崔 平，閆建林，施冬梅，王德石

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，武漢 430033；2.陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)，石家莊 050003；3.中國(guó)人民解放軍92207部隊(duì)，石家莊 050301)

能量在給定方向上或給定地點(diǎn)處聚積的效應(yīng)，稱之為“聚能”[1]。這是根據(jù)拉丁文“cumulato”意譯而來(lái)的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，即“聚積”、“累積”的意思。單純從字面理解，表示由于相同性質(zhì)的某種效應(yīng)經(jīng)過(guò)若干次疊加或累積后，使得這種效應(yīng)得到增強(qiáng)或放大。從理論上講，聚能效應(yīng)不僅僅限于動(dòng)能的聚積，光能、聲能、沖擊波能均可以聚積于某一小空間，形成高能量密度狀態(tài)。

通常情況下，在爆炸過(guò)程中爆轟能量是向四面八方散布的，而在聚能情形中爆轟能量則被集中于某一方向上。因此聚能效應(yīng)能夠大大增強(qiáng)在一個(gè)方向上爆炸的局部作用。利用一端帶有空穴(聚能凹槽)的裝藥，可以得到聚能效果。當(dāng)該裝藥在另一端被引爆，沿著此凹槽軸線方向上爆炸聚能作用的效果相當(dāng)強(qiáng)，能量遠(yuǎn)高于裝藥的其它方向。如果在聚能凹槽內(nèi)壁面上鑲襯一個(gè)薄壁金屬罩，則這種裝藥形成的射流對(duì)靶板的穿孔能力將增強(qiáng)好多倍。這就是聚能裝藥的基本概念。

根據(jù)GJB102A—98“彈藥系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)”的定義，聚能裝藥(Shaped Charge)是指為集中炸藥爆轟能量，在一端采用特定凹陷或在凹陷表面放置藥型罩，而在另一端起爆并使爆炸能量匯聚的裝藥[2]。一些文獻(xiàn)也將其稱為錐孔裝藥(cavity charge)、成型裝藥或空心裝藥(hollow charge)。

1 一般結(jié)構(gòu)

提供爆轟能量的裝藥和形成聚能侵徹體的藥型罩是聚能裝藥結(jié)構(gòu)的兩個(gè)最主要部分。此外，控制起爆裝藥的引信，盛裝炸藥、引信、藥型罩的彈體外殼，以及改善氣動(dòng)外形并確保形成聚能裝藥最有利炸高的結(jié)構(gòu)(通常為風(fēng)帽或頭螺)也是聚能裝藥不可或缺的組成部分。為改善爆轟波形，有的聚能裝藥內(nèi)部加裝了爆轟波陣面控制元件——隔板。以軸對(duì)稱聚能裝藥為例，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 聚能裝藥一般結(jié)構(gòu)Fig. 1 General structure of shaped charge

以圓錐形金屬藥型罩被壓垮后形成聚能射流為例說(shuō)明軸對(duì)稱聚能裝藥的一般作用過(guò)程。如圖2所示，炸藥裝藥中的爆轟波陣面從雷管處開(kāi)始以極高的爆轟速度傳播，生成的爆轟產(chǎn)物與聚能藥型罩相互作用，藥型罩隨之壓合并生成杵體和聚能射流。

圖 2 軸對(duì)稱聚能裝藥圓錐形金屬藥型罩聚能射流形成過(guò)程Fig. 2 Jet formation of an axisymmetric shaped charge with a conical metal liner

2 破甲效應(yīng)影響因素分析及最新研究進(jìn)展

聚能效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，學(xué)者們就對(duì)影響該效應(yīng)的一切可能因素做了持續(xù)、深入的研究。大量文獻(xiàn)資料表明，影響聚能裝藥破甲效應(yīng)的主要因素在于炸藥裝藥、藥型罩、外殼、爆轟波陣面控制和運(yùn)用條件等5個(gè)方面。

2.1 炸藥裝藥

2.1.1 裝藥種類

射流能源來(lái)自于炸藥，因而炸藥性能對(duì)破甲作用有直接影響。理論與實(shí)踐均表明，炸藥的爆轟壓力對(duì)破甲威力有明顯影響。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)研究了在相同裝藥結(jié)構(gòu)條件下、包括TNT、RDX、HMX、BTF等在內(nèi)的9種不同種類炸藥對(duì)聚能裝藥破甲效果的影響。具體來(lái)說(shuō)，炸藥裝填密度和爆速越大，形成的射流速度越大，破甲效果越好。目前，聚能裝藥廣泛使用黑索金(RDX)基或奧克托今(HMX)基高性能炸藥，后者因其高密度、高爆速、高爆壓、優(yōu)良的耐熱性和貯存穩(wěn)定性已成為反裝甲戰(zhàn)斗部的裝藥首選。以CL-20和DNTF等為代表的新型高能炸藥，其爆轟能量可驅(qū)動(dòng)聚能射流加速到臨界極限，增加射流質(zhì)量并延緩斷裂時(shí)間，提高侵徹性能。CL-20炸藥是目前能量最高、威力最大的非核炸藥，爆速可達(dá)9600 m/s，是未來(lái)聚能裝藥領(lǐng)域最有潛力的高能炸藥[4]。

