含能藥型罩及其標準化的研究進展

陳京生，李 清，陳 彥，趙成森，張鵬飛，費卓鑫

(中國兵器工業(yè)標準化研究所， 北京 100089)

1 引言

隨著含能材料技術(shù)的發(fā)展，含能材料在武器裝備領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用引起了各國科技人員的重視，因而新型含能毀傷技術(shù)成為各國武器裝備研究的重點，旨在利用含能材料在受爆轟作用時可以釋放巨大的能量這一特性以提升彈藥毀傷威力，常規(guī)的毀傷戰(zhàn)斗部諸如破甲戰(zhàn)斗部、殺傷戰(zhàn)斗部等都可以借助添加含能材料以增強威力，具有廣泛性、多樣性的技術(shù)特點。其中由含能材料制備的藥型罩在爆轟波驅(qū)動作用下形成含能侵徹體，在著靶后，利用動能侵徹和化學能侵徹2種侵徹方式的共同作用，將含能材料送入目標內(nèi)部釋放能量，顯著提高對目標的毀傷效果以及增強后效毀傷威力，是未來破甲戰(zhàn)斗部高效毀傷的主要發(fā)展方向之一。一般而言，影響含能藥型罩威力性能的主要因素為材料、結(jié)構(gòu)，本文擬將對含能藥型罩的發(fā)展及其標準化進行總結(jié)和研究。

2 含能藥型罩的發(fā)展

2.1 含能藥型罩聚能裝藥威力特性

在破甲深度滿足要求的前提下，含能藥型罩聚能裝藥相較于普通金屬藥型罩，對鋼靶、混凝土等結(jié)構(gòu)的毀傷效果更為理想，且能形成靶后超壓、靶后破片、靶后燃燒等二次毀傷元，對各類目標具有顯著的后效作用，有很強的威力以及適應能力。

張昊等研究了聚四氟乙烯、鋁、鎢、鉭粉混合制成的藥型罩聚能裝藥對鋼筋混凝土靶侵徹及后效超壓效果，結(jié)果表明：低密度的活性藥型罩對混凝土的開坑孔徑更大，靶后超壓更高，活性射流靶后超壓呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象。張雪朋對活性射流作用鋼靶侵徹爆炸聯(lián)合毀傷效應以及活性藥型罩聚能裝藥破甲后效超壓特性等問題進行了研究，結(jié)果表明：相較于普通金屬射流，活性射流對輕中裝甲目標更具毀傷優(yōu)勢，且擴孔效果更顯著，可達0.5倍裝藥口徑，破甲深度可達1.45倍裝藥直徑，在封閉容器中能形成0.35 MPa的內(nèi)爆炸超壓。

2.2 含能藥型罩材料的發(fā)展

當前，常用的含能藥型罩材料有金屬聚合物、金屬化合物和鋁熱劑3類。

金屬聚合物一般多為聚四氟乙烯基(PTFE)材料，采用Cu、Fe、Al、Mg、Ni等金屬粉末與PTFE粉末混合并壓制而成，具有密度低、成本小等特點，其配方對藥型罩密度和聚能裝藥威力有較大的影響，在此方面，國內(nèi)外學者做了大量的研究。李延等研究了PTFE/Ti/W藥型罩聚能裝藥中鎢含量對動態(tài)釋能特性以及破甲威力的影響，結(jié)果表明：射流成型過程中會產(chǎn)生爆燃反應，在PTFE/Ti材料中加入70%的鎢，可使釋能效率提升至66.7%。陶忠明等研究了Mg/PTFE、Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Ti/PTFE、Al/Ni/PTFE、Al/FeO(AR)/PTFE、Al/FeO/PTFE七種材料制成的藥型罩聚能裝藥的毀傷威力，結(jié)果表明：Mg/PTFE藥型罩聚能裝藥所產(chǎn)生的開孔直徑最大，達13 cm。李延等研究了PTFE/Ti藥型罩聚能裝藥中藥型罩密度對射流特征的影響，結(jié)果表明：隨著藥型罩密度增大，射流凝聚性變強，在射流成型過程中會不斷發(fā)生膨脹導致射流密度減小。黃駿逸等在PTFE/Al的基礎(chǔ)上分別加入15%體積數(shù)的FeO、MoO、MnO，并研究了該活性材料聚能裝藥對鋼靶的毀傷能力，結(jié)果表明：加入MoO后，其開坑孔徑可達61 mm，且反應后可產(chǎn)生大量氣體，對鋼靶具有很強的毀傷效果。陶忠明等研究了Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/FeO/PTFE3種氟基含能材料制備的藥型罩對雙層靶的毀傷性能，結(jié)果表明：Al/FeO/PTFE藥型罩對第一層靶的開孔最大，Ni/PTFE對第二層靶的開孔最大。Hastings D L等研究了W-Ti-B含能藥型罩聚能裝藥的釋能特性，結(jié)果表明：在W-B粉末中加入Ti后可以加快反應速率，獲得更高的能量，最大可提升34%的釋能效率。

