药型罩材料与结构的研究进展

贾梦晔,高永宏,周鹏飞,张 婧,李晨阳,刘迎彬,胡晓艳

(中北大学 环境与安全工程学院, 太原 030051)

摘要:在反装甲武器的研究发展过程中,聚能破甲效应发挥了巨大作用,同时,随着聚能效应的研究发展,使其在军民领域都具有一定的应用前景。以此为背景,对聚能效应研究的核心部件之一——药型罩的研究概况展开分析。文献资料显示,有关药型罩的研究主要集中在材料与结构两个方面:结构上,如药型罩的形状、组合药型罩的结构比例、各种新型的顶部结构、锥角、壁厚、曲率半径以及母线长度等都对超聚能射流的头部最大速度、射流整体速度减小的趋势以及射流的侵彻能力影响重大;材料上,塑性、密度、声速、可压缩性、延展性等诸多材料性能,都会提高聚能效应的侵彻深度或毁伤性能。改善药型罩的材料与结构都会提高聚能射流的侵彻性能或EFP的后效毁伤能力。目前急需解决的问题:① 如何减少球形药型罩质量;② 药型罩材料基础机理方面的微观研究不足;③ 如何使得各种性能良好的金属e互相溶解;④ 如何使超塑合金微区密度均匀没有缺陷,并且获得高致密度;⑤ 如何通过改进加工技术,实现多种稀有金属及其合金药型罩材料的大规模实用等。未来的重点的研究方向:① 进一步探索新型结构,如双层药型罩,多层药型罩,以及变锥角药型罩和变壁厚药型罩;② 未来除了研究高密度的药型罩材料的同时,还应该研究具有特殊性能的药型罩材料,满足攻击特种非均质装甲的要求;③ 由于非晶合金结构上不存在缺陷且各种性能优良,因此非晶合金结构更多种类依旧是未来研究的重点。

关键词:药型罩;聚能装药;射流;爆炸成型弹丸;侵彻性能

1 引言

在几次著名的世界大战中,装甲车发挥了十分重要的作用,全球第一辆的坦克装甲车在英国于1918年被研发出来,并且在1919年9月就被投入于索姆河战役中,距今已有一百多年的历史,装甲防护的技术不断的进步,因而,破甲武器也需要随之不断地进步。众所周知,破甲能力的提高,有赖于聚能射流的质量与速度的优化,而聚能射流的质量、形状、速度的优化,离不开药型罩。所以,为了改良我国的反坦克武器装备、提升在全球我们国家的军事地位,研究药型罩的优化对超聚能射流性有着特别深远的意义。而在民用方面,由于作业目的和作业环境的情况复杂且多变,对之前技术的革新已经迫在眉睫,想要实现孔径、穿深可把控型的毁伤单元,就需要对药型罩进行革新。所以,就对药型罩材料及结构的发展进行了总结与探讨。

2 药型罩发展状况

2.1 药型罩结构发展状况

2.1.1 国内外型药罩结构发展对EFP的影响

EFP(爆炸成型弹丸)的平均速度约为1.5~3 km/s,质量可达原装药型罩的80%~90%。侵彻深度一般不超过装药口径的1倍。它具有侵彻孔径大,动能大,气动性能好,穿透能力强,对爆炸高度无严格要求等特点。 它是摧毁各种轻型装甲车和舰船密封舱的有力武器,也可用于侵入混凝土等目标。

现代舰船的抗爆炸冲击能力随着防护技术的日益发展,导致常规药型罩聚能鱼雷战斗部很难对新型舰艇造成致命毁伤[1]。周方毅等[2]研究了一种双球缺组合药型罩的聚能鱼雷战斗部。运用程序ANSYS/LS-DYNA计算得到:圆锥与球缺组合药型罩聚能装药对靶板的破坏直径是单独的圆锥或球缺药型罩聚能装药的两倍。虽然在相同尺寸的条件下圆锥、球缺组合药型罩聚能战斗部也能够击穿带含水夹层圆柱壳结构靶板,然而却不能对加强筋部分造成毁伤,而且形成的射流不稳定[3]。因此,双球缺组合药型罩较圆锥罩、球缺罩及圆锥球缺组合药型罩毁伤效果最佳。