2.1.2 裝藥方式

炸藥的裝藥方式對(duì)其性能有顯著影響。聚能裝藥大多采用壓裝和鑄裝兩種方式裝填炸藥。壓裝方式裝填時(shí)，多采用以添加劑鈍化的RDX和HMX炸藥；鑄裝方式裝填時(shí)，則采用熔黑梯(TNT/RDX)、熔梯奧(TNT/HMX)等炸藥。以壓裝方式為例，現(xiàn)行的壓裝法主要包括普通機(jī)械壓裝、螺旋壓裝和分步壓裝3種。壓裝方式裝藥時(shí)，加壓方式、施加壓力的大小、加壓速度等都是影響壓制藥柱密度及密度均勻性的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，國(guó)外采用的精密壓裝藥技術(shù)可有效提高炸藥裝藥密度和均勻性，減小各向密度差，改善裝藥質(zhì)量，使得聚能裝藥綜合性能大幅提高。

2.1.3 裝藥形狀

裝藥形狀通過(guò)影響爆轟波對(duì)藥型罩的壓垮速度和角度來(lái)影響破甲深度。聚能裝藥最早多采用圓柱形裝藥，在減輕裝藥質(zhì)量但同時(shí)又不降低裝藥作用有效性的基本設(shè)想下，學(xué)者們對(duì)炸藥裝藥的形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在圓柱形裝藥的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了圓錐臺(tái)形和圓柱-圓錐臺(tái)組合形等幾種裝藥形狀，如圖3所示。數(shù)值仿真結(jié)果表明，與圓柱形和圓柱-圓錐臺(tái)組合形裝藥形狀相比，圓錐臺(tái)形裝藥穿孔效果下降約8%，而圓柱-圓錐臺(tái)組合形裝藥炸藥用量較少，因此柱-錐臺(tái)組合形裝藥得到了廣泛應(yīng)用[5]。

圖 3 聚能裝藥形狀Fig. 3 Shapes of explosive charge

2.2 藥型罩

藥型罩是聚能裝藥的核心部件，在很多方面決定了聚能裝藥的破甲效能。綜合各方面研究成果，藥型罩對(duì)聚能裝藥破甲效能的影響主要通過(guò)材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工(制備)工藝三種途徑實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 材料

藥型罩材料對(duì)聚能裝藥作用效能影響很大。理論分析結(jié)果表明，聚能侵徹體頭部速度、密度和極限伸長(zhǎng)系數(shù)是藥型罩材料選擇的重要依據(jù)[6]。為使藥型罩壓合后形成的射流長(zhǎng)、密度大，早期聚能裝藥廣泛使用了高應(yīng)變率下具有高聲速、高密度、高塑性材料制作的金屬藥型罩。工程實(shí)踐證明：紫銅密度較高、塑性好，破甲效果最好，是目前聚能藥型罩廣泛使用的一類金屬材料。

隨著加工制造工藝的進(jìn)步，一些高密度材料如鉬、鎢、鉭等得到了應(yīng)用，并展現(xiàn)了很好的應(yīng)用前景。表1給出了銅和目前幾種最新研究采用的藥型罩材料主要物理性能對(duì)比。

表1 藥型罩材料物理性能Table 1 Physical properties of liner materials

文獻(xiàn)[7]表明，美軍通過(guò)高能鍛造加工出的鉬罩能形成穩(wěn)定、連續(xù)的射流。開(kāi)展的彈道試驗(yàn)結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)銅罩9.8 km/s的射流頭部速度，鉬罩射流的頭部速度可達(dá)到12 km/s，鉬罩的破甲深度比純銅罩可提高20%～30%。中北大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)對(duì)鉬罩形成桿式射流的特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：相比金屬銅所形成的桿式射流，鉬在相同結(jié)構(gòu)條件下成型射流形態(tài)以及性能均優(yōu)于銅[8]。賀海民等人開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究成果表明，鉬罩射流相比銅罩有明顯的較早斷裂現(xiàn)象，可能的原因是鉬藥型罩材料毛坯成型采用了粉末冶金等靜壓高溫?zé)Y(jié)工藝，材質(zhì)硬度較大，鉬罩表面光潔度不太理想，導(dǎo)致了鉬材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能與銅存在差異[9]。

Manfred Held利用藥型罩材料的密度和聲速對(duì)一些材料的運(yùn)用前景進(jìn)行了評(píng)估[10]，通過(guò)計(jì)算認(rèn)為：鎢是最具運(yùn)用前景的藥型罩材料。英國(guó)國(guó)防研究局采用熱壓燒結(jié)和切削成形工藝制造的純鎢藥型罩，其性能(晶粒直徑約15μm，射流斷裂時(shí)間221.5 μs，射流長(zhǎng)度881 mm)優(yōu)于純銅藥型罩(晶粒直徑約10 μm，射流斷裂時(shí)間142.0 μs，射流長(zhǎng)度671 mm)。北京理工大學(xué)用化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備出65 mm口徑純鎢藥型罩[11]，靜破甲實(shí)驗(yàn)顯示純鎢藥型罩在2.4 CD(裝藥直徑)炸高條件下，射流對(duì)45鋼侵徹深度為363 mm，相當(dāng)于6 LD(藥型罩口徑)，而在相同試驗(yàn)條件下，銅藥型罩侵徹深度為264 mm，只相當(dāng)于5 LD。

