在上升段，超压曲线近似线性，罐体内压力均在10 ms内由环境压力升至峰值压力，这表明活性聚能侵彻体在罐体内发生了剧烈爆燃反应，释放了大量热量并产生了强烈内爆效应。活性药型罩壁厚对罐体内活性聚能侵彻体爆燃正压持续作用时间有显著影响，正压持续作用时间随着活性药型罩壁厚增加逐渐增大，3种壁厚下正压持续作用时间平均值分别为41.93 ms、46.00 ms和62.98 ms。......
2023-06-18
探究靶后化学能释放效应的影响因素
【摘要】：为了研究靶板厚度对靶后化学能释放特性的影响规律，活性药型罩聚能装药在炸高为1.0 CD的条件下侵彻钢靶，钢靶厚度h分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm。图3.25活性药型罩密度对靶后超压效应的影响表3.1炸高对活性聚能侵彻体靶后超压效应的影响在炸高为1.5 CD的条件下，活性药型罩密 度 为5.1 g/cm3、6.5 g/cm3和8.5 g/cm3所形成的活性聚能侵彻体均可穿透60 mm厚的钢靶，穿靶后在125 L密闭容器内产生的超压分别约为0.12
1.靶板厚度的影响
对于给定的活性药型罩聚能装药结构，靶板厚度主要影响活性聚能侵彻体进入靶后的活性材料质量。为了研究靶板厚度对靶后化学能释放特性的影响规律，活性药型罩聚能装药在炸高为1.0 CD的条件下侵彻钢靶，钢靶厚度h分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm。图3.17所示为活性聚能侵彻体作用不同厚度钢靶爆燃压力时程曲线。
可以看出，后效超压波形与炸药爆轰产生的超压波形类似，但持续时间更长（＞15 ms），主要由上升段和下降段组成。超压测试罐内超压的上升段持续时间约为几毫秒，表明进入超压测试罐内的活性聚能侵彻体发生了强烈的爆燃反应。超压上升至峰值压力后即开始下降，主要原因在于，一方面，剩余活性聚能侵彻体完全反应后，无气体产物继续产生；另一方面，侵孔的泄压效应越发显著，导致超压测试罐内超压下降段持续数十毫秒。此外，图中动态压力曲线均可观察到震荡，这主要是由罐体内冲击波反射造成的。
根据活性聚能侵彻体作用于不同厚度钢靶后形成的压力时程曲线，穿靶后剩余活性聚能侵彻体爆燃反应形成的超压峰值对比如图3.18所示。钢靶厚度对靶后超压峰值影响显著，靶后超压峰值随钢靶厚度的增加而逐渐减小。钢靶厚度为2 mm时，质量为30 g的活性药型罩形成的活性聚能侵彻体进入125 L超压测试罐内产生的超压约为0.36 MPa；钢靶厚度从10 mm增至50 mm时，靶后超压峰值从0.34 MPa减小至0.19 MPa。当钢靶厚度进一步增加至60 mm时，活性聚能侵彻体未穿透钢靶，超压峰值为0.005 1 MPa，主要原因可能是炸药爆轰波作用在罐壁面导致压力传感器产生测量误差。
图3.17 活性聚能侵彻体作用不同厚度钢靶爆燃压力时程曲线
图3.17 活性聚能侵彻体作用不同厚度钢靶爆燃压力时程曲线（续）
图3.17 活性聚能侵彻体作用不同厚度钢靶爆燃压力时程曲线（续）
图3.18 钢靶厚度对靶后超压峰值的影响
事实上，高速活性聚能侵彻体侵彻钢靶，且靶板厚度较小时，侵彻钢靶主要消耗活性聚能侵彻体头部，罐内超压主要是侵彻体中间段和杵体段爆燃产生；随着钢靶厚度的增加，活性聚能侵彻体头部和中间段消耗增加，此时，靶后超压主要取决于杵体段爆燃效应。由此可见，随着钢靶厚度的增加，进入罐体内的活性材料质量逐渐减小，从而导致靶后超压呈下降趋势。
