活性射流侵徹鋼筋混凝土靶后效超壓特性

張昊， 王海福， 余慶波， 鄭元楓

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

活性材料毀傷元及應用技術是當前高效毀傷領域研究熱點之一?；钚圆牧辖浝鋲?、燒結制備而成的活性藥型罩，在聚能作用下形成的活性射流不同于傳統金屬射流，不僅可利用自身動能實現對目標的侵徹，更能在靶后發生爆炸反應，釋放大量化學能與氣體產物，顯著提高射流的靶后毀傷威力。

國內外針對活性藥型罩開展了一定的研究：Baker等[1]通過實驗研究了不同配方對活性射流毀傷效果的影響；Daniels等[2]通過數值仿真研究了活性射流成型行為，并通過實驗手段驗證了大尺寸活性藥型罩聚能裝藥對跑道及橋墩的毀傷效果；Wang等[3]利用脈沖X光驗證了活性射流成型行為；張雪朋等[4]開展了活性射流侵徹鋼靶實驗，并建立了活性射流侵徹鋼靶分析模型；高本兵等[5]和陳杰等[6]基于光滑粒子流體動力學(SPH)方法對低密度活性射流成型特性進行了研究。

由此可見，國內外對該領域的研究主要集中在活性藥型罩配方、活性射流成型及對不同目標本體的毀傷行為，而在活性射流穿過鋼筋混凝土靶后的爆燃超壓與沖擊波傳播特性等方面，未見有學術成果公開發表。

本文采用實驗研究與數值模擬相結合的方法，對活性射流侵徹鋼筋混凝土靶后效超壓特性與傳播行為進行研究，提出一種活性射流密閉空間內爆燃反應的虛擬爆炸點等效法，并結合數值模擬對活性射流形成爆燃沖擊波在密閉空間內的傳播規律進行了分析。

1 靜爆實驗

1.1 實驗方法

為研究活性射流對鋼筋混凝土靶侵徹及后效超壓行為，實驗采用口徑為120 mm、錐角為65°的活性藥型罩，活性藥型罩由聚四氟乙烯、鋁、鎢、鉭粉體混合物經冷壓成型和燒結硬化制備而成。依據各組分配比的不同，實驗中活性藥型罩按密度分為4.5 g/cm3和6.0 g/cm3兩組，聚四氟乙烯、鋁、鎢、鉭的質量配比分別為32%、11.5%、40%、16.5%和21.6%、7.8%、60%、10.6%，藥型罩壁厚分別為6.4 mm和4.8 mm，兩組活性藥型罩及聚能裝藥結構如圖1所示。

圖1 活性藥型罩與聚能裝藥Fig.1 Reactive liners and shaped charge

圖2(a)所示為實驗原理圖，主要由活性聚能裝藥、支座、600 mm厚C35鋼筋混凝土靶、密閉混凝土測壓空間、壓力測試及采集系統組成?；钚跃勰苎b藥距鋼筋混凝土靶的炸高為1.5倍裝藥直徑，密閉混凝土測壓空間尺寸為3.4 m×1.5 m×3.0 m，兩個壓力傳感器分別布置于鋼筋混凝土靶后地面1 m、2 m處。圖2(b)所示為實驗中的靶墻與混凝土密閉空間。實驗中，通過調整支座位置和高度，使得每發聚能裝藥作用于C35鋼筋混凝土靶上的不同位置，如圖3所示為實驗中開展的4發靜爆實驗在C35鋼筋混凝土靶板上的位置分布。

