(zhàn)斗部等各類武器完成毀傷的能源材料，是彈藥的重要組成部分[28]。當(dāng)前，國(guó)際和周邊軍事斗爭(zhēng)對(duì)武器的研發(fā)提出了更高的要求，積極探索毀傷模式可調(diào)、威力可控的新型炸藥裝藥技術(shù)具有重要的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略意義[29]。

2.1 適用增材制造炸藥的配方類型

目前適用增材制造技術(shù)的炸藥配方類型為熔鑄炸藥和澆注炸藥。熔鑄炸藥的適用打印原理是熔融沉積成型，其基礎(chǔ)配方組成以TNT/DNAN/DNTF等為載體藥，HMX/RDX/CL-20等為主體高能炸藥，Al/Ni等為金屬燃料；澆注炸藥的適用打印原理是噴墨打印、擠出固化和光固化打印，其基礎(chǔ)配方組成以HMX/RDX/CL-20等為主體高能炸藥，AI/Ni等為金屬燃料，AP/ADN等為氧化組分，HTPB/HTPE/GAP等為熱固化黏結(jié)劑，光固化樹脂為光固化黏結(jié)劑。

2.2 炸藥增材制造類型

2.2.1 噴墨打印技術(shù)

美國(guó)馬里蘭州蓋瑟斯堡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所提出了采用電壓式噴墨打印技術(shù)制造單分散性粒狀炸藥的方法[30]，其利用電壓式噴墨增材制造技術(shù)，從溶解在非極性或極性溶劑中的化合物生產(chǎn)離散的微粒?；谟?jì)算流體力學(xué)理論建立了增材制造系統(tǒng)中的干燥管模型，并采用基于激光的流動(dòng)可視化技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估，設(shè)計(jì)了具有推動(dòng)加熱空氣通過管特點(diǎn)的干燥管(見圖5)。通過該增材制造方法生成了直徑為10～30μm的環(huán)三甲撐三硝胺純顆粒和直徑為40μm的硝酸銨顆粒，驗(yàn)證了壓電噴墨增材制造技術(shù)制造單分散性顆粒狀炸藥方法的可行性。

圖5 粒子射流上部的圖像:(a)干燥管的頂部；(b)流量聚焦帽；(c)壓電噴墨噴嘴；(d)用于顯示液滴的數(shù)碼相機(jī)；(e)用于照亮液滴的閃光燈；(f)儲(chǔ)墨器Fig.5 An image of the upper section of the particle jet：(a) the top of the drying tube; (b) the flow-focusing cap; (c) the piezo electric inkjet nozzle; (d) the digital camera used to visualize the droplets; (e) the strobe light used to illuminate the droplets; (f) the ink reservoir

中國(guó)工程物理研究院黃瑨等[31-32]設(shè)計(jì)了3種由高能量的CL-20 炸藥和高安全性的 TATB 炸藥組成的新型復(fù)合多層裝藥結(jié)構(gòu)(軸向、徑向、核殼)，采用了噴墨打印技術(shù) 3D 打印技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)(見圖6)。同時(shí)研究了針頭口徑和書寫速率等工藝參數(shù)對(duì)裝藥微觀形貌和宏觀結(jié)構(gòu)的影響。最終采用0.25mm口徑的針頭和3mm/s的打印速度進(jìn)行制備得到穩(wěn)定的裝藥結(jié)構(gòu)。通過落錘撞擊試驗(yàn)對(duì)3種裝藥結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，軸向/徑向復(fù)合多層裝藥結(jié)構(gòu)(CL-20質(zhì)量比90%)的特性落高達(dá)到72.00cm，比同質(zhì)量的CL-20裝藥提高了3.14倍，證實(shí)了3D打印技術(shù)在制備復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)上的可行性和優(yōu)異性。

圖6 三種新型復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of three new kinds of composite charges

2.2.2 光固化成型技術(shù)

