馬彬， 黃正祥， 祖旭東， 肖強(qiáng)強(qiáng)， 賈鑫

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

時(shí)序控制對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程的影響

馬彬， 黃正祥， 祖旭東， 肖強(qiáng)強(qiáng)， 賈鑫

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

基于改變時(shí)序控制的相關(guān)侵徹深度實(shí)驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程中的時(shí)序控制作用進(jìn)行研究。采用兩種不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)磁體(Ⅰ型和Ⅱ型)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，在其他條件不變的情況下，改變實(shí)驗(yàn)的時(shí)序控制，分析受強(qiáng)磁場(chǎng)作用后聚能射流的侵徹深度以及侵徹通道的孔形，研究相同電路結(jié)構(gòu)、不同時(shí)序控制作用下強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)聚能射流穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：時(shí)序控制是強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程中的重要影響因素之一；由于聚能射流的主要侵徹能力集中在中前段，通過(guò)時(shí)序控制，使強(qiáng)磁場(chǎng)充分與聚能射流中前部發(fā)生作用，能有效地提高聚能射流侵徹效能；對(duì)于Ⅰ型強(qiáng)磁體，通過(guò)時(shí)序調(diào)整，φ56 mm聚能裝藥形成的射流侵徹能力由初始增加1.7%提高到增加32.8%；對(duì)于Ⅱ型強(qiáng)磁體，由初始增加1.6%提高到增加69.4%.

兵器科學(xué)與技術(shù)； 聚能射流； 磁場(chǎng)； 時(shí)序控制； 穩(wěn)定性

0 引言

隨著裝甲目標(biāo)防護(hù)性能的不斷提升，間隙裝甲、復(fù)合裝甲以及柵格裝甲逐步投入戰(zhàn)場(chǎng)，這些裝甲的主要作用原理就是使聚能射流提早斷裂，同時(shí)增加聚能裝藥的炸高，利用其空隙使聚能射流出現(xiàn)斷裂失穩(wěn)，從而達(dá)到減小破甲戰(zhàn)斗部毀傷效果的目的[1]。為了有效對(duì)付這類新型裝甲，就需要增加大炸高下聚能射流的穩(wěn)定性，從而提高其侵徹能力。

提高聚能戰(zhàn)斗部的毀傷能力一直是國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)提高聚能射流侵徹能力的研究主要集中在新結(jié)構(gòu)藥型罩的設(shè)計(jì)、藥型罩新材料的應(yīng)用、炸藥性能的提高、起爆方式的選擇、炸藥爆轟波傳播過(guò)程的控制以及加工方法的改進(jìn)等方面。然而受到聚能裝藥本身特點(diǎn)、炸藥性能以及藥型罩材料特性的限制，導(dǎo)致炸藥能量利用率較低，在現(xiàn)有炸藥能量有限的情況下，僅靠改變聚能裝藥結(jié)構(gòu)難以大幅度提高聚能射流的侵徹威力。然而強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流技術(shù)突破了傳統(tǒng)增加聚能戰(zhàn)斗部毀傷能力的方式，利用預(yù)先產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)與聚能射流發(fā)生耦合作用，從而改善聚能射流的內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，增加聚能射流的穩(wěn)定性，使聚能射流的有效長(zhǎng)度增加，由于聚能射流的侵徹能力正相關(guān)于其有效長(zhǎng)度[2]，因此強(qiáng)磁場(chǎng)的施加可以有效提高聚能射流的侵徹能力。

