周 杰, 何 勇, 何 源, 凌 琦

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點實驗室, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

氟聚物基含能反應(yīng)材料是一種主要由高氟含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)>70%)的氟聚物和活性金屬顆粒或纖維以一定的工藝方法組合成的亞穩(wěn)態(tài)含能復(fù)合材料,又稱沖擊引發(fā)反應(yīng)類含能材料[1](Impact-initiated Reactive Materials),最早由Hugh E.于1976年在專利中以反應(yīng)破片[2]的形式提出。氟聚物基含能反應(yīng)材料本質(zhì)上是一種混合高能材料,具有較高的能量水平; 具有獨特的能量釋能特性,在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)下,對低速撞擊、摩擦、電火花刺激表現(xiàn)鈍感,傳統(tǒng)引發(fā)材料反應(yīng)的技術(shù)如爆炸橋絲和火焰等都不足以維持其反應(yīng)[3],在高速撞擊下才反應(yīng)釋能; 且因有成型工藝簡單、成本低廉、較好的機械加工性能等優(yōu)點,在軍事上具有巨大的應(yīng)用前景,因此受國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4],特別是在含能反應(yīng)材料配方設(shè)計與成型工藝研究[3,5]、動靜態(tài)力學(xué)性能測試[6-11]、沖擊感度測試[12-15]、沖擊毀傷效能研究[16-20]等方面取得了顯著成就。

氟聚物基含能反應(yīng)材料主要以含能破片和含能藥型罩的形式應(yīng)用于高效毀傷戰(zhàn)斗部,利用含能反應(yīng)材料制備的毀傷元在對目標(biāo)的毀傷過程中,材料因受沖擊作用引發(fā)化學(xué)反應(yīng),釋放大量能量并引起爆炸、燃燒等附加二次毀傷效應(yīng),實現(xiàn)對目標(biāo)的多重毀傷。據(jù)報道[21]美國海軍研究辦公室(office of naval research,ONR)對比反應(yīng)破片與普通破片戰(zhàn)斗部的毀傷效果發(fā)現(xiàn),毀傷增強型破片殺傷半徑是普通惰性破片戰(zhàn)斗部的兩倍,毀傷威力是普通破片戰(zhàn)斗部的500%; 文獻[22]對毀傷增強型破片進行了探索研究,試驗表明其化學(xué)潛能約為惰性破片平均動能的12倍; 文獻[23]對活性破片侵徹性能和內(nèi)爆效應(yīng)進行了實驗驗證,結(jié)果表面當(dāng)活性破片以1500 m·s-1的速度碰撞目標(biāo)時,所釋放的化學(xué)能約為動能的5倍。

國內(nèi)開展的工作主要集中在含能反應(yīng)材料反應(yīng)釋能機理、撞擊釋能閾值條件、反應(yīng)效率以及在典型高效毀傷戰(zhàn)斗部上的應(yīng)用研究,基本實現(xiàn)了提高毀傷威力目的; 但關(guān)于氟聚物基含能材料對戰(zhàn)斗部裝藥類目標(biāo)的引燃引爆情況鮮有報道。為了探索氟聚物基含能反應(yīng)材料制備的含能毀傷元對炸藥類目標(biāo)的毀傷效能,本課題組分別設(shè)計了內(nèi)裝B炸藥、內(nèi)裝PBX-9404炸藥的模擬戰(zhàn)斗部靶標(biāo),開展了氟聚物基含能毀傷元以不同速度對模擬戰(zhàn)斗部的侵徹引爆試驗研究,測量了模擬戰(zhàn)斗部被含能毀傷元沖擊引爆后的空氣沖擊波超壓,并進行了TNT當(dāng)量等效計算分析,得到了含能毀傷元對不同裝藥類型戰(zhàn)斗部靶標(biāo)的引燃引爆情況。