圖2 實驗原理與靶場布置Fig.2 Experimental principle and experimental setup

圖3 靜爆實驗位置Fig.3 Locations of static explosion experiments

1.2 實驗結果

表1列出了不同密度活性射流侵徹鋼筋混凝土靶實驗結果數據，其中侵孔直徑是指可以完全通過侵徹通道的最大通規直徑，剝落區面積基于圖像提取得到[7]，2號及3號實驗中由于傳感器2線路打斷未測得靶后2 m處超壓信號。圖4為不同密度活性射流侵徹鋼筋混凝土靶典型圖片，圖4(a)、圖4(b)分別為低密度活性射流侵孔圖片，圖4(c)、圖4(d)分別為高密度活性射流侵孔圖片。實驗結果表明，低密度活性射流侵徹鋼筋混凝土靶所形成的侵孔孔徑更大，正面剝落區面積也更大；高密度活性射流造成的侵孔孔徑較小，混凝土石料剝落區也較小。這是由于實驗中所用的活性罩質量相同，而高密度活性罩壁厚較薄，形成的射流直徑也較小。更為重要的是，活性射流在侵徹過程中會發生一定程度的化學反應，從而提高對混凝土靶的開孔直徑，而高密度活性罩鎢粉含量較高，活性組分含量相對較低，造成侵孔直徑較小。與此同時，處于靶板下方的2號侵孔直徑小于1號侵孔直徑，4號侵徹直徑小于3號侵孔直徑，這是由于2號和4號實驗的著靶位置距離地面更近，邊界約束更強所造成的。

表1 實驗數據

圖4 活性射流侵靶典型照片Fig.4 Typical photographs of reactive jet against reinforced concrete target

從靶后超壓峰值來看，低密度活性射流穿過鋼筋混凝土靶后爆燃產生的沖擊波峰值超壓更高，后效毀傷威力更強。這是由于低密度活性射流的含能量高于高密度活性射流，穿靶后可釋放更多能量。同時，調整炸點高度對超壓峰值有顯著影響，分別對比1號和2號、3號和4號實驗可以發現，降低炸點高度，活性射流穿靶后反應中心位置與傳感器間距減小，傳感器所測得的超壓峰值增大。

從沖擊波傳播過程來看，活性射流靶后爆燃所產生的沖擊波在地面1 m處的峰值超壓約為2 m處峰值超壓的1.5～1.6倍。對比1號、2號實驗低密度活性罩在不同炸點高度下靶后1 m處的超壓峰值，當炸點高度由1.25 m減小到0.70 m時，1 m處沖擊波超壓峰值增大為原來的2.1倍。由3號、4號高密度活性罩實驗可以發現，當炸點高度由1.26 m降至0.53 m時，1 m處超壓峰值增大為原來的3.8倍。

圖5 靶后超壓曲線Fig.5 Behind-target overpressures

由圖5(a)、圖5(c) 靶后超壓- 時間(p-t)曲線可知，活性射流在密閉空間內爆燃所產生的沖擊波p-t曲線與高能炸藥在密閉空間內爆炸所產生的沖擊波p-t曲線類似，呈現出明顯的多峰現象[8-9]。圖5(b)中出現的負壓值較大現象是由于傳感器熱響應所致[10]。對比1號、2號實驗1 m處的p-t曲線及3號、4號實驗1 m處的p-t曲線可以發現，提高著靶點位置，正壓區作用時間較低著靶點處的時間長，這是由于活性射流靶后爆燃中心與測壓點間的距離增大后，初始沖擊波到達測壓點的距離增大，正壓區作用時間隨距離增大而延長。

2 等效模型

活性射流侵靶后在密閉空間內的質量分布與反應行為相當復雜，有必要建立一個理論上的等效模型，為后續靶后超壓特性與沖擊波傳播過程的研究提供基礎。由于活性材料在強沖擊載荷作用下會發生類爆轟反應[11],同時基于密閉空間內活性射流沖擊波超壓曲線與高能炸藥沖擊波超壓曲線相類似這一實驗現象，提出采用梯恩梯(TNT)爆炸所產生的沖擊波來等效活性射流在密閉空間內爆燃反應所產生的沖擊波。因此，等效模型需確定出活性射流穿靶后在密閉空間內爆燃反應中心位置(虛擬爆炸點位置)及產生相同沖擊波的TNT當量。

密閉空間內超壓公式為

(1)

(2)

(3)

式中：λ為常數[12-14]；Δp1、Δp2分別為1 m及2 m處超壓峰值；ω為TNT裝藥質量；R1、R2分別為虛擬爆炸點距離1 m及2 m測壓點處的距離； (xc，yc，zc)為虛擬爆炸點坐標；(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)分別為傳感器1和傳感器2的位置坐標；H為炸點高度，地面傳感器、著靶點及反應中心位于同一平面內。各參量幾何關系如圖6所示，顯然，y1=y2=0 m，yc=H，z1=z2=zc. 由(1)式除以(2)式可得(3)式，由此可求得虛擬爆炸點坐標(xc，yc，zc)。

圖6 幾何關系Fig.6 Geometric relationship

在確定出虛擬爆炸點后，采用空氣沖擊波峰值超壓(4)式計算TNT當量：

(4)

