含能射流沖擊釋能試驗研究

杜 燁, 李 強

((1. 中北大學 彈箭模擬仿真研究中心, 太原 030051； 2. 中國人民解放軍96786部隊， 北京 102202)

射流是打擊裝甲及固定硬目標的有效武器，隨著目標防護的發展，對射流的毀傷能力提出了更高的要求[1-2]，而目前傳統的藥型罩多采用常規材料及傳統機械加工工藝，對目標的毀傷效能已基本達到極限，因此，國外學者提出了含能藥型罩這一新型毀傷元[3-5]，在藥型罩加入活性材料，當其受到強沖擊作用下快速發生化學反應[6-11]，釋放出大量能量并產生強烈燃燒及超壓效應，大大增強了對目標的毀傷能力。因此，含能射流的反應釋能對毀傷形成的增益效果與碰撞過程密切相關，但該過程難以通過靜態分析或直接觀察測量獲得，因而，本文設計了一套能量采集系統來對Fe/Al含能射流釋能效應進行采集評估。

1 試驗測試方法及方案

1.1 能量采集系統組成

能量采集系統由Φ40(mm)Fe/Al復合聚能裝藥戰斗部，鋼制測試容器、超壓測試系統(BZ2202多通道動態應變儀、TST3125動態測試分析儀、壓力傳感器(量程5 V、采樣率為20 KHz、采樣長度為58 Kms、延時-2 Kμs、控制電平為0.15 V)、導線、前置及后置密封板、不同厚度Q235鋼隔板若干、鋼防護板、高速攝影儀、支架。試驗裝置示意圖,如圖1所示。圖2、圖3為裝置實體圖。

1.2 測試方法

將防護板置于測試容器與藥型罩中間，用于阻隔爆轟產物，盡量減小對測試系統的影響。為保證射流順利進入測試容器，在防護板與前置密封板中央開Φ80(mm)的孔(泄壓孔)。藥型罩置于支架上，由炸藥驅動后形成射流，射流穿過預開孔的防護板，撞擊到鋼隔板上發生劇烈化學反應，釋放大量熱量，使容器內空氣膨脹形成超壓，由測試容器前端的傳感器記錄射流內含能材料釋放能量形成的電壓-時間信號，對原始信號濾波平滑后進行數值計算處理，得到釋能超壓-時間曲線。對測試容器內殘余粉末回收，進行XRD能譜分析，得到反應產物的成分。

1-聚能裝藥；2-支架；3-防護板；4-壓力測試系統；5-測試容器；6-鋼隔板；7-觀察窗圖1 釋能測試系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy release test system

圖2 試驗裝置圖3 藥型罩及裝藥Fig.2 Experimental device Fig.3 Liner and charge

1.3 測試方案

采用相同材料配比、制備工藝以及藥型罩結構制備出含能藥型罩，鋼隔板厚度分別取2 mm,3 mm,4 mm,5 mm 4種工況，旨在通過改變射流穿透鋼靶的厚度來控制射流撞靶時受到的沖擊能量。每種靶板厚度做三次試驗，數據取平均值，設置相同質量的鋁藥型罩和惰性紫銅藥型罩作為對照試驗。

2 試驗原理

2.1 含能射流沖擊釋能計算

含能射流高速碰撞靶標時產生了超壓-時間曲線的上升段，此時射流的沖擊釋能量ΔQ即為測試容器內增加的內能。設容器內為理想氣體，則容器內能量變化可表示為

(1)

假設射流穿靶后泄壓口氣體流動性能恒定，則式(1)右側第二項可轉換為

(2)

式中:dm/dt為泄壓孔氣體質量流失速率，下腳標1，2分別表示泄壓孔上游和下游的狀態。在后續的數據分析可以得知密閉容器不同位置得到的超壓規律基本相似，因此式(1)右側的第一項可簡化為

(3)

如果視容器壁為剛體，忽略密閉容器系統做功，則dW/dt=0，并結合式(2)、式(3)則式(1)可化為

(4)

引入比內能參量，對比內能進行溫度和體積的全微分

(5)

由于該沖擊釋能過程可視為等容過程，因此dv=0，則式(5)可寫為

(6)

又知在測試容器的超壓釋能過程容器體積不變，體系內氣體質量變化只與時間有關，則有

(7)

根據焓的定義和理想狀態方程，溫度可表示為

(8)

則式(4)第一項可轉換為

(9)

又根據焓的定義

(10)

則由伯努利方程可得

(11)

將式(9)、式(11)代入式(4)可得

(12)

又根據理想狀態方程，溫度可表示為

(13)

將式(13)和cv=R/(γ-1)代入式(12)可得

(14)

式(14)適用于超壓產生的整個過程，但由于Richard[12]認為容器內超壓上升階段耗時很短，通常僅有幾毫秒，且p-t關系基本呈線性，因此在超壓曲線的上升部分可忽略泄壓孔的存在，視容器為密閉的，容器內氣體質量恒定，則在該過程式(14)可簡化為

(15)

式(15)即為壓力曲線上升階段容器內超壓峰值與射流釋能增值的關系，其中γ為絕熱指數，V為容器內容積，ΔQ即可用來評估含能射流受沖擊后形成超壓峰值所釋放的能量。

2.2 沖擊能量計算

根據已有研究，含能物質在沖擊條件下發生化學反應的主要機制是沖擊波改變了材料內部結構和排序[13]，因此沖擊能量值的高低成為了判斷能否誘發含能材料發生化學反應以及程度的標尺。Walker等[14]提出了沖擊波能量計算方法

