爆炸成型弹丸简介及其成形性能研究.doc

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爆炸成型弹丸简介及其成型性能研究

一.引言

聚能装药战斗部主要用来贯穿和破坏某些特殊的目标,如车辆、指挥所等典型结构。

对目标的破坏是借助于高速弹丸贯穿体在目标相当小的面积上沉积大量动能来实现的。

战斗部主要由金属药型罩、壳体、炸药装药和起爆序列组成.装药爆炸后,爆炸产物产生足够的压力加速大锥角药型罩,从顶部发生翻转,形成高速弹丸,简称EFP。

爆炸成型弹丸（ExplosivelyFormedProjectile）简称EFP,又称自锻破片,是通过金属药型罩的塑性变形而形成的依靠炸药化学能转变而得来的动能侵彻目标的类似弹丸的高速侵彻体。

与普通破甲弹相比,爆炸成型弹丸有以下优点:

（1）对炸高不敏感。

普通破甲弹对炸高敏感,炸高在2～5倍弹径时破甲效果较好,而炸高10倍弹径以上时破甲效果明显降低。

由于爆炸成型弹丸爆炸形成的是弹丸,不像射流容易拉长或断裂,所以对炸高不敏感,在几十倍弹径的炸高下仍能有效作用。

（2）反应装甲对它的干扰小。

反应装甲对射流破甲弹有致命威胁,其爆炸后形成的破片切割了射流,从而使破甲效果大幅度下降。

爆炸成型弹丸爆炸后形成的弹丸长度较短,反应装甲被其撞击有可能不被引爆,即使引爆,形成的破片也作用不到弹丸上,因而对其侵彻效果的干扰小。

（3）侵彻后效大。

破甲射流在侵彻装甲后只剩少量射流进入坦克内部,破坏作用有限。

爆炸成型弹丸不仅大部分进入坦克内部,同时坦克装甲在受到弹丸撞击时大量崩落,也形成有破坏作用的破片。

影响EFP成型性能的因素很多,如:

炸药的爆压、爆速,药型罩材料的密度,药形罩几何形状、厚度,隔板的形状等都对EFP成形性能以及侵彻性能有着很大影响.因而研究这些参数对EFP成型性能的影响对于EFP战斗部的设计而言是很重要的。

二.爆炸成型弹丸成型性能影响因素研究

聚能装药结构设计影响因素很多,如起爆系统及其起爆位置;高能炸药的质量、安全可靠性及其爆轰性能;壳体的材料与制造工艺;药型罩密度、对称性、强度及延展性等.根据聚能装药的使用目的,经数次试验及对穿孔效果的分析,总结出如下的聚能装药结构。

它是由起爆雷管、传爆孔、壳体、炸药、大锥角紫铜罩、钢板叠靶或混凝土和支架等组成。

1—8﹟雷管2—传爆孔3—壳体4—装药5—紫铜罩6—靶

图1　聚能装药结构实验装置示意图

1.EFP运动规律及钢板和混凝土贯穿试验

1.1试验方法

采用电测和光测两种方法,电测利用铜丝缠成的靶网测出导通电信号,从JS-4记时器上得到弹飞时间间隔,从而可算出相邻靶网之间的平均速度,其试验装置如图2所示,其中靶标的布置如下:

第一个铜丝靶距离弹出口处1.38m,1、2靶距1.3m,2、3靶距7.28m,3、4靶距13.22m,4、5靶距10m.光测利用拍摄频率为40500fps的ultima40K高速录像系统对紫铜罩爆炸形成EFP的动态过程进行了录像,该系统是实时记录处理,可回放的数字图像系统,测试系统如图3所示。

图2　弹速测定的实验装置示意图图3　高速录像系统示意图

1.2EFP速度测定

EFP命中目标时动能的大小是衡量杀伤威力的重要尺度之一,三发弹的电测速度平均值如图4所示.由图4可知,弹的出口初速接近1900m/s,图中·为试验数据,曲线为多项式拟合曲线,拟合多项式为:

V=1902.75-20.3R-0.08R2

式中V为弹丸速度,R为距离聚能装药中心的距离,V的单位为m/s,R的单位为m,R的范围为1.38～19m。

爆炸初期EFP有一个形成过程,各部分速度不均匀,约在0.1ms后形成稳定的EFP,由拟合曲线可知,受空气阻力影响,当弹丸运动到19m时,速度约为1486m/s,相对于初速下降了约22%。