鉭作為藥型罩材料具有很強(qiáng)的優(yōu)越性[12]。彈道試驗(yàn)表明：在相同質(zhì)量、相同長(zhǎng)徑比(L/D=4)、彈丸速度為2000 m/s時(shí)，鉭制侵徹體對(duì)均質(zhì)裝甲鋼板的侵徹深度為160 mm，而銅的僅為123 mm，鉭的侵徹性能較銅高30%～35%。在打擊重裝甲目標(biāo)時(shí)，鉭是最理想的破甲彈藥型罩材料。如美國(guó)的SADARM、德國(guó)的SMART和瑞典的BONUS等155 mm末敏彈都采用了鉭材藥型罩。

聚能裝藥藥型罩并不總是由高密度金屬制成，一些低密度材料被用作串聯(lián)破甲戰(zhàn)斗部前級(jí)聚能裝藥藥型罩材料，通過(guò)控制聚能射流能量密度，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸反應(yīng)裝甲(ERA)“穿而不爆”，為后級(jí)聚能射流侵徹開(kāi)辟了通道。劉同鑫等人對(duì)Nylon、Teflon等材料的聚能射流成型機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值研究[13]，認(rèn)為T(mén)eflon能在更短時(shí)間內(nèi)形成形態(tài)良好、穩(wěn)定的低能量射流，在對(duì)反應(yīng)裝甲的作用過(guò)程中不會(huì)引起炸藥爆炸，但并未進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。J Y Yi等人通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對(duì)高聚物PTFE藥型罩射流特征及侵徹能力進(jìn)行了研究，其侵徹深度與銅射流相比較差，但具有可觀的穿孔直徑[14]。Ernest L.Baker等人分別利用啤酒瓶和起泡酒瓶的瓶底部分設(shè)計(jì)聚能裝藥結(jié)構(gòu)并完成靜爆試驗(yàn)，得到了高延性、相當(dāng)直的玻璃射流[15]，射流頭部速度分別為5000 m/s和7000 m/s。K Cowan等人研究了高密度玻璃氧化物聚能射流成型機(jī)理[16]?？偨Y(jié)上述研究工作，與高密度金屬材料相比，低密度材料形成的射流具有能量低、穩(wěn)定性好、長(zhǎng)徑比大的特點(diǎn)，因此在實(shí)現(xiàn)對(duì)ERA“穿而不爆”方面有顯著優(yōu)勢(shì)。各類低密度材料射流沖擊引爆ERA的閾值以及影響因素依然是當(dāng)前該領(lǐng)域持續(xù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

聚能裝藥自誕生以來(lái)，其藥型罩所使用材料的種類經(jīng)歷了由單一材料到復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變。與單一金屬罩相比，復(fù)合罩的能量轉(zhuǎn)換與吸收機(jī)制更合理、化學(xué)能的利用率更充分、破甲性能更優(yōu)越、造價(jià)也更低，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在合金材料藥型罩研究方面，W-Cu、Mo-Cu、Al-Cu、貧鈾合金是近些年聚能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。W-Cu合金藥型罩具有W的高密度和Cu的良好塑性變形能力[17]，侵徹效能比純銅藥型罩提高了20%～52%[18]。Xiangrong Zhang等人的研究結(jié)論表明[19]：鎢銅合金藥型罩射流頭部在水介質(zhì)中的速度降比純銅藥型罩的小。美國(guó)、法國(guó)、以色列等對(duì)W-Cu藥型罩材料研究結(jié)果表明，在3倍口徑炸高條件下，其破甲深度比純銅藥型罩提高30%左右。目前，多數(shù)復(fù)合材料藥型罩的主要問(wèn)題是由于高精度制造技術(shù)的滯后，復(fù)合材料藥型罩較難獲得延性射流、射流易離散，致其侵徹性能下降。針對(duì)這一特點(diǎn)，周旭紅等采用多道循環(huán)的擴(kuò)散焊接+軋制變形工藝，制備出Mo-Cu復(fù)合材料藥型罩[20]，其基體材料以銅為主，內(nèi)部嵌有纖維狀的難熔金屬，該方法為藥型罩形成高質(zhì)量、穩(wěn)定的射流提供了條件。張春輝等人設(shè)計(jì)了一種Al-Cu復(fù)合材質(zhì)藥型罩[21]，作用后可形成前、后級(jí)分離的桿式射流，前級(jí)射流侵徹水介質(zhì)后形成的空腔可為后級(jí)射流提供無(wú)耗能通道，毀傷水下目標(biāo)的能力優(yōu)于單一材質(zhì)藥型罩形成的桿式射流。西安核技術(shù)研究所的龔柏林基于貧鈾-鈮合金藥型罩[22]，開(kāi)展了聚能破甲后效實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：貧鈾合金藥型罩形成的射流在穿透鋼板后，能形成高溫、高速且具有一定發(fā)散能力的燃燒顆粒束，具有較強(qiáng)的縱火能力。

