撞靶速度對活性破片釋能規律的影響

劉 青，楊華楠，廖雪松，古曉飛，劉俞平，任 明

(重慶紅宇精密工業集團有限公司， 重慶 402760)

1 引言

活性破片殺傷元具有動能穿甲、內爆化學能釋放形成高壓和高溫、穿甲后破碎形成對目標內部局部面殺傷等多重毀傷效應，穿孔面積大、內爆毀傷作用強，可造成更強的結構毀傷，可有效提高單枚破片對目標的毀傷效能，大幅度提高戰斗部對目標的毀傷威力，適應現代高技術作戰條件下對新型目標的高效毀傷要求，是提高殺傷類導彈戰斗部對目標的毀傷威力的主要途徑之一[1-2]。與傳統惰性破片(如鋼破片或鎢破片)相比，活性破片殺傷元通過增加的化學能，使作用于目標的總能量相比單一的動能侵徹破片有了較大幅度的提高，有效提高了破片對目標內部零部件的毀傷概率以及單枚破片的殺傷后效，從而發揮了戰斗部對目標的高效毀傷作用。

活性破片通常分為非金屬體系活性破片和金屬體系活性破片，20 世紀70年代，美國Willis 等人首次提出活性材料的概念，發現了PTFE/Al組合在高速撞擊條件下可發生閃光反應[3]。隨后活性材料配方由早期的Al /PTFE 單一體系發展至多活性組元(單質金屬、多元合金、氧化物等)，涵蓋了金屬材料、高分子有機物、陶瓷等多個材料體系[4]。其中又由于金屬體系活性破片具有優異的綜合力學性能，能夠承受爆炸驅動而被廣泛研究，美國研發的Al-Hf金屬型活性材料，抗拉強度達到了397 MPa[5]。通過對金屬型活性破片的抗拉強度和動態力學性能進行研究，來考察金屬活性破片的力學行為[6-8]；在沖擊釋能行為研究方面，主要以彈道實驗為代表能夠定量地給出活性破片在不同沖擊狀態下的化學釋能大小，并結合沖擊誘發化學反應等材料沖擊釋能理論可以推算出材料在沖擊作用下的物理量(如壓強、比容、溫度等)與化學反應程度之間的關系，進而獲取其沖擊釋能化學反應特征參數[9-11]。但目前對于活性破片釋能機理的研究較少。因此，本文通過研究不同撞靶速度下活性破片的釋能規律，為活性破片釋能機理的研究提供理論支撐，同時為更好的掌握活性破片的性能，為其在不同平臺上應用奠定基礎。

2 試驗材料

試驗用活性破片為W/Zr系活性破片，密度為8 g/cm3，破片質量為8 g，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，試驗樣品實物如圖1所示。

圖1 活性破片實物圖

3 性破片能量釋放規律

3.1 測試方法

圖2 為活性破片超壓測試系統示意圖，該系統主要由發射裝置、測速裝置、超壓測試裝置構成。其中超壓測試系統為密閉容器，密閉容器直徑為0.3 m，體積為20 L；撞擊面板為3 mm厚的2A12鋁板，內部設置有20 mm厚的45鋼板作為撞擊激發板；超壓值由裝置內壁上的壓力傳感器測得，測壓點有2個，與激發板的水平距離分別為80 mm和160 mm； 密閉容器筒體設置觀察口，可采用高速攝像觀察活性破片撞靶后火光持續時間，根據目前常規應用條件選擇試驗測試速度為1 000 m/s、1 100 m/s、1 200 m/s、1 300 m/s，速度采用靶網測速裝置測得。利用活性破片高速撞擊密閉容器反應后測量其超壓值，并根據內爆超壓值得出活性破片在該條件下的釋放能量大小，釋放的能量值與該活性破片含能量的比值即為釋能效率。

圖2 活性破片超壓測試系統示意圖

3.2 超壓試驗結果

對該活性破片進行了不同速度下的超壓性能測試，結果如圖3、圖4所示。

圖3 活性破片超壓高攝照片

圖4 活性破片超壓曲線

圖3為不同撞靶速度下活性破片最大超壓測試高攝照片，從圖中可以看出當撞靶速度為1 000 m/s時，活性破片反應形成的高壓氣流較小，隨著撞靶速度的逐漸增加，活性破片反應的高壓氣流也逐漸增加。圖4為不同撞靶速度下該活性破片反應超壓曲線，通過對超壓曲線進行擬合，可得最高點的值為活性破片超壓值。表1列出了不同撞靶速度下的超壓值。從試驗結果可知，當撞靶速度由1 000 m/s增至1 300 m/s時，超壓值由0.17 MPa增至0.25 MPa。隨著撞靶速度的增加，該活性破片超壓值也逐漸增加。

表1 活性破片超壓值

3.3 活性破片能量釋放分析

活性破片在高速撞擊目標的過程中，在短時間內產生大量熱量，使目標內部的壓力上升。忽略能量損失，活性破片在目標內部形成的內爆超壓主要是反應生成的熱量加熱周圍空氣，導致空氣膨脹而形成的。

目標內的壓力變化一般小于幾兆帕，此時目標內的空氣可近似視為理想氣體，假設短時間內目標內部空氣為等容變化過程[12]，有：

(1)