从超压曲线可以看出，与炸药爆轰产生的“高峰短时”载荷特性不同，活性聚能侵彻体爆燃反应形成的载荷具有“低峰长时”特征。本质上讲，除活性聚能侵彻体靶后超压峰值外，罐内超压作用时间对活性聚能侵彻体能量输出结构也有重要影响。活性聚能侵彻体穿透不同厚度钢靶后，罐体内超压上升时间和爆燃正压持续作用时间如图3.19和图3.20所示。
图3.19 钢靶厚度对超压上升时间的影响
图3.20 钢靶厚度对爆燃正压持续时间的影响
从图中可以发现，随着钢靶厚度的增加，罐体内正压上升时间逐渐增加，但正压持续时间呈减小趋势。从机理上分析，当炸高相同时，侵彻钢靶时活性聚能侵彻体状态参数相同，但随着钢靶厚度的增加，活性聚能侵彻体穿透钢靶时消耗的质量越多，靶后爆燃反应活性材料越少，导致正压持续时间减少。
2.炸高的影响
炸高主要影响活性聚能侵彻体成形形貌和射流头部速度，进而影响破甲参数和进入超压测试罐内活性材料的质量。为了研究炸高对活性聚能侵彻体靶后超压特性的影响规律，针对口径为40 mm的活性药型罩，钢靶厚度选择30 mm，炸高分别设定为0.5 CD、1.0 CD、1.5 CD和2.0 CD。在不同炸高下，活性聚能侵彻体穿靶后所形成的爆燃压力曲线如图3.21所示，炸高对活性聚能侵彻体靶后爆燃压力特性的影响如图3.22～图3.24所示。
图3.21 不同炸高下活性聚能侵彻体靶后超压曲线
图3.21 不同炸高下活性聚能侵彻体靶后超压曲线（续）
图3.22 炸高对超压峰值的影响
图3.23 炸高对超压上升时间的影响
图3.24 炸高对正压持续时间的影响
从靶后超压峰值压力可以看出，在4种炸高下，质量为30 g的活性药型罩形成的活性聚能侵彻体穿透30 mm厚钢靶在罐体内产生的超压均超过了0.2 MPa；随着炸高从0.5 CD增加至2.0 CD，活性聚能侵彻体破甲后效超压峰值先增大后逐渐减小；特别地，当炸高为1.0 CD时，罐体内超压峰值可达0.26 MPa。
从本质上讲，活性聚能侵彻体破甲后效爆燃压力主要取决于进入超压测试罐内的活性材料质量。从聚能装药侵彻机理看，炸高过小时，活性聚能侵彻体还未得到有效拉伸，直径较大，不利于破甲，同时侵彻单位厚度钢靶时消耗的活性聚能侵彻体单位质量较多，使进入罐体内的活性材料质量减少，造成爆燃压力较小。然而，随着炸高的增加，一方面，炸高越大，活性聚能侵彻体碰靶所需时间越长，相应的侵彻时间就减少；另一方面，大炸高下，活性聚能侵彻体拉伸较长，直径较小，在一定弛豫时间内，进入靶后的活性材料质量减少，造成罐体内爆燃压力下降。也就是说，在给定活性药型罩聚能装药和靶板的条件下，存在某一合适炸高，使活性聚能侵彻体靶后爆燃压力效应最为显著。
3.活性药型罩密度的影响
活性药型罩密度对破甲能力和靶后超压效应影响显著，从定常理想流体力学理论的角度出发，射流侵彻深度与射流速度无关，仅与活性聚能侵彻体的长度和密度有关。炸高和靶板密度不变时，射流破甲能力与自身密度的平方根成正比，即侵彻深度随着活性聚能侵彻体密度的增加而逐渐增大。
为了分析活性药型罩密度对靶后超压效应的影响，分别选择密度ρ为5.1 g/cm3、6.5 g/cm3和8.5 g/cm3的3种活性药型罩。贯穿60 mm厚的钢靶后，在超压测试罐内产生的压力时程曲线如图3.25所示，相关超压数据列于表3.1。