2 試驗方案

2.1 含能毀傷元試樣

將鋁粉(200目,國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、聚四氟乙烯粉(100目,國藥集團化學(xué)試劑有限公司)按一定質(zhì)量配比混合均勻,并加入一定質(zhì)量比的高密度惰性金屬粉末以增加試件的密度以及沖擊反應(yīng)能力,通過模具冷壓成Φ26 mm×60 mm柱形試件,然后參照文獻[3]中的溫度控制曲線(圖1)進行燒結(jié),得到由此類含能反應(yīng)材料制備的含能毀傷元試樣(如圖2所示),其相關(guān)參數(shù)見表1,并將該含能毀傷元裝入特定結(jié)構(gòu)的鋼制殼體內(nèi)保證其具備足夠的穿甲能力侵徹到模擬戰(zhàn)斗部內(nèi)部。

表1 含能毀傷元相關(guān)參數(shù)

Table 1 Related parameters of energetic kill element

dimension/mmmass/gtheoreticaldensity/g·cm-3actualdensity/g·cm-3reactionheat[3]/kJ·g-1compressionstrength/MPaΦ26×601264．113．937．941．2

含能毀傷元質(zhì)量126 g,殼體質(zhì)量434 g,當(dāng)含能毀傷元分別以735 m·s-1和955 m·s-1的速度侵徹引爆炸藥裝藥時,假設(shè)含能毀傷元均完全反應(yīng)釋放化學(xué)能,計算了含能毀傷元化學(xué)能、含能毀傷元動能以及殼體動能,得到對引爆裝藥的貢獻,結(jié)果見表2。由表2可見,含能毀傷元化學(xué)能在引爆炸藥裝藥貢獻中占主導(dǎo)地位。兩種不同侵徹速度下，含能毀傷元化學(xué)能在試件總能量(包括含能毀傷元化學(xué)能、含能毀傷元動能和殼體動能)中所占比例比例分別為86.8%和79.6%。

圖1 燒結(jié)溫度控制曲線

Fig.1 Sintering temperature control curve

圖2 含能毀傷元

Fig.2 Energetic kill element

表2 含能毀傷元與殼體對引爆炸藥裝藥的貢獻

Table 2 Contribution of energetic kill element and shell to detonate explosive charge

velocity/m·s-1chemicalenergyofenergetickillelementenergy/kJratio/%kineticenergyofenergetickillelementenergy/kJratio/%kineticenergyofsteelshellenergy/kJratio/%735995．486．834．03．0117．210．2955995．479．657．54．6197．915．8

2.2 模擬戰(zhàn)斗部

模擬戰(zhàn)斗部通過螺栓固定在鋼支架上,實物如圖 3所示,外形尺寸、總重量及內(nèi)部裝藥尺寸、裝藥質(zhì)量如表 3所列。

內(nèi)裝B炸藥(64/36 RDX/TNT)和PBX-9404炸藥(94/3/3 HMX/NC/ TCEP),裝藥密度均為1.68 g·cm-3,裝藥質(zhì)量為28.86 kg,根據(jù)不同炸藥的爆熱[24](B炸藥: 5.132×106J·kg-1、PBX-9404: 5.547×106J·kg-1、TNT: 4.276×106J·kg-1)分別計算出其TNT當(dāng)量:ωT=34.64 kg(B炸藥),ωT=37.44 kg(PBX-9404炸藥)。

圖3 B炸藥模擬戰(zhàn)斗部實物圖

Fig.3 Simulative warhead of Comp.B

表3 模擬戰(zhàn)斗部相關(guān)參數(shù)

Table 3 Related parameters of simulative warhead

overalldimension/mmtotalmass/kgchargingsize/mmchargingmass/kgshellmaterialshellthickness/mmshellmass/kgΦ300×33077．76Φ270×30028．86armorsteel1548．9

