活性药型罩聚能装药结构的设计

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：由此可见，最大炸药爆速与活性药型罩锥角之间的关系曲线对活性药型罩聚能装药结构设计具有重要的意义，通过调整活性药型罩锥角及与之对应的炸药类型，就可有效改善活性射流凝聚性问题。由此可见，在活性药型罩聚能装药结构设计中，需对活性药型罩锥角和临界炸药爆速进行匹配性设计，综合考虑活性射流头部速度和凝聚性。

1.活性射流凝聚性条件

数值模拟与成形实验表明，在活性药型罩形成活性射流的过程中，头部易出现发散膨胀效应。为获得活性射流凝聚性条件，现基于惰性金属射流成形条件、凝聚性条件及PER理论，分析活性射流凝聚性条件。

PER理论计算模型如图2.74所示，图中α为活性药型罩半锥角，δ为变形角，β为压垮角，v0为压垮速度，v1为碰撞点运动速度，v2为活性药型罩相对流动速度。在△PAB中，通过正弦定理可得

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图2.74　PER理论计算模型

根据几何关系，又有

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式中，U为爆轰波沿PQ扫过活性药型罩表面的速度，可表述为

式中，D为炸药爆速。

联立式（2.15）和式（2.16），可得

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通过式（2.17），可将压垮速度v0与炸药爆速D进行联系。

将式（2.17）代入式（2.13）与式（2.14），可得

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在静止坐标系中，活性射流速度vj可表述为

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研究表明，活性射流凝聚性与活性药型罩相对流动速度v2和活性药型罩材料声速c有关。v2＜c，活性药型罩相对流动速度为亚声速，将形成密实、凝聚的活性射流；v2＞c，活性药型罩相对流动速度为超声速，碰撞点产生冲击波，冲击波后射流又以亚声速碰撞，这种情况将不会形成凝聚性活性射流。由此可见，活性射流凝聚性在很大程度上取决于活性药型罩材料声速。活性药型罩材料声速较高，将有利于形成凝聚性活性射流。

一般来讲，活性药型罩材料声速c远低于普通惰性金属材料，因此适用于惰性金属药型罩聚能装药的一些设计原则，将不适用于活性药型罩聚能装药设计。按射流最大头部速度设计原则，易使活性药型罩相对流动速度v2大于材料声速，导致活性射流出现不凝聚现象。然而，活性药型罩相对流动速度v2也不能过小，否则会影响活性射流头部速度，尤其是当v2过小时，活性药型罩将无法形成活性射流。通过数值仿真可知，对于给定的聚能装药结构，通过改变活性药型罩结构或装药类型，如活性药型罩锥角增大或炸药爆速减小，均可以有效改善活性射流头部发散程度，从而提高活性射流能量及利用率。

2.炸药爆速与活性药型罩锥角的匹配性

活性药型罩相对流动速度v2与活性药型罩半锥角α、炸药爆速D、压垮角β、变形角δ有关。射流形成定常成形理论下，β、δ为常数，v2只与α、D有关，即活性射流凝聚性与活性药型罩锥角及炸药爆速相关。从式（2.20）可以看出，活性药型罩半锥角α和炸药爆速D则同时决定活性射流头部速度。当活性药型罩材料确定时，在保证活性射流形貌良好的同时，应使活性射流具有较大的头部速度，可对活性药型罩半锥角α及炸药爆速D进行匹配设计。

令式（2.19）中的v2=c，当变形角δ为10°时，取活性材料声速c为1 500 m/s、2 000 m/s、2 500 m/s三种，可得到炸药爆速与活性药型罩锥角的关系，如图2.75所示。从图中可以看出，给定活性药型罩材料声速时，曲线上各点描述在一定活性药型罩锥角下，活性射流凝聚时所能承受的最大炸药爆速，或在该炸药爆速下，活性射流凝聚时所最对应的最小活性药型罩锥角。从曲线形态上来看，炸药爆速与活性药型罩锥角之间呈近似线性关系，对某给定材料的活性药型罩，当活性药型罩锥角与炸药爆速对应位置位于曲线下方时，表明该活性药型罩聚能装药会形成凝聚态活性射流；若位于曲线上方，则表明形成的活性射流会呈现非凝聚特征。

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图2.75　炸药爆速与活性药型罩锥角的关系

当活性药型罩材料给定时，随着活性药型罩锥角的增大，活性药型罩在形成凝聚态活性射流时所需要的最大炸药爆速也不断增加。例如，当活性材料声速为2 000 m/s时，活性药型罩锥角为60°时，对应的最大临界炸药爆速为4 987 m/s，也就是说，当所用炸药爆速高于这个临界值，所形成的活性射流就会出现不凝聚现象，且随着炸药爆速的进一步提高，活性射流不凝聚现象更严重。