图3.25 活性药型罩密度对靶后超压效应的影响
表3.1 炸高对活性聚能侵彻体靶后超压效应的影响
在炸高为1.5 CD的条件下，活性药型罩密 度 为5.1 g/cm3、6.5 g/cm3和8.5 g/cm3所形成的活性聚能侵彻体均可穿透60 mm厚的钢靶，穿靶后在125 L密闭容器内产生的超压分别约为0.12 MPa、0.05 MPa和0.06 MPa。与同质量、密度为2.3 g/cm3的活性药型罩相比，虽然增加活性药型罩的密度可以穿透更厚的靶板，但是靶后产生的超压峰值大幅下降。从机理上讲，活性材料密度增加，单位质量活性药型罩材料的含能量降低，从而显著影响罐体内的爆燃压力。但随着活性药型罩密度的提高，活性聚能侵彻体贯穿相同厚度的钢靶后，爆燃压力先减小后略微增大。这主要是因为，一方面，对于同口径聚能装药，随着活性药型罩密度的提高，活性聚能侵彻体的破甲威力增强，侵彻同等厚度的靶板时，进入靶后的活性材料质量增多；另一方面，活性药型罩密度越大，单位质量活性材料的含能量越低，爆燃所释放的能量越少，即罐体内活性材料质量和不同密度材料的含能量共同决定爆燃压力峰值。
从罐体内爆燃压力作用时间来看，随着活性药型罩密度增加，罐体内压力上升时间逐渐延长而正压持续作用时间缩短。对于这种类型的活性药型罩来说，密度越高，一方面，材料含能量越低，爆燃反应速率就越小；另一方面，贯穿相同厚度的钢靶，高密度活性聚能侵彻体进入罐体内的活性材料质量较多，这二者共同作用造成罐体内爆燃压力上升时间增加。
4.活性药型罩结构的影响
为了提高活性药型罩聚能装药侵彻深度，一般而言，除了增加活性药型罩密度之外，还可通过改变活性药型罩结构实现。基于传统的惰性金属射流（如铜射流、钨射流）的大侵深优势，可在活性药型罩内侧加一层金属药型罩，形成复合药型罩聚能装药。在成型装药爆炸驱动下，内层金属药型罩首先形成高速射流，实现对目标的大侵深，随后外层活性药型罩材料随进目标内部发生爆燃反应，从而提高对目标的结构破坏及后效增强毁伤效应。
对于复合药型罩活性聚能装药，活性药型罩壁厚对复合聚能侵彻体的成形特性、侵彻威力及进入靶后的有效活性材料质量都有显著影响。复合结构活性聚能装药口径为40 mm，活性药型罩壁厚t分别为2.4 mm、2.8 mm、3.2 mm和3.6 mm。在炸高为1.5 CD的条件下，4种复合聚能侵彻体均穿透了60 mm厚的钢靶，超压测试罐内爆燃压力曲线如图3.26所示，相关数据列于表3.2。
图3.26 活性药型罩壁厚对靶后超压特性的影响
图3.26 活性药型罩壁厚对靶后超压特性的影响（续）
表3.2 活性药型罩壁厚对靶后超压特性的影响
随着活性药型罩壁厚增加，复合活性聚能侵彻体穿靶后形成的超压峰值逐渐增大；当活性药型罩壁厚为3.6 mm时，复合活性聚能侵彻体贯穿60 mm厚的钢靶后产生的超压峰值约为0.14 MPa。从本质上讲，对于确定的聚能装药结构和装药类型，活性药型罩壁厚除了影响进入靶后的活性材料质量外，对活性聚能侵彻体的反应弛豫时间也有显著影响，通常随着活性药型罩壁厚的增加，反应弛豫时间会增大，从而延长了复合聚能侵彻体的侵彻时间，进一步增加进入罐体内的活性材料质量，使爆燃压力显著增加。
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