在金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料藥型罩研究方面，崔斌等人利用AUTODYN軟件對(duì)尼龍-銅復(fù)合藥型罩的射流成形進(jìn)行了仿真[23]，仿真結(jié)果表明尼龍-銅藥型罩所形成的射流頭部速度、動(dòng)能和爆轟波透射能量均高于鋁-銅復(fù)合藥型罩，其聲阻抗匹配效果優(yōu)于鋁-銅藥型罩。玻璃在高溫下低粘度、高塑性，能夠形成遠(yuǎn)高于純銅或純鎢的延性射流。而鎢的密度極高，因此在玻璃中添加鎢顆粒制備出玻璃/鎢復(fù)合材料，既可彌補(bǔ)玻璃密度低的缺點(diǎn)，又可獲得聲速高、密度大、高溫塑性良好的射流。王玉兵針對(duì)這種復(fù)合材料的制備工藝、高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及高溫動(dòng)態(tài)壓縮后的變形機(jī)理與破壞機(jī)制進(jìn)行了初步研究[24]，但并未開(kāi)展射流成形數(shù)值模擬以及聚能裝藥?kù)o爆試驗(yàn)研究。

從是否具有后效作用角度看，藥型罩材料還可分為惰性材料和含能材料兩大類。長(zhǎng)期以來(lái)一直采用的惰性材料金屬射流對(duì)目標(biāo)造成的毀傷形態(tài)通常是深而小的孔，這種“擊而不毀”的單一侵徹毀傷模式已不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)目標(biāo)高效綜合毀傷的新要求。新型含能材料(也稱活性材料、反應(yīng)材料)在藥型罩上的應(yīng)用，使得聚能裝藥除了繼續(xù)保有高效的侵徹作用外，還兼具燃燒、爆轟、放熱等后效作用，進(jìn)一步豐富了反裝甲彈藥對(duì)目標(biāo)的毀傷模式。Steven Nicolich等人提出了一種包覆式含能材料增強(qiáng)EFP，即在藥型罩前預(yù)制含能材料，裝藥引爆后，爆炸載荷驅(qū)動(dòng)藥型罩對(duì)含能材料進(jìn)行包覆[25]。其毀傷機(jī)理為：由前段侵徹體對(duì)目標(biāo)破甲開(kāi)孔，包覆有含能材料的復(fù)合侵徹體撞擊目標(biāo)或進(jìn)入目標(biāo)內(nèi)部后，含能材料激活爆炸，釋放化學(xué)能產(chǎn)生釋能反應(yīng)，如圖4所示。同樣的設(shè)計(jì)思路，文獻(xiàn)[26]顯示美國(guó)很早就曾嘗試將鋯合金作為引燃介質(zhì)置于大錐角藥型罩前，爆炸載荷作用于藥型罩形成向前壓攏型的EFP對(duì)引燃介質(zhì)進(jìn)行包覆和擠壓，使其發(fā)生自燃反應(yīng)，最后形成明火燃燒破甲彈(如圖5所示)，在完成侵徹裝甲的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶后易燃物縱火燃燒的作用，國(guó)內(nèi)亦有學(xué)者開(kāi)展了這方面的研究[27]。近幾年國(guó)內(nèi)外一些科研院所重點(diǎn)圍繞金屬/含氟聚合物類型含能材料(如PTFE/AL)，對(duì)其配方、制造工藝、化學(xué)能釋放及毀傷機(jī)理等進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，這方面的研究成果在文獻(xiàn)[28-31]中有所體現(xiàn)。作為一種新型含能材料，鋯基非晶合金具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的釋能特性，由于處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，其形成的聚能射流在侵徹靶板后能發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的化學(xué)能，形成高毀傷效應(yīng)。Walters等人對(duì)原子組成為Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10的鋯基非晶合金藥型罩射流成型及侵徹行為進(jìn)行了研究[32,33]，結(jié)果表明Zr基非晶合金材料藥型罩具有良好的射流成型和侵徹能力。目前來(lái)看，適用于含能材料力學(xué)行為和爆炸效應(yīng)混合表征的材料模型、含能射流侵徹爆破燃燒聯(lián)合毀傷效應(yīng)的數(shù)值模擬方法都是亟待進(jìn)一步深入研究的課題。

圖 4 包覆式爆炸成型復(fù)合侵徹體作用機(jī)理Fig. 4 Mechanism of wrapping explosively formed compound penetrator

圖 5 引燃射彈形成過(guò)程示意圖Fig. 5 Formation process of incendiary EFP

目前，適用于藥型罩的典型材料種類及其主要特征如表2所示。

表2 典型藥型罩材料種類及其特征Table 2 Categoriesand characteristics of typical liner materials

2.2.2 結(jié)構(gòu)