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家亞歷克斯·穆勒[33]基于光固化成型技術(shù)提出了一種陣列式多孔裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過操縱炸藥的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其行為施加前所未有的控制(見圖7)。通過對(duì)爆炸材料的靈敏度進(jìn)行分級(jí)，在炸藥產(chǎn)生實(shí)際爆炸的突破點(diǎn)定制了爆炸前沿。一個(gè)由具有徑向變化孔隙密度的高爆炸性材料制成的圓筒受到?jīng)_擊，沖擊開始于用1km/s的速度移動(dòng)的沖擊板撞擊圓筒底部?？昭芏仍礁撸瑳_擊波傳播越快，因此，爆轟前沿在突破時(shí)顯示出明顯的正弦形狀，這證實(shí)了利用增材制造改變徑向孔隙密度從而達(dá)到對(duì)爆轟威力控制的可行性。

圖7 變孔隙密度結(jié)構(gòu)的裝藥設(shè)計(jì)Fig.7 Charge design of variable pore density structure

2.2.3 直接墨水書寫技術(shù)(DIW)

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家安全實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于DIW技術(shù)控制含能材料輸出沖擊波特性的方法[34]。其中錐形結(jié)構(gòu)為增材制造系統(tǒng)第一部分，打印定位為增材制造系統(tǒng)第二部分，實(shí)現(xiàn)了炸藥的沖擊波輸出特性控制(見圖8)。此方法突破了傳統(tǒng)制造方法和材料的限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含能材料前段輸出激波的控制。

圖8 炸藥藥柱打印成型示意圖Fig.8 Schematic diagram of printing and forming of explosive charge column

2.2.4 熔融沉積成型技術(shù)(FDM)

南京理工大學(xué)姜煒等[35-36]將FDM技術(shù)應(yīng)用到熔鑄炸藥的成型制備中。以納米奧克托今(HMX)與梯恩梯(TNT)為熔鑄炸藥配方設(shè)計(jì)，基于熔鑄炸藥黏流和熔融特性，研制了熔鑄炸藥 3D 打印成型原理樣機(jī)(見圖9)。通過優(yōu)化3D打印工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)熔鑄炸藥配方，成功制備出多種結(jié)構(gòu)的含TNT和納米HMX的熔鑄炸藥藥柱(見圖10)。對(duì)打印的藥柱和傳統(tǒng)澆鑄的藥柱進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：打印藥柱的密度、抗壓強(qiáng)度、爆速均有所提高，綜合性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)澆鑄成型的藥柱。這驗(yàn)證了FDM技術(shù)的應(yīng)用可為含能材料高精度成型和復(fù)雜異形異質(zhì)結(jié)構(gòu)含能材料的制備提供技術(shù)支撐。

圖9 熔鑄炸藥3D打印原理樣機(jī)和噴頭Fig.9 Prototype of 3D printing principle of fusion and casting explosive and extrusion nozzle

圖10 成型藥柱實(shí)物圖Fig.10 Photos of printed explosive samples

3 典型戰(zhàn)斗部增材制造研究現(xiàn)狀

3.1 侵爆類戰(zhàn)斗部

侵爆戰(zhàn)斗部作為破壞敵方機(jī)場(chǎng)跑道、摧毀敵方戰(zhàn)略指揮防護(hù)工程、戰(zhàn)略導(dǎo)彈基地等重要目標(biāo)的首選彈藥戰(zhàn)斗部，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有著不可替代的地位和作用。為了達(dá)到侵徹效果，要求殼體能夠承受強(qiáng)載荷，殼體往往都很厚，但厚壁會(huì)降低爆炸毀傷效果。如何提高戰(zhàn)斗部裝填比，增大戰(zhàn)斗部毀傷威力，越來(lái)越受到研究人員及機(jī)構(gòu)的重視[37-49]。

國(guó)外方面，美軍已啟動(dòng)通用彈藥先進(jìn)制造項(xiàng)目，支持增材制造技術(shù)用于彈藥戰(zhàn)斗部的研發(fā)。美空軍研究實(shí)驗(yàn)室Richards等[50]利用點(diǎn)陣填充和拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的戰(zhàn)斗部殼體壁厚減小，頭部填充了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(見圖11)，并采用了增材制造技術(shù)制備了彈體，開展了侵徹試驗(yàn)研究，增材制造的彈體能夠在450m/s的速度下侵徹到混凝土靶體上，且保持彈體結(jié)構(gòu)(除尾部外)完整(見圖12)。

圖11 Richards優(yōu)化設(shè)計(jì)的彈體Fig.11 Richards optimized design of projectile body