金屬化合物藥型罩多為Al、Ni、Si、Zr、Ti等金屬化合而成，一般密度都比較高，在破甲過程中能在極短的時間內(nèi)釋放大量的熱并產(chǎn)生高壓氣體，對穿孔具有自清潔的效果，多用于石油開采射孔等領(lǐng)域。薛瑞峰研究了Ni/Al藥型罩聚能裝藥在密閉容器內(nèi)的釋能特性，結(jié)果表明：惰性銅和Ni/Al反應材料藥型罩在穿透油箱時均會引燃航空煤油，但 Ni/Al反應材料對燃油箱造成更嚴重的破壞。張超霞研究了Ni/Al含能藥型罩的配比對聚能裝藥毀傷45#鋼靶的影響，結(jié)果表明：與銅聚能粒子流相比，其侵徹深度降低了25%，但平均入口孔徑提升了37.2%，孔容增加了16.1%。LASZLO和WILLIAM研究了鋯基非晶合金藥型罩聚能裝藥射流成型和侵徹效能，結(jié)果表明：該聚能裝藥形成的射流侵徹能力可提升約27%。劉文赫等試驗研究了44 mm口徑Cu-Ni-Al材料藥型罩聚能裝藥中Cu含量對破甲威力的影響，實驗表明，在Cu-Ni-Al中加入50%的Cu，可使破甲深度提升41%、開坑孔徑提升15%。杜燁等研究了Fe/Al藥型罩中Fe和Al的配比對聚能裝藥射流的影響，結(jié)果表明：按照Fe∶Al=4∶6的配比下，F(xiàn)e/Al藥型罩聚能裝藥所形成的射流釋放的能量為同等情況下純鋁藥型罩的2倍。王肖義研究了Fe/Al藥型罩的釋能特性，結(jié)果表明：Fe/Al藥型罩聚能裝藥形成的射流可以產(chǎn)生更大的破孔，并發(fā)生化學反應，釋放大量能量。部分用于藥型罩的金屬化合物材料及其放熱量溫度、放熱量、反應釋能如表1所示。

表1 部分用于藥型罩的金屬化合物材料及其主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Part of the metallic compound materials used in liner and their properties

鋁熱劑藥型罩是將Al粉末與其他高熔點金屬氧化物如FeO、MoO、NiO、PbO粉末混合燒結(jié)制成，在破甲時，具有很高的反應溫度，能量釋放效率高，對目標能產(chǎn)生侵蝕、燒蝕等效果。Baker E L等研究了鋁熱劑含能藥型罩聚能裝藥對混凝土靶的毀傷效果，結(jié)果表明：相較于同結(jié)構(gòu)同環(huán)境下的鋁藥型罩，其破甲深度提升21%、開坑孔徑提升33%。部分用于藥型罩的鋁熱劑及其反應焓、絕熱火焰溫度如表2所示。

表2 部分用于藥型罩的鋁熱劑材料及其主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Part of the thermite materials used in liner and their properties