图1 双球缺组合药型罩示意图

Fig.1 Double spherical combined liners

英国亨廷有限公司研究出一种爆炸成形弹,当战斗部飞越目标时,爆炸成形弹丸(EFP) 对目标实施攻击,该爆炸成形弹具有两个口部朝向完全相反的球缺形药型罩;德国应用研究公司研究出一种串联重金属双球缺药型罩。当战斗部中的装药发生爆炸后,双球缺药型罩就会产生一前一后在同一弹个道上飞行的2个弹丸,前一弹丸会攻击反应装甲,后一弹丸会破坏主装甲;法国军械部研究出一种具有变壁厚紧贴双球缺形药型罩的战斗部,在装药量相同时,相比于单药型罩,该型罩产生的爆炸成形弹丸质量大,在弹道上时,弹丸的速度下降很小,总体效果很好[4]

2.1.2 国内药型罩结构发展对射流的影响

超聚能装药形成的超聚能射流头部最大速度其变化趋势也与药型罩的结构有关。俄罗斯学者V.F.Minin 等[5-6]通过数值模拟分析设计了不同形状截顶药型罩与辅助药型罩的耦合作用,首次提出了超聚能射流的概念。接着,Minin I.V等[7]把理论运用到试验中,从而在实践中证明了超聚能射流的高速、高药型罩利用率的特点。聚能射流具有高头部速度(通常超过6 km/s,最高可达12 km/s)和大速度梯度的特点。 形成的侵彻体细而长,并且在与目标作用前急剧延伸,因此,对目标的穿透孔径较小,穿透深度较大,一般用于摧毁坦克和其他固体装甲目标。

1) 球锥结合药型罩

陈兴等[8]在半球形主药型罩基础上增加了锥形前驱罩结构,设计出一种球锥结合药型罩,运用ALE方法,药型罩材料采用铜,对锥角角度分别为 30°、35°、40°、45°和 50°时进行模拟,研究角度对射流的形状、速度、射流头部速度和杵体质量的影响,经过模拟得出:前驱射流头部速度会随锥角的增大而降低,因此结合模拟结果,前驱罩顶角的锥角最佳范围为 40°~50°;球锥结合药型罩优化了孔径、穿深和射孔体积。

图2 球锥结合药型罩示意图
Fig.2 Spherical cone combined liners

2) 一种新型圆柱-半球结合药型罩

为了提高半球形药型罩的侵彻能力并且保证半球形药型罩开孔均匀和开孔大的优点不变,王庆华等[9]设计出一种新型圆柱-半球结合药型罩,他们运用ANSYS/LS-DYNA对半球形药型罩、圆柱-半球结合药型罩的聚能侵彻体成形的过程及对45号钢板的侵彻过程进行了数值模拟。根据模拟结果研究发现,当装药质量与结构一致时,圆柱-半球形药型罩比半球形药型罩形成的聚能侵彻体头部速度提升16.67%,对45号钢板的侵彻能力提升16.82%,基本也保持了开孔大且均匀的特点。

图3 圆柱-半球结合药型罩示意图
Fig.3 Cylindrical-hemisphere-bound liners

3) 柱锥结合药型罩

为了优化柱锥结合药型罩,王佩等[10]使用ANSYS/LS-DYNA对圆柱结构直径/高度比值为 3/1、3/2、3/3、3/4、3/5、3/6的柱锥结合药型罩形成射流的过程进行了模拟,结合多种参数,发现当圆柱结构直径/高度比值为3/3时,该药型罩形成的射流最稳定,与圆柱结构直径/高度比值为3/1的柱锥结合药型罩相比,该药型罩对45号钢板的侵彻能力提升约27.5%,而且没有出现射流头部堆积和射流过早断裂的现象,侵彻能力是最强的。

图4 柱锥结合药型罩示意图

Fig.4 Column-shaped cone combined liners

4) 一种喇叭-锥角结合药型罩

阮光光,雷伟等[11]对一种喇叭-锥角结合药型罩形成射流进行了数值模拟,为了提高锥角药型罩装药结构的侵彻能力,改变其顶部锥角为喇叭形,研发了一种新型的喇叭-锥角结合药型罩。采用模拟软件ANSYS/LS-DYNA对喇叭-锥角结合药型罩、平顶药型罩、锥角药型罩[12]在爆轰波作用下射流的形成以及对45号钢板的侵彻过程进行数值模拟,并对3种药型罩形成的射流参数如头部速度、射流断裂时间等以及对45号钢板的侵彻性能进行了对比,模拟结果证明:相同装药条件下,喇叭-锥角结合药型罩装药结构形成的射流头部速度最高,与锥角药型罩相比,形成的射流头部速度提高约 9.54%,与平顶药型罩相比,形成的射流头部速度提高约 6.36%;相同装药条件下,喇叭-锥角结合药型罩装药形成的射流拉伸长度最长、拉伸性能最好;对45号钢板的侵彻深度与平顶药型罩相比提高约12.25%,与锥角药型罩相比提高约19.82%。

