聚醚醚酮?dú)んw戰(zhàn)斗部爆破威力試驗(yàn)*

張騰月，肖 川，陳鵬萬，焦曉龍，吳宗婭，陳 放

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京 100089；3.山西江陽化工有限公司，山西 太原 030041）

常規(guī)彈藥多采用金屬外殼，在通過爆炸沖擊波摧毀目標(biāo)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的金屬破片，可以形成大范圍的殺傷[1-6]，但在城市作戰(zhàn)中，要避免過度毀傷，因此催生了低附帶毀傷戰(zhàn)斗部。低附帶毀傷戰(zhàn)斗部主要以沖擊波為毀傷元，根據(jù)毀傷目標(biāo)特點(diǎn)，通過控制裝藥，達(dá)到毀傷范圍可控的目的，減少不必要的附帶毀傷。在人員密集、建筑林立的復(fù)雜城市環(huán)境中，如何在精準(zhǔn)的同時(shí)，降低對(duì)附近民眾及設(shè)施的附帶毀傷，是十分迫切的軍事需求，在近期俄烏戰(zhàn)爭中也有強(qiáng)烈體現(xiàn)，使得低附帶毀傷類彈藥成為研究的熱點(diǎn)。

目前，實(shí)現(xiàn)低附帶毀傷的方法主要有采用低密度球形預(yù)制破片、炸藥外層添加金屬顆?；虿捎梅墙饘贇んw等?；艮扔畹萚7]將炸藥與陶瓷微?；旌蠘?gòu)成新型復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，研究了非金屬戰(zhàn)斗部殼體壁厚對(duì)陶瓷球初速的影響規(guī)律；朱亮[8]通過開展不同殼體材料的戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料適合作為低附帶毀傷彈藥的殼體材料；黃德雨等[9]對(duì)低密度非金屬球形破片在長距離飛行下的速度衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，糾正了計(jì)算破片衰減速度的關(guān)鍵參數(shù)；劉俊等[10]通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究，發(fā)現(xiàn)低附帶毀傷彈藥中鎢粉的拋撒初速與炸藥/鎢粉質(zhì)量比呈非線性遞增關(guān)系，增大炸藥/鎢粉質(zhì)量比可有效地增大鎢粉的速度；楊秉妍等[11]在分裝式低附帶毀傷彈藥的重金屬顆粒嵌層中加入活性元成分，提高了近場沖擊波區(qū)域增強(qiáng)效應(yīng)；梁斌等[12-13]對(duì)不同殼體裝藥在空氣和混凝土靶中的爆炸破壞效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)同樣裝藥情況下碳纖維復(fù)合材料殼體裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓高于D6A 鋼殼體裝藥；姚文進(jìn)等[14]通過靜爆試驗(yàn)對(duì)比，得出裸裝藥采用復(fù)合材料外殼裝藥具有更長的正壓作用時(shí)間的結(jié)論；楊世全等[15]結(jié)合低附帶殺傷戰(zhàn)斗部靜爆威力實(shí)驗(yàn)分析，得到了包含殼體結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度因素的破片初速公式；左騰[16]、申超[17]和田春雷[18]研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）在低附帶戰(zhàn)斗部殼體的應(yīng)用，有望實(shí)現(xiàn)低附帶戰(zhàn)斗部的毀傷可控。

然而，低附帶毀傷戰(zhàn)斗部采用碳纖維殼體，雖取得了較好的效果，但碳纖維殼體的強(qiáng)度有限、且制備工藝復(fù)雜，一致性差，無法滿足復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)要求，難以廣泛應(yīng)用。聚醚醚酮（polyether ether ketone，PEEK）高分子材料具有高機(jī)械強(qiáng)度、高抗沖擊、耐高溫、耐腐蝕、密度低、易加工等優(yōu)良性能[19-21]，有望用作為低附帶毀傷戰(zhàn)斗部殼體材料，在此有必要對(duì)聚醚醚酮用作戰(zhàn)斗部殼體的適用性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文中選用聚醚醚酮和金屬鋁作為戰(zhàn)斗部殼體材料，通過開展靜爆威力對(duì)比試驗(yàn)，通過獲得的殼體材料對(duì)沖擊波超壓、比沖量的影響規(guī)律，并對(duì)破片進(jìn)行回收，分析了聚醚醚酮材料作為低附帶毀傷戰(zhàn)斗部殼體的適用性。