E=PUPt

(16)

式中:P為射流撞擊加載的壓力;UP為射流粒子速度;t為脈沖加載時間，適用條件是沖擊波一維傳播，而射流軸向長度遠遠大于徑向寬度，并不符合式(16)的條件，但含能射流呈聚能粒子流形態[15]，因此可以將射流看作若干個單位厚度的圓柱體粒子微元組成，如圖4所示。每個單位厚度微元中沖擊波沿沖擊半徑一維傳播，當沖擊波在自由端面反射形成稀疏波后，沖擊波壓力峰值大幅下降，因此認為對材料沖擊反應有貢獻的壓力在沖擊脈沖持續時間以內，即沖擊波在靶板沿厚度來回反射一次的最短時間，如式(17)所示

(17)

式中:r為撞擊靶板時射流的半徑;h為靶板厚度;US1為射流受沖擊壓縮后的波陣面傳播速度;US2為靶板受沖擊壓縮后波陣面傳播速度。將式(17)代入式(16)即可得到射流撞擊靶板產生的沖擊能量。

圖4 射流等效微元示意圖Fig.4 Schematic diagram of jet equivalent element

3 測試結果及分析

按照前述的試驗方法及測試方案對不同沖擊條件下含能射流的釋能特性進行了測試，不同沖擊條件下Fe/Al含能射流在達到超壓峰值時的釋能現象，如圖5所示。數據處理后的釋能超壓-時間曲線，如圖6所示。相同裝藥結構的Fe/Al與惰性材料藥型罩所形成的射流在相同工況下的超壓-時間曲線對比，如圖7所示。回收反應產物的XRD圖譜，如圖8所示。表1為不同測試方案超壓及釋能值對比。

(a)含能射流撞擊2 mm鋼靶 (b)含能射流撞擊3 mm鋼靶

(c)含能射流撞擊5 mm鋼靶 (d)惰性射流撞擊5 mm鋼靶圖5 不同沖擊條件含能射流達到超壓峰值時的釋能現象Fig.5 The energy release phenomenon of the energetic jet at different impact conditions

從圖5可知，不同沖擊能量對Fe/Al含能射流的釋能特性影響十分明顯，從觀察窗內火光來看，三種情況下射流均發生了釋能反應，而從泄壓孔噴射出物質來看，撞擊2 mm靶時僅有零星火花噴出，而撞擊5 mm靶時有大團火焰從泄壓孔噴出，說明高沖擊能量條件下誘發了射流中的含能物質發生了劇烈的化學反應。而對比含能射流與惰性射流撞擊5 mm鋼靶可發現后者形成的火焰亮度、數量都明顯低于前者。

圖6 不同厚度鋼隔板方案超壓-時間曲線對比Fig.6 Comparison of overpressure time curves of steel diaphragm with different thickness

圖7 Fe/Al含能射流與惰性射流超壓-時間曲線對比Fig.7 Comparison of overpressure time curves of Fe/Al containing energy jet and inert jet

鋼隔板厚度/mm沖擊能量/(J·mm-2)超壓峰值/MPa瞬態能量釋放值/kJ256.10.9730.7379.11.3346.24103.51.7764.95134.51.7865.4

由圖6和表1可知，隨著隔板厚度增加，射流受到的沖擊能量提高，Fe/Al含能射流所形成的超壓峰值與瞬態釋能值均呈遞增趨勢；當隔板厚度超過4 mm后，射流總釋能不再增加，說明存在一個沖擊能量上限使得射流內含能材料的化學反應達到飽和。射流撞擊5 mm鋼板方案產生的最大超壓為1.78 MPa，結合式(15)可計算出釋能值為65.4 kJ。而由圖7對照試驗數據可以看出，對照惰性射流在相同工況條件下超壓僅有0.25 MPa，為Fe/Al含能射流超壓峰值的1/8，說明Fe/Al含能射流有明顯的釋能效應。

圖8 回收反應產物XRD圖譜Fig.8 XRD spectra of reaction products

由圖8可知，在低沖擊能量方案回收粉末中，以單質Al含量最多，包含少量的金屬間化合物，基本沒有Fe3O4生成，說明低沖擊能量條件下以鋁氧化反應和鋁鐵間化合反應為主。而高沖擊能量方案回收粉末中只有極少的金屬單質和金屬化合物，大部分物質為Al2O3和Fe3O4，說明在高沖擊能量的作用下，發生了鐵的氧化反應和鋁熱反應，置換出的鐵繼續氧化，形成自蔓延反應，極大地提高了含能材料的反應率，從細觀角度解釋了Fe/Al含能射流的釋能機制。

4 結 論

通過構建動態能量采集系統對不同沖擊條件下Fe/Al含能射流的釋能特性進行了研究，推導出了采集到的超壓信號與能量釋放之間的關系，得到了以下結論：

(1)Fe/Al含能射流在受到沖擊加載后內部的活性物質會發生化學反應并釋放出大量的熱量。

(2)隨著受到的沖擊能量增加，Fe/Al含能射流形成的超壓峰值與能量釋放呈遞增趨勢，同時存在一個沖擊能量上限使得射流內含能材料的化學反應達到飽和。

(3)Fe/Al含能射流的釋能機制為：在高沖擊能量的作用下，發生了鐵的氧化反應和鋁熱反應，置換出的鐵繼續氧化，形成自蔓延反應，釋放大量能量并形成超壓。