聚能裝藥破甲效能影響因素分析及研究進展*

崔 平，閆建林，施冬梅，王德石

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

能量在給定方向上或給定地點處聚積的效應，稱之為“聚能”[1]。這是根據拉丁文“cumulato”意譯而來的一個術語，即“聚積”、“累積”的意思。單純從字面理解，表示由于相同性質的某種效應經過若干次疊加或累積后，使得這種效應得到增強或放大。從理論上講，聚能效應不僅僅限于動能的聚積，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。

通常情況下，在爆炸過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。因此聚能效應能夠大大增強在一個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強，能量遠高于裝藥的其它方向。如果在聚能凹槽內壁面上鑲襯一個薄壁金屬罩，則這種裝藥形成的射流對靶板的穿孔能力將增強好多倍。這就是聚能裝藥的基本概念。

根據GJB102A—98“彈藥系統術語”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 一般結構

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構的兩個最主要部分。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，以及改善氣動外形并確保形成聚能裝藥最有利炸高的結構(通常為風帽或頭螺)也是聚能裝藥不可或缺的組成部分。為改善爆轟波形，有的聚能裝藥內部加裝了爆轟波陣面控制元件——隔板。以軸對稱聚能裝藥為例，其一般結構如圖1所示。

圖 1 聚能裝藥一般結構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明軸對稱聚能裝藥的一般作用過程。如圖2所示，炸藥裝藥中的爆轟波陣面從雷管處開始以極高的爆轟速度傳播，生成的爆轟產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 軸對稱聚能裝藥圓錐形金屬藥型罩聚能射流形成過程Fig. 2 Jet formation of an axisymmetric shaped charge with a conical metal liner

2 破甲效應影響因素分析及最新研究進展

聚能效應自發現以來，學者們就對影響該效應的一切可能因素做了持續、深入的研究。大量文獻資料表明，影響聚能裝藥破甲效應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用條件等5個方面。

2.1 炸藥裝藥

2.1.1 裝藥種類

射流能源來自于炸藥，因而炸藥性能對破甲作用有直接影響。理論與實踐均表明，炸藥的爆轟壓力對破甲威力有明顯影響。文獻[3]詳細研究了在相同裝藥結構條件下、包括TNT、RDX、HMX、BTF等在內的9種不同種類炸藥對聚能裝藥破甲效果的影響。具體來說，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、優良的耐熱性和貯存穩定性已成為反裝甲戰斗部的裝藥首選。以CL-20和DNTF等為代表的新型高能炸藥，其爆轟能量可驅動聚能射流加速到臨界極限，增加射流質量并延緩斷裂時間，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9600 m/s，是未來聚能裝藥領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，多采用以添加劑鈍化的RDX和HMX炸藥；鑄裝方式裝填時，則采用熔黑梯(TNT/RDX)、熔梯奧(TNT/HMX)等炸藥。以壓裝方式為例，現行的壓裝法主要包括普通機械壓裝、螺旋壓裝和分步壓裝3種。壓裝方式裝藥時，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鍵因素。近年來，國外采用的精密壓裝藥技術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

裝藥形狀通過影響爆轟波對藥型罩的壓垮速度和角度來影響破甲深度。聚能裝藥最早多采用圓柱形裝藥，在減輕裝藥質量但同時又不降低裝藥作用有效性的基本設想下，學者們對炸藥裝藥的形狀進行了優化設計，在圓柱形裝藥的基礎上出現了圓錐臺形和圓柱-圓錐臺組合形等幾種裝藥形狀，如圖3所示。數值仿真結果表明，與圓柱形和圓柱-圓錐臺組合形裝藥形狀相比，圓錐臺形裝藥穿孔效果下降約8%，而圓柱-圓錐臺組合形裝藥炸藥用量較少，因此柱-錐臺組合形裝藥得到了廣泛應用[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，藥型罩對聚能裝藥破甲效能的影響主要通過材料選擇、結構設計和加工(制備)工藝三種途徑實現。

2.2.1 材料

藥型罩材料對聚能裝藥作用效能影響很大。理論分析結果表明，聚能侵徹體頭部速度、密度和極限伸長系數是藥型罩材料選擇的重要依據[6]。為使藥型罩壓合后形成的射流長、密度大，早期聚能裝藥廣泛使用了高應變率下具有高聲速、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步，一些高密度材料如鉬、鎢、鉭等得到了應用，并展現了很好的應用前景。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比。