根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)可知，俄羅斯鮑曼莫斯科國(guó)立大學(xué)以及美國(guó)陸軍彈道研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流課題進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果。1991年，Littlefield[2]結(jié)合線性擾動(dòng)理論，理論分析了聚能射流經(jīng)歷軸向強(qiáng)磁場(chǎng)作用后的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，軸向磁場(chǎng)的存在，抑制了聚能射流擾動(dòng)的增加，增強(qiáng)了其穩(wěn)定性，同時(shí)還得到材料的磁雷諾數(shù)會(huì)影響磁場(chǎng)對(duì)聚能射流擾動(dòng)的抑制程度。1998年，F(xiàn)edorov等[3]通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)了磁場(chǎng)對(duì)聚能射流的致穩(wěn)作用，但是其公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跳動(dòng)量較大，且與無(wú)磁場(chǎng)作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，聚能射流的侵徹威力無(wú)明顯增加。2001年，F(xiàn)edorov等[4]又通過(guò)理論研究推導(dǎo)了聚能射流處于磁場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部的磁場(chǎng)變化，同時(shí)也研究了當(dāng)聚能射流處于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力的變化情況。2010年，F(xiàn)edorov[5]通過(guò)理論研究以及數(shù)值模擬，分析了不同磁場(chǎng)參數(shù)以及不同聚能裝藥參數(shù)相互組合情況下，強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)聚能射流穩(wěn)定性的影響，但這些理論均未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 2015年，馬彬等[6]通過(guò)數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)抑制聚能射流顆粒的翻轉(zhuǎn)和偏移進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明磁場(chǎng)對(duì)射流顆粒的翻轉(zhuǎn)具有抑制和修正作用。

本文在總結(jié)先前對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)與聚能射流耦合作用研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，主要通過(guò)改變相互作用的時(shí)序關(guān)系，對(duì)比分析所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了不同時(shí)序控制對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流作用效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件

圖1為強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流示意圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電容器組作為能量源為強(qiáng)磁體提供電能，通過(guò)強(qiáng)磁體的作用，產(chǎn)生耦合過(guò)程中所需的縱向強(qiáng)磁場(chǎng)，通過(guò)導(dǎo)爆索控制聚能裝藥和延時(shí)開(kāi)關(guān)藥柱的起爆時(shí)序，使聚能射流在適宜的時(shí)間通過(guò)強(qiáng)磁體，從而在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下增加其穩(wěn)定性。

圖1 強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流示意圖Fig.1 Interaction between magnetic field and jet

1.1 聚能裝藥

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的φ56 mm無(wú)殼聚能裝藥，其炸藥為JH-2高能炸藥，裝藥密度1.713 g/cm3，其爆速為7 980 m/s.

圖2 φ56 mm聚能裝藥結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖Fig.2 Structure of φ56 mm shaped charge and its physical photo

為了對(duì)該聚能裝藥的性能有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，通過(guò)理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，給出了該聚能裝藥侵徹能力隨炸高的變化曲線，如圖3所示，圖3中D為裝藥直徑。

圖3 φ56 mm聚能裝藥侵徹深度隨炸高的變化Fig.3 Depth of penetration of φ56 mm shaped charge at different standoffs

1.2 實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所使用的電路為RLC振蕩電路，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental circuit

通過(guò)所給的電路結(jié)構(gòu)圖可知，電容器組給整個(gè)系統(tǒng)提供外加電源，當(dāng)電容器兩端的電壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)起爆器起爆聚能裝藥以及延時(shí)開(kāi)關(guān)處的藥柱，延時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，電容器放電，放電電流加載到強(qiáng)磁體處，通過(guò)強(qiáng)磁體產(chǎn)生所需要的強(qiáng)磁場(chǎng)，用于耦合聚能射流，放電電流強(qiáng)度通過(guò)羅氏線圈測(cè)定，所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)傳輸導(dǎo)線輸入存儲(chǔ)設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)研究中，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序控制主要是通過(guò)導(dǎo)爆索延時(shí)，以及聚能裝藥與強(qiáng)磁體的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究時(shí)序控制對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程的影響。

1.3 負(fù)載

強(qiáng)磁體作為電路系統(tǒng)中的負(fù)載，用于產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中所需縱向強(qiáng)磁場(chǎng)。本文實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中使用了兩種結(jié)構(gòu)強(qiáng)磁體(Ⅰ型和Ⅱ型)，圖5為兩種磁體的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖。

圖5 強(qiáng)磁體結(jié)構(gòu)和實(shí)物Fig.5 Structure of high field magnet and its physical photos