(1)幾何形狀

藥型罩常見(jiàn)的幾何形狀分為簡(jiǎn)單型、復(fù)雜型、組合型三類，具體包括圓柱筒形、高圓錐形、半球形、扁圓錐形、球缺形、喇叭形、郁金香型、圓錐組合型、圓錐半球型等，如圖6所示。不同的罩型對(duì)射流形態(tài)、速度梯度、最大拉伸長(zhǎng)度等有著至關(guān)重要的影響[34]。組合型藥型罩往往具有簡(jiǎn)單型藥型罩的共同特點(diǎn)，如圓錐半球形罩集合了圓錐罩穿孔深度大和半球罩穿孔直徑大的優(yōu)點(diǎn)[35]。

圖 6 常見(jiàn)藥型罩幾何形狀Fig. 6 Common geometry of liners

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)

藥型罩幾何形狀確定后，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇會(huì)對(duì)破甲效果產(chǎn)生重要影響。以應(yīng)用最多的圓錐形藥型罩為例，錐角(2α)和壁厚(δ)是兩個(gè)最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同樣也是學(xué)者們?cè)诟黝惥勰苎b藥數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究過(guò)程中最為關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)。

各種形狀藥型罩(圓柱筒形、高圓錐形、扁圓錐形、半球形、球缺形等)都客觀存在一個(gè)或多個(gè)、固定的或變化的(離散、連續(xù))錐角(從0°～180°不等)。Manfred Held借助閃光X射線技術(shù)通過(guò)試驗(yàn)研究了藥型罩錐角對(duì)射流形狀及速度的影響[36]，錐角小的射流細(xì)長(zhǎng)、頭部速度快，錐角大的射流短粗、頭部速度較小。文獻(xiàn)[37]通過(guò)仿真詳細(xì)給出了藥型罩分別形成金屬射流(JET)、聚能桿式彈丸(JPC)和爆炸成型彈丸(EFP)的適用錐角范圍。

藥型罩壁厚設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從等壁厚到變壁厚的過(guò)程。早期藥型罩多采用等壁厚設(shè)計(jì)，一些關(guān)于壁厚影響規(guī)律的文獻(xiàn)結(jié)果表明[36,38-40]：壁厚能夠顯著影響沿聚能射流長(zhǎng)度方向的速度分布；射流速度隨著壁厚的減小而增大。然而這并不意味著壁厚越小越好。一方面過(guò)薄的壁厚不能形成正常射流，二是戰(zhàn)斗部作戰(zhàn)用途決定了藥型罩的成型類別，特定的成型類別要求壁厚應(yīng)當(dāng)滿足一定的條件。焦志剛等人對(duì)桿式射流的成型性能影響研究中，既考慮了壁厚變化對(duì)射流速度及侵徹深度的影響，又考慮了壁厚變化對(duì)速度梯度及成型穩(wěn)定性的影響[41]，得出桿式射流的最佳壁厚范圍為0.06～0.07CD。變壁厚藥型罩設(shè)計(jì)近期成為學(xué)者們研究的一個(gè)重要方向，具體有幾種思路，一是將藥型罩整體壁厚設(shè)計(jì)成沿母線方向按一定規(guī)律變化，二是調(diào)整藥型罩局部位置的壁厚[42,43]，三是改變多層藥型罩內(nèi)外罩的壁厚比[44]。這些設(shè)計(jì)均有不同的適用對(duì)象，但總目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)侵徹深度、穿孔直徑和射流穩(wěn)定性的最佳結(jié)合。

(3)罩層數(shù)量

前文所述聚能裝藥藥型罩多為單層結(jié)構(gòu)。多層藥型罩是指在一個(gè)主裝藥基礎(chǔ)上放置兩個(gè)及以上具有相同或不同材料的、可緊密貼合或有一定間隙存在的藥型罩[44]。多層藥型罩之間有自由表面，能夠發(fā)生相對(duì)滑移和碰撞。研究較多的是雙層藥型罩。根據(jù)錐角不同，雙層藥型罩可以形成射流或EFP。小錐角設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)雙層罩加速理論，內(nèi)層罩材主要轉(zhuǎn)換為射流，外層罩材主要轉(zhuǎn)換為侵徹能力較差的杵體，通過(guò)選擇不同聲阻抗材料及藥型罩幾何設(shè)計(jì)，可大大提高射流侵徹能力和罩材利用率；大錐角設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)控制內(nèi)外罩質(zhì)量比，得到前后串聯(lián)的EFP戰(zhàn)斗部，有效對(duì)付爆炸反應(yīng)裝甲，圖7為雙層球缺罩形成串聯(lián)EFP的數(shù)值模擬仿真過(guò)程。近期關(guān)于雙層藥型罩研究的焦點(diǎn)集中于內(nèi)外罩最佳壁厚比的確定[45]、內(nèi)外罩不同材料配比對(duì)侵徹結(jié)果的影響研究等方面[46,47]。

圖 7 雙層球缺藥型罩形成串聯(lián)EFP的數(shù)值模擬過(guò)程Fig. 7 Formation simulation of shaped charge with double layer liners into tandem EFP

