串聯破甲戰斗部技術現狀與發展

寇鵬飛,曹 磊,梁爭峰

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

1 引言

坦克自一戰面世以來，就成為了地面作戰的主要突擊兵器和裝甲兵的基本裝備。為了擊毀坦克和裝甲車輛，聚能裝藥戰斗部應運而生。聚能裝藥戰斗部依靠金屬藥型罩形成的金屬射流來毀傷目標，它對發射平臺提供的初速要求不高，可適用于多種武器平臺，是目前應用面最廣的一種戰斗部形式。然而隨著間隙裝甲、復合裝甲和爆炸反應裝甲等的出現和快速發展，普通的聚能裝藥戰斗部已無法滿足作戰要求，需要對現有的破甲戰斗部進行優化和提升，使其能夠對使用新型裝甲和披掛爆炸反應裝甲的裝甲車輛形成有效毀傷。其中最為典型的就是反爆炸反應裝甲串聯戰斗部(后文中使用串聯破甲戰斗部)，主要用來打擊披掛爆炸反應裝甲的裝甲目標。隨著爆炸反應裝甲的更新換代，傳統的串聯破甲戰斗部受到了嚴重威脅，對串聯破甲戰斗部破甲能力進行優化和提高以成為當今國內外研究熱點。因此，對串聯破甲戰斗部技術現狀和發展進行綜述具有重要意義。

2 爆炸反應裝甲發展歷史

隨著反坦克武器威力的不斷提高，坦克的防護性能也愈發受到重視，研究質量更輕、防護能力更強的新型裝甲成為了國內外研究熱點。

爆炸反應裝甲這一概念最早是在1949年由蘇聯的拉夫烈杰夫提出，然而蘇聯鋼鐵科學研究院在對其長達十年的研究中發現該裝置容易被除導彈戰斗部之外的其他彈藥誘爆，無法投入實戰，因此蘇聯最終停止了對這一項目的研究。20世紀70年代初，德國科學家黑爾德提出了一種新的反應裝甲結構，即在兩層鋼板中間夾裝炸藥。以色列拉法爾公司在此基礎上將鋼板中的炸藥換成鈍感炸藥，設計出了“夾克衫”反應裝甲。并在1982年的黎巴嫩戰爭中大放異彩，加裝了“夾克衫”爆炸反應裝甲的M48、M60坦克成功抵御了反坦克導彈的攻擊，爆炸反應裝甲也因此成為了世界矚目的焦點。

蘇聯在已有的技術基礎上僅用一年時間就研制出了自己的第一代爆炸反應裝甲“接觸-1”。“接觸-1”并沒有直接模仿“夾克衫”的三明治結構，而是將兩塊鋼板呈夾角放置，并用鈍感炸藥填充鋼板間隙。這種結構會使炸藥產生不對稱的爆轟波，推動鋼板快速而劇烈的消耗和切割射流，使得“接觸-1”的防護效果明顯優于西方的爆炸反應裝甲。“夾克衫”和“接觸-1”為第一代爆炸反應裝甲的典型代表，其僅能對威力較小的破甲彈有較好的防御效果，無法防御穿甲彈及串聯戰斗部。

第二代爆炸反應裝甲結構與第一代相似，通過加厚內部的鋼板及使用熱敏感度較高的炸藥，使得穿甲彈在爆轟產物及面/背板運動的共同作用下發生偏轉或斷裂，從而實現對穿甲彈的防御。其典型代表為蘇聯的“接觸-5”。

第三代爆炸反應裝甲防護能力較前兩代有了進一步提升，當此種爆炸反應裝甲夾層裝藥被引爆時，會在反應裝甲內部形成毀傷元對串聯戰斗部的后級主戰斗部造成干擾，從而實現對破甲彈、穿甲彈和串聯戰斗部的全方位防護。

近年來，爆炸反應裝甲的結構趨向復雜化發展，出現了雙層甚至三層復合的爆炸反應裝甲。姬龍等對雙層爆炸反應裝甲作用場進行了分析和試驗研究，發現雙層爆炸反應裝甲對射流的防護能力有了明顯提升。呂竹文等對W型和N型的3層爆炸反應裝甲對射流的干擾進行了研究，發現當射流垂直入射時，W型對射流的干擾明顯優于N型；而當入射角僅為45°時，N型對射流的干擾能力最佳，比W型干擾射流開坑能力提高了3.17倍。