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

文獻[7]表明，美軍通過高能鍛造加工出的鉬罩能形成穩定、連續的射流。開展的彈道試驗結果表明：相比傳統銅罩9.8 km/s的射流頭部速度，鉬罩射流的頭部速度可達到12 km/s，鉬罩的破甲深度比純銅罩可提高20%～30%。中北大學科研團隊對鉬罩形成桿式射流的特性進行了數值模擬研究，結果表明：相比金屬銅所形成的桿式射流，鉬在相同結構條件下成型射流形態以及性能均優于銅[8]。賀海民等人開展的實驗研究成果表明，鉬罩射流相比銅罩有明顯的較早斷裂現象，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燒結工藝，材質硬度較大，鉬罩表面光潔度不太理想，導致了鉬材料微觀結構和力學性能與銅存在差異[9]。

Manfred Held利用藥型罩材料的密度和聲速對一些材料的運用前景進行了評估[10]，通過計算認為：鎢是最具運用前景的藥型罩材料。英國國防研究局采用熱壓燒結和切削成形工藝制造的純鎢藥型罩，其性能(晶粒直徑約15μm，射流斷裂時間221.5 μs，射流長度881 mm)優于純銅藥型罩(晶粒直徑約10 μm，射流斷裂時間142.0 μs，射流長度671 mm)。北京理工大學用化學氣相沉積設備制備出65 mm口徑純鎢藥型罩[11]，靜破甲實驗顯示純鎢藥型罩在2.4 CD(裝藥直徑)炸高條件下，射流對45鋼侵徹深度為363 mm，相當于6 LD(藥型罩口徑)，而在相同試驗條件下，銅藥型罩侵徹深度為264 mm，只相當于5 LD。

鉭作為藥型罩材料具有很強的優越性[12]。彈道試驗表明：在相同質量、相同長徑比(L/D=4)、彈丸速度為2000 m/s時，鉭制侵徹體對均質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%。在打擊重裝甲目標時，鉭是最理想的破甲彈藥型罩材料。如美國的SADARM、德國的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破甲戰斗部前級聚能裝藥藥型罩材料，通過控制聚能射流能量密度，實現對爆炸反應裝甲(ERA)“穿而不爆”，為后級聚能射流侵徹開辟了通道。劉同鑫等人對Nylon、Teflon等材料的聚能射流成型機理進行了數值研究[13]，認為Teflon能在更短時間內形成形態良好、穩定的低能量射流，在對反應裝甲的作用過程中不會引起炸藥爆炸，但并未進行相關試驗驗證。J Y Yi等人通過理論分析、數值模擬和試驗驗證的方式，對高聚物PTFE藥型罩射流特征及侵徹能力進行了研究，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計聚能裝藥結構并完成靜爆試驗，得到了高延性、相當直的玻璃射流[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理[16]。總結上述研究工作，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、穩定性好、長徑比大的特點，因此在實現對ERA“穿而不爆”方面有顯著優勢。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前該領域持續研究的熱點問題。

聚能裝藥自誕生以來，其藥型罩所使用材料的種類經歷了由單一材料到復合材料的轉變。與單一金屬罩相比，復合罩的能量轉換與吸收機制更合理、化學能的利用率更充分、破甲性能更優越、造價也更低，具有廣泛的應用前景。

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域研究的熱點。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等人的研究結論表明[19]：鎢銅合金藥型罩射流頭部在水介質中的速度降比純銅藥型罩的小。美國、法國、以色列等對W-Cu藥型罩材料研究結果表明，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，多數復合材料藥型罩的主要問題是由于高精度制造技術的滯后，復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。針對這一特點，周旭紅等采用多道循環的擴散焊接+軋制變形工藝，制備出Mo-Cu復合材料藥型罩[20]，其基體材料以銅為主，內部嵌有纖維狀的難熔金屬，該方法為藥型罩形成高質量、穩定的射流提供了條件。張春輝等人設計了一種Al-Cu復合材質藥型罩[21]，作用后可形成前、后級分離的桿式射流，前級射流侵徹水介質后形成的空腔可為后級射流提供無耗能通道，毀傷水下目標的能力優于單一材質藥型罩形成的桿式射流。西安核技術研究所的龔柏林基于貧鈾-鈮合金藥型罩[22]，開展了聚能破甲后效實驗，結果表明：貧鈾合金藥型罩形成的射流在穿透鋼板后，能形成高溫、高速且具有一定發散能力的燃燒顆粒束，具有較強的縱火能力。