圖12 侵徹試驗(yàn)后的彈體Fig.12 The projectile body after the penetration test

Graves和Provchy[51-53]以Richards設(shè)計(jì)的彈體為基礎(chǔ)，基于拓?fù)鋬?yōu)化理論對(duì)彈體內(nèi)部設(shè)計(jì)了桁架結(jié)構(gòu)(見圖13)，并進(jìn)行了平滑處理，提高了彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。彈體由15-5不銹鋼材料打印成型，并且通過侵徹試驗(yàn)驗(yàn)證了3D打印彈體成型的可行性，3D打印彈體侵徹了半無(wú)限厚混凝土靶體(見圖14)，且保持彈體結(jié)構(gòu)和功能正常。

圖13 Provchy設(shè)計(jì)的彈體結(jié)構(gòu)Fig.13 Provchy designed projectile structure

圖14 Graves設(shè)計(jì)的侵徹彈試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Test results of the penetrating warhead designed by Graves

Patel等[54-55]基于金屬3D打印技術(shù)提出了鋁桁架結(jié)構(gòu)(見圖15和圖16)填充支撐不銹鋼戰(zhàn)斗部殼體方法。通過數(shù)值模擬方法對(duì)新型彈體進(jìn)行了斜侵徹多層間隔靶分析，侵徹后的彈體結(jié)構(gòu)完整(見圖17)，表明3D打印鋁桁架結(jié)構(gòu)對(duì)最終彈體設(shè)計(jì)是有價(jià)值的，且復(fù)合材料(兩種金屬材料)的使用提高了戰(zhàn)斗部殼體整體強(qiáng)度。

圖15 Patel采用桁架結(jié)構(gòu)來(lái)提升彈體強(qiáng)度Fig.15 Patel used a truss structure to increase the strength of the projectile

圖16 3D打印桁架結(jié)構(gòu)Fig.16 3D printed truss structure

圖17 3D打印彈體斜侵徹侵徹多層間隔靶Fig.17 3D printed projectile penetrated the multilayer interval target obtrusibly

Beard等[56]基于金屬增材制造技術(shù)提出了一種以不銹鋼、鎢和碳化硅增強(qiáng)鋁作為內(nèi)外殼材料，芯體為TPMS結(jié)構(gòu)(見圖18)的夾層殼體戰(zhàn)斗部方法。采用鉻鎳鐵合金的TPMS晶格結(jié)構(gòu)TPMS為戰(zhàn)斗部外殼提供高剛強(qiáng)度，同時(shí)減少用于戰(zhàn)斗部殼體制造材料。并且通過有限元方法模擬彈體撞擊鋁、鋼和混凝土靶體，獲得了彈體撞擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖18 增材制造的TPMS晶格Fig.18 TPMS lattice for additive manufacturing

韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Tae Hee Lee等[57]基于有限元分析，開發(fā)了反應(yīng)材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，進(jìn)行了穿甲彈反應(yīng)材料結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化(見圖19)。采用了一種用于侵徹分析的有限元方法，評(píng)估了彈體結(jié)構(gòu)抗沖擊性，并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了仿真結(jié)果。在驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，引入拓?fù)鋬?yōu)化方法來(lái)確定結(jié)構(gòu)的形狀。在考慮制造技術(shù)限制的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和約束條件，并確定了利用冷噴涂3D打印方法可制造的最佳結(jié)構(gòu)形狀。

圖19 侵徹戰(zhàn)斗部反應(yīng)材料結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化Fig.19 Structural topology optimization of the reactive material for the intrusive warhead

北京理工大學(xué)敬晨晨等[58]運(yùn)用點(diǎn)陣拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)典型侵徹戰(zhàn)斗部GBU-28彈體縮比模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(見圖20)，優(yōu)化后殼體壁厚減少了37.5%。并采用增材制造技術(shù)方法加工制造了對(duì)比實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部殼體樣件。

圖20 優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)物彈體圖Fig.20 Optimally designed physical projectile body

北京理工大學(xué)皮愛國(guó)等[59]采用3D打印鈦合金薄壁骨架以填充固定活性破片，提出了一種能承受強(qiáng)過載的可應(yīng)用于侵爆戰(zhàn)斗部的活性破片結(jié)構(gòu)(見圖21)，且骨架材料與粉末冶金的殼體基體材料都是鈦合金，殼體內(nèi)部具有良好的相容性，殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到保證。