可見，多層爆炸反應裝甲的結構明顯優于單層爆炸反應裝甲，但會增加反應裝甲盒的體積和質量，同時不同的多層結構也會對反應裝甲的性能造成不同的影響。如何平衡爆炸反應裝甲的質量與防護性能的矛盾，是未來研究的重點。

3 串聯破甲戰斗部作用機理

3.1 串聯破甲戰斗部毀傷原理

串聯破甲戰斗部一般由兩級聚能裝藥通過串聯組合而成。當戰斗部與目標相碰撞時，前級裝藥首先起爆，形成射流穿透爆炸反應裝甲面板從而引爆其內部的炸藥，炸藥爆炸產生的爆轟產物推動面/背板相背運動，切割和消耗前級射流。再通過設置合理的時間延遲，使后級裝藥形成的射流不會受到爆炸反應裝甲的干擾，進而實現破甲威力的最大化。

3.2 聚能射流侵徹理論

Birkhoff等最早描述了射流侵徹的分析模型，同時利用一維流體動力學理論對射流侵徹問題進行了討論。他們假設靶體和射流均為理想不可壓縮的無黏性流體，射流和靶板相互作用的過程是穩態的且忽略靶板強度，是為定常侵徹理論。并得出了射流侵徹深度的計算公式為：

(1)

式中：和分別為射流和靶體密度；為射流長度。Pack和Evans在定常侵徹理論的基礎上對斷裂射流的侵徹進行了研究，他們認為射流侵徹深度隨炸高的增加而增加，然而這與實驗結果不符。

Allison等假設存在一虛擬源，虛擬源是所有射流發出的點源，射流長度為零。DiPersio等在Allison和Vitali虛擬源理論的基礎上加以改進，得到了DSM理論，是為準定常侵徹理論。該理論均以計算射流深度的經驗公式為基礎，并沒有反應射流侵徹隨炸高變化的物理現象。Eichelberger測得了射流侵徹深度隨時間變化的關系曲線，驗證了一維流體動力學侵徹理論公式的正確性。

3.3 射流與爆炸反應裝甲反應機理

射流與爆炸反應裝甲接觸一般會產生2種情況：一種是射流擊穿爆炸反應裝甲外層鋼板，并引爆其內部的惰性炸藥；另一種是射流在整個爆炸反應裝甲中間形成一個一定直徑的孔洞，但不引爆其內部的惰性炸藥。

射流對爆炸反應裝甲“穿而不爆”

孫華使用AUTODYN有限元仿真軟件研究了以低密度的非金屬材料作為聚能裝藥藥型罩材料，利用其低密度的特點，使帶殼裝藥 “穿而不爆”的現象，為后級主射流侵徹主裝甲清除障礙。

由于非金屬材料的密度較低，因此其形成的射流侵徹性能較金屬射流大幅降低。并且低密度射流在穿透帶殼裝藥的過程中消耗了大量動能，僅對主裝甲有一個開坑作用，無明顯侵徹能力。然而非金屬射流并不能穩定達到“穿而不爆”的效果，并且由于非金屬射流能量較低，射流所形成的孔徑較小，后級主射流在穿過孔時也可能引爆爆炸反應裝甲中的惰性炸藥。

可見目前這一技術仍不成熟，不能實際應用。如何使用非金屬射流在爆炸反應裝甲上開出足夠后級射流安全通過的穿孔是未來非金屬藥型罩研究的重點。

射流引爆爆炸反應裝甲

射流引爆爆炸反應裝甲的過程較為復雜，與射流速度、直徑、炸藥性能、面板材料及厚度有關。Chick和Bussell等對此進行了研究，發現對于單層爆炸反應裝甲而言，其引爆判據為：

=

(2)