2.2.3 工藝

藥型罩加工制造方法經(jīng)歷了從早期傳統(tǒng)機(jī)加式(如車削、沖壓、旋壓、鍛造等)到精密制造式(如電鑄、冷擠壓、擺碾成形等)、再到近期出現(xiàn)的重金屬罩先進(jìn)制造工藝(如粉末燒結(jié)鍛造、粉末冶金、自由鍛和落錘模鍛、化學(xué)汽相沉積、等離子濺射等)的發(fā)展過(guò)程。制造工藝從兩方面影響射流性能。一是有些工藝的藥型罩存在幾何尺寸誤差，如對(duì)稱性不好、壁厚不均勻、表面質(zhì)量不高等，這些因素尤其是壁厚對(duì)破甲效能的影響前文已闡述。二是制造工藝可以影響藥型罩組織結(jié)構(gòu)均勻性，如晶粒尺寸及取向、粉末粒度及密度、織構(gòu)強(qiáng)弱、孔洞雜質(zhì)缺陷等，造成藥型罩材料各向力學(xué)性能一致性變差，從而導(dǎo)致破甲性能不穩(wěn)定。相關(guān)研究表明，微米和亞微米范圍內(nèi)細(xì)小等軸晶有利于提高射流長(zhǎng)度。與粗晶相比，細(xì)晶藥型罩形成射流具有更為理想的有效長(zhǎng)度和更晚的斷裂時(shí)間，初始晶粒細(xì)化有助于增強(qiáng)射流性能。Bourne B等人通過(guò)研究晶粒尺寸對(duì)射流性能的影響發(fā)現(xiàn)[48]，當(dāng)銅藥型罩的平均晶粒尺寸從60 μm減少到10 μm時(shí)，有效射流長(zhǎng)度可從1150 mm增加至1450 mm。目前，圍繞藥型罩加工制造工藝的優(yōu)化問(wèn)題，學(xué)者們研究的熱點(diǎn)主要集中在大口徑鎢藥型罩CVD制備工藝的優(yōu)化[11]、電鑄工藝參數(shù)最優(yōu)控制[49]、復(fù)合材料的無(wú)壓熱壓燒結(jié)法[50]、含能藥型罩模壓燒結(jié)制備工藝、金屬粉末藥型罩旋壓工藝的改進(jìn)與評(píng)價(jià)等方面[51]。

2.3 外殼

外殼是提高聚能裝藥作用效果不可忽視一個(gè)重要結(jié)構(gòu)部件，并以一定方式影響到炸藥裝藥的爆轟能力以及爆炸能量輸入藥型罩的比例系數(shù)。根據(jù)爆轟產(chǎn)物對(duì)物體的拋射理論，由于帶外殼后減弱了稀疏波的作用，增加了作用在藥型罩上的有效藥量，因此帶外殼藥型罩的聚合速度遠(yuǎn)大于不帶外殼藥型罩的聚合速度。馮殿壘等人采用SPH方法對(duì)帶有金屬鋁外殼的聚能裝藥進(jìn)行了模擬計(jì)算[52]，結(jié)果表明與無(wú)外殼模型相比，厚度5 mm的鋁外殼會(huì)導(dǎo)致射流形態(tài)產(chǎn)生差異，有外殼的計(jì)算模型得到的射流頭部更尖銳，但射流長(zhǎng)度和速度并無(wú)太大變化。柴艷軍等人對(duì)帶有厚度由頂?shù)降壮示€性變化的鋼殼體的聚能裝藥作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[53]，分析了有無(wú)殼體時(shí)聚能射流爆轟波傳播方向、射流形態(tài)(如圖8所示，1～5表示殼體壁厚分別為0 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2.0 mm)以及動(dòng)能的變化，結(jié)果表明增加殼體后，爆轟波傳播路徑由一路變?yōu)閮陕罚淞黝^部速度增加、斷裂時(shí)間提前，爆轟產(chǎn)物側(cè)向膨脹受到限制，有效裝藥量提高，射流總能量增加，但存在一個(gè)使射流總動(dòng)能達(dá)到最大值的最佳殼體厚度。總之，外殼對(duì)聚能效應(yīng)的影響是綜合、復(fù)雜的，應(yīng)當(dāng)針對(duì)外殼材料類型和殼體厚度等具體情況做具體分析。

圖 8 無(wú)殼體和殼體壁厚線性變化的聚能射流形態(tài)圖Fig. 8 Morphological diagram of shaped charge jet without shell(No.1) and with varying linearly wall thickness shell(No.2～5)

