鄭燦杰，陳智剛，付建平，王維占，張均法，蘭宇鵬

(1.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，山西 太原　030051； 2.山東特種工業(yè)集團，山東 淄博　255200)

隨著坦克主裝甲及側(cè)裝甲防御能力的不斷提升，坦克頂甲一直是坦克防御系統(tǒng)中相對薄弱的防護部位，因此針對坦克實施攻頂打擊效果最佳。由于攻頂要求彈道高度大、以大傾角攻擊頂部裝甲，而球缺型藥型罩[1]在大炸高條件下相比截頂罩、球錐罩能夠形成更好的形態(tài)桿式射流，可在一定程度上滿足此要求。聚能射流頭部速度遠大于尾部速度，在大炸高下，射流會被拉長，但射流的伸長是有限的，一旦射流被拉斷，其侵徹能力將受到影響。因此研究大炸高條件下射流斷裂特性，對提高攻頂戰(zhàn)斗部毀傷能力具有重要意義。

桿式射流[2]是一種介于爆炸成型彈丸和聚能射流之間的聚能侵徹體，因其藥型罩形成射流利用率高、可調(diào)性較強等優(yōu)點被廣泛應用。近些年來，很多著名學者對此極為關注，中國工程物理研究院譚多望等、北京大學王成等、北京理工大學黃風雷等、南京理工大學黃正祥和李偉兵等都對桿式射流進行了大量的研究并取得顯著成果[3-7]。銅/鋁雙層復合罩[8]能夠形成品質(zhì)良好的復合射流，而且能使射流整體速度提高，速度梯度減小。

筆者針對桿式射流的形成，設計了兩種裝藥結構，利用LS-DYNA軟件對其進行模擬仿真，對比單層罩與雙層罩形成射流斷裂情況，進行靜破甲試驗，并用閃光X光照相技術進行驗證。

1　仿真計算模型

初步選用相同壁厚的純銅單層球缺罩和銅/鋁雙層球缺罩兩種不同藥型罩結構，通過數(shù)值模擬對比形成兩種桿式射流，研究雙層球缺罩形成桿式射流斷裂情況。藥柱裝藥直徑為55 mm，裝藥高度為57 mm，殼體厚度為2 mm，裝藥結構如圖1所示，其中(c)圖，R1為外層藥型罩外曲率半徑，R2為外層藥型罩內(nèi)曲率半徑(內(nèi)層藥型罩外曲率半徑)，R3為內(nèi)層藥型罩內(nèi)曲率半徑。

藥型罩總體厚度相同，圖1中(b)圖中由銅、鋁兩種材料組成，內(nèi)層罩是紫銅材料，外層罩是純鋁材料。其材料分配方案如表1所示。

表1　材料分配方案

主裝藥采用8701炸藥，其密度為1.717 g/cm3，爆速為8 425 m/s，采用 Mat_High_Explosive_Burn模型和JWL狀態(tài)方程，8701炸藥的JWL狀態(tài)方程各項參數(shù)如表2所示。

表2　8701炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

藥型罩材料采用紫銅，采用Mat_Johnson_Cook模型和Gruneisen狀態(tài)方程。紫銅和純鋁的模型參數(shù)如表3所示。

表3　藥型罩材料狀態(tài)方程參數(shù)

采用TrueGrid軟件，將模型劃分成網(wǎng)格，其整體模型如圖2所示。

2　仿真結果分析

采用上述兩個模型，運用非線性顯示動力分析軟件LS-DYNA 進行數(shù)值模擬計算。通過分析兩模型形成射流的數(shù)值模擬結果，觀察射流斷裂形態(tài)，并截取射流在250 μs時刻射流斷裂形態(tài)圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，在大炸高條件下，由于射流速度梯度的存在，兩種射流不斷的被拉長，當射流運行到250 μs左右，兩種模型所形成的射流均已出現(xiàn)不同程度的斷裂。與單銅罩相比，銅/鋁雙層罩形成的桿式射流粒子長度、斷裂位置以及斷裂粒子形態(tài)均不相同。從仿真圖3可以清晰地看到，射流在飛行過程中，銅/鋁雙層罩射流斷裂為6段較大的射流顆粒，單銅罩射流斷裂也為6段。與單銅罩形成射流相比，在高速區(qū)銅/鋁雙層罩射流斷裂斷裂不明顯，即射流主體部分射流粒子幾乎相連，射流基本處于連續(xù)狀態(tài)。圖4為兩種射流斷裂速度云圖，從圖中可以看出，銅/鋁雙層罩在高速區(qū)射流速度梯度較小，整體動能會大于單層銅罩所形成的桿式射流。表4是桿式射流在250 μs時的速度參數(shù)。