图5 一种喇叭-锥角结合药型罩示意图

Fig.5 A horn-cone angle combination liners

5) 双锥药型罩

为了提高射流在侵彻全过程的破甲效率,陈闯等[13]设计了一种顶部小锥角、口部大锥角的双锥药型罩,在求解药型罩压垮速度时,运用PER理论和Gurney公式以及Chanteret公式[14],并且分析了40°和80°锥角单锥罩和上、下锥角分别为40°、80°双锥罩的射流形状以及参数,根据模拟结果分析得出:当上锥角从18°增大到34°时,头部速度基本会降低10.4%,拐点速度会降低25%;双锥罩的上部分锥高度占整个药型罩高的比例从30%增加到70%时,射流头部速度会增加11.8%,拐点速度会降低19.9%;当药型罩高度从125 mm增大到155 mm,头部速度会增加4.2%,拐点速度会降低11.4%;当罩壁的厚度从1.8 mm增加到3.4 mm,头部速度会降低8.4%,拐点速度会降低18.4%;射流成型吻合较好。

图6 双锥药型罩示意图

Fig.6 Double-cone liners

2.2 药型罩顶部结构发展对射流的影响

2.2.1 一种新型M形顶部结构药型罩

王凤英等[15]设计了一种新型M 形顶部结构药型罩,是通过在锥角药型罩结构基础上改变顶部结构设计出的,并且分析了射流头部的形成机理。为了研究爆轰波作用下M形顶部结构药型罩射流的形成过程,运用ANSYS/LS-DYNA对45号钢板的侵彻过程进行了数值模拟,并与锥角药型罩、平顶药型罩形成射流的头尾部速度、拉伸长度、杵体大小的侵彻能力进行了对比。分析模拟结果发现,M形顶部结构药型罩在爆轰波作用下经二次汇聚形成了射流头部,在装药数据相同时,该射流的头部速度相比锥角药型罩的射流头部速度提高约9.10%,比平顶药型罩射流头部的速度提高约5.56%;该药型罩侵彻深度比锥角药型罩提高约10.4%,比平顶药型罩提高约7.28%。

图7 M形顶部结构药型罩示意图

Fig.7 M top structure liners

2.2.2 V形顶部结构药型罩

为提高聚能射流的侵彻能力,安文同等[16]在锥角药型罩基础上设计出V形顶部结构药型罩,运用ANSYS/LS-DANY对V形顶部结构药型罩射流成型及侵彻进行了模拟,结合射流的二次喷射现象与锥角药型罩的侵彻能力进行对比。根据模拟结果分析出:V形顶部药型罩的射流头部速度相对于锥角罩提升7.2%左右,并且射流无断裂,延展性良好,生成的柞体较小;V形顶部药型罩形成的侵彻深度相对于锥角罩提高约16.9%。

图8 V形顶部结构药型罩示意图

Fig.8 V top Structure liners

2.2.3 截顶M形药型罩

结合超高速射流理论,安文同、高永宏等[17]设计了一种截顶M形药型罩,运用ANSYS/LS-DANY软件对截顶M形药型罩形成射流的过程以及射流侵彻靶板的过程进行模拟研究,根据模拟结果分析得出:截顶M形药型罩的射流头部速度比原药型罩结构提升3.57%,射流长度提升3.7 %,抗拉伸性能更好,射流拉伸断裂时间晚于M形;截顶M形药型罩形成的侵彻深度比原M形药型罩增加5.54%,破孔直径比M形增加25.83%,侵彻能力明显更好。