图4　EFP速度～距离曲线

1.3EFP的运动规律

因为在炸药爆炸驱动下形成的弹丸温度很高,且在运动过程中与空气磨擦发光,所以可利用这种本身的高温高速的发光进行现场拍摄。

起始时间为0ms,引爆雷管为工业8#。

爆炸成型弹丸过程中,在近距离区,炸药爆炸后,在爆轰波及爆轰产物的作用下,弹壳破碎并向四周飞散,同时大锥角罩通过加速、变形、逐步形成自锻弹丸,并逐渐与爆轰产物脱离。

试验中观察防护钢板,介质碎片基本以弹的位置为圆心,在钢板上均匀分散。

由于开始阶段爆炸气体产物速度较高,弹丸淹没在产物中。

1.4钢板和混凝土贯穿试验

1.4.1钢板叠靶贯穿试验结果

EFP炸高取320mm,靶标为七层钢板叠靶,每层钢板

厚度10mm。

试验结果为EFP穿透五块钢板,入口

平均孔径17～18mm,且孔径均匀,弹丸嵌在第五层

钢板后表面上,第六、第七层钢板均有大鼓包,见图

5。

试验多发,结果稳定,其中能量利用率算法见表1

注。

.

图5　EFP穿钢靶实验图片

1.4.2混凝土靶贯穿试验结果

混凝土配方（重量比）为:

水泥/沙/石子/水=1/1/1.86/0.37,硅酸盐水泥标号为520,养护期为2年;砂为河砂,过筛清洗,筛网直径3mm;石子为硬质石灰岩,过筛清洗,筛网直径5～10mm。

混凝土靶重2980kg,其尺寸和EFP的贯穿数据见表1,贯穿方向为厚度方向。

注：

破碎比功=EFP能量/漏斗体积（）,其中p为破碎比功（J/cm3）

能量利用率=EFP能量/炸药总能量（）,其中Q为EFP能量（J）;V为贯穿漏斗体积（cm3）;Q0,QV为炸药总能量、炸药的爆热;m,m0为EFP质量、炸药的质量（kg）;V0为EFP与混凝土接触时的速度（m/s）;R为漏斗半径（mm）;h为漏斗深度（mm）。

从表1可以看出,当炸高在320～1280mm范围变化时,EFP沉积在混凝土靶标的动能变化范围为9.32×104～9.52×104J,贯穿漏斗半径约120～130mm,漏斗深度为90～100mm,破碎比功约在50～70MJ/m3范围内,贯穿试验结果相对稳定。