在金屬與非金屬復合材料藥型罩研究方面，崔斌等人利用AUTODYN軟件對尼龍-銅復合藥型罩的射流成形進行了仿真[23]，仿真結果表明尼龍-銅藥型罩所形成的射流頭部速度、動能和爆轟波透射能量均高于鋁-銅復合藥型罩，其聲阻抗匹配效果優于鋁-銅藥型罩。玻璃在高溫下低粘度、高塑性，能夠形成遠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/鎢復合材料，既可彌補玻璃密度低的缺點，又可獲得聲速高、密度大、高溫塑性良好的射流。王玉兵針對這種復合材料的制備工藝、高溫動態力學性能以及高溫動態壓縮后的變形機理與破壞機制進行了初步研究[24]，但并未開展射流成形數值模擬以及聚能裝藥靜爆試驗研究。

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。長期以來一直采用的惰性材料金屬射流對目標造成的毀傷形態通常是深而小的孔，這種“擊而不毀”的單一侵徹毀傷模式已不能滿足現代戰爭對目標高效綜合毀傷的新要求。新型含能材料(也稱活性材料、反應材料)在藥型罩上的應用，使得聚能裝藥除了繼續保有高效的侵徹作用外，還兼具燃燒、爆轟、放熱等后效作用，進一步豐富了反裝甲彈藥對目標的毀傷模式。Steven Nicolich等人提出了一種包覆式含能材料增強EFP，即在藥型罩前預制含能材料，裝藥引爆后，爆炸載荷驅動藥型罩對含能材料進行包覆[25]。其毀傷機理為：由前段侵徹體對目標破甲開孔，包覆有含能材料的復合侵徹體撞擊目標或進入目標內部后，含能材料激活爆炸，釋放化學能產生釋能反應，如圖4所示。同樣的設計思路，文獻[26]顯示美國很早就曾嘗試將鋯合金作為引燃介質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對引燃介質進行包覆和擠壓，使其發生自燃反應，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實現了對靶后易燃物縱火燃燒的作用，國內亦有學者開展了這方面的研究[27]。近幾年國內外一些科研院所重點圍繞金屬/含氟聚合物類型含能材料(如PTFE/AL)，對其配方、制造工藝、化學能釋放及毀傷機理等進行了理論和實驗研究，這方面的研究成果在文獻[28-31]中有所體現。作為一種新型含能材料，鋯基非晶合金具有高強度、高硬度、良好的釋能特性，由于處于熱力學亞穩態，其形成的聚能射流在侵徹靶板后能發生劇烈的化學反應，釋放出大量的化學能，形成高毀傷效應。Walters等人對原子組成為Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10的鋯基非晶合金藥型罩射流成型及侵徹行為進行了研究[32,33]，結果表明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。目前來看，適用于含能材料力學行為和爆炸效應混合表征的材料模型、含能射流侵徹爆破燃燒聯合毀傷效應的數值模擬方法都是亟待進一步深入研究的課題。

圖 4 包覆式爆炸成型復合侵徹體作用機理Fig. 4 Mechanism of wrapping explosively formed compound penetrator

圖 5 引燃射彈形成過程示意圖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 結構

(1)幾何形狀

藥型罩常見的幾何形狀分為簡單型、復雜型、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。不同的罩型對射流形態、速度梯度、最大拉伸長度等有著至關重要的影響[34]。組合型藥型罩往往具有簡單型藥型罩的共同特點，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點[35]。

圖 6 常見藥型罩幾何形狀Fig. 6 Common geometry of liners

(2)結構參數

藥型罩幾何形狀確定后，其結構參數的選擇會對破甲效果產生重要影響。以應用最多的圓錐形藥型罩為例，錐角(2α)和壁厚(δ)是兩個最重要的結構參數，同樣也是學者們在各類聚能裝藥數值模擬和試驗研究過程中最為關注的兩個參數。