图9 截顶M形药型罩示意图

Fig.9 Top-cut M liners

2.3 粉末药型罩发展状况

由于粉末具有一定的可压缩性,在冲击波压缩的作用下其温度会上升,为了提高射流的韧性、延缓射流的断裂创造了可能性[18]。李惠[19]用电镀法在铜粉表面均匀的镀一层镍。实验结果表明:此方法可行且镍包覆层均匀。电铸工艺制备的药型罩相较于传统制造药型罩的方法具有其独特的优势,电铸药型罩材料利用率高、组织致密、材质纯净。为了使得电铸层的厚度更加均匀,ParkCW等采取辅助阴极的措施来削弱阴极表面高电流密度区域[20]

1) 烧结粉末药型罩

Jacek Borkowski[21]等测试了2种类型的烧结粉末药型罩:烧结球形药型罩和顶角开口的圆锥形药型罩。实验发现,其穿透性能可与由致密(非烧结)铜制成的药型罩产生的EFP弹丸相媲美。由烧结球形药型罩形成的弹丸的获得的最大侵彻深度为0.7倍药型罩直径。显然,多孔烧结铜药型罩具有微晶粒结构,与致密型铜相比, 其机械强度较低。但是,根据实验结果,这个因素对弹丸的动态形成、高超音速飞行以及对钢质靶板的穿透能力影响都很小。

2) 金属粉末反应药型罩

Zhang-Dubao等[22]研究烧结温度对Ni-Al材料力学性能和能量密度的影响。研究发现,能量在烧结过程时会发生一定量转移,如果把另外的金属添加到Ni-Al中时,SICR特性将会显示出增加或降低。Xiong-Wei等[23]分析了Cu/PTFE对Ni-Al复合材料的能量释放特性以及SICR行为的影响。经过分析试验结果以及对理论进行研究发现,在冲击条件不变时,铜会使反应效率变低以及会升高引发SICR的临界冲击压力。

Sun-Miao等[24]对Ni-Al和Cu-Ni-Al反应药型罩的反应性及侵彻性能进行了研究,通过分析实验残留射流中铁的百分比与目标相互作用的强度结合[25]。为了提高其破坏能力,考虑可以将动能与化学反应能结合起来[26]。最终经过模拟和实验研究得出的主要结论如下:利用免烧结的粉末冶金技术制备了Ni-Al和Cu-Ni-Al反应药型罩,经过静破甲实验的结果分析得出,Cu-Ni-Al反应药型罩的穿深比Ni-Al反应药型罩增加了42%;在实验未穿靶时,通过分析靶板内的残余射流区的能谱扫描结果,发现氧元素含量很低,这就说明Ni-Al和Cu-Ni-Al的反应射流都是以金属间化合的反应为主;最后通过对靶板微观组织观察、能谱扫描和显微硬度分析,证明Cu在2个方面增强了Ni-Al反应材料的侵彻性能。

2.4 辅助药型罩

为了使得聚能射流的侵彻能力更高。最近这几年,科研人员们在装药结构、药型罩材料成分的配比和添加含能材料等的方面深入研究,研制出的聚能装药战斗部侵彻能力更强[27]

为了研究辅助药型罩材料对线型聚射流性能的影响,孙建军等[28]以紫铜为主体药型罩,A1、Cu和W作为辅助药型罩运用LS-DYNA对形成的线型聚能射流进行了数值仿真,并和传统的线型聚能射流进行对比分析。模拟结果证明:当W作为辅助药型罩材料时,形成的线型聚能射流的速度较传统的楔形罩结构提高约25.9%,射流的有效长度增加约145%。

吉元峰等[29]运用Autodyn-2D对不同材料的辅助药型罩的侵彻过程通过研究发现,辅助药型罩材料为钢和紫铜时,其穿深效果最好。

3 药型罩材料研究

经过模拟研究以及试验论证,射流的侵彻性能与药型罩材料的一些性能,如材料的声速、密度和塑性等有着密不可分的关系。而且,总的侵彻深度与射流密度和靶密度之比的平方根呈现出正比的关系。因此,药型罩的材料密度越高,侵彻深度就会随之越深。所以,选择药型罩材料时,材料的声速、密度和塑性可作为重要的参考指标[30]

3.1 单金属性能

锥形药型罩基本上使用的材料是纯铜。主要是因为,纯铜具有优良的综合性能,它的塑性很好,声速(4.7 km/s) 和密度(8.9 g/cm3) 也比较高,射流的延性良好。