2.3 含能藥型罩結(jié)構(gòu)的發(fā)展

與普通金屬藥型罩一樣，含能藥型罩的結(jié)構(gòu)也是影響聚能裝藥威力性能的重要因素，也一直是含能藥型罩研究的重要方向。

劉艷君等研究了PTFE/Al藥型罩的形狀、錐角和厚度對聚能裝藥射流特征以及毀傷威力的影響，結(jié)果表明：錐形PTFE/Al藥型罩的最佳錐角為45°～75°，壁厚為6～8 mm，在炸高條件1.0～1.5時，破甲性能最佳，可達65 mm，且在穿透靶板后，可引燃靶后目標。但是隨著目標防護的不斷進步，普通的單層含能藥型罩已經(jīng)不能滿足對厚裝甲、多層裝甲目標的有效打擊，因此，國內(nèi)外學者對含能藥型罩的結(jié)構(gòu)進行了大量的研究。

由于PTFE基含能藥型罩密度較低，因此在爆轟波作用下容易破碎從而影響戰(zhàn)斗部破甲威力，為保護含能藥型罩在形成射流過程中的完整性，可在藥型罩與主裝藥之間加入普通金屬藥型罩或緩沖墊。為此，劉潤滋設(shè)計了一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)，如圖1所示，并研究了壁厚對該聚能裝藥侵徹鋼靶和混凝土靶的影響，結(jié)果表明：在Al/PTFE含能藥型罩壁厚為1.2 mm時，侵徹深度可達173.29 mm，約為3.5。

圖1 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 An energetic compound shaped charge

蘆永進等設(shè)計一種Cu 基非晶合金Cu45Zr43Al4Ag8雙層藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)，如圖2所示，分別選用鋁、鈦、聚乙烯和 PTFE/Al材料作為外罩，Cu基非晶合金作為內(nèi)罩并研究了其射流特性以及侵徹能力，結(jié)果表明：聚乙烯、PTFE/Al作為外罩時，Cu基非晶合金雙層聚能藥型罩的侵徹性能優(yōu)于鋁、鈦作為內(nèi)罩時的侵徹性能，破甲深度提升66.5%，開坑孔徑提升33.1%。

圖2 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 An energetic compound shaped charge

韓偉等研究了Zr/Ta雙層罩聚能裝藥中內(nèi)、外罩厚度對破甲威力的影響，如圖3所示，結(jié)果表明：Zr∶Ta=1∶3時，相較于基準罩聚能裝藥，其破甲深度和開坑直徑差距不大，但含能雙層罩聚能裝藥具有明顯的后效作用，可有效毀傷靶后目標。

圖3 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 An energetic compound shaped charge

郭煥果等設(shè)計了一種活性復合罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)，在PTFE/Al藥型罩外側(cè)放置一層Cu罩，如圖4所示，并研究了其在不同炸高條件下的侵徹性能，結(jié)果表明：相較于單一的金屬罩或者活性金屬罩，該復合罩形成的射流破甲深度顯著提升、穿孔孔徑增大，在0.5CD炸高時，活性材料爆燃產(chǎn)生的二次擴孔作用最大。

圖4 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 An energetic compound shaped charge

萬文乾等設(shè)計了一種含能罩爆炸成型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，如圖5所示，內(nèi)罩為PTFE/Al、外罩為Cu，內(nèi)外罩之間放置緩沖墊，并研究了該戰(zhàn)斗部成型過程以及后效作用，結(jié)果表明：形成的侵徹體速度達2 km/s，穿透20 mm裝甲鋼后形成直徑10 mm的火球以及破片等其他毀傷元，具有顯著的后效作用。

圖5 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 An energetic compound shaped charge

Steven設(shè)計了一種包覆式含能材料聚能裝藥結(jié)構(gòu)并研究了該聚能裝藥的對鋼靶的后效作用，結(jié)果表明：形成的復合侵徹體在侵入目標內(nèi)部后會發(fā)生劇烈爆炸，具有極強的后效作用。BUD設(shè)計了一種雙層含能藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)并研究了該聚能裝藥對靶后易燃物的燃燒效果，結(jié)果表明：在侵徹過程中，包覆的介質(zhì)受EFP的擠壓產(chǎn)生明火，形成明火燃燒的破甲戰(zhàn)斗部，使靶后目標劇烈燃燒。