2.4 爆轟波陣面控制

2.4.1 加裝控制元件

典型的也是實(shí)際應(yīng)用最多的一類爆轟波陣面控制元件是隔板。隔板可以改善爆轟波形，增大爆轟產(chǎn)物對(duì)藥型罩的法向沖擊載荷，提高藥型罩的壓垮速度，相應(yīng)地提高金屬射流的速度和質(zhì)量，從而提高破甲威力。徐景林等人采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[54]，研究了隔板寬度α、隔板楔形角2β等因素對(duì)線型聚能射流的影響，仿真結(jié)果及驗(yàn)證試驗(yàn)都表明隔板楔形角2β對(duì)射流頭部速度的影響高于隔板寬度α，而隔板寬度α對(duì)射流長(zhǎng)度的影響大于隔板楔形角2β。文獻(xiàn)[55]借助AUTODYN軟件研究了隔板在聚能裝藥中的位置問(wèn)題，認(rèn)為縮小隔板底部與藥型罩頂部之間的距離會(huì)明顯提高射流頭部速度。李運(yùn)祿等人對(duì)比分析了聚氨酯、橡膠、尼龍、聚四氟乙烯和聚苯乙烯5種隔板材料對(duì)射流成型的影響[56]，仿真結(jié)果表明尼龍作為隔板材料時(shí)效果最佳。CHEN Shuai等人則以酚醛樹(shù)脂作為隔板材料設(shè)計(jì)了一種雙模聚能裝藥[57]。周游等人提出了隔板寬度相對(duì)值的概念[58]，仿真結(jié)果表明當(dāng)隔板寬度相對(duì)值達(dá)到0.9時(shí)，線型聚能射流速度相對(duì)無(wú)隔板條件下可提高22.3%。除了考慮隔板自身結(jié)構(gòu)參數(shù)以外，朱傳勝還詳細(xì)研究了隔板結(jié)構(gòu)與藥型罩結(jié)構(gòu)之間的匹配關(guān)系對(duì)EFP成型過(guò)程的影響[59]。

2.4.2 改變起爆方式

相關(guān)研究表明，起爆方式是影響射流性能的重要因素，可以導(dǎo)致射流產(chǎn)生極大差異。聚能裝藥目前主要采用點(diǎn)起爆、面起爆、正向環(huán)形起爆和逆向環(huán)形起爆等4種不同方式，如圖9所示。文獻(xiàn)[60]對(duì)不同起爆方式下的射流形成過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明：不同的起爆方式在裝藥中產(chǎn)生不同的爆轟波形，當(dāng)爆轟波波形與藥型罩外表面越接近時(shí)，罩微元的壓垮速度越高，導(dǎo)致射流頭部速度越高。環(huán)形起爆形成的射流頭部速度高于面起爆的，面起爆高于點(diǎn)起爆。

圖 9 聚能裝藥典型起爆方式Fig. 9 Typical initiation mode of shaped charge

2.4.3 設(shè)計(jì)多層裝藥

基于超壓爆轟現(xiàn)象，通過(guò)將兩種或兩種以上不同爆速和爆轟能量的炸藥進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠得到與藥型罩匹配良好的爆轟波形，提高炸藥裝藥做功能力和利用率，從而達(dá)到提高聚能裝藥破甲威力和破甲穩(wěn)定性的目的。張先鋒團(tuán)隊(duì)利用TNT低爆速炸藥和奧克托今、PBX9404等高爆速炸藥構(gòu)建了夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)[61,62]，借助有限元計(jì)算軟件對(duì)其藥型罩壓垮變形和射流形成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，并開(kāi)展了相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明相對(duì)于單一結(jié)構(gòu)裝藥，夾層裝藥藥型罩壓垮變形的速度和射流頭部速度都得到了明顯的提高。賀建磊提出了一種高性能HMX/HNS雙層裝藥石油射孔彈，通過(guò)少量高爆速輔助炸藥幾乎同時(shí)激發(fā)了主炸藥[63]，增大了主炸藥對(duì)藥型罩作用的壓垮角，提高了炸藥能量利用率，并得出了雙層裝藥射孔彈性能同輔助炸藥與主炸藥之間爆速差存在重要關(guān)系的一般規(guī)律[61,63]。兩種典型的雙層裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

圖 10 雙層裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 10 Schematic of the double-layer shaped charge

2.5 運(yùn)用條件

2.5.1 炸高

聚能射流對(duì)靶板的穿孔深度與聚能裝藥至靶板的距離有關(guān)。穿孔深度為最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的聚能裝藥至靶板的距離，稱為最佳炸高，有的文獻(xiàn)也稱之為“焦距”。在相同裝藥種類、裝藥結(jié)構(gòu)、藥型罩材料和藥型罩結(jié)構(gòu)的情況下，炸高不同，聚能裝藥破甲能力也不相同。炸高過(guò)小，射流未完全伸展拉長(zhǎng)，侵徹能力受限；炸高過(guò)大會(huì)出現(xiàn)射流斷裂，侵徹能力也會(huì)降低。對(duì)于一般常用藥型罩，有利炸高約是罩口部直徑的2～3倍。當(dāng)炸高小于或大于這個(gè)最佳炸高時(shí)，破甲效果都會(huì)降低。炸高對(duì)射流成型及毀傷效果的影響經(jīng)常與其它因素結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究[64]。

2.5.2 旋轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力不利于金屬射流的集中，會(huì)大大降低破甲效果。隨著旋轉(zhuǎn)角速度的增加，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的負(fù)面影響加強(qiáng)。研究表明：聚能裝藥?kù)o止爆炸時(shí)射流的失穩(wěn)通常出現(xiàn)在離開(kāi)裝藥較遠(yuǎn)的距離處；但在高速旋轉(zhuǎn)條件下，由于離心力的作用，射流一旦生成立即經(jīng)受與射流彎曲程度增大和射流離散單元徑向飛散相關(guān)的更嚴(yán)重的失穩(wěn)[1]。由于旋轉(zhuǎn)對(duì)破甲會(huì)產(chǎn)生不利影響，所以破甲彈大多采用尾翼穩(wěn)定方式。同時(shí)，為了解決旋轉(zhuǎn)對(duì)破甲帶來(lái)的不利影響，學(xué)者們嘗試采用加工錯(cuò)位藥型罩和旋壓藥型罩等方法，產(chǎn)生與彈丸旋轉(zhuǎn)方向相反的金屬射流，以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的不利影響。