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)電路中相關(guān)電參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。Ⅰ型強(qiáng)磁體是由截面為矩形(2 mm×4 mm)的銅導(dǎo)線繞制，單層匝數(shù)為26匝，磁體中心孔直徑為40 mm，線圈繞制長(zhǎng)度為150 mm. Ⅱ型強(qiáng)磁體是由截面亦為矩形(2.5 mm×6 mm)的銅導(dǎo)線繞制，單層匝數(shù)為16匝，磁體中心孔直徑為50 mm，線圈繞制長(zhǎng)度仍為150 mm. 這兩種磁體都是雙層并聯(lián)繞制，由于繞線截面積、繞線匝數(shù)以及內(nèi)徑尺寸的變化，導(dǎo)致強(qiáng)磁體的電參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。

表1 測(cè)量參數(shù)Tab.1 Measured parameters

本文中使用這兩種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)磁體進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來(lái)分析時(shí)序控制對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程的影響。圖6所示為使用Ⅱ型強(qiáng)磁體時(shí)延時(shí)開(kāi)關(guān)、強(qiáng)磁體以及聚能裝藥的相對(duì)位置設(shè)置。

圖6 耦合系統(tǒng)裝配圖Fig.6 Assembly drawing of coupling system

1.4 時(shí)序控制

本文的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，設(shè)定聚能裝藥的炸高為650 mm，在這個(gè)炸高下，聚能射流有足夠空間經(jīng)歷成型、拉伸、斷裂以及斷裂后的偏移。在設(shè)定的炸高下，分別進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)以及強(qiáng)磁場(chǎng)與聚能射流的耦合實(shí)驗(yàn)。在耦合作用實(shí)驗(yàn)研究中，分別使用了圖5所示的兩種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)磁體，對(duì)于每種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)磁體耦合聚能裝藥實(shí)驗(yàn)研究中，其他條件保持不變，只改變電路的時(shí)序控制，通過(guò)分析所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究時(shí)序控制對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程的影響。

圖7給出了使用兩種強(qiáng)磁體時(shí)的時(shí)序分析圖。其中使用Ⅰ型磁體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要通過(guò)改變炸高設(shè)置以及導(dǎo)爆索控制兩方面進(jìn)行時(shí)序的優(yōu)化；使用Ⅱ型強(qiáng)磁體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，炸高設(shè)置不變，只調(diào)改變導(dǎo)爆索控制，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序進(jìn)行了調(diào)節(jié)。圖7中v為典型聚能射流單元的速度。

圖7 強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能裝藥時(shí)序圖Fig.7 Timing sequence diagram of magnetic field coupled with the shaped charge jet

2 放電電流和磁場(chǎng)特性分析

2.1 放電電流特性

根據(jù)RLC電路相關(guān)理論[7]，首先對(duì)不同電路工況下的放電電流進(jìn)行分析，如圖8所示，分別為使用Ⅰ型和Ⅱ型兩種磁體時(shí)，所得電路中的放電電流隨時(shí)間的變化曲線。

圖8 放電電流隨時(shí)間的變化 Fig.8 Discharge current vs. time

根據(jù)圖8中使用Ⅰ型強(qiáng)磁體時(shí)所得電流曲線可知，在前400 μs，通過(guò)理論計(jì)算所得放電電流信號(hào)與實(shí)驗(yàn)所測(cè)信號(hào)十分吻合，然而隨著時(shí)間的推移，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間出現(xiàn)了一定的誤差。對(duì)于使用Ⅱ型強(qiáng)磁體所得電流曲線可知，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在前300 μs幾乎一致，300 μs后同樣出現(xiàn)了一定的誤差。經(jīng)過(guò)分析，出現(xiàn)誤差的主要原因?yàn)椋菏紫?，測(cè)量設(shè)備的精度較低；其次，由于電流熱效應(yīng)的影響，理論計(jì)算中的電阻率不可能完全與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)體的電阻率相同。通過(guò)圖8所示，使用兩種類型的強(qiáng)磁體時(shí)，理論計(jì)算所得電流以及實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果在1 000 μs以內(nèi)誤差較小，能夠滿足本研究所需的精度要求。

2.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度變化

根據(jù)電路特性以及強(qiáng)磁體的磁場(chǎng)分布理論，可以通過(guò)理論計(jì)算獲得不同速度的聚能射流單元到達(dá)強(qiáng)磁體軸線任意位置時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖9和圖10所示，為兩種實(shí)驗(yàn)方案下時(shí)序調(diào)整前后典型速度的聚能射流單元通過(guò)強(qiáng)磁體時(shí)所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線。