式中：、分別為射流穿過面板后的速度和頭部直徑。可見射流穿過面板后的速度和頭部直徑是其能否引爆爆炸反應裝甲的關鍵因素。

當金屬射流穿透外殼和第一層金屬薄板后，會引爆金屬薄板中間的鈍感炸藥，炸藥爆炸會驅動金屬薄板沿法向方向相背運動。在爆轟波的作用下，上層的金屬薄板與射流相向運動，對聚能射流造成強烈干擾，使之失效或部分失效。根據射流與金屬面板作用是否穩定，爆炸反應裝甲對射流的干擾模型可分為以下3種：

1) 卵石干擾模型

Mayseless等基于對射流和金屬板的相互作用現象研究提出了卵石干擾模型，該模型認為，在射流和金屬板作用不穩定時期，射流會暫時的脫離與金屬面/背板的接觸。但隨著坑的擴展速度下降，射流會重新接觸面/背板，這一過程重復出現，使得射流受到板的周期性干擾，形成一個斷裂的卵石干擾模型。

2) 穩定干擾模型

當低速的射流微元與面/背板發生相互作用時，射流擴孔的速度降低使得射流始終不能脫離與面/背板的接觸，從而形成連續的射流與面/背板發生作用，在射流和面/背板之間形成一個相對穩定的作用面。在這個過程中，射流會使面板出現鑰匙型孔洞，面板會使射流直徑減小，并使殘余射流發生偏轉。

3) 間隙逃逸模型

射流與面板的作用過程可大致分為3個階段：① 頭部射流與面板發生碰撞，射流侵徹面板形成大于射流直徑的穿孔，并消耗一部分射流；② 射流與面板作用產生大于射流直徑的穿孔，射流與面板之間產生間隙，部分后續射流通過穿孔而不接觸面板，此段射流稱為逃逸射流；③ 面板擁有橫向的速度，因此會持續移動，在面板移動一定距離后，射流會與面板再次接觸，重新開坑。通過上述過程，射流會受到面板周期性的干擾，使連續的射流被面板截斷，變成不連續射流。

目前認為爆炸反應裝甲對射流的干擾主要體現在2個方面：一種是飛板的干擾，另一種是爆轟場的干擾。如何在不同的射流作用階段選用適當的干擾模型，是未來射流侵徹爆炸反應裝甲研究的重點。

4 串聯破甲戰斗部相關技術

串聯破甲戰斗部一般由兩級聚能裝藥通過串聯組合而成。前級和后級戰斗部一般具有不同的狀態，前級戰斗部用來引爆爆炸反應裝甲，應具有足夠的威力且破甲性能要穩定。后級戰斗部為串聯破甲戰斗部的主戰斗部，對坦克主裝甲的侵徹主要由此部分形成的射流完成。崔魁文等對反坦克導彈串聯戰斗部進行了綜述，常海昕等對國外便攜式反坦克導彈進行了綜述。

4.1 破甲戰斗部技術

串聯戰斗部由前后兩級破甲戰斗部串聯而成。對破甲戰斗部而言，藥型罩是形成金屬射流的母體，其結構參數會對金屬射流的形態及其他參數造成直接影響，進而影響射流的破甲威力，可見藥型罩的設計非常關鍵。

大密度材料藥型罩的應用

由密度定律結合射流形成理論可知，對射流侵徹威力影響最大的因素是射流密度和射流長度，因此密度更大、塑性更好的藥型罩材料能顯著提升射流侵徹威力。并且藥型罩材料的晶粒度也對射流成型和侵徹有很大影響，晶粒越小，射流的性能越好。幾種材料的藥型罩性能參數見表1。

表1 幾種材料的藥型罩性能參數Table 1 comparison of properties of several materials for drug cover

由表1可知，鎳與銅密度相近，但鎳的聲速要高于銅，因此鎳藥型罩形成的射流具有更高的頭部速度。文獻[26]對藥型罩材料和炸藥類型對聚能裝藥侵徹效能的影響進行了研究；趙麗俊等對不同材料藥型罩的破甲威力進行了數值模擬和實驗研究，發現鉬合金藥型罩破甲威力比銅藥型罩有所提高；趙紫盈對鎢銅合金藥型罩的破甲特性及破甲機理進行了研究，發現其破甲穿深比相同結構銅藥型罩提高了30%。可見，大密度的藥型罩材料確實可以提高射流的侵徹威力，但部分大密度金屬加工性能較差，且取材不便，限制了大密度藥型罩的發展，如何更好的制造密度更大的藥型罩是未來研究的重點。