1 材料性能分析

聚醚醚酮是一種線性芳香族高分子材料，在耐熱性方面，聚醚醚酮耐熱性能很強(qiáng)，耐高溫溫度可達(dá)260 ℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)143 ℃。在強(qiáng)度方面，聚醚醚酮在高溫下可保持高強(qiáng)度，線膨脹系數(shù)小，200 ℃時(shí)的彎曲強(qiáng)度可達(dá)24 MPa，在250 ℃下彎曲強(qiáng)度仍可達(dá)12～13 MPa。在磨損性方面，聚醚醚酮樹脂還具有優(yōu)異的耐滑動(dòng)磨損性和微動(dòng)磨損性，能在250 ℃下保持較高的耐磨性和較低的摩擦系數(shù)；在穩(wěn)定性方面，聚醚醚酮化學(xué)穩(wěn)定性極好，除濃硫酸外幾乎耐所有化學(xué)試劑。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 場地布置

在殼體破碎性試驗(yàn)中，戰(zhàn)斗部通過雷管起爆，殼體碎片采用砂堆（通過砂袋堆積的方式）回收，測(cè)試設(shè)備的布置如圖1 所示。為提高測(cè)試數(shù)據(jù)可靠性，地面超壓傳感器共布置2 路，每路的每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置2 個(gè)傳感器，兩路夾角90°，每路測(cè)試點(diǎn)距爆心垂直距離分別為2.0、2.5、4.0、4.5、9.0 和9.5 m。

圖1 試驗(yàn)布置Fig.1 Experimental setup

2.2 試驗(yàn)方案

圖2 所示為戰(zhàn)斗部裝配示意圖，戰(zhàn)斗部由主裝藥、端蓋、殼體等部分組成。其中裝藥直徑為98 mm，裝藥高度為120 mm，殼體壁厚為2.5 mm，上端蓋和下端蓋厚度均為6 mm。主裝藥采用高爆熱的含鋁炸藥，爆熱大于7 800 kJ/kg，炸藥爆速為7 780 m/s，其主要成分是黑索金、鋁粉及鈍化劑，裝藥質(zhì)量為1.656 kg，上、下端蓋材料采用2A12 鋁，殼體材料采用聚醚醚酮，同時(shí)添加相同厚度的2A12 鋁殼體戰(zhàn)斗部作為對(duì)比。戰(zhàn)斗部距離地面高度為1 m。

圖2 殼體和端蓋裝配圖Fig.2 Housing and end cap assembly drawings

戰(zhàn)斗部主要參數(shù)如表1 所示，相比于2A12 鋁，殼體采用聚醚醚酮材料可減重54%。

表1 被試品主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the tested product

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中左路和右路傳感器在每個(gè)距離處分別放置2 個(gè)地面超壓傳感器。圖3 所示為鋁殼戰(zhàn)斗部的沖擊波超壓隨時(shí)間的變化曲線，圖4 所示為聚醚醚酮?dú)?zhàn)斗部的沖擊波超壓隨時(shí)間的變化曲線。

圖4 聚醚醚酮?dú)?zhàn)斗部的沖擊波超壓隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Time dependent curves of shock wave overpressure in PEEK shell warheads

3.1 超壓

圖5 為距爆心不同比例距離處的超壓峰值。相同殼體厚度條件下，比例距離為1.89 m/kg1/3處聚醚醚酮?dú)んw戰(zhàn)斗部的超壓約為614.0 kPa，高于2A12 鋁殼體戰(zhàn)斗部，這是因?yàn)榫勖衙淹獨(dú)さ膹?qiáng)度低于2A12 鋁，殼體破裂較早，消耗爆轟產(chǎn)物的能量較少，沖擊波超壓略高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用聚醚醚酮?dú)んw裝藥的戰(zhàn)斗部超壓分布與2A12 鋁差距并不大，比例距離大于3.90 m/kg1/3時(shí)，兩者超壓峰值基本相同，推斷聚醚醚酮相對(duì)其他非金屬材料更優(yōu)越的抗拉強(qiáng)度，使得爆轟能量的利用率接近高延性金屬，超壓毀傷半徑與金屬殼體相當(dāng)。