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)都客觀存在一個或多個、固定的或變化的(離散、連續)錐角(從0°～180°不等)。Manfred Held借助閃光X射線技術通過試驗研究了藥型罩錐角對射流形狀及速度的影響[36]，錐角小的射流細長、頭部速度快，錐角大的射流短粗、頭部速度較小。文獻[37]通過仿真詳細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。

藥型罩壁厚設計經歷了從等壁厚到變壁厚的過程。早期藥型罩多采用等壁厚設計，一些關于壁厚影響規律的文獻結果表明[36,38-40]：壁厚能夠顯著影響沿聚能射流長度方向的速度分布；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。一方面過薄的壁厚不能形成正常射流，二是戰斗部作戰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當滿足一定的條件。焦志剛等人對桿式射流的成型性能影響研究中，既考慮了壁厚變化對射流速度及侵徹深度的影響，又考慮了壁厚變化對速度梯度及成型穩定性的影響[41]，得出桿式射流的最佳壁厚范圍為0.06～0.07CD。變壁厚藥型罩設計近期成為學者們研究的一個重要方向，具體有幾種思路，一是將藥型罩整體壁厚設計成沿母線方向按一定規律變化，二是調整藥型罩局部位置的壁厚[42,43]，三是改變多層藥型罩內外罩的壁厚比[44]。這些設計均有不同的適用對象，但總目標是實現侵徹深度、穿孔直徑和射流穩定性的最佳結合。

(3)罩層數量

前文所述聚能裝藥藥型罩多為單層結構。多層藥型罩是指在一個主裝藥基礎上放置兩個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，能夠發生相對滑移和碰撞。研究較多的是雙層藥型罩。根據錐角不同，雙層藥型罩可以形成射流或EFP。小錐角設計時，依據雙層罩加速理論，內層罩材主要轉換為射流，外層罩材主要轉換為侵徹能力較差的杵體，通過選擇不同聲阻抗材料及藥型罩幾何設計，可大大提高射流侵徹能力和罩材利用率；大錐角設計時，可通過控制內外罩質量比，得到前后串聯的EFP戰斗部，有效對付爆炸反應裝甲，圖7為雙層球缺罩形成串聯EFP的數值模擬仿真過程。近期關于雙層藥型罩研究的焦點集中于內外罩最佳壁厚比的確定[45]、內外罩不同材料配比對侵徹結果的影響研究等方面[46,47]。

圖 7 雙層球缺藥型罩形成串聯EFP的數值模擬過程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歷了從早期傳統機加式(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)、再到近期出現的重金屬罩先進制造工藝(如粉末燒結鍛造、粉末冶金、自由鍛和落錘模鍛、化學汽相沉積、等離子濺射等)的發展過程。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，如對稱性不好、壁厚不均勻、表面質量不高等，這些因素尤其是壁厚對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構均勻性，如晶粒尺寸及取向、粉末粒度及密度、織構強弱、孔洞雜質缺陷等，造成藥型罩材料各向力學性能一致性變差，從而導致破甲性能不穩定。相關研究表明，微米和亞微米范圍內細小等軸晶有利于提高射流長度。與粗晶相比，細晶藥型罩形成射流具有更為理想的有效長度和更晚的斷裂時間，初始晶粒細化有助于增強射流性能。Bourne B等人通過研究晶粒尺寸對射流性能的影響發現[48]，當銅藥型罩的平均晶粒尺寸從60 μm減少到10 μm時，有效射流長度可從1150 mm增加至1450 mm。目前，圍繞藥型罩加工制造工藝的優化問題，學者們研究的熱點主要集中在大口徑鎢藥型罩CVD制備工藝的優化[11]、電鑄工藝參數最優控制[49]、復合材料的無壓熱壓燒結法[50]、含能藥型罩模壓燒結制備工藝、金屬粉末藥型罩旋壓工藝的改進與評價等方面[51]。