圖21 鈦合金基體含全預(yù)制活性破片的侵爆戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)示意圖Fig.21 Penetration blasting warhead containing fully prefabricated active fragments in titanium alloy matrix

西安近代化學(xué)研究所周忠彬等[60]基于增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)了一種頭部風(fēng)帽與殼體復(fù)合的彈體結(jié)構(gòu)(見圖22)。

圖22 彈體實(shí)物圖Fig.22 Photos of the projectiles

采用傳統(tǒng)機(jī)械加工和增材制造兩種方法制備了侵徹彈彈體，并開展了彈體高速侵徹鋼板試驗(yàn)研究。和傳統(tǒng)加工成型技術(shù)相比，增材制造技術(shù)制造的侵徹彈能夠可靠貫穿兩層10mm厚的鋼板，且保持彈體結(jié)構(gòu)和功能正常(見圖23)。

圖23 試驗(yàn)彈穿靶后照片F(xiàn)ig.23 Photo of the projectiles after penetrating the target

3.2 殺爆類戰(zhàn)斗部

殺爆戰(zhàn)斗部是最基本的也是最常用的戰(zhàn)斗部類型，是各個(gè)軍事強(qiáng)國(guó)重點(diǎn)研究的對(duì)象。殺爆戰(zhàn)斗部裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波及殼體破裂形成的高速破片對(duì)人員、車輛等目標(biāo)進(jìn)行毀傷。軍事上對(duì)殺爆戰(zhàn)斗部的要求是向著遠(yuǎn)程化、高效毀傷和多功能方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜[61]。

洛克希德·馬丁公司基于直接金屬沉積技術(shù)提出了半預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并獲得專利授權(quán)[62]。其利用預(yù)成型的破片能夠控制凹槽的位置和深度，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的破片效果(見圖24)。通過改變材料密度、溫度、時(shí)間來(lái)控制破片形狀，并且加入特殊金屬材料顆粒制成單個(gè)破片區(qū)域(見圖25)，對(duì)比傳統(tǒng)武器裝備制造工藝，縮短時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，能夠制造復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的彈藥殼體。

圖24 具有預(yù)制破片的戰(zhàn)斗部殼體截面Fig.24 Warhead shell section with prefabricated fragments

圖25 含有特殊材料成分的戰(zhàn)斗部殼體Fig.25 Warhead shell containing a special material composition

南京理工大學(xué)郭美紅等[63]以激光選區(qū)熔化成型技術(shù)(SLM)打印得到的預(yù)控破片戰(zhàn)斗部為研究對(duì)象(見圖26和圖27)，利用有限元方法對(duì)殼體膨脹斷裂過程進(jìn)行模擬，研究了殼體結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)殼體破碎形成的影響規(guī)律。通過靜爆試驗(yàn)和破碎性試驗(yàn)驗(yàn)證了SLM技術(shù)制造預(yù)控破片戰(zhàn)斗部殼體的可行性，并且研究V形槽深度對(duì)殼體破碎和破片形成的影響規(guī)律。

圖26 預(yù)控破片戰(zhàn)斗部殼體結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.26 Profile of shell structure of pre-controlled fragment warhead

圖27 SLM技術(shù)加工的預(yù)控破片戰(zhàn)斗部實(shí)物圖Fig.27 Photos of the pre-controlled fragment warhead processed by SLM

瑞典薩伯(SAAB)公司[64]提出了基于激光燒結(jié)技術(shù)制造的戰(zhàn)斗部殼體的設(shè)計(jì)方案(見圖28)，無(wú)需進(jìn)行焊接裝配，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)殼體加工，并且激光燒結(jié)材料密度相對(duì)較低，可減少殼體的質(zhì)量。此外，采用該制造技術(shù)還降低了爆炸形成的小碎片所造成的附帶損害。

圖28 激光燒結(jié)技術(shù)制造戰(zhàn)斗部殼體Fig.28 Laser sintering technology for the manufacture of combatant shells