(5)

(6)

表2 TNT當量及虛擬爆炸點坐標

3 數值模擬

3.1 計算模型

采用AUTODYN顯式有限元軟件開展數值模擬研究，單位制為mm-mg-ms，考慮計算效率，首先在一維模型中計算爆炸初始沖擊波的傳播規律，網格大小為1 mm. 當初始沖擊波傳播到反應中心距離混凝土密閉空間最近壁面前，將一維計算結果映射到三維模型中，三維模型當中采用剛性邊界條件模擬混凝土壁面，一維及三維計算均采用Euler算法。圖7(a)、圖7(b)分別為一維及三維計算模型。炸藥選用TNT,材料模型選自AUTODYN材料庫。

圖7 一維及三維模型Fig.7 One-dimensional and three-dimensional models

3.2 模擬結果

對1號及4號實驗中活性射流侵靶后在密閉空間內爆燃產生的沖擊波傳播過程進行數值仿真，圖8(a)、圖8(b)為1號實驗1 m及2 m處實測值與數值模擬對比的p-t曲線，圖8(c)、圖8(d)分別為4號實驗1 m及2 m處p-t曲線實測值與模擬結果對比。

圖8 p-t曲線Fig.8 Overpressure-time curves

從圖8中可以發現，數值模擬結果與實驗結果較為吻合，表明采用虛擬爆炸點等效法能夠有效模擬活性射流在密閉空間爆燃產生的沖擊波。以1號實驗為例，沖擊波p-t曲線存在多個沖擊波峰值連續出現的情況。這是由于在初始沖擊波衰減過程中各壁面的反射沖擊波也先后到達了測壓點所致，圖9(a)為沖擊波剛傳至地面1 m處測壓點時的地面壓力場云圖，此時1 m處測壓點出現初始峰值超壓，而2 m處測壓點周圍仍為未擾動區域，壓力與初始大氣壓一致。圖9(b)為沖擊波陣面到達2 m處測壓點時的壓力場云圖，此時2 m處測壓點出現初始峰值超壓，同時沖擊波已到達上壁面且開始反射。圖9(c)為上壁面反射的沖擊波傳至1號測壓點時的地面壓力場云圖，此時1 m處測壓點記錄下第2個峰值超壓。圖9(d)為壁面反射沖擊波繼續傳播到達2 m處測壓點位置時的壓力場云圖，此時2 m處測壓點出現第2個峰值，同時可以發現左側壁面反射沖擊波也已開始向內傳播，在兩側壁面相交處為壓力場壓力集中位置，即在結構拐角處壓力最大。圖9(e)為左側壁面反射沖擊波到達1 m處測壓點時的壓力場云圖，此時1 m處測壓點超壓曲線出現第3個峰值超壓。此即為1號實驗中不同峰值超壓時刻沖擊波傳播過程。而在4號實驗中，由于炸點位置的改變，活性射流反應中心距離側壁面的距離增大，地面傳感器所測得的初始沖擊波并未受到壁面反射沖擊波的影響，因此p-t曲線中并未出現多個連續峰值的情況。圖9(f)、圖9(g)分別為初始峰值超壓到達不同測壓點位置時的地面壓力場云圖。

4 結論

采用實驗、理論和數值模擬相結合的方法，開展了高低兩種密度活性藥型罩聚能裝藥作用600 mm厚C35鋼筋混凝土靶后效超壓特性研究。主要結論有：

1)實驗結果表明，在裝藥直徑和活性藥型罩質量相同條件下，活性藥型罩密度對靶后超壓有顯著的影響，且靶后超壓- 時間曲線呈現獨特的多峰現象。相比較而言，低密度活性藥型罩形成的射流對鋼筋混凝土靶造成的侵徹孔徑更大，靶后超壓更高。

2)引入虛擬爆炸點法，建立了活性射流靶后爆燃超壓效應與高能炸藥爆炸等效分析模型，給出了活性射流靶后虛擬爆炸點位置與等效TNT當量，并通過有限元分析軟件AUTODYN-3D數值仿真驗證了等效分析模型的有效性，為活性射流后效毀傷效應分析提供了有效手段。

3)導致活性射流靶后超壓呈現多峰現象的本質，是爆燃波在密閉空間內傳播遭遇壁面反射和疊加作用的結果，從機理上揭示了活性射流穿靶后的類爆轟行為。