2.3 試驗測試裝置

空氣沖擊波超壓測量采用211B型壓電式壓力傳感器,采樣頻率為500 kHz,如圖4所示為傳感器、固定裝置及防護裝置。

a. pressure sensor and fixing device

b. protective device

圖4 壓力傳感器及防護裝置

Fig.4 Pressure sensor and protective device

2.4 試驗布局

圖5為試驗裝置布局示意圖,發(fā)射裝置距靶標(biāo)約100 m,利用天幕靶測定帶殼體的含能毀傷元飛行速度,采用高速攝像儀監(jiān)測帶殼體的含能毀傷元的飛行姿態(tài)及模擬戰(zhàn)斗部引爆情況,拍攝頻率10000幅/s。

圖5 試驗布置示意圖

1—發(fā)射裝置, 2—防護裝置, 3—帶殼體的含能毀傷元, 4—天幕靶, 5—傳感器, 6—模擬戰(zhàn)斗部, 7—高速錄像

Fig.5 Schematic diagram of experiment disposal

1—launcher, 2—protective device, 3—energetic kill element with shell, 4—sky screen, 5—sensor, 6—simulative warhead, 7—high speed video

3 試驗原理及測試方法

3.1 帶殼體炸藥的爆炸

由于含能毀傷元為沖擊引發(fā)化學(xué)反應(yīng)類材料,因此模擬戰(zhàn)斗部靶標(biāo)的殼體厚度對含能毀傷元的反應(yīng)程度影響較大,帶殼體炸藥爆炸時,殼體變形、破碎消耗的能量約為1%～3%,其余能量用于爆炸產(chǎn)物的內(nèi)能和動能的增加,以及破片的動能增加。對于軸對稱圓柱形戰(zhàn)斗部,有[25]:

(1)

式中,ωT為戰(zhàn)斗部裝藥TNT當(dāng)量,kg;ωbe為作用于爆炸產(chǎn)物的TNT當(dāng)量,kg;α為戰(zhàn)斗部裝填系數(shù);r0為裝藥半徑,cm;rm為破片達最大速度時的半徑,cm。

本試驗中,以B炸藥為例,ωT=34.64 kg模擬戰(zhàn)斗部裝填系數(shù)α=34.64/(34.64+48.9)=0.41; 對于鋼材料殼體,破裂半徑rm≈1.5r0; 對于TNT,γ=3.16。將上述參數(shù)代入式(1),得到ωbe≈0.45ωT,代入ωT=34.64 kg(B炸藥),得到ωbe=15.57 kg。

3.2 近地面空氣沖擊波的傳播規(guī)律

(1) 我國國防工程設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的超壓計算公式[25-26]：

(2)

(2) J. Henrych在大量實驗基礎(chǔ)上提出的的超壓計算公式[26]

(3)

(3) 《空中爆炸》一書提出的的超壓計算公式[25]:

(4)

圖6 不同對比距離下爆炸時空氣中沖擊波超壓峰值

Fig.6 Shock wave overpressure peak in the air at different contrast distance

炸藥量一定時,三種不同經(jīng)驗公式隨對比距離的變化關(guān)系如圖6所示。可以看出,當(dāng)對比距離大于1時,公式(3)和公式(4)的計算結(jié)果比較接近,公式(2)計算結(jié)果略高; 當(dāng)對比距離小于1時,壓力隨對比距離的變化率較大,因此對比距離越小,不同公式間計算結(jié)果差距越大。本試驗對比距離為0.84時,公式(3)計算結(jié)果為1.05,公式(4)的計算結(jié)果為1.23,結(jié)果相差約14.6%; 為了減少不同經(jīng)驗公式對計算結(jié)果的影響且考慮試驗中的對比距離分布范圍,本試驗選擇計算結(jié)果較為平均的公式(4)對結(jié)果進行計算分析。

炸藥在空氣中爆炸時,爆炸沖擊波近地面的傳播情況如圖7所示。爆炸沖擊波以球形向外傳播,與地面碰撞產(chǎn)生反射沖擊波,反射波和入射波同時向外擴展,兩者的交點不斷抬升,并在交點連線的下方形成垂直地面的過度壓縮沖擊波,即馬赫波,入射波、反射波、馬赫反射波的交點即為三波點。