銅/鋁雙層罩形成的射流速度整體高于單層罩形成的射流，射流速度梯度也相對較大，但射流主體部分速度曲線變化較平緩，速度較為均勻，如圖5所示。更直觀地說明，銅/鋁雙層罩形成的射流斷裂后粒子速度分布是不連續(xù)的，在中高速區(qū)階段呈非線性分布，射流主體部分被拉斷所需時間變長。在大炸高下，斷裂射流的侵徹能力主要取決于高速階段的斷裂射流[9-10]，所以可以判斷雙層罩形成射流侵徹能力優(yōu)于單層罩形成的射流。

另外，從射流整體速度看，銅/鋁雙層罩所形成的射流整體速度高于單層銅罩所形成射流速度。這是因為銅鋁雙層罩降低了藥型罩密度，從而提高罩子微元壓垮速度[11]。

(1)

(2)

式中：e1為內(nèi)層紫銅藥型罩厚度；e2為外層鋁藥型罩厚度；ρ為銅/鋁雙層藥型罩密度；ρCu為銅藥型罩密度；ρAl為鋁藥型罩密度；D為爆速；P為爆壓；B、b為經(jīng)驗系數(shù)。

由于銅/鋁雙層罩密度小于單層銅罩密度，根據(jù)藥型罩微元壓垮速度的計算公式(2)，當所用炸藥一定時，爆速D和爆壓P就是定值，因此ρ減小壓垮速度就會增大。藥型罩微元壓垮速度提高繼而提高射流微元速度，關系式如下：

vji=vi0cos(α+δi-βi/2)/sin(βi/2)

(3)

式中：vji為第i段射流微元速度；α為半錐角；βi為第i段罩微元壓垮角；δi為第i段罩微元變形角。

從式(3)可以看出，隨罩子壓垮速度vi0的提高，射流微元速度vji也提高。根據(jù)射流形成原理，銅/鋁雙層罩所形成具有侵徹能力的射流主要是內(nèi)層的紫銅材料。綜上分析預期銅/鋁雙層罩形成射流侵徹能力高于單層銅罩形成的射流。

3　試驗研究

3.1　試驗布置

為驗證數(shù)值模擬的準確性，針對上述兩種裝藥結構進行靜破甲試驗。裝藥直徑為55 mm，裝藥高度為57 mm，藥柱采用8701炸藥壓制而成，起爆方式為中心點起爆。為測量射流的侵徹能力，放置靶板為45#鋼，厚度為100 mm。另外，為記錄射流斷裂形態(tài)，用閃光X射線攝影裝置來記錄射流的形成與斷裂過程。采用了450 kV的X光設備，由于受到當時的試驗條件限制，使用的是交叉式攝影的方法，兩臺閃光X射線機位于同一高度的兩個不同方位，交匯成45°角。試驗布置如圖6所示。

3.2　桿式射流斷裂結果分析

通過上述兩種方案的靜爆試驗，由X光照相記錄的射流斷裂如圖7所示。

圖7是純銅單層球缺罩與銅/鋁雙層球缺罩形成射流在一定位置時的飛行形態(tài)圖。比較兩射流的斷裂情況可知：兩種結構形成射流，在大炸高條件下均發(fā)生較嚴重的斷裂現(xiàn)象，但是銅/鋁雙層球缺罩形成的射流主體部分速度梯度相對較小，其斷裂程度明顯弱于單層罩，在繼續(xù)運動過程中射流顆粒之間的斷裂時間延長。也就是說銅/鋁雙層球缺罩形成的射流主體部分與純銅單層球缺罩射流，斷裂所需時間較長，所以射流主體部分連續(xù)性較強。這與仿真結果相一致。

3.3　侵徹結果分析

本次試驗射流侵徹靶板結果如圖8所示，侵徹試驗數(shù)據(jù)對比如表5所示。

可以看到，單層純銅藥型罩對1#鋼靶開孔孔徑較大，對比表5數(shù)據(jù)也可以看出單層罩射流開孔孔徑要優(yōu)于銅/鋁雙層球缺罩。從兩鋼靶背面看，1#鋼靶未被穿透，背面出現(xiàn)明顯開裂；2#鋼靶已被穿透，其侵徹深度明顯高于單層罩。從表5可以得出銅/鋁雙層罩形成的復合桿式射流侵徹能力相比單層銅罩射流提高了11.2%，在一定程度上可改善單層罩射流斷裂對目標靶板侵徹威力的影響。

4　結論與建議

通過對比兩種結構形成射流斷裂形態(tài)的數(shù)值模擬、X光射流斷裂照片以及靜破甲試驗結果，可以得出以下結論：

1)大炸高條件下，銅/鋁雙層球缺罩形成的射流能夠一定程度改善其斷裂形態(tài)。

2)與單層銅球缺罩相比，銅/鋁雙層球缺罩形成的射流在尾部低速區(qū)斷裂較為嚴重，在頭部高速區(qū)射流速度梯度較小，斷裂呈連續(xù)狀。

3)銅/鋁雙層球缺罩形成的斷裂射流與單層銅球缺罩形成的射流開孔直徑有所減弱，但在一定程度上可彌補射流斷裂對侵徹深度的影響，其侵徹深度提高11.2%。

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