然而，当活性药型罩锥角为80°时，对应的最大临界炸药爆速增至5 944 m/s，临界炸药爆速的增加会大幅提升活性射流头部速度，且可选择的炸药种类也会增加。由此可见，最大炸药爆速与活性药型罩锥角之间的关系曲线对活性药型罩聚能装药结构设计具有重要的意义，通过调整活性药型罩锥角及与之对应的炸药类型，就可有效改善活性射流凝聚性问题。

对于给定的药型罩结构，提高活性材料声速时，最大临界炸药爆速也会大幅提高。具体表现为，活性材料声速从1 500 m/s增加到2 000 m/s及2 500 m/s时，活性药型罩锥角为60°，对应临界炸药爆速从3 740 m/s提高到4 987 m/s及6 234 m/s，这表明活性材料声速每提高500 m/s，临界炸药爆速提高25%～33%。对于给定的聚能装药结构，除了改变活性药型罩锥角和炸药类型外，还可通过改良活性材料配方或制备工艺，提高活性药型罩材料声速。

3.凝聚性条件下活性射流头部速度

根据射流成形准定常理论，改变活性药型罩锥角或炸药爆速均会直接影响活性射流头部速度，从而进一步影响活性射流侵彻效应。在活性射流凝聚的前提下，可得到活性射流头部速度和活性药型罩锥角之间的关系，如图2.76所示。从图中可以看出，活性射流头部速度随活性药型罩锥角的增大而不断增加，即当所形成的活性射流为凝聚态时，活性药型罩锥角越大，所形成的凝聚态活性射流头部速度越高。这一点与惰性金属射流的成形规律有所不同。

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图2.76　活性射流头部速度与药型罩锥角的关系

一般来讲，金属射流头部速度与药型罩锥角成反比。活性药型罩材料确定时，随着活性药型罩锥角的增加，形成凝聚态活性射流所需的临界炸药爆速增大，且临界炸药爆速与活性射流头部速度成正比。由此可见，在活性药型罩聚能装药结构设计中，需对活性药型罩锥角和临界炸药爆速进行匹配性设计，综合考虑活性射流头部速度和凝聚性。换句话说，聚能装药结构、活性药型罩材料和锥角给定时，并非炸药爆速越高，活性射流侵彻效应就会越好，而是要根据着活性药型罩锥角选择合适的炸药类型。

活性材料声速不同时，活性射流头部速度与活性药型罩锥角之间的关系如图2.77所示。从图中可以看出，活性药型罩锥角给定时，活性射流头部速度随着活性材料声速的增加而不断增加。这主要是因为，活性材料声速较高时，形成凝聚态活性射流所需的临界炸药爆速越大，相同活性药型罩锥角下，炸药爆速的提高会使活性射流头部速度显著提高。具体表现为，活性药型罩锥角为60°、活性材料声速分别为1 500 m/s、2 000 m/s和2 500 m/s时，形成凝聚态活性射流所需的最大临界炸药爆速分别约为3 740 m/s、4 987 m/s和6 234 m/s，所对应的凝聚态活性射流头部最大速度分别为3 428 m/s、4 571 m/s和5 714 m/s，即活性材料声速提高500 m/s，凝聚态活性射流头部最大速度约提高1 143 m/s。结合图2.75，对于给定的活性药型罩结构，通过提高活性材料声速，可以选择炸药爆速较高的炸药类型，从而保证活性射流头部速度。

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图2.77　不同活性材料声速下活性射流头部速度与药型罩锥角的关系

当活性药型罩锥角为80°，活性材料声速为1 500 m/s、2 000 m/s和2 500 m/s时，形成凝聚态活性射流所需最大临界炸药爆速分别约为4 458 m/s、5 944 m/s和7 429 m/s，对应凝聚态活性射流头部最大速度分别为3 798 m/s、5 064 m/s和6 360 m/s，活性射流头部速度约提高1 260 m/s。活性药型罩锥角越大，材料声速每提高500 m/s，凝聚态活性射流头部最大速度增幅越大。其主要原因在于，对于给定的活性药型罩锥角，活性材料声速提高时，凝聚态活性射流成形对应的临界炸药爆速显著增加，使活性射流头部速度显著提高。

活性药型罩聚能装药结构的设计

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