在測試沖擊波超壓方面,為避免爆炸碎片對傳感器的損壞,主要采用壁面型壓力傳感器,地面?zhèn)鞲衅鳒y得的實際超壓值與炸藥量、炸藥高度h和測點距離l(OA和OB)有關(guān),地面不同測點(A點和B點)與爆炸中心C構(gòu)成不同的入射角Φi,因此必須考慮不同的反射情形[27-28]。

圖7 爆炸沖擊波在近地面的傳播規(guī)律

1—反射波, 2—入射波, 3—三波點軌跡, 4—三波點,5—馬赫波

Fig.7 Spreading law of shock wave close to the ground

1—reflected wave, 2—incident wave, 3—triple point trajectory, 4—triple point, 5—Mach wave

(1)Φi=0時(如圖 7中O點),產(chǎn)生正反射,反射波壓力為:

(5)

式中,Δpm為入射波壓力,MPa; ΔpM為反射波壓力,MPa;p0為初始壓力,MPa。

(2)由實驗可知,當(dāng)入射沖擊波壓力小于0.3 MPa時,發(fā)生正規(guī)反射,反射波壓力與人射角無關(guān),仍可按式(4)進行計算。

(3)Φ0c<Φi<90°時(如圖7中B點),產(chǎn)生馬赫反射,其中Φ0c為產(chǎn)生馬赫反射的臨界角,Φ0c與入射波的強度有關(guān),隨著入射波壓力增大,Φ0c不斷減小,并趨于一個極限值40°,此時馬赫發(fā)射波壓力：

ΔpM=Δpm(1+cosΦi)

(6)

4 試驗結(jié)果及分析

為了檢驗氟聚物基含能毀傷元在不同速度下對B炸藥和PBX-9404炸藥的引燃引爆能力,設(shè)計了兩種侵徹速度: 低速(750 m·s-1)和高速(950 m·s-1),以此開展了含能毀傷元分別以735 m·s-1和955 m·s-1的實際速度沖擊侵徹B炸藥模擬戰(zhàn)斗部裝藥試驗、以962 m·s-1的實際速度沖擊侵徹PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部裝藥試驗,并測量了爆炸后的沖擊波超壓; 為了判斷含能毀傷元對炸藥的引爆程度,對比設(shè)置了B炸藥模擬戰(zhàn)斗部的靜爆試驗。

4.1 引燃引爆能力

735 m·s-1速度下沖擊侵徹B炸藥模擬戰(zhàn)斗部試驗高速錄像如圖8所示,962 m·s-1速度下沖擊侵徹PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部試驗高速錄像如圖9所示,圖中從含能毀傷元與左側(cè)背景布平齊時開始計時。如圖8b和圖8c中所標(biāo)示,B炸藥模擬戰(zhàn)斗部被沖擊反應(yīng)后空氣中可觀測到爆轟波波陣面,圖8d中可觀察到產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物將地面塵土掀起; 圖9中PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部沖擊反應(yīng)后地面無明顯變化。B炸藥模擬戰(zhàn)斗部試驗后,現(xiàn)場未回收到戰(zhàn)斗部與支架的殘留; PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部試驗過程中端蓋飛出,試驗結(jié)束后在距爆心約5 m處回收到模擬戰(zhàn)斗部殼體以及PBX-9404炸藥燃燒灰燼,如圖10所示。由此對比可以初步判斷沖擊侵徹下,B炸藥模擬戰(zhàn)斗部發(fā)生了爆炸,而PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部發(fā)生了爆燃。

a. t=5 ms

b. t=9.4 ms

c. t=10.4 ms

d. t=19.2 ms

圖8 735 m·s-1速度下沖擊引爆B炸藥的高速錄像

Fig.8 High-speed motion pictures of schock-initiated Comp.B under the speed of 735 m·s-1

a. t=3.6 ms

b. t=9.4 ms

c. t=15.1 ms

d. t=28.0 ms

圖9 962 m·s-1速度下沖擊引燃PBX-9404炸藥的高速錄像

Fig.9 High-speed motion pictures of schock-deflagrated PBX-9404 under the speed of 962 m·s-1