使用雙層或多層藥型罩結(jié)構(gòu)對戰(zhàn)斗部的破甲威力有了明顯的提升，為進一步提高戰(zhàn)斗部威力，學者們對裝藥結(jié)構(gòu)進行了研究。張雪朋等設(shè)計了一種包覆式活性侵徹體結(jié)構(gòu)，如圖6所示，內(nèi)罩為PTFE/Al，外罩為Cu，并對該藥型罩聚能裝藥成型過程和毀傷效能進行了研究，結(jié)果表明：紫銅罩對PTFE/Al罩的包覆效果較為理想，該聚能裝藥侵徹 20 mm鋼靶后，可形成1 000 m/s的金屬破片和活性破片，有很強的后效作用。

圖6 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 An energetic compound shaped charge

許世昌研究了雙層含能藥型罩結(jié)構(gòu)參量對聚能裝藥射流成型和侵徹鋼靶的影響，結(jié)果表明：相比于單層Cu藥型罩和單層含能藥型罩，雙層含能藥型罩聚能裝藥的破甲深度最大可提升25%。

黃炳瑜等設(shè)計了一種基于K裝藥結(jié)構(gòu)的Al/Ni-Cu雙層含能藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)，如圖7所示，外層罩為無氧銅，內(nèi)層罩為Al/Ni，并研究了其對鋼靶和典型混凝土結(jié)構(gòu)的毀傷效能，結(jié)果表明：相較于Cu-Cu雙層藥型罩，設(shè)計的Al/Ni-Cu藥型罩的K聚能裝藥形成射流對鋼靶的侵徹深度和侵徹孔道體積分別提高了20.1%和23.0%，而對混凝土靶的侵徹深度和侵徹孔道體積分別提高了17.2%和45.6%。

圖7 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 An energetic compound shaped charge

許江東結(jié)合F型聚能裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種帶緩沖墊的雙層含能藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)，如圖8所示，并研究了含能侵徹體成型以及侵徹鋼靶的影響規(guī)律，結(jié)果表明：相比于單層金屬藥型罩，但內(nèi)罩、外罩厚度均為3 mm時，相較于單一PTFE/Al藥型罩，破甲深度提升21.07%。

圖8 一種含能復合藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 An energetic compound shaped charge

2.4 含能藥型罩戰(zhàn)斗部的實際應用

相較于普通金屬藥型罩，含能材料藥型罩聚能戰(zhàn)斗部能有效打擊混凝土結(jié)構(gòu)并具有很強的后效作用以及產(chǎn)生高壓高溫氣體實現(xiàn)穿孔自清潔等功能，因而被廣泛應用于反跑道戰(zhàn)斗部、子彈、射孔彈等戰(zhàn)斗部中，且取得了顯著的效果。

王寶林等將PTFE/Ti藥型罩運用到串聯(lián)式反跑道彈藥開坑戰(zhàn)斗部中，并對比Cu、Al藥型罩研究含能藥型罩對混凝土目標的毀傷能力，結(jié)果表明：PTFE/Ti藥型罩對混凝土目標具備良好的穿孔效果，能夠滿足實際工程需要。曹辰研究了藥型罩結(jié)構(gòu)參量、裝藥長徑比以及炸高對活性聚能裝藥毀傷機場跑道的影響，結(jié)果表明：含能藥型罩聚能裝藥形成的活性射流具備一般金屬射流所沒有的爆破效能，并得出了最佳的含能藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)。

辛春亮等設(shè)計了一種帶緩沖層的活性藥型罩聚能裝藥子彈，藥型罩采用PTFE/Al活性材料，并研究了其對鋼錠的毀傷效果以及后效作用，結(jié)果表明：活性藥型罩聚能裝藥子彈具有較強的侵徹能力和適應能力，穿透45 mm單層鋼錠以及多層鋼靶，且能引燃靶后油箱。

張雪朋等研究了活性藥型罩聚能裝藥對混凝土靶的毀傷效果，結(jié)果表明：活性藥型罩聚能裝藥對混凝土有較強的毀傷能力，且對炸高更為敏感，在1倍口徑炸高條件下，爆破深度可達6.5倍口徑。