活性材料藥型罩的應用

活性材料是一種活性復合結構材料，其毀傷元以較高速度碰撞和侵徹目標時，會在穿孔內產生燃燒或殺傷元素，從而提高侵徹威力。

張雪朋等對活性射流作用在鋼靶上的侵徹爆炸聯合效應進行了研究，發現活性射流侵徹深度小于金屬射流，但其侵徹孔徑明顯大于金屬射流，并伴隨有強烈的爆裂毀傷效應。文獻[30]對鎳-鋁和銅鎳-鋁混合物作為聚能裝藥藥型罩材料的反應性和侵徹性能進行了研究。郭煥果等對一種活性-銅復合罩聚能裝藥結構射流成型及侵徹鋼靶進行了研究。發現活性-銅射流的侵徹深度明顯高于單一活性射流。可見，活性藥型罩更適合作為前級戰斗部的藥型罩使用，可以擴大開孔直徑，確保前級可靠引爆爆炸反應裝甲。

藥型罩結構

在聚能裝藥中，藥型罩的形狀一般有圓錐形、半球形以及喇叭形等。喇叭形藥型罩可視為錐角連續變化的錐形罩，其可以增加藥形罩的母線長度，從而使射流的有效質量、裝藥質量均有所提高。進而形成破甲侵徹能力更強的聚能射流，但由于加工工藝存在問題，使其破甲穩定性較差。聚能裝藥中應用最廣泛和最成功的藥型罩形狀是單錐形，此種形狀的藥型罩各項技術參數都比較成熟，也易于實現，其破甲性能和工藝性能都比較好。

阮光光等設計了一種喇叭-錐角結合藥型罩，通過數值模擬發現其射流速度比錐角形藥型罩提高約9.54%，對45鋼板的侵徹深度提高約19.82%。陳闖等設計了一種頂部小錐角、口部大錐角的雙錐形藥型罩，發現雙錐藥型罩上錐形成的射流頭部速度較高，下錐形成的射流直徑較大，實現了不同錐角單錐罩優點的兼顧。王志軍等設計了一種新的藥型罩結構，其將藥型罩壁有規律的向內折疊，使炸藥與藥型罩接觸面積提高。通過數值仿真研究，發現相較于典型單錐藥型罩，該藥型罩所形成的多股射流會匯聚成一股射流，使射流的侵徹能力明顯提高。

可見，設計性能更為優異的藥型罩結構是提升聚能裝藥破甲威力的有效途徑。

4.2 高能炸藥

聚能裝藥所用炸藥應滿足有足夠的機械強度和臨界應力、高爆速、高爆壓、安定性及相容性好以及工藝性優越等要求。目前，國內外破甲彈中使用的炸藥主要是用黑索金(RDX)或奧克托今(HMX)與高分子材料黏合制成的高分子黏合炸藥，技術比較成熟。上述炸藥屬第二代炸藥，第三代的炸藥如DNTF、CL-20等威力較HMX有15%的提升，可大幅提高聚能裝藥威力。第四代的炸藥如N4、N6、N8等氮原子族化合物炸藥正在研制中，預計會使HMX炸藥的威力提升數倍。

雖然第三代的炸藥性能比二代炸藥有所提高，但由于技術還不是特別成熟，使得炸藥成本過高，并且在壓制藥柱過程中容易出現安全問題。如何降低三代炸藥的成本問題以及更安全的使用三代炸藥是未來高能炸藥研究的重點。

4.3 隔爆裝置

由于串聯破甲戰斗部是兩級聚能裝藥串聯，前級裝藥爆炸后爆轟產物和空氣沖擊波直接作用在后級藥型罩上，會產生較大的沖量和沖擊波超壓，對后級裝藥造成破壞，影響后級裝藥射流形成，使后級射流的速度降低、破甲威力下降，甚至可能引爆后級裝藥。