2.5.3 電磁作用

研究發(fā)現(xiàn)，電磁場(chǎng)可以通過(guò)合適的方式與聚能射流發(fā)生耦合，影響其穩(wěn)定性。從提高彈藥毀傷效能角度出發(fā)，施加電磁場(chǎng)可減緩金屬射流的斷裂，增加侵徹深度，有效提升侵徹能力；從提高裝甲防護(hù)能力角度出發(fā)，施加電磁場(chǎng)也會(huì)使金屬射流提前發(fā)生斷裂，從而有效地進(jìn)行裝甲防護(hù)[65,66]。圖11給出了通過(guò)電磁作用改變聚能效應(yīng)的幾種典型途徑。S V Fedorov研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)飛行中的金屬射流施加高頻或低頻軸向磁場(chǎng)均可以增加射流拉伸長(zhǎng)度[67]。高頻磁場(chǎng)作用時(shí)電磁壓力可使金屬射流凸起部分向凹陷部分流動(dòng)，延緩射流頸縮從而防止其過(guò)早出現(xiàn)斷裂；與此相反，低頻磁場(chǎng)可使射流頸縮部分受到較大的徑向拉應(yīng)力，進(jìn)而使得射流各個(gè)部分直徑趨于均勻。Shvetsov等研究了脈沖電流的大小和形狀對(duì)金屬射流不穩(wěn)定性的影響[68]，歸納出電流幅值和形狀符合一定條件時(shí)，金屬射流因發(fā)生體積爆炸而減小侵徹威力。馬彬等人通過(guò)在金屬射流慣性拉伸的不同時(shí)間段施加電磁場(chǎng)[69-71]，研究時(shí)序控制對(duì)侵徹威力的影響，并比較了侵徹深度的變化。總之，外部電磁場(chǎng)對(duì)金屬射流侵徹威力的影響具有廣泛的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值，目前對(duì)其作用機(jī)理和試驗(yàn)技術(shù)的研究尚不成熟，仍然是較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)學(xué)者們研究的熱點(diǎn)之一。

圖 11 控制聚能效應(yīng)的電磁手段Fig. 11 Electromagnetic actions for controlling the shaped charge effect

綜上所述，聚能裝藥破甲效能主要受到炸藥裝藥(裝藥種類、裝藥方式、裝藥形狀)、藥型罩(材料、結(jié)構(gòu)、工藝)、外殼、爆轟波陣面控制(控制元件、起爆方式、多層裝藥)和運(yùn)用條件(炸高、旋轉(zhuǎn)、電磁作用)等因素的影響。為方便讀者閱讀，通過(guò)思維導(dǎo)圖方式對(duì)全文內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和總結(jié)，如圖12所示。

圖 12 聚能裝藥破甲效能影響因素Fig. 12 Influencing factors on penetration effect of shaped charge

3 結(jié)論

(1)影響聚能裝藥破甲效能的因素可細(xì)分為內(nèi)部、外部?jī)纱箢?，?nèi)部因素是指炸藥裝藥和藥型罩，外部因素是指爆轟波陣面控制、外殼及運(yùn)用條件。內(nèi)部因素起決定性作用，外部因素通過(guò)內(nèi)部因素起作用，影響同樣不可忽視。

(2)藥型罩是聚能裝藥的核心部件，是影響破甲效能最關(guān)鍵的內(nèi)部因素。藥型罩通過(guò)材料變化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝選擇等方面影響破甲效能。當(dāng)前藥型罩材料研究的熱點(diǎn)是高密度重金屬材料、低密度材料、含能復(fù)合材料等新材料藥型罩的成型機(jī)理及性能參數(shù)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)是變壁厚、多層藥型罩的設(shè)計(jì)；工藝研究的熱點(diǎn)是化學(xué)汽相沉積法、電鑄法等精密先進(jìn)加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及復(fù)合材料、含能藥型罩的制備工藝問(wèn)題。

(3)在影響破甲效能的外部因素中，電磁作用由于在反裝甲和裝甲主動(dòng)防護(hù)中都具有十分重要的軍事應(yīng)用價(jià)值，因此電磁增強(qiáng)技術(shù)和被動(dòng)電磁裝甲技術(shù)近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)。圍繞電磁作用對(duì)聚能效應(yīng)正向加強(qiáng)或反向削弱兩方面，對(duì)其理論基礎(chǔ)、作用機(jī)理、影響規(guī)律等問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，但其本質(zhì)依然是基于軍事需求的聚能侵徹體優(yōu)化。

(4)聚能裝藥破甲效能是多影響因素在多參數(shù)水平作用下綜合考慮的結(jié)果。每個(gè)因素對(duì)破甲效能的影響權(quán)重不同，工程實(shí)踐中通常借助正交試驗(yàn)法等現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，獲得聚能裝藥最佳結(jié)構(gòu)方案。