2.3 外殼

外殼是提高聚能裝藥作用效果不可忽視一個重要結構部件，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。根據爆轟產物對物體的拋射理論，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方法對帶有金屬鋁外殼的聚能裝藥進行了模擬計算[52]，結果表明與無外殼模型相比，厚度5 mm的鋁外殼會導致射流形態產生差異，有外殼的計算模型得到的射流頭部更尖銳，但射流長度和速度并無太大變化。柴艷軍等人對帶有厚度由頂到底呈線性變化的鋼殼體的聚能裝藥作用過程進行了數值模擬[53]，分析了有無殼體時聚能射流爆轟波傳播方向、射流形態(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)以及動能的變化，結果表明增加殼體后，爆轟波傳播路徑由一路變為兩路，射流頭部速度增加、斷裂時間提前，爆轟產物側向膨脹受到限制，有效裝藥量提高，射流總能量增加，但存在一個使射流總動能達到最大值的最佳殼體厚度?？傊?，外殼對聚能效應的影響是綜合、復雜的，應當針對外殼材料類型和殼體厚度等具體情況做具體分析。

圖 8 無殼體和殼體壁厚線性變化的聚能射流形態圖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

典型的也是實際應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，增大爆轟產物對藥型罩的法向沖擊載荷，提高藥型罩的壓垮速度，相應地提高金屬射流的速度和質量，從而提高破甲威力。徐景林等人采用正交優化設計方法[54]，研究了隔板寬度α、隔板楔形角2β等因素對線型聚能射流的影響，仿真結果及驗證試驗都表明隔板楔形角2β對射流頭部速度的影響高于隔板寬度α，而隔板寬度α對射流長度的影響大于隔板楔形角2β。文獻[55]借助AUTODYN軟件研究了隔板在聚能裝藥中的位置問題，認為縮小隔板底部與藥型罩頂部之間的距離會明顯提高射流頭部速度。李運祿等人對比分析了聚氨酯、橡膠、尼龍、聚四氟乙烯和聚苯乙烯5種隔板材料對射流成型的影響[56]，仿真結果表明尼龍作為隔板材料時效果最佳。CHEN Shuai等人則以酚醛樹脂作為隔板材料設計了一種雙模聚能裝藥[57]。周游等人提出了隔板寬度相對值的概念[58]，仿真結果表明當隔板寬度相對值達到0.9時，線型聚能射流速度相對無隔板條件下可提高22.3%。除了考慮隔板自身結構參數以外，朱傳勝還詳細研究了隔板結構與藥型罩結構之間的匹配關系對EFP成型過程的影響[59]。

2.4.2 改變起爆方式

相關研究表明，起爆方式是影響射流性能的重要因素，可以導致射流產生極大差異。聚能裝藥目前主要采用點起爆、面起爆、正向環形起爆和逆向環形起爆等4種不同方式，如圖9所示。文獻[60]對不同起爆方式下的射流形成過程進行了三維數值模擬，計算結果表明：不同的起爆方式在裝藥中產生不同的爆轟波形，當爆轟波波形與藥型罩外表面越接近時，罩微元的壓垮速度越高，導致射流頭部速度越高。環形起爆形成的射流頭部速度高于面起爆的，面起爆高于點起爆。

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

2.4.3 設計多層裝藥

基于超壓爆轟現象，通過將兩種或兩種以上不同爆速和爆轟能量的炸藥進行合理的結構設計，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，從而達到提高聚能裝藥破甲威力和破甲穩定性的目的。張先鋒團隊利用TNT低爆速炸藥和奧克托今、PBX9404等高爆速炸藥構建了夾層聚能裝藥結構[61,62]，借助有限元計算軟件對其藥型罩壓垮變形和射流形成過程進行了數值仿真，并開展了相應的驗證試驗，結果表明相對于單一結構裝藥，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，通過少量高爆速輔助炸藥幾乎同時激發了主炸藥[63]，增大了主炸藥對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系的一般規律[61,63]。兩種典型的雙層裝藥結構示意圖如圖10所示。

圖 10 雙層裝藥結構示意圖Fig. 10 Schematic of the double-layer shaped charge

2.5 運用條件

2.5.1 炸高

聚能射流對靶板的穿孔深度與聚能裝藥至靶板的距離有關。穿孔深度為最大時所對應的聚能裝藥至靶板的距離，稱為最佳炸高，有的文獻也稱之為“焦距”。在相同裝藥種類、裝藥結構、藥型罩材料和藥型罩結構的情況下，炸高不同，聚能裝藥破甲能力也不相同。炸高過小，射流未完全伸展拉長，侵徹能力受限；炸高過大會出現射流斷裂，侵徹能力也會降低。對于一般常用藥型罩，有利炸高約是罩口部直徑的2～3倍。當炸高小于或大于這個最佳炸高時，破甲效果都會降低。炸高對射流成型及毀傷效果的影響經常與其它因素結合起來進行研究[64]。