钨在常温常压下十分脆,但是,钨的密度(19.25 g/cm3)和声速(5.2 km/s)都十分高,并且钨制成的药型罩射流延性良好。因此是不错的药型罩备选材料之一。

钼具有高声速(6.4 km/s)和高密度(10.2 g/cm3),是形成高头部速度、高侵彻威力射流的一种药型罩侯选材料。钼罩相较于传统的铜罩,生成的射流直径大,侵彻深度能够提高30%。依据相关的报道,美国的海尔法导弹串联战斗部采用了钼罩作前驱罩,奥地利在主装药中采用了钼药型罩。美国陆军武器研究、发展和工程中心制成的钼药型罩,试验研究了其机械性能和形成的射流。试验后表明,射流的延性极好,可与铜罩形成的射流相比[31]

镍Ni与铜相比声速较高,镍药型罩射流的速度大约比铜高15%,其头部速度为11 400 m/s。目前,美国的海尔法导弹串联战斗部的主装药使用的是电铸镍药型罩。

铝密的度较低,是一种轻质材料,具有高声速(5.32 km/s)和良好的延展性,美国的AT4火箭筒发射空心装药破甲弹,采用的是铝或铜铝复合药型罩。破甲后能在车体内产生峰值高压、高热和大范围的杀伤破片,并伴有致盲性强光和燃烧作用。

钽的密度几乎是铜的2倍(16.654 g/cm3),并且高熔很高,具有良好的延展性与抗腐蚀性,樊雪飞等[32]经过模拟发现,与紫铜药型罩相比,钽药型罩的侵彻深度提高了约55.4%。由于其优越的性能,在国外已被运用到聚能战斗部中,如SMART(德国研发)、SADARM(美国研发)和BONUS(瑞典研发)等末敏弹弹药。

贫铀是核工艺生产中的副产品。具有高密度(19.1 g/cm3)、高硬度和高韧性的特点,贫铀能大幅提升穿甲强度,在聚能金属药型罩的选材上具有很好的前景。Explosives等[33]在聚能装药中使用贫化铀(DU)作为药型罩的情况上做了进一步的调查,他们发现,把高能炸药压在贫铀药型罩上,留下一个圆锥形的空腔,顶端在炸药内部。当聚能装药点火时,爆炸材料中的爆震波将药型罩推向中轴线,也会远离顶部,从顶部开始,一直持续到药型罩的底部。贫铀本身就变成了高速的物质射流。这种射流可以刺穿装甲钢,也可以刺穿混凝土或岩石,如花岗岩或砂岩。Rongzheng Xu等[34]运用 AUTODYN的数值方法来研究贫铀聚能装药药型罩的性能。通过调整不同的参数,优化了用于成品聚能装药贫铀药型罩的性能,并通过相关试验验证了该优化药型罩的性能。此外,根据优化计算模型和结构研究,提出了一种新的聚能装药结构,目标是实现8个装药直径的侵彻深度。

3.2 合金药型罩

近些年,为了找到更高性能的药型罩新型材料,国内外都在研制高性能合金药型罩,包括镍合金、Re-Cu、钨-铜、W-Ni-Fe以及超塑合金等。钨-铜合金密度很高,因此,能提高射流对均质钢靶板的侵彻性能。然而钨与铜无法相互溶解,常规工艺难以制造出药型罩,限制了发展。W-Ni-Fe合金药型罩能形成高速延性射流,虽然穿深较低但破孔孔径大。

根据试验结果,随着钨含量的增加,W-Al-PTFE材料的反应阈值、应变率和比能量阈值都会增加。虽然钨加强了某些力学性能,但是Zhao-Ziying等[35]认为钨降低了材料的反应性和总能量,所以为了改进,给W-Al-PTFE材料适当的加入镁。研究发现加入适当的镁会增强材料的能量密度,提高了该反应的反应速率和程度,在试验时发现增加了更多的毁伤坑。

为了研究破片的毁伤效果和力学性能,Jin C等[36]对起爆后的镍-铝-钨反应回收,经研究发现,冲击导致破片硬化,所以镍-铝-钨破片没有碎裂,然而镍-铝-钨破片造成的孔径是铁破片的3倍。