除此之外，含能藥型罩在油氣田開發(fā)領(lǐng)域也有十分重要的作用，典型的應用便是含能藥型罩自清潔射孔彈。朱建新設(shè)計了一種雙層藥型罩結(jié)構(gòu)的自清潔射孔彈，如圖9所示，外層反應藥型罩為Al/Ni，內(nèi)層為深穿透藥型罩，并研究了其侵徹砂巖靶的穿孔特性，結(jié)果表明：活性雙層藥型罩射孔彈相較于單一深穿透藥型罩射孔彈的穿深和孔徑相差不大，但孔道光滑、干凈，無巖石、粉末碎屑，裂縫多且寬。

圖9 一種含能復合藥型罩射孔彈裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 An energetic compound perforating bullet

張子敏等設(shè)計了一種Ni-Al-Cu藥型罩的射孔彈并研究了其配比對射孔彈擴孔能力以及后效作用的影響，結(jié)果表明：對比普通的銅鋁藥型罩，該活性型藥型罩對擴孔能起到一定的作用。

潘文強等設(shè)計了一種雙層含能射孔彈并對比研究了雙層含能射孔彈的穿孔性能，結(jié)果表明：相較于單金屬含能射孔彈，雙層含能射孔彈穿深提高了73.8%。

李必紅等設(shè)計了一種高密度活性Ni/Al藥型罩射孔彈并研究了其配方對射孔彈穿孔效果和后效能力的影響，結(jié)果表明：W∶Ni∶Al=70.0∶6.6∶13.4時，射孔彈對鋼靶和砂巖靶的穿孔效果以及后效作用最佳。

3 含能藥型罩標準化現(xiàn)狀

含能藥型罩標準化的制定對于進一步規(guī)范含能藥型罩的設(shè)計、材料選取、制備、性能檢驗和效能評估等有著不可替代的作用，已引起了世界各國的重視。

美國是最早開始制定含能藥型罩標準的國家之一，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)先后制定了ASTM-STD-B19-01《Standard Specification for Cartridge Brass Sheet,Strip,Plate,Bar and Disks(Blanks)》、ASTM-STD-B129-02《Standard Specification for Cartridge Brass Cartridge Case Cups》、ASTM-STD-B130-02《Standard Specification for Commercial Bronze Strip for Bullet Jackets》、ASTM-STD-B131-02《Standard Specification for Copper Alloy Bullet Jacket Cups》等，規(guī)定了含能材料在軍用、民用彈藥外殼、裝藥和藥型罩等結(jié)構(gòu)上應用的標準。除此之外英國標準學會(BSI)、歐洲標準化委員會(CEN)以及俄羅斯聯(lián)邦國家標準化與計量委員會(GOST)針對含能材料的應用制定了相關(guān)標準。

我國關(guān)于藥型罩的相關(guān)規(guī)范為1997年制定的WJ 2495-1997《銅藥型罩規(guī)范》，隨著含能材料在各個領(lǐng)域的應用，又提出了WJ 2640-2004《NEPE推進劑用含能材料標準物質(zhì)規(guī)范》、HG/T 5354-2018《工業(yè)活性無氧銅》等標準，對于含能材料的應用起到了良好的規(guī)范作用，但對含能材料在藥型罩的應用，尚無具體的標準，此為未來我國標準化建設(shè)的方向之一。

4 結(jié)論

1) 含能藥型罩聚能裝藥相對于普通金屬藥型罩更具優(yōu)勢，當前對含能藥型罩聚能裝藥的研究中，破甲深度最大可提升70%，擴孔直徑最大可提升40%，在密閉容器中可產(chǎn)生顯著的超壓作用且具有很強的后效作用，可侵徹或引燃靶后目標，可廣泛應用于軍事毀傷、石油開孔等軍民領(lǐng)域，是未來提升破甲技術(shù)的主要研究方向之一。

2) 我國的含能藥型罩的研究基礎(chǔ)較強，宜組織各單位加強含能藥型罩標準化工作，完善國防體系，規(guī)范含能藥型罩在各種破甲戰(zhàn)斗部上的應用，提升彈藥威力。