圖5 距爆心不同比例距離的超壓峰值Fig.5 Peak Overpressures at different scaled distances from the explosion center

3.2 比沖量

圖6 為距爆心不同距離處的比沖量?？梢钥闯?，聚醚醚酮?dú)?zhàn)斗部的比沖量衰減較慢，比例距離大于3.90 m/kg1/3時(shí)，聚醚醚酮?dú)?zhàn)斗部的比沖量高于2A12 鋁殼戰(zhàn)斗部的。比沖量為正壓作用區(qū)對(duì)時(shí)間的積分值，表明在距離大于3.90 m/kg1/3時(shí)，相比于2A12 鋁殼的戰(zhàn)斗部，殼體采用聚醚醚酮可延長脈寬作用時(shí)間，延緩比沖量的衰減。

圖6 距爆心不同比例距離處的比沖量Fig.6 Specific impulse at different scaled distances from the explosion center

由于聚醚醚酮?dú)んw在爆轟作用下瞬間破碎，并在隨后的高溫爆轟產(chǎn)物中燃燒殆盡，并無破片生成，因此，沒有破片動(dòng)能，爆轟能量更多轉(zhuǎn)化為沖擊波能。但從圖6 中看出，2.28 m/kg1/3處2A12 鋁的比沖量高于聚醚醚酮，這是因?yàn)楸壤嚯x2.28 m/kg1/3內(nèi)鋁破片仍處于加速階段，耗散能量有限，而聚醚醚酮?dú)んw早于2A12 鋁殼體破裂，爆轟氣體泄露，超壓較低，導(dǎo)致比沖量低于2A12 鋁。但在經(jīng)過一段距離后，2A12 鋁破片達(dá)到最大速度，耗散動(dòng)能達(dá)到最大，在與爆轟氣體脫離接觸后，在2A12 鋁殼體與爆轟產(chǎn)物的界面處產(chǎn)生稀疏拉伸，加劇了爆轟產(chǎn)物的膨脹速度，使得超壓持續(xù)時(shí)間顯著降低，最終導(dǎo)致比沖量下降。相比于2A12 鋁殼的戰(zhàn)斗部，殼體采用選用聚醚醚酮可延長脈寬作用時(shí)間，延緩比沖量的衰減。

3.3 破片速度

測(cè)速靶采用獨(dú)立測(cè)速方式，均以起爆信號(hào)作為測(cè)速儀啟動(dòng)信號(hào)，4 個(gè)測(cè)速靶作為停止信號(hào)，測(cè)得到達(dá)距離3、4、5 和6 m 的時(shí)間，根據(jù)破片測(cè)速靶距離，可近似獲得該距離內(nèi)破片的平均速度。每個(gè)測(cè)速靶可捕捉到破片的運(yùn)動(dòng)方向均獨(dú)立，因此獲得的破片速度不是同一運(yùn)動(dòng)方向上的破片速度。

破片速度測(cè)試結(jié)果如表2 所示。可以看出，2A12 鋁殼的戰(zhàn)斗部在4 個(gè)傳感器都測(cè)得速度，聚醚醚酮?dú)さ膽?zhàn)斗部在距離大于4 m 后沒測(cè)得破片速度，初步認(rèn)為聚醚醚酮在水平距離大于4 m 時(shí)破片被熔化。2A12 鋁殼的戰(zhàn)斗部在3 m 范圍內(nèi)的破片平均速度高于聚醚醚酮?dú)さ膽?zhàn)斗部。4 m 處2A12 鋁殼的戰(zhàn)斗部破片速度明顯降低，聚醚醚酮?dú)さ膽?zhàn)斗部破片速度變化較小。