龚柏林等[37-38]对贫铀-铌合金药型罩进行研究,发现铀合金药型罩形成的射流最高侵深较紫铜材料的平均侵彻深度提高33.4%,贫铀合金半球形药型罩的破甲深度可达药型罩最大直径的9~10倍,而常规圆锥形铜药型罩的破甲深度约为药型罩最大直径的7倍。当贫铀合金制成的穿甲弹穿透装甲车辆等硬目标后,贫铀合金会碎成粉末并与空气接触后剧烈燃烧,杀伤内部乘员,破坏内部设备。

钛合金聚能装药药型罩[39]形成的射流与传统紫铜药型罩形成的射流,在侵彻深度基本一致时,开孔孔径提高约20%,在孔径基本一致时,钛合金聚能装药药型罩射流的侵彻深度明显高于传统紫铜药型罩的侵彻深度。钛合金药型罩射流基本连续、准直,可形成有效的聚能杀伤元,具有很好的应用前景。

综合考虑射流侵彻深度和直径的性能[40],Fe-Al-Bi合金聚能装药药型罩最佳合金配比为36Fe-54Al-10Bi(wt.%),在该配比下,与传统的单金属聚能装药药型罩相比,Fe-Al-Bi合金聚能装药药型罩射流不再是细长射流,而是形成了高温高压区域,这有利于提高超临界射流的侵彻性能,聚能装药药型罩在穿透后没有棒塞残留,穿透通道不堵塞,高能粒子射流与靶体发生反应后不会产生弹状物。因此,Fe-Al-Bi合金聚能装药药型罩具有更好的侵彻性能。

W-Cu-Zr非晶合金材料拥有高强度、高硬度、高延展性、优异软磁性、高耐蚀性及优异的电性能、抗辐照能力等性能等特性[41]。W-Cu-Zr非晶合金材料做药型罩材料可以提高射流的动能,增加射流长度,形成的射流不易断裂,提高了药型罩的侵彻威力,是各方面性能都很好的药型罩材料之一。

合金药型罩的缺点是合金的密度均匀性较差,射流不稳定。为了产生出理想射流,法国研究出具有超塑性细晶合金药型罩材料为锌-铝、铜-锌。然而ZHAO Ziying等[42]研究发现,射流对靶板强度非常敏感,所以很难用于实际中。

3.3 活性材料药型罩

活性金属材料是2种或2种以上的金属,受强烈的外部条件(如冲击或热)的刺激,在固体或液体状态下相互扩散,形成一类有序化合物。原子比一般符合一个固定的比例,在形成过程中释放大量的热量。 一些金属甚至可以发展自蔓延反应行为。其中比较典型的是Mo-Si,W-Zr,Al-Ni,Al-Fe等[43],由于活性金属间体系材料的密度和强度普遍高于氟基材料,近年来发展迅速。此外反应结构材料的类型还有金属硼化物,如B-Ti,B-Zr;金属碳化物和氢化物的系统。

Hastings D L等[44]设计了一种相当于钢密度的W-Ti-B三元适形材料,通过改变球磨混粉的顺序,设计了3种混合粉末。结果表明W-B粉末混合后再加入Ti粉可以减少金属间化合物的预先形成,反应时速率更快,并且发现能量的实验值高于理论值,因此认为W粉在金属间反应的影响下也参与了燃烧过程。

Wu-Jiaxiang等[45]通过改变铝颗粒的尺寸,分析其对Al-PTFE反应材料力学性能和反应性的影响。结果表明,Al-PTFE的准静态压缩强度随铝颗粒尺寸的增大而减小;峰值出现在韧性为铝颗粒的6~7 μm处。

Baker E L等[46]研究了含铝Al反应材料制成的反应药型罩的毁伤,制备了厌氧、氧平衡、富氧及对照组无氧(Al 1100)四种类型的药型罩,并对美军标混凝土靶进行了静破甲实验。根据实验发现,反应药型罩造成的毁伤效果优于相同结构的铝药型罩,同一炸高时,氧平衡组对混凝土靶板造成的孔径最大,当爆炸高度为装药直径的1倍时损伤最严重,可实现混凝土等目标的大孔侵彻和深孔毁伤。

Xiao-Jianguang等[47]对35 MPa强度混凝土和其他大目标板进行了Al/PTFE(26.5/73.5wt)反应药型罩破甲实验。随着炸高的变化,侵彻后能量释放的位置也发生变化,能量释放的表达方式也不同。认为反应药型罩反应时存在自延迟时间,破甲效果受自延迟时间的影响。