在前、后級戰斗部中間設計一隔爆裝置，一方面此裝置應具有一定的強度，可以阻礙前級戰斗部的爆轟產物和破片向后飛散對后級戰斗部造成影響，同時強度不宜過大，否則會消耗后級形成的主射流；另一方面此裝置應對爆轟波有一定的吸收和阻礙作用，可以避免前級戰斗部爆炸產生的沖擊波對后級藥型罩造成的影響。

1) 隔爆裝置材料

隔板要采用材料聲速低、隔爆性能好的惰性材料。目前，應用比較廣泛的隔爆材料為泡沫鋁、聚氨酯塑料等。田杰等對泡沫鋁的動態力學性能和抗爆震結構進行了研究，發現泡沫鋁能有效降低次生沖擊波的超壓，且脆性泡沫鋁可以改變沖擊波的形狀，大大降低沖擊波的峰值應力。王永剛等對泡沫鋁在爆炸載荷下的沖擊波衰減特性進行了研究。陳網樺等對硬質聚氨酯泡沫塑料隔爆性能進行了研究，發現密度會顯著影響聚氨酯塑料的力學性能和隔爆性能，在一定的范圍內，密度越大，效果越好。

2) 隔爆裝置形狀

形狀不同的隔爆體對爆轟波的阻隔作用也不盡相同，一般情況下，隔爆材料厚度達到25 mm即可滿足隔爆要求。王珞冰研究了4種不同形狀的隔爆體(如圖1所示)對爆轟波的阻礙作用，發現使沖擊波衰減幅度最大的是內凹形(b)的隔爆體。

圖1 不同形狀的隔爆體Fig.1 Different shapes of explosion-proof body

4.4 起爆方式

射流是由炸藥爆炸產生的爆轟波壓縮藥型罩產生，在其他條件一定的情況下，起爆方式決定了爆轟波的形式。而藥型罩受爆轟載荷的作用形成射流，所以起爆方式對射流有重要影響。目前聚能裝藥通常采用增加隔板的方式來改變爆轟波波形，減小爆轟波陣面與藥型罩壁面夾角，從而提高射流速度。然而實驗表明，隔板會增加射流侵徹深度的不穩定性。可見，更為精密的隔板和裝藥匹配設計是其未來的主要發展方向。

5 破甲/殺傷復合戰斗部技術

隨著現代武器裝備和作戰方式的不斷發展，常規的串聯破甲戰斗部已經不能滿足戰場作戰的需要，設計功能更加多樣的串聯破甲戰斗部勢在必行。通過在串聯破甲戰斗部后級裝藥周向填充鎢合金破片，從而使戰斗部既能打擊地面重裝甲目標，也能打擊空中低速的直升機類目標。

王利俠等設計了一種破甲/殺傷多用途戰斗部，該戰斗部使用了新型薄型波形控制器、半預制殼體和精密破甲戰斗部技術，從而在保持原單兵破甲戰斗部質量、外形結構和破甲威力基本不變的條件下實現了復合戰斗部多目標打擊需求。

張俊等利用LS-DYNA軟件對一種軸向EFP、周向預制破片的新型破甲殺傷復合戰斗部進行了數值模擬研究。數值模擬結果表明，在聚能裝藥戰斗部周向增設預制破片可以在不影響戰斗部成型的基礎上擴展其毀傷效應，而且破片場對目標周圍的有生力量與輕型裝甲具有較強的毀傷能力。

6 結論

1) 破甲戰斗部技術始終緊密針對坦克防護技術的發展而進步，兩者互相制約又互相促進，串聯破甲戰斗部仍將是未來很長一段時間內對付爆炸反應裝甲的主要毀傷技術。

2) 使用低密度的非金屬射流對爆炸反應裝甲實現穩定的“穿而不爆”是前級戰斗部技術未來的一個重要發展方向。

3) 采用大密度、小晶粒度以及活性的藥型罩材料是提高破甲戰斗部侵徹威力的主要技術途徑。

4) 使用破甲和其他毀傷類型相結合的技術是串聯破甲戰斗部未來的一個重要發展方向。