从表1中的EFP装药当量及能量利用率可以看出,本试验的聚能装药结构能量利用率在26%左右,其余约74%的炸药爆炸的能量

用于壳体的破碎及碎片与爆轰产物的飞散。

2爆炸成型弹丸药型罩研究

2.1爆炸成型弹丸三种材料药型罩破甲试验

2.1.1　试验条件

采用密度为1.80ｇ/ｃｍ3的8718炸药,带壳装药条件,装药量为47ｇ,试验装置如图6。

　在相同装药条件下,对钨铜粉末冶金药型罩、紫铜药型罩和铜铝复合药型罩分别进行了静破甲试验。

药型罩采用变壁厚图6静破甲试验装置

内锥角2α=137°,封顶。

2.1.2破甲对比试验

2.1.2.1钨铜粉末冶金药型罩试验　

采用钨粉与铜粉混合,搅拌均匀。

热挤压成内锥角为2α=1370的变壁药型罩,再经过900℃无氧烧结,装药成型,静破甲结果如表2所示。

2.1.2.2紫铜药型罩试验　

　将紫铜板热挤压成内锥角为2α=137°的变壁药型罩,装药成型,静破甲结果如表2所示。

2.1.2.3铜铝复合药型罩试验　

　将爆炸焊接成的铜铝复合双金属板热挤压成同样的药型罩,装药成型,静破甲结果如表2所示。

表2三种材料药型罩静破甲结果

2.1.3试验结果分析

比较三种材料药型罩的破甲试验结果,钨铜粉末冶金罩未形成破片,钨和铜还处于粉末状态,无氧烧结没有改变材料的金相结构,原因是由于烧结温度低。

　紫铜是传统的药型罩材料,它具有较好的塑性,它最大的破甲威力能够达到28ｍｍ。

　铜铝复合药型罩形成破片的破甲效果较好,比紫铜罩威力高。

由复合罩的密度计算公式

可以看出,不论铝铜厚度比ｎ为多少,铜铝复合药型罩的密度远小于铜的密度。

根据弹丸爆炸中药型罩压垮速度计算公式,压垮速度与药型罩的密度在爆速和爆压一定的情况下成反比。

因此,铜铝复合药型罩的压垮速度将提高,那么形成的破片径向收缩较好,破甲能力也将提高。

经计算,形成的破片速度为5744ｍ/ｓ。

2.1.4铜铝复合药型罩的补充试验　

　在设计爆炸成型弹丸时,考虑到爆炸后药型罩形成弹丸的形状将影响到破甲效果,形状均匀,长径比大,飞行稳定,破甲能力强。

因此在药型罩的罩顶中心开一通孔,以利于药型罩的翻转和径向收缩,减小成型弹丸飞行时的空气阻力,提高破甲能力。

破甲试验结果如表3所示。

表3铜铝复合药型罩罩顶开孔破甲结果

2.2药型罩曲率半径的影响

2.2.1数值模拟及分析　

2.2.1.1模型的基本参数

采用如图7的计算模型，它由炸药、壳体

和药型罩组成。

药型罩为等壁厚紫铜罩，其厚度为

2mm，曲率半径为60mm，装药为RDX/TNT（60/40）

炸药，主装药高度为30mm（即球缺顶部到起爆中

心点的距离），装药直径为60mm，侧向外壳厚度为

3mm的钢材料，顶外壳厚度为6mm，材料为金属铝。

计算模拟过程只改变药型罩的曲率半径，其它参数不变。

2.2.1.2EFP形成过程的模拟结果　

EFP在形成过程中，不同的药型罩外形和壁厚，

可以形成各种各样的EFP形状。

仅讨论等壁厚

率半径对EFP参数的影响。

图7计算模型

图8是炸药起爆后，药型罩变形过程中的几个瞬态图。

其中上面的网格图表示数值模拟的结果，它们分别是0，20，30，50，70，100μs药型罩网格变形图。

下面的轮廓线图为50，70，100μs高速摄影所记录的药型罩外形图。

由于闪光照片上不能清晰地反映出EFP的内部形状，这一点较难与数值模拟所得出的EFP形状进行比较。

但是，模拟结果的总体外形和尺寸与闪光照片的轮廓和尺寸在相对应的时刻点处吻合较好。

另外，数值模拟所得的EFP速度为1.95km/s，试验测得的弹丸平均速度为2.0km/s，这两个速度值非常接近。

图8不同时刻的EFP数值模拟结果与X光照对比

2.2.1.3EFP曲率半径对其参数和形状的影响分析　

药型罩曲率半径的变化，对EFP的成形起着决定性的作用。

这是因为药型罩曲率半径的变化将引起爆轰波阵面作用于药型罩位置的改变，从而导致药型罩材料流动方向的变化。

采用上述的计算模型，讨论药型罩曲率半径发生变化时，EFP参数和形状的改变。

在装药结构和参数不变的情况下，选取SR=50、55、60、65、70和75mm等几种药型罩曲率半径进行讨论，模拟的结果在表4中列出。

表4药型罩曲率半径影响EFP成形的数值计算结果　

从表4中的结果可以看出，随着药型罩曲率半径的增大，EFP的速度值也随之增大，但速度增长的幅度不是太大。

相反，EFP的长度则随药型罩曲率半径的增大而逐渐减小，EFP长度的减小将降低其侵彻能力。

图9为EFP速度随药型罩曲率半径的变化曲线，药型罩曲率半径的初始变化所引起的速度斜率变化较大，而后随曲率半径的增加则逐渐减缓。

当药型罩的曲率半径增大到极大值，即药型罩为平板时，炸药推动药型罩运动所能达到的速度值可由格尼公式确定，此为药型罩被加速的极大速度值。

因此，为了提高EFP的速度，在装药结构不变的前提下，尽量采用曲率半径较大的药型罩结构。

从EFP的形状来看，药型罩曲率半径对EFP的质心位置也有较为明显的影响，随着药型罩曲率半径的增大，弹丸质心向其头部靠近，即弹芯的长度将减小，这将降低弹丸的侵彻深度。

而且，曲率半径越大，形成的EFP越向中空形状发展，势必影响弹丸的整体穿甲能力。

在药型罩曲率半径较小时，形成的EFP的稳定裙部分较小，不利于EFP的飞行稳定。

考虑到弹丸的侵彻能力，形成的EFP内部空腔不能太大，这是因为实心弹丸较利于侵彻过程的稳定。

所以，对于某一口径的EFP装药，其药型罩