4 药型罩有待解决的问题与展望

4.1 药型罩有待解决的问题

药型罩结构有待解决的问题:

1) 由于球形药型罩体积偏大,导致球形药型罩质量偏大,如何改善这一问题。

2) 药型罩结构单一注重侵彻深度或单一注重孔径,如何让射流保持侵彻深度的情况下,同时可以扩大孔径。

3) 由于截顶药型罩由于结构特殊,如何把截顶药型罩广泛运用到实际中来。

4) 如何把药型罩的壁厚差严格控制在毫米以内,特别是药型罩顶部的壁厚差。

5) 药型罩结构各个尺寸比例对射流性能的影响较大,如圆锥药型罩的高度、药型罩壁厚、锥角;球缺药型罩的曲率半径;因此需要确定组合药型罩的各部分最优比例。

药型罩材料有待解决的问题:

1) 药型罩材料基础机理方面的微观研究不足。

2) 各种金属不能互相溶解,例如W与Cu,难以用常规工艺制造。

3) 超塑合金,这些材料的射流对靶板强度敏感而缺乏实用性。需要解决的问题是精密制粉和精密粉末冶金技术,目标是使材料微区密度均匀,没有缺陷,并且可获得高致密度。

4) 如何通过改进加工技术,以实现多种稀有金属及其合金药型罩材料的大规模实用。

4.2 课题未来研究方向

1) 通过改变形状顶部结构药型罩形成的射流的侵彻深度与侵彻能力更,延展性更好且杵体小。

2) 进一步探索新型结构,如双层药型罩,多层药型罩,以及变锥角药型罩和变壁厚药型罩。

3) 除传统的铜药型罩材料和常见的合金外,要逐步研究多种金属材料,以及更多种合金的可能性。

4)粉末药型罩是否可以在保持性能基本不下降的情况下通过使用更普通更便宜的金属粉末来替代Ni,W等昂贵的金属粉末,以达到粉末药型罩的普及。

5) 未来除了研究高密度的药型罩材料的同时,还应该研究具有特殊性能的药型罩材料,以适当降低射流头部速度,减小射流前部的能量,增大射流后部的质量和能量,满足攻击特种非均质装甲的要求。

6) 研究新型加工技术,从而改善材料的组织和降低材料的成本,以实现钼,钽,钨及其合金和贫铀合金等药型罩材料的大规模实用。

7) 由于非晶合金结构上不存在缺陷,没有晶体材料的位错和晶界,具有晶态金属难以达到的高强度、高硬度、高延展性、优异软磁性、高耐蚀性及优异的电性能、抗辐照能力等性能,因此,该结构更多合金的种类,依旧是未来研究的重点。

5 结论

药型罩是形成聚能射流或EFP的主体,因此对于聚能射流或EFP的毁伤效果来说,药型罩是最重要的一个影响因素,而药型罩的结构(如:锥角、壁厚、曲率半径、母线长度以及组合药型罩的结构比例等)、材料(如:塑性、密度、声速、可压缩性、延展性等)以及质量等诸多因素,这些因素都会提高聚能射流的侵彻性能或EFP的后效毁伤能力。因此,我们在对药型罩做出选择时,一定要全面考虑,研发新型药型罩时,一定要做好优化设计。对于高效的聚能效应战斗部,药型罩的发展重点是新型的结构与新型的材料以及新型的加工技术。

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Research progress on material and structure of drug cover

JIA Mengye, GAO Yonghong, ZHOU Pengfei, ZHANG Jing, LI Chenyang, LIU Yingbin, HU Xiaoyan

(School of Environmental and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract: In the process of research and development of anti-armor weapons, the energy-concentrating armor-breaking effect has played a huge role. At the same time, with the research and development of the energy-concentrating effect, it has certain application prospects in the military and civilian fields. With this as a background, an analysis of the research overview of the liner, one of the core components of the energy-concentrating effect research, was carried out. Literature data shows that the research on the liner mainly focuses on two aspects of material and structure: structure, such as the shape of the liner, the structure ratio of the combined liner, various new top structures, cone angles, and wall thickness. The radius of curvature and the length of the bus bar all have a significant impact on the maximum velocity of the super-concentrated jