馮可華，杜 寧，章若晨，郭 創(chuàng)，楊 瑩

(1.江蘇永豐機(jī)械有限責(zé)任公司， 江蘇 盱眙 211722； 2.沈陽理工大學(xué)， 沈陽 110158)

1 引言

藥型罩是聚能裝藥戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵零部件，藥型罩材料、形狀、加工方法等對(duì)戰(zhàn)斗部破甲性能有顯著影響。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷深入研究藥型罩新材料、新工藝及其破甲性能。鈦合金具有密度低、成分均勻、晶粒細(xì)小等特點(diǎn)，作為一種新型藥型罩材料而備受關(guān)注。薛鑫瑩等認(rèn)為聚能裝藥鈦合金藥型罩形成的射流與傳統(tǒng)紫銅、鍛鋁射流相比，對(duì)于鋼筋混凝土目標(biāo)具有明顯的優(yōu)越性，鈦合金作為攻堅(jiān)型聚能裝藥的藥型罩材料較為合適。張曉偉等進(jìn)行的鈦合金藥型罩聚能裝藥射流成型與侵徹試驗(yàn)表明，鈦合金藥型罩能夠提高對(duì)目標(biāo)的開孔孔徑。郭光全等對(duì)紫銅、鈦合金藥型罩、鋁/鈦復(fù)合球缺罩的聚能裝藥，利用靜破甲試驗(yàn)的方法，研究對(duì)比3種聚能裝藥的侵徹威力及開孔性能，并對(duì)其毀傷機(jī)理進(jìn)行分析。鄂智佳等采用試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了高密度鈦合金藥型罩結(jié)構(gòu)的射流形成及其侵徹過程。依靠脈沖X光攝影技術(shù)，得到了成形過程中射流的形貌和對(duì)鋼錠的侵徹孔形。張毅等認(rèn)為，鈦合金藥型罩形成侵徹體的成型性較好，并研究了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鈦合金藥型罩射流形成的影響。趙騰等認(rèn)為鈦合金作為藥型罩材料，可在保證侵徹孔徑的同時(shí)，有效提高侵徹深度。

設(shè)計(jì)和研制產(chǎn)品過程中，對(duì)聚能裝藥結(jié)構(gòu)一般先仿真設(shè)計(jì)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式初步計(jì)算破甲穿深，然后實(shí)施試制和試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)鈦合金藥型罩射流形成和侵徹過程的數(shù)值仿真計(jì)算，通常是利用LS-DYNA或AUTODYNA等軟件進(jìn)行。由于不同工藝條件下制備材料的性能參數(shù)，往往存在采集不齊全、不充分，準(zhǔn)確性有待提高等情況，使得仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)往往存在較大的偏差。需要通過X射線測(cè)試設(shè)備對(duì)射流形態(tài)進(jìn)行照相，完善材料本構(gòu)關(guān)系后進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

破甲理論計(jì)算公式運(yùn)用起來比較繁瑣、復(fù)雜，工程設(shè)計(jì)中多采用經(jīng)驗(yàn)公式?，F(xiàn)有計(jì)算破甲深度的經(jīng)驗(yàn)公式比較多，這些經(jīng)驗(yàn)公式通常是依據(jù)特定產(chǎn)品進(jìn)行總結(jié)的。其中根據(jù)某制式產(chǎn)品裝藥結(jié)構(gòu)及其破甲深度進(jìn)行總結(jié)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，在所有經(jīng)驗(yàn)公式中選取的因素最多，應(yīng)用較為廣泛。該公式選取了有、無隔板，藥型罩材料、錐角、母線長(zhǎng)度，裝藥種類、密度、爆速，靶板材料等因素。公式中將藥型罩材料、加工方法及靶板材料對(duì)破甲的影響定義為破甲影響系數(shù)，這是一個(gè)常數(shù)。資料中給出了紫銅車制、沖壓，鋼沖壓，鋁車制和玻璃等不同材料及加工方法，分別對(duì)碳鋼、裝甲鋼的破甲影響系數(shù)。材料的制備工藝、性能和藥型罩結(jié)構(gòu)，使藥型罩既有先進(jìn)材料效應(yīng)又有先進(jìn)結(jié)構(gòu)效應(yīng)，采用粉末冶金工藝制備的材料，可利用粉末藥型罩射流特性實(shí)現(xiàn)破甲性能要求。