美國(guó)軌道ATK公司等[65]對(duì)3D打印制備的高超聲速戰(zhàn)斗部進(jìn)行了靜爆試驗(yàn)(見圖29)。該致命性增強(qiáng)型彈藥(LEO)戰(zhàn)斗部適用于高超聲速武器，并且采用了異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)型復(fù)雜，與傳統(tǒng)外形存在較大差異?；?D打印的優(yōu)勢(shì)，提出了符合工藝要求的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)方案，相比于傳統(tǒng)制造工藝，生產(chǎn)效率得到了提升，僅用了不到兩個(gè)月就完成了戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)—制備—試驗(yàn)的全流程，實(shí)現(xiàn)了高效研發(fā)。

圖29 軌道ATK公司的3D打印高超聲速戰(zhàn)斗部爆炸測(cè)試Fig.29 Orbital ATK′s 3D-printed hypersonic warhead explosion test

瑞典Christer等[66]提出了基于格柵結(jié)構(gòu)基體的戰(zhàn)斗部破片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 (見圖30)。通過熱等靜壓(HIP)制造方法將金屬粉末、預(yù)制破片結(jié)構(gòu)和殼體連接在一起，以創(chuàng)造一種更容易、更快和更經(jīng)濟(jì)有效的方法來(lái)生產(chǎn)預(yù)制破片戰(zhàn)斗部。與之類似，北京理工大學(xué)劉長(zhǎng)猛等[67]基于增材制造技術(shù)提出了金屬格柵結(jié)構(gòu)為基體的破片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是將預(yù)制破片固定在菱形格柵結(jié)構(gòu)的包圓單元內(nèi)(見圖31)，從而能夠使得預(yù)制破片均勻分布，且在穩(wěn)定固定的基礎(chǔ)上避免過度約束造成的彈道軌跡偏差。

圖30 金屬格柵結(jié)構(gòu)為基體的破片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.30 Schematic diagram of the fragment structure based on metal grid structure matrix

圖31 基于格柵結(jié)構(gòu)基體的戰(zhàn)斗部破片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.31 Schematic diagram of warhead fragment structure based on lattice structure matrix

3.3 破甲類戰(zhàn)斗部

破甲戰(zhàn)斗部依靠空心裝藥的聚能效應(yīng)壓垮藥型罩形成的高速射流，擊穿裝甲目標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于各種反裝甲的武器彈藥上。隨著裝甲防護(hù)性能不斷提升，促使破甲戰(zhàn)斗部不斷應(yīng)用新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)，以提高破甲攻擊能力[68]。

美國(guó)Gaston等[69]提出了一種3D打印的周向MEFP戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)方案(見圖32和圖33)，對(duì)比傳統(tǒng)武器彈藥制造工藝，3D打印不僅能提高生產(chǎn)和裝配效率，縮短研發(fā)周期，而且降低MEFP戰(zhàn)斗部生產(chǎn)時(shí)的廢品率，具有十分可觀的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)南京理工大學(xué)宋平等[70]以316L不銹鋼為材料，采用選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)制備了殼/罩一體式周向MEFP戰(zhàn)斗部，該戰(zhàn)斗部主裝藥為鑄裝B炸藥。3D 打印的MEFP戰(zhàn)斗部能夠在戰(zhàn)斗部周向形成獨(dú)立的多EFP毀傷元，且能穿透10mm厚的A3鋼板，穿透直徑在25～30mm之間。

圖32 基于增材制造工藝制備周向MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.32 Structure diagram of circumferential MEFP warhead prepared by additive manufacturing

圖33 一體式周向 MEFP 戰(zhàn)斗部實(shí)物圖Fig.33 Photo of the integrated circumferential MEFP warhead

南京理工大學(xué)劉峻豪等[71]探討了激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)成型藥型罩的制備工藝，制備了縱向和橫向兩種不同生長(zhǎng)方向的316L不銹鋼藥型罩(如圖34所示)，并且對(duì)藥型罩表面進(jìn)行精加工。在25倍炸高下，縱向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的爆炸成型彈丸毀傷元對(duì)鋼靶的侵徹深度較橫向生長(zhǎng)制備的藥型罩形成的毀傷元提高21.1%，在200倍炸高下EFP能夠保持飛行穩(wěn)定性。

圖34 SLM制備的藥型罩(經(jīng)精加工)及EFP戰(zhàn)斗部Fig.34 SLM shaped charge(finished) and EFP warhead