2.5.2 旋轉

旋轉產生的離心力不利于金屬射流的集中，會大大降低破甲效果。隨著旋轉角速度的增加，旋轉運動的負面影響加強。研究表明：聚能裝藥靜止爆炸時射流的失穩通常出現在離開裝藥較遠的距離處；但在高速旋轉條件下，由于離心力的作用，射流一旦生成立即經受與射流彎曲程度增大和射流離散單元徑向飛散相關的更嚴重的失穩[1]。由于旋轉對破甲會產生不利影響，所以破甲彈大多采用尾翼穩定方式。同時，為了解決旋轉對破甲帶來的不利影響，學者們嘗試采用加工錯位藥型罩和旋壓藥型罩等方法，產生與彈丸旋轉方向相反的金屬射流，以補償旋轉帶來的不利影響。

2.5.3 電磁作用

研究發現，電磁場可以通過合適的方式與聚能射流發生耦合，影響其穩定性。從提高彈藥毀傷效能角度出發，施加電磁場可減緩金屬射流的斷裂，增加侵徹深度，有效提升侵徹能力；從提高裝甲防護能力角度出發，施加電磁場也會使金屬射流提前發生斷裂，從而有效地進行裝甲防護[65,66]。圖11給出了通過電磁作用改變聚能效應的幾種典型途徑。S V Fedorov研究發現，對飛行中的金屬射流施加高頻或低頻軸向磁場均可以增加射流拉伸長度[67]。高頻磁場作用時電磁壓力可使金屬射流凸起部分向凹陷部分流動，延緩射流頸縮從而防止其過早出現斷裂；與此相反，低頻磁場可使射流頸縮部分受到較大的徑向拉應力，進而使得射流各個部分直徑趨于均勻。Shvetsov等研究了脈沖電流的大小和形狀對金屬射流不穩定性的影響[68]，歸納出電流幅值和形狀符合一定條件時，金屬射流因發生體積爆炸而減小侵徹威力。馬彬等人通過在金屬射流慣性拉伸的不同時間段施加電磁場[69-71]，研究時序控制對侵徹威力的影響，并比較了侵徹深度的變化?？傊獠侩姶艌鰧饘偕淞髑謴赝Φ挠绊懢哂袕V泛的應用研究價值，目前對其作用機理和試驗技術的研究尚不成熟，仍然是較長一段時期內學者們研究的熱點之一。

圖 11 控制聚能效應的電磁手段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、結構、工藝)、外殼、爆轟波陣面控制(控制元件、起爆方式、多層裝藥)和運用條件(炸高、旋轉、電磁作用)等因素的影響。為方便讀者閱讀，通過思維導圖方式對全文內容進行了系統梳理和總結，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 結論

(1)影響聚能裝藥破甲效能的因素可細分為內部、外部兩大類，內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、外殼及運用條件。內部因素起決定性作用，外部因素通過內部因素起作用，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鍵的內部因素。藥型罩通過材料變化、結構設計和工藝選擇等方面影響破甲效能。當前藥型罩材料研究的熱點是高密度重金屬材料、低密度材料、含能復合材料等新材料藥型罩的成型機理及性能參數優化；結構研究的熱點是變壁厚、多層藥型罩的設計；工藝研究的熱點是化學汽相沉積法、電鑄法等精密先進加工工藝的優化設計以及復合材料、含能藥型罩的制備工藝問題。

(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防護中都具有十分重要的軍事應用價值，因此電磁增強技術和被動電磁裝甲技術近年來成為國內外學者關注的熱點技術。圍繞電磁作用對聚能效應正向加強或反向削弱兩方面，對其理論基礎、作用機理、影響規律等問題開展了相關研究，但其本質依然是基于軍事需求的聚能侵徹體優化。

(4)聚能裝藥破甲效能是多影響因素在多參數水平作用下綜合考慮的結果。每個因素對破甲效能的影響權重不同，工程實踐中通常借助正交試驗法等現代優化設計方法，獲得聚能裝藥最佳結構方案。