本研究通過對(duì)鈦合金與紫銅、鋼、鋁等其他常用藥型罩材料的性能進(jìn)行對(duì)比、分析，初步推斷出鈦合金與鋼兩種材料的破甲性能基本相近。并結(jié)合對(duì)鋼柱靜爆威力試驗(yàn)驗(yàn)證，推算出了粉末冶金工藝鈦合金材料對(duì)破甲的影響系數(shù)，為判斷鈦合金藥型罩的破甲性能提供了一種依據(jù)。

2 鈦合金材料藥型罩的破甲影響系數(shù)與破甲威力

2.1 某大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部研制

某大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部，要求具有攻堅(jiān)、破甲和殺傷能力。其中對(duì)C35鋼筋混凝土靶標(biāo)侵徹厚度≥1 000 mm，破孔通孔≥φ55 mm。

戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)為一種帶有隔板的收斂形聚能裝藥結(jié)構(gòu)(見圖1)，裝藥口徑φ160 mm，選用聚黑-2炸藥，裝藥量4.5 kg，藥型罩采用等壁厚單錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隔板材料為聚苯乙烯。

圖1 復(fù)合戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Composite warhead structure diagram

常規(guī)彈藥戰(zhàn)斗部上紫銅藥型罩應(yīng)用較為廣泛，其形成的射流一般為細(xì)長(zhǎng)形態(tài)，破孔入口和通孔較小，因此選用紫銅材料難以滿足攻堅(jiān)的威力要求。為兼顧攻堅(jiān)和破甲威力要求，經(jīng)分析，藥型罩選用鈦合金材料。與紫銅相比，鈦合金材料藥型罩的主要優(yōu)勢(shì)為對(duì)付鋼筋混凝土大破孔性能優(yōu)，穩(wěn)定性好。選用一種新型Ti基合金TAX作為藥型罩材料，該材料為多相復(fù)合材料，采用粉末冶金工藝制備，性能參數(shù)見表1所示。

表1 TAX合金材料的性能參數(shù)Table 1 TXT Performance parameters of alloy materials

TAX合金材料藥型罩在炸藥驅(qū)動(dòng)下可形成高速、具有一定長(zhǎng)度和直徑較粗的射流。在攻堅(jiān)毀傷過程中，不易散開，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的大開孔毀傷，正面和背部崩落區(qū)域較大，毀傷效果顯著優(yōu)于紫銅，通孔直徑一般可達(dá)到(0.3～0.5)倍裝藥口徑，同時(shí)其兼具一定的破甲毀傷效果。經(jīng)多輪優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，該戰(zhàn)斗部對(duì)混凝土墻體攻堅(jiān)威力可滿足要求，其破孔、入口及出口情況如圖2所示。

圖2 墻體毀傷(破孔、入口、出口)情況Fig.2 Wall damage (broken、entrance and exit)

為驗(yàn)證其破甲水平進(jìn)行了試驗(yàn)考核。試驗(yàn)采用帶2A12殼體戰(zhàn)斗部，8電雷管起爆?？己?.4倍炸高條件下，垂直侵徹45鋼柱的穿深能力。

試驗(yàn)進(jìn)行一組共3發(fā)。預(yù)先設(shè)置的鋼柱為φ180 mm×500 mm和φ180 mm×100 mm各一根疊合而成。試驗(yàn)時(shí)，第1發(fā)穿深結(jié)果500 mm鋼柱不透，后兩發(fā)試驗(yàn)將第一根鋼柱長(zhǎng)度調(diào)整為400 mm。由于鋼柱直徑偏小，試驗(yàn)后鋼柱的入口均產(chǎn)生了崩落，對(duì)射流穿深具有一定影響，第1發(fā)由于φ180 mm×500 mm鋼柱未透無出口尺寸，第2發(fā)和第3發(fā)的出口尺寸為φ180 mm×400 mm鋼柱的出口尺寸。試驗(yàn)結(jié)果3發(fā)平均穿深為435.0 mm(具體數(shù)據(jù)見表2)，按裝甲鋼材料等效為1.1倍45鋼計(jì)算，對(duì)裝甲鋼穿深達(dá)395.5 mm。

表2 復(fù)合戰(zhàn)斗部對(duì)45#鋼柱靜破甲穿深Table 2 The compound warhead penetrates static armor on 45# steel column