圖9 典型速度的聚能射流單元通過(guò)Ⅰ型強(qiáng)磁體時(shí)經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨位置的變化曲線Fig.9 Evolution of magnetic induction intensity of shaped charge jet element with different velocities in the different positions of Ⅰ-type magnets

通過(guò)圖9中的時(shí)序調(diào)整可以看到，聚能射流通過(guò)Ⅰ型強(qiáng)磁體時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著時(shí)序的優(yōu)化逐漸趨于合理，時(shí)序的調(diào)整，使Ⅰ型強(qiáng)磁體內(nèi)部的強(qiáng)磁場(chǎng)得到了更為合理的利用。從圖9中可以看出，速度小于2.0 mm/μs的射流段經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化仍較大且強(qiáng)度較小，但是該段的聚能射流對(duì)最終的侵徹貢獻(xiàn)相對(duì)較小，因此不會(huì)對(duì)最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生太大影響。

圖10為使用Ⅱ型強(qiáng)磁體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中時(shí)序調(diào)整前、后聚能射流通過(guò)該結(jié)構(gòu)的磁體時(shí)所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，時(shí)序優(yōu)化后聚能射流所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度總體上優(yōu)于未優(yōu)化的情況，同時(shí)所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度在一定程度上得到提高，這兩方面的改善都有利于強(qiáng)磁場(chǎng)增加聚能射流的穩(wěn)定性。

圖10 典型速度的聚能射流單元通過(guò)Ⅱ型強(qiáng)磁體時(shí)經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨位置的變化曲線Fig.10 Evolution of magnetic induction intensity of element with different jet velocities in the different positions of Ⅱ-type magnets

為了更直觀地了解任意速度所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)積分計(jì)算得到了任意速度的聚能射流單元通過(guò)強(qiáng)磁體時(shí)，所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值，如圖11所示。

圖11 任意速度的聚能射流單元通過(guò)強(qiáng)磁體時(shí)經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.11 Average magnetic induction intensity of the element passing through themagnets at any velocity

根據(jù)圖11可知，通過(guò)時(shí)序調(diào)整，不同速度的射流單元經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生了一定程度的變化。對(duì)于使用Ⅰ型強(qiáng)磁體的實(shí)驗(yàn)中，時(shí)序未經(jīng)過(guò)優(yōu)化時(shí)，具有較高侵徹能力的射流段(大于2.0 mm/μs)，其所經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，系統(tǒng)中所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)未能得到合理利用；經(jīng)過(guò)時(shí)序的調(diào)整，從圖中相應(yīng)曲線可以看出，從速度約為2.0 mm/μs的射流單元開(kāi)始，隨著速度的增加，所經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度也逐漸增加，速度低于2.0 mm/μs的聚能射流單元所經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度仍不是十分穩(wěn)定，但是該射流段基本對(duì)聚能射流的侵徹能力無(wú)貢獻(xiàn)，因此，對(duì)最終的侵徹威力將無(wú)明顯影響。

對(duì)于使用Ⅱ型強(qiáng)磁體的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)時(shí)序的調(diào)整，可以看到速度范圍約為2.0～4.7 mm/μs的聚能射流速度單元所經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度得到了改善，這個(gè)速度段的聚能射流單元在聚能射流的侵徹過(guò)程中將發(fā)揮重要作用。Held[8]研究表明，聚能射流斷裂后的漂移速度隨著其軸向速度的增加逐漸減小，因此與頭部相比該速度段的射流單元較容易出現(xiàn)失穩(wěn)。通過(guò)時(shí)序的調(diào)整，能夠?qū)⑾到y(tǒng)所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)合理地用于該段對(duì)侵徹貢獻(xiàn)較大且又較容易出現(xiàn)失穩(wěn)的速度段，將對(duì)聚能射流侵徹能力的增加產(chǎn)生重要的作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究時(shí)序控制對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流的影響，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。按圖7中的相對(duì)位置進(jìn)行不同時(shí)序下的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)設(shè)置完成后并通過(guò)導(dǎo)爆索進(jìn)行另外的時(shí)序控制。表2給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。同時(shí)，圖12～圖14為實(shí)驗(yàn)所得侵徹靶板的剖面圖。