735 m·s-1和955 m·s-1兩種速度下,含能毀傷元均能可靠引爆B炸藥模擬戰(zhàn)斗部,遠小于文獻[18]中含能破片引爆屏蔽B炸藥的極限速度1275 m·s-1,分析原因可能是由于文獻[18]中采用的含能材料為8701炸藥,相比于氟聚物基含能材料,8701炸藥在撞擊條件下需要更高的速度來達到含能材料的反應(yīng)閾值; 引爆機理為含能毀傷元在侵徹模擬戰(zhàn)斗部15 mm鋼殼體后,在模擬戰(zhàn)斗部內(nèi)部發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)并釋放出大量熱量,在炸藥內(nèi)部形成熱點,同時產(chǎn)生一定強度的爆轟波,共同作用引燃引爆模擬戰(zhàn)斗部裝藥。

圖10 PBX-9404炸藥沖擊引燃效果

Fig.10 The effect of schock- deflagrated PBX-9404

4.2 沖擊波超壓

在測點距離l=1.5,2.5 m和3.5 m處分別設(shè)置有211B型壓電傳感器,用于測量引爆模擬戰(zhàn)斗部時的沖擊波超壓,結(jié)果見表4。

如圖11a所示為靜爆條件下引爆B炸藥模擬戰(zhàn)斗部超壓曲線,超壓峰值約2.48 MPa,峰值前端有一系列擾動,是殼體破裂時超音速的破片穿過空氣時產(chǎn)生的彈道波。

如圖11b所示為1.5 m測點處測得的含能毀傷元以不同速度沖擊引爆B炸藥模擬戰(zhàn)斗部的超壓曲線,超壓峰值分別為1.84 MPa和2.22 MPa; 從圖中可以看出,相比于B炸藥模擬戰(zhàn)斗部靜爆的超壓曲線,超壓峰值前約2 ms處分別有一個約0.114 MPa和0.109 MPa的尖峰,分析為侵徹模擬戰(zhàn)斗部殼體的過程中,含能毀傷元受沖擊引發(fā)化學(xué)反應(yīng)后爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓。

表4 試驗測得的馬赫波超壓峰值

Table 4 Measured overpressure peak values of Mach wave

No．explosivevelocity/m·s-1ΔpM/MPa1．5m2．5m3．5mΔp/MPa1．5m1Comp．Bstaticdetonation2．480．880．40-2Comp．B735m·s-11．840．720．330．1143Comp．B955m·s-12．220．800．370．1374PBX?9404962m·s-10．0460．016-0．136

Note: ΔpM—overpressure peak values of Mach wave detonated by simulative warhead; Δp—overpressure peak values of Mach wave detonated by energetic kill element.

a. static detonation, Comp.B

b. 1.5 m, Comp.B

c. 955 m·s-1, Comp.B

d. 962 m·s-1, PBX-9404

圖11 不同測點處、不同侵徹速度下的超壓曲線

Fig.11 Overpressure curves at different measuring points and different penetration speeds

如圖11c所示為不同測點處測得的含能毀傷元以955 m·s-1速度沖擊引爆B炸藥模擬戰(zhàn)斗部的超壓曲線,1.5,2.5,3.5 m測點處的超壓峰值依次為2.22,0.80,0.37 MPa。

圖11d為962 m·s-1速度下沖擊引爆PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部的超壓曲線,可以明顯看出,曲線上第一個峰值為0.136 MPa,為含能毀傷元爆炸引起的沖擊波超壓,與955 m·s-1速度下測得的含能毀傷元超壓值接近,第二個尖峰約為0.046 MPa,是PBX-9404炸藥發(fā)生爆燃反應(yīng)引起的,與試驗的高速錄像結(jié)果相符。