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置及鋼柱穿透情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)布置及鋼柱穿透情況示意圖Fig.3 Schematic diagram of site layout and penetration of steel column

2.2 對(duì)破甲威力影響系數(shù)的推算

目前，尚缺乏可以區(qū)分不同裝藥結(jié)構(gòu)的理論公式來準(zhǔn)確計(jì)算破甲深度。該戰(zhàn)斗部聚能裝藥結(jié)構(gòu)帶有隔板，裝藥密度、炸藥爆速、藥型罩錐角、藥型罩母線長(zhǎng)度等參數(shù)已經(jīng)確定。采用前述分析應(yīng)用較為廣泛的經(jīng)驗(yàn)公式，可推算出鈦合金材料對(duì)破甲的影響系數(shù):

=(-0706×10+0593+

(1)

式中：為帶有隔板的破甲深度，mm；為考慮藥型罩材料、加工方法及靶板材料對(duì)破甲的影響系數(shù)，如表3所示；為藥型罩的半錐角，(°)；為裝藥密度，g/cm；為炸藥的爆速，m/s，(通過火炸藥手冊(cè)等資料查取為8 300)；為藥型罩母線長(zhǎng)，mm(設(shè)計(jì)為233)。

表3 影響系數(shù)Table 3 Influence coefficient η value

由于雙錐形或喇叭形藥型罩沒有固定的半錐角，取藥型罩外壁母線兩端連線與軸心線夾角作為半錐角(見圖4)。

圖4 藥型罩半錐角示意圖Fig.4 Schematic diagram of selection of half cone angle of liner

根據(jù)對(duì)裝甲鋼穿深395.5 mm的試驗(yàn)結(jié)果，按照式(1)進(jìn)行反推，計(jì)算可得該裝藥條件下粉末冶金工藝鈦合金材料對(duì)裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)為0.717。

2.3 藥型罩材料對(duì)破甲威力影響的分析

藥型罩破甲深度是衡量藥型罩破甲性能的重要指標(biāo)，根據(jù)侵徹流體動(dòng)力學(xué)理論，金屬射流侵徹深度正比于射流長(zhǎng)度和藥型罩材料密度的平方根。為獲得良好的穿深，藥型罩材料應(yīng)密度高、塑性好、在形成射流過程中不易汽化，且需要匹配適合的強(qiáng)度和體膨脹系數(shù)。因此，密度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、體膨脹系數(shù)和聲速是材料的主要性能參數(shù)。材料密度高但塑性低，形成的射流(連續(xù)射流)質(zhì)量不高，射流在運(yùn)動(dòng)過程中徑向膨脹，使射流分散而影響破甲。藥型罩強(qiáng)度低，在碰擊目標(biāo)時(shí)可能產(chǎn)生較大的變形或破壞，從而影響動(dòng)破甲效果。經(jīng)查閱，藥型罩常用的各類材料主要性能參數(shù)見表4。

表4 藥型罩常用材料的性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of commonly used materials for liner

從表4可以看出，鈦與鋼聲速差異較小，鈦的抗拉強(qiáng)度與體膨脹系數(shù)明顯優(yōu)于鋼，鋼的密度與伸長(zhǎng)率要高于鈦。綜合分析后認(rèn)為，作為藥型罩材料，鈦合金與鋼的破甲性能應(yīng)基本相近。

3 鈦合金材料破甲影響系數(shù)復(fù)試驗(yàn)證

鈦合金材料對(duì)裝甲鋼靶板的破甲性能和破甲影響系數(shù)，僅經(jīng)初步分析和上述大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部靜破甲試驗(yàn)結(jié)果的推算，需進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)試驗(yàn)證。

某中口徑攻堅(jiān)彈藥配用于單兵輕型火炮系統(tǒng)，要求具有攻堅(jiān)、破甲和隨進(jìn)殺傷能力。該彈藥戰(zhàn)斗部采用單級(jí)攻堅(jiān)裝藥和隨進(jìn)子彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，攻堅(jiān)裝藥借鑒上述大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部和其他類似產(chǎn)品，設(shè)計(jì)為一種帶有隔板的圓柱形聚能裝藥結(jié)構(gòu)(見圖5)，炸高為2.4倍裝藥口徑。裝藥選用聚黑-2炸藥，裝藥量0.615 kg，炸藥爆速8 300 m/s。藥型罩采用TAX合金材料、等壁厚單錐形，錐角保持不變，壁厚進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，罩母線長(zhǎng)65 mm。隔板采用聚苯乙烯煮制而成。