表2 破片速度測(cè)試結(jié)果Table 2 Fragment speed test results

通過對(duì)高速攝像儀拍攝結(jié)果進(jìn)行圖像處理，清晰獲得破片飛散過程[19]，高速攝像儀的拍攝頻率為10 000 s-1，拍攝距離為80 m，每幀的最大分辨率為1 280×456。圖7 為不同時(shí)刻破片飛散過程。對(duì)比可以看出，0.9 ms 時(shí)2A12 鋁殼產(chǎn)生的破片比聚醚醚酮破片飛散距離更遠(yuǎn)，說明2A12 鋁殼產(chǎn)生的破片速度更高。1.5 ms 時(shí)2A12 鋁殼產(chǎn)生的破片依然比較明顯，聚醚醚酮破片相對(duì)于1.5 ms 時(shí)破片數(shù)量明顯減少。分析認(rèn)為，聚醚醚酮?dú)んw在爆炸載荷作用下破碎形成小破片，隨著破片的飛散，破片在爆轟產(chǎn)物高溫高壓作用下迅速燃燒，在距離大于4 m 處時(shí)，破片燃燒完全，因此5、6 m 處的測(cè)速靶沒有測(cè)得破片數(shù)據(jù)。

圖7 不同時(shí)刻破片的飛散過程Fig.7 Fragment dispersion process at different times

為進(jìn)一步說明高溫下聚醚醚酮的燃燒過程，采用酒精噴燈對(duì)聚醚醚酮進(jìn)行烤燃，分別采用圓柱型和薄片型聚醚醚酮作為試驗(yàn)件，如圖8 所示。其中圓柱型聚醚醚酮直徑為10 mm、高度為10 mm，圓柱型聚醚醚酮外徑為50 mm、內(nèi)徑為11 mm、厚度為2 mm。

圖8 試驗(yàn)件Fig.8 Test pieces

圖9 為圓柱型聚醚醚酮和薄片型聚醚醚酮的點(diǎn)燃瞬間，通過對(duì)視頻進(jìn)行解析處理，圓柱型聚醚醚酮和薄片型聚醚醚酮在酒精噴燈作用下在33 ms 內(nèi)均被點(diǎn)燃，由此可知爆轟產(chǎn)物作用下，聚醚醚酮?dú)んw被迅速點(diǎn)燃完全，隨著爆轟產(chǎn)物的持續(xù)作用，聚醚醚酮燃燒完全，中遠(yuǎn)場沒有殺傷破片。

圖9 聚醚醚酮點(diǎn)燃瞬間Fig.9 Moments of ignition of PEEK

3.4 破片回收

試驗(yàn)中通過沙袋回收破片，此外通過松木板測(cè)試破片的毀傷效果。破片回收結(jié)果如圖10所示。對(duì)于2A12 鋁殼體試驗(yàn)，回收到大小不一的破片，且對(duì)松木板造成穿透及嵌入兩種毀傷模式；對(duì)于聚醚醚酮?dú)んw，僅回收的1 枚聚醚醚酮破片，在破片邊緣明顯觀察到燒蝕熔化痕跡。綜上所述，聚醚醚酮?dú)んw形成的破片非常少，幾乎沒有破片殺傷能力，達(dá)到了低附帶毀傷的效果。

圖10 回收的破片F(xiàn)ig.10 Recovered fragments

綜合上述情況，表明聚醚醚酮材料適合作為戰(zhàn)斗部殼體用于低附帶毀傷戰(zhàn)斗部，下一步仍需優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)，提高區(qū)域毀傷的威力。

4 結(jié) 論

利用靶場靜爆試驗(yàn)，對(duì)比研究了聚醚醚酮?dú)ず弯X殼2 種戰(zhàn)斗部的威力場，分析了超壓和破片破碎情況，所得主要結(jié)論如下。

（1）因聚醚醚酮優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度，在相同厚度下，聚醚醚酮?dú)んw的超壓毀傷半徑與2A12 鋁殼體相當(dāng)。

（2）聚醚醚酮材料在爆炸載荷作用下不產(chǎn)生殺傷破片，爆轟能量更多轉(zhuǎn)化為沖擊波能，在距爆心距離超過3 m/kg1/3后，聚醚醚酮?dú)んw戰(zhàn)斗部的比沖量高于2A12 鋁。

綜上所述，聚醚醚酮?dú)んw戰(zhàn)斗部的超壓毀傷效果優(yōu)于2A12 鋁，不產(chǎn)生殺傷破片，且殼體質(zhì)量降低了54%，可提升戰(zhàn)斗部有效荷載高，適合用作低附帶毀傷戰(zhàn)斗部。