其中，P、T、P0、T0分別為撞靶前后空氣的壓強、溫度。

忽略反應過程中的熱量損失，反應材料釋放的能量全部轉化為氣體內能，使其溫度升高，有：

Q=cVM(T-T0)

(2)

根據以上的兩式，活性破片在密閉空間內的內爆超壓和活性破片反應熱轉換可用以下公式表示：

(3)

其中，Q為活性破片反應熱，Δp為活性破片內爆超壓，V0為密閉容器的體積，γ為氣體參數，對于理想氣體可取為1.4。

根據式(3)可計算出該活性破片的能量釋放值。撞靶速度為1 000 m/s其釋放的能量約為8.8 kJ，撞靶速度為1 100 m/s其釋放的能量約為10.5 kJ，撞靶速度為1 200 m/s其釋放的能量約為11.5 kJ，撞靶速度為1 300 m/s其釋放的能量約為12.3 kJ。根據式(4)可計算出該活性破片的含能量約為2 kJ/g。

(4)

從而可以計算出該活性破片的能量釋放率，當撞靶速度為1 000 m/s釋能效率約為55%，當撞靶速度為1 100 m/s釋能效率約為66%，當撞靶速度為1 200 m/s釋能效率為72%，當撞靶速度為1 300 m/s釋能效率為77%，將其擬合出撞靶速度與能量釋放率的關系曲線，具體如圖5所示，隨著撞靶速度的增加，活性破片能量釋放率逐漸增加，但是增長的速度逐漸變慢。

圖5 活性破片在不同撞靶速度下的能量釋放率曲線

4 活性破片能量利用規律

4.1 測試方法

圖6為活性破片威力性能測試裝置，測試裝置由發射裝置、測速裝置、多層靶裝置構成。其中多層靶裝置主要由6 mm鋼板+N×1.5 mm 2A12鋁板構成。通過測試活性破片對多層靶毀傷面積的大小來反應活性破片能量利用率的問題，此種方法能夠比較直接的反應出活性破片釋放的能量與對目標的毀傷效果的關系。

圖6 威力性能測試裝置示意圖

4.2 多層靶試驗結果

圖7為不同速度下該活性破片對多層靶的毀傷效果圖，采用面積處理軟件計算出不同速度下該活性破片對多層靶的毀傷面積如表2所示。從試驗結果可知，當撞靶速度為1 000 m/s時活性破片威力較小，對鋁板的擴孔面積也較小，多層鋁板累計毀傷面積為1 823 mm2，當撞靶速度為1 100 m/s時，多層鋁板累計毀傷面積為2 538 mm2，當撞靶速度為1 200 m/s時，多層鋁板累計毀傷面積為5 568 mm2，當撞靶速度增加到1 300 m/s時，多層鋁板的累計毀傷面積增加到8 032 mm2，由此可以看出隨著撞靶速度的增加，活性破片對鋁板的擴孔面積也逐漸增加。在同等條件下對同質量鋼破片進行試驗，鋼破片對多層鋁板的累計毀傷面積如表3所示。 從試驗結果可知在對應速度條件下活性破片累計毀傷面積分別是鋼破片的5.44倍、5.49倍、7.08倍、9倍，因此活性破片具有更大的毀傷效果。

圖7 不同速度下活性破片對多層靶的毀傷效果圖

表2 活性破片累計毀傷面積

表3 鋼破片累計毀傷面積

4.3 活性破片能量利用規律分析

根據文獻[13-14]，破片穿透靶板過程中沒有熱量損失的前提下，則破片穿透第一層靶板所需能量為2個過程之和：

E0=Ei+Ws

(5)

式中：Ei為慣性壓縮所消耗的能量，Ws為將塞塊剪切并推出靶板所做的功。假設活性破片在穿透第一層6 mm鋼板后就開始發生內爆反應，碎裂成細小的破片云對鋁靶板開始作用，因此第N層鋁板的毀傷效果可以看做是由活性破片內爆釋放的能量造成，活性破片內爆產生的化學能轉化為對靶板損壞所做的功。那么活性破片對多層靶的毀傷所損耗的能量可由如下公式計算：

(6)

Wd=σb·(S2T2+S3T3+…SiTi)，(i≥2)

(7)

式中：Wd為對鋁靶毀傷所做的功之和，σb為靶板材料的失效應力，Si為多層靶的毀傷面積，Ti為多層靶的厚度。因此根據式(7)可以計算出不同撞靶速度下，該活性破片用于多層靶擴孔所損耗的能量如表4所示，將其擬合成曲線如圖8，隨著撞靶速度的增加，活性破片對多層靶毀傷的能量利用率逐漸增加，并且在1 300 m/s內能量利用率的增速也是逐漸增大。

表4 活性破片能量利用率

圖8 活性破片在不同撞靶速度下的能量利用率曲線

4 結論

1) 隨著撞靶速度逐漸增加，該活性破片超壓從0.17 MPa逐漸增加到0.25 MPa；活性破片的能量釋放率也逐漸增加，從55%逐漸增加到77%，增加的速度逐漸變慢。

2) 隨著撞靶速度的增加，活性破片的累計毀傷面積從1 823 mm2逐漸增加到8 032 mm2，能量利用率從13.4%逐漸增加到50.3%，能量利用率增大速率也逐漸增加，在同等條件下與同質量鋼破片相比活性破片有更明顯的毀傷優勢。