圖12為不存在外加磁場(chǎng)作用的聚能射流侵徹的靶板，主要為了得到該聚能裝藥在此炸高下侵徹靶板的特性，并與有磁場(chǎng)作用的聚能射流侵徹威力進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)圖12所示的1號(hào)和2號(hào)兩組自然裝藥下聚能射流侵徹靶板結(jié)果分析可知，其侵徹孔徑較大，表明聚能射流在成型過(guò)程中出現(xiàn)斷裂失穩(wěn)過(guò)早，聚能射流未經(jīng)歷充分拉伸。由于受到不對(duì)稱力以及外界擾動(dòng)，斷裂后的聚能射流顆粒并不是沿射流軸線飛行，而是會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)和偏移[9-11]，這兩方面的影響大大減少了聚能射流的有效長(zhǎng)度。由于聚能射流的侵徹能力與其有效長(zhǎng)度呈正相關(guān)，因此，聚能射流的過(guò)早斷裂以及斷裂后的翻轉(zhuǎn)和偏移使其侵徹能力受到一定程度的限制。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results

圖12 φ56mm聚能裝藥產(chǎn)生的射流在自然狀態(tài)下侵徹的靶板Fig.12 Target penetrated by the jet produced by φ56mm shaped charge under the natural condition

圖13為在Ⅰ型強(qiáng)磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，聚能射流侵徹靶板結(jié)果，其中3號(hào)靶板為時(shí)序未經(jīng)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所得侵徹結(jié)果，4號(hào)和5號(hào)為優(yōu)化時(shí)序后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所得的靶板侵徹結(jié)果。時(shí)序未優(yōu)化情況下，通過(guò)對(duì)典型速度的聚能射流單元通過(guò)強(qiáng)磁體時(shí)所經(jīng)歷的磁場(chǎng)變化以及任意速度的射流單元通過(guò)強(qiáng)磁體時(shí)所經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度的分析，系統(tǒng)的時(shí)序控制未能使系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)得到合理利用。因此，由3號(hào)靶板的剖分結(jié)果可知，聚能射流的侵徹能力沒(méi)有得到明顯的改善，侵徹孔徑仍相對(duì)較大，近似自然情況下的侵徹結(jié)果。為了研究時(shí)序控制對(duì)該耦合過(guò)程的影響，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序控制進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)分析聚能射流單元所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，以及任意速度的射流單元所經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度可知，系統(tǒng)所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)較時(shí)序未優(yōu)化前的情況得到了很大的改善。4號(hào)和5號(hào)侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚能射流侵徹通道的孔徑趨于細(xì)長(zhǎng)且侵徹深度得到了很大提高，侵徹能力從時(shí)序未優(yōu)化前增加1.7%提高到32.8%. 通過(guò)使用Ⅰ型強(qiáng)磁體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，時(shí)序的優(yōu)化使系統(tǒng)強(qiáng)磁場(chǎng)更有效的與聚能射流發(fā)生耦合，從而延緩了聚能射流的斷裂失穩(wěn)，增加了其有效長(zhǎng)度，最終提高了其侵徹性能。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所得結(jié)論，使用Ⅱ型強(qiáng)磁體進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 Ⅰ 型強(qiáng)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下聚能射流侵徹的靶板Fig.13 Target penetrated by the jet affected by the magnetic field produced by Ⅰ-type magnet

圖14 Ⅱ 型強(qiáng)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下聚能射流侵徹的靶板Fig.14 Target penetrated by the jet affected by the magnetic field produced by Ⅱ-type magnet

如圖14所示，為使用Ⅱ型強(qiáng)磁體的實(shí)驗(yàn)中所得侵徹靶板結(jié)果，其中6號(hào)和7號(hào)靶板為未經(jīng)時(shí)序優(yōu)化所得的聚能射流侵徹靶板的剖分結(jié)果。為了分析時(shí)序?qū)?qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程的影響，經(jīng)過(guò)時(shí)序優(yōu)化，得到了8號(hào)和9號(hào)侵徹靶板的剖分結(jié)果。圖10和圖11為該種實(shí)驗(yàn)方案下，時(shí)序未優(yōu)化和優(yōu)化兩種情況下聚能射流單元所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及平均磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線。計(jì)算結(jié)果表明，時(shí)序的優(yōu)化，使系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)合理作用在聚能射流具有較高侵徹能力且容易發(fā)生失穩(wěn)的速度段(2.0～4.7 mm/μs)。因此，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，聚能射流的慣性拉伸階段得到增加，能夠使聚能射流變得更加細(xì)長(zhǎng)，從而提高其侵徹能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，時(shí)序的優(yōu)化，使聚能射流由未優(yōu)化前的侵徹能力提高1.6%增加到69.4%.