4.3 TNT當(dāng)量計算結(jié)果

由上節(jié)測試結(jié)果可知, PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部的反應(yīng)類型主要為爆燃,測得的沖擊波超壓峰值較小,因此本節(jié)不予分析。

針對含能毀傷元對B炸藥模擬戰(zhàn)斗部的毀傷結(jié)果,根據(jù)前述沖擊波超壓的測試方法,可知作用于爆炸產(chǎn)物和空氣沖擊波的炸藥當(dāng)量:ωbe=11.78 kg; 將測得的馬赫反射沖擊波超壓帶入式(6)可求出入射沖擊波超壓,再通過式(4)求出各測點相應(yīng)的TNT當(dāng)量值ωbei,如表5所列。

由表5可以看出,將B炸藥模擬戰(zhàn)斗部在各測點處的靜爆試驗結(jié)果通過理論方法進行了TNT當(dāng)量等效對比,并與實際裝藥量進行了對比分析,結(jié)果誤差約為2.7%,分析可能是未考慮端面起爆和端蓋螺紋連接的影響,但誤差在允許范圍之內(nèi),證實了測試結(jié)果的真實性與理論計算分析的準(zhǔn)確性。

在相同的B炸藥裝藥條件下,將含能毀傷元侵徹速度從735 m·s-1提升到955 m·s-1時,結(jié)合表 4中1.5 m處測得含能毀傷元超壓峰值可以發(fā)現(xiàn),含能毀傷元的反應(yīng)程度提高了約0.2倍; 通過與B炸藥模擬戰(zhàn)斗部靜爆結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)侵徹速度735 m·s-1提升到955 m·s-1,B炸藥爆炸反應(yīng)程度從75.0%(73.0/97.3)提升到88.8%(86.4/97.3),說明提高侵徹速度可提高含能毀傷元的反應(yīng)程度,進一步提高對B炸藥引爆程度; 不同測試條件下存在部分測點TNT當(dāng)量值偏離平均值,是由于近爆炸場高溫、高壓環(huán)境對壓力傳感器綜合作用,導(dǎo)致測試精度降低。

表5 B炸藥爆炸部各測點TNT當(dāng)量

Table 5 The TNT equivalence of Comp B at different measuring points

No．ωbe/kgωbei/kg1．5m2．5m3．5mω—bei/kg(ω—bei/ωbe)/%1(staticdetonation)2(735m·s-1)3(955m·s-1)15．5715．3515．3614．7415．1597．310．7811．9311．3911．3773．013．4713．6313．2613．4586．4

5 結(jié) 論

(1) 利用氟聚物基含能反應(yīng)材料制備的含能毀傷元在特定的包覆殼體下具有較高的強度,可承受侵徹中過載; 該含能毀傷元除了對目標(biāo)造成常規(guī)動能毀傷外,在侵徹模擬戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)過程中,含能毀傷元受強烈沖擊后發(fā)生爆炸性化學(xué)反應(yīng)釋放大量能量,并產(chǎn)生一定強度的沖擊波,化學(xué)能和沖擊波共同作用引燃引爆模擬戰(zhàn)斗部裝藥。

(2) 試驗結(jié)果表明,735 m·s-1侵徹速度下,氟聚物基含能毀傷元可引爆B炸藥模擬戰(zhàn)斗部; 962 m·s-1侵徹速度下,可導(dǎo)致PBX-9404炸藥模擬戰(zhàn)斗部發(fā)生爆燃。

(3) 侵徹速度從735 m·s-1提升到955 m·s-1時,對B炸藥引爆程度從75.0%提升到88.8%,適當(dāng)提高速度有利于提高含能毀傷元反應(yīng)程度,進一步提高對模擬戰(zhàn)斗部的爆炸毀傷效果。

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