南京理工大學(xué)王宇碩等[72]利用數(shù)值模擬方法定量分析了傳統(tǒng)裝藥工藝的幾種典型裝藥缺陷(如裝藥密度不均勻、縮孔、裂紋、裝配不對(duì)稱等)對(duì)破甲彈聚能射流性能的影響規(guī)律，面向殺人蜂應(yīng)用背景，基于超壓爆轟原理和智能優(yōu)化算法提出了一種微口徑嵌套式組合裝藥戰(zhàn)斗部，藥型罩由聚乳酸(PLA)材料打印成型(見圖35(a))，通過靜破甲試驗(yàn)驗(yàn)證了打印成型的Ф20mm聚能射流戰(zhàn)斗部成型的可行性(見圖35 (b)和(c))，形成的聚能射流可靠穿透了12mm硬鋁靶板，并具有較高后效。

圖35 打印成型的聚能射流戰(zhàn)斗部及其靜破甲試驗(yàn)Fig.35 Printing chaped charge jet and its static armor-breaking test

北京理工大學(xué)王樹有等[73]將SLM應(yīng)用于CuSn10藥型罩的制造，與機(jī)加工的CuSn10藥型罩產(chǎn)生的聚能裝藥射流性能進(jìn)行比較(見圖36)。由于SLM制造過程中的快速加熱和冷卻速度，發(fā)現(xiàn)SLM生產(chǎn)的藥型罩的晶粒度比機(jī)加工藥型罩小得多，這有助于改善射流性能。侵徹試驗(yàn)結(jié)果表明，SLM生產(chǎn)的藥型罩形成的射流侵徹深度比機(jī)加工藥型罩形成的射流侵徹深度大27%左右，證明SLM技術(shù)在聚能裝藥藥罩制造中具有良好的適應(yīng)性。

圖36 兩種加工方式制造的藥型罩實(shí)物圖Fig.36 Photo of the liners manufactured by two methods

4 問題與展望

戰(zhàn)斗部威力是武器彈藥精確打擊能力的核心。隨著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)形態(tài)和靈活多變的作戰(zhàn)需求，武器彈藥正向著精確智能化制導(dǎo)和先進(jìn)精準(zhǔn)毀傷方向發(fā)展?，F(xiàn)有的常規(guī)戰(zhàn)斗部多以追求毀傷的最大化為目標(biāo)方向，但是，隨著現(xiàn)代城區(qū)作戰(zhàn)、近空火力支援和日益迫切的低附帶損傷需求，最大的爆炸威力不一定獲得預(yù)期的毀傷效果。根據(jù)目標(biāo)特征選擇特定匹配毀傷效應(yīng)的戰(zhàn)斗部作用方式，一方面提高了武器彈藥戰(zhàn)場(chǎng)使用的靈活性，另一方面也對(duì)我國(guó)常規(guī)彈藥的設(shè)計(jì)理論和制造實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。因此，亟需開展彈藥戰(zhàn)斗部增材制造技術(shù)的研究，為先進(jìn)戰(zhàn)斗部的研發(fā)提供支持[74-77]。

彈藥戰(zhàn)斗部的增材制造尚屬于前沿問題，面臨著當(dāng)前發(fā)展的一些問題。具體表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)采用傳統(tǒng)制造和裝配工藝的彈藥戰(zhàn)斗部不可避免存在著質(zhì)量問題及局限性，會(huì)影響到彈藥戰(zhàn)斗部性能的發(fā)揮，難以實(shí)現(xiàn)“所得即所需”。如戰(zhàn)斗部裝藥成型過程中易產(chǎn)生氣泡、縮孔、微裂紋、密度均一性差等質(zhì)量缺陷；炸藥裝藥與彈體易存在弱界面；大長(zhǎng)徑比侵徹戰(zhàn)斗部深盲孔和復(fù)雜內(nèi)腔難加工；聚能戰(zhàn)斗部的藥型罩、隔板等部件加工尺寸偏差和裝配產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，容易減弱其能量的集中匯聚等；

(2)受限于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和制造工藝技術(shù)，彈藥戰(zhàn)斗部的爆炸能量釋放過程調(diào)控難度大，性能固化，導(dǎo)致其能量利用率低，不能滿足威力提升和毀傷靈活性的迫切需求。要實(shí)現(xiàn)彈藥戰(zhàn)斗部威力的高效能恰當(dāng)輸出，其關(guān)鍵部件往往設(shè)計(jì)成復(fù)雜、復(fù)合結(jié)構(gòu)，常規(guī)制造工藝難以保障質(zhì)量，而且效率低下。因此，彈藥戰(zhàn)斗部亟需解決關(guān)鍵核心部件的極端尺寸、異型異質(zhì)、梯度結(jié)構(gòu)、多層多材料等等高質(zhì)量制造問題。