圖5 攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Map of the hard structure warhead

設(shè)計(jì)完成后，采用經(jīng)驗(yàn)式(1)取破甲影響系數(shù)為0.717進(jìn)行計(jì)算，可得該戰(zhàn)斗部對(duì)裝甲鋼靜破甲威力穿深達(dá)110.2 mm?？紤]到該罩型結(jié)構(gòu)，2.4倍裝藥口徑炸高條件下較大口徑復(fù)合戰(zhàn)斗部3.4倍裝藥口徑更有利于發(fā)揮連續(xù)射流的破甲侵徹能力，預(yù)計(jì)對(duì)裝甲鋼的實(shí)際穿深應(yīng)大于110.2 mm。

復(fù)試采用垂直侵徹45鋼柱的靜破甲試驗(yàn)方法，進(jìn)行一組共5發(fā)。45鋼柱為φ130 mm×120 mm和φ130 mm×50 mm各一塊疊合而成。

試驗(yàn)后鋼柱入口未產(chǎn)生崩落情況，由于各發(fā)均未穿透第二塊φ130 mm×50 mm鋼柱，出口尺寸為第一塊φ130 mm×120 mm鋼柱的出口尺寸。試驗(yàn)結(jié)果，5發(fā)平均穿深為145.2 mm(具體數(shù)據(jù)見表5)，按裝甲鋼材料等效為1.1倍45鋼計(jì)算，對(duì)裝甲鋼穿深達(dá)132.0mm。

表5 攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部對(duì)45#鋼柱靜破甲穿深(mm)Table 5 Hard structure warhead of 45# steel column static armor penetration

隨后開展了戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)威力試驗(yàn)，分別對(duì)0.5 m/0°鋼筋混凝土靶板、50 mm/60°裝甲鋼板射擊，結(jié)果均穿透。

根據(jù)對(duì)裝甲鋼穿深132.0 mm的試驗(yàn)結(jié)果，按照式(1)進(jìn)行反推，計(jì)算可得該裝藥條件下粉末冶金工藝鈦合金材料對(duì)裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)為0.859。

綜合2次試驗(yàn)結(jié)果，粉末冶金工藝鈦合金對(duì)裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)分別為0.717、0.859，平均0.788。后一次數(shù)據(jù)較前一次數(shù)據(jù)大19.8%，分析與裝藥結(jié)構(gòu)(圓柱形/收斂形)、炸高(2.4倍/3.4倍裝藥口徑)的差異，以及靶標(biāo)(鋼柱)是否合適等因素有較大關(guān)系。在一定的裝藥結(jié)構(gòu)下，炸高有利時(shí)影響系數(shù)取值可偏大，炸高不利時(shí)影響系數(shù)取值偏?。徽猪斔帉雍穸葷M足合理設(shè)計(jì)要求的前提下，藥型罩同口徑時(shí)影響系數(shù)取值可偏大，藥型罩次口徑時(shí)影響系數(shù)取值可偏小。

4 結(jié)論

1) 本文中粉末冶金工藝制備的鈦合金對(duì)裝甲鋼靶板的破甲影響系數(shù)，是對(duì)特定的鈦合金材料牌號(hào)、制作工藝方法和靶板材料等條件而言的。影響破甲威力水平高低及其穩(wěn)定性的因素眾多，藥型罩及其裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥柱壓制和戰(zhàn)斗部裝配工藝技術(shù)、試驗(yàn)炸高等因素，均可能導(dǎo)致威力水平差異。

2) 綜合2次試驗(yàn)情況，粉末冶金工藝鈦合金破甲影響系數(shù)平均為0.788，鋼材料破甲影響系數(shù)為0.77～0.79，2種材料藥型罩破甲性能基本相近。

3) 研究了鈦合金破甲影響系數(shù)的選取，為判斷和計(jì)算鈦合金藥型罩的破甲性能提供了一種依據(jù)，在常規(guī)破甲戰(zhàn)斗部鈦合金藥型罩及其裝藥中具有參考意義和借鑒價(jià)值。