通過(guò)使用Ⅰ型和Ⅱ型強(qiáng)磁體的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，時(shí)序優(yōu)化后得到的射流侵徹靶板，其侵徹通道變得更加細(xì)長(zhǎng)，侵徹深度有了大幅度的提高。通過(guò)分析，說(shuō)明時(shí)序的優(yōu)化，使系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)得到了更為充分的利用，從而延緩了聚能射流的斷裂失穩(wěn)。同時(shí)，孔徑變得更加細(xì)長(zhǎng)表明，外加強(qiáng)磁場(chǎng)的作用使聚能射流的同軸性得到改善。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，外加強(qiáng)磁場(chǎng)改善了聚能射流的斷裂失穩(wěn)以及聚能射流顆粒的同軸性，提高了聚能射流的穩(wěn)定性，增加了最終的侵徹能力。

4 結(jié)論

本文使用Ⅰ型和Ⅱ型強(qiáng)磁體進(jìn)行了不同時(shí)序控制情況下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同時(shí)序控制下不同速度的聚能射流單元通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以及任意速度的射流單元通過(guò)強(qiáng)磁體時(shí)所經(jīng)歷的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比本文的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1) 時(shí)序控制是強(qiáng)磁場(chǎng)耦合聚能射流過(guò)程的重要影響因素之一；

2) 聚能射流通過(guò)強(qiáng)磁體時(shí)所經(jīng)歷的磁感應(yīng)強(qiáng)度受耦合過(guò)程時(shí)序的重要影響，只有合理設(shè)計(jì)耦合過(guò)程的時(shí)序才能使系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)得到合理利用；

3) 合理的時(shí)序設(shè)置下，強(qiáng)磁場(chǎng)能夠有效增加聚能射流的穩(wěn)定性，從而提高聚能射流的侵徹能力；

4) 對(duì)于Ⅰ型磁體，通過(guò)時(shí)序調(diào)整，φ56 mm聚能裝藥形成的射流侵徹能力由初始增加1.7%提高到增加32.8%；Ⅱ型磁體，由初始增加1.6%提高到增加69.4%.

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Effect of Time-sequence Control on Coupling of Strong Magnetic Field and Shaped Charge Jet

MA Bin, HUANG Zheng-xiang, ZU Xu-dong, XIAO Qiang-qiang, JIA Xin

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,Jiangsu, China

Effect of time-sequence control on the coupling of strong magnetic field and shaped charge jet is analyzed based on the relevant depth of penetration (DOP) tests. Two kinds of magnets with different structures (Ⅰ-type andⅡ-type) are used in the experiments. The depth of penetration and the crater form, which is penetrated by the jet impacted by the magnetic field in different time-sequence, are measured and analyzed. Meanwhile, the effect of magnetic field under different time-sequence control on the stability of shaped charge jet is researched. The research results show that time-sequence control is one of the important influence factors. The major penetration ability of jet focuses on its front and middle parts. Its penetration ability is increased effectively if those parts are coupled with the magnetic field by improving the time-sequence control of the system. The penetration ability of jet produced byφ56 mm shaped charge is increased from 1.7% to 32.8% under the effect of magnetic field generated by Ⅰ-type magnets, and the penetration ability is improved from 1.6% to 69.4% for Ⅱ-type magnets.

ordnance science and technology; shaped charge jet; magnetic field; time-sequence control; stability

2016-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11272157);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20123219120052)

馬彬(1988—)，男，博士研究生。E-mail: dashu.000@163.com； 黃正祥(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: huangyu@mail.njust.edu.cn.

TJ413+.2

A

1000-1093(2016)12-2177-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.001