增材制造技術(shù)可以快速精確制造出具有復(fù)雜形狀的零件，極大地縮短了加工周期，可顯著提高武器彈藥的制造效率，改善武器彈藥制造流程，不但為武器彈藥的研發(fā)帶來(lái)重大變革，而且可能影響國(guó)防工業(yè)基礎(chǔ)，甚至對(duì)作戰(zhàn)模式和戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)產(chǎn)生顛覆性影響。因此，增材制造技術(shù)一經(jīng)問世，便成為西方軍事強(qiáng)國(guó)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了推動(dòng)和發(fā)展增材制造技術(shù)的國(guó)家國(guó)防戰(zhàn)略和規(guī)劃。我國(guó)國(guó)防領(lǐng)域近年來(lái)雖然也高度關(guān)注增材制造技術(shù)，但是總體而言，還是存在明顯差距。一方面，受制于高度集成的先進(jìn)自動(dòng)化增材制造專用裝備設(shè)計(jì)與研制的瓶頸問題，缺乏有力的制備手段保障，研究工作并未全面展開，研究面較窄；另一方面，國(guó)內(nèi)研究力量分散，研究水平較國(guó)際還有一定差距，多數(shù)僅停留在基礎(chǔ)原理性研究方面。因此，加強(qiáng)增材制造技術(shù)在武器彈藥領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，對(duì)于我軍武器彈藥性能的跨越式提升具有重要的戰(zhàn)略意義，應(yīng)用前景廣泛[78-84]。為此，在增材制造基礎(chǔ)關(guān)鍵材料、安全精密成型裝備、新型戰(zhàn)斗部開發(fā)等諸多方面仍然面臨新的挑戰(zhàn)，仍有待于加強(qiáng)，主要包括：

(1)基于增材制造彈藥戰(zhàn)斗部對(duì)基礎(chǔ)關(guān)鍵材料的需求，建立新型基礎(chǔ)關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、制備方法及性能表征技術(shù)體系，掌握單、多組元材料流變學(xué)規(guī)律、多尺度設(shè)計(jì)方法及微介觀結(jié)構(gòu)控制方法，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)關(guān)鍵材料在微細(xì)觀層面上的組合組裝，形成增材制造彈藥戰(zhàn)斗部專用材料數(shù)據(jù)庫(kù)，為彈藥戰(zhàn)斗部的性能設(shè)計(jì)和威力調(diào)控提供支撐；

(2)基于增材制造彈藥戰(zhàn)斗部對(duì)安全精密成型裝備的需求，建立復(fù)雜三維模型高效高精度切層數(shù)據(jù)生成與工藝路徑智能規(guī)劃算法，突破打印材料的精細(xì)定量輸送配給、多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確高效成型、多維度缺陷的原位在線識(shí)別與多傳感器多信息數(shù)據(jù)融合在線監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，形成多材料、多工藝增材制造工藝參數(shù)庫(kù)及知識(shí)庫(kù)，研制面向過程檢測(cè)和裝備自診斷的智能元器件及模組，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高效安全增材制造專用設(shè)備集成，為彈藥戰(zhàn)斗部增材制造裝備的研制與應(yīng)用提供支撐。

為顯著提升未來(lái)我軍武器彈藥的高效、精準(zhǔn)毀傷效能及其作戰(zhàn)使用的靈活性，構(gòu)建適宜于增材制造手段的彈藥戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)理論體系，突破基于增材制造原理的典型戰(zhàn)斗部、新概念新原理戰(zhàn)斗部及高安全戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)方法，揭示多尺度結(jié)構(gòu)下爆轟波隨形可調(diào)可控規(guī)律，掌握彈藥戰(zhàn)斗部精密成型制造與性能的匹配關(guān)系，豐富智能毀傷效應(yīng)戰(zhàn)斗部類型，提升現(xiàn)役典型戰(zhàn)斗部的威力和安全性能，為我軍彈藥戰(zhàn)斗部的智能毀傷理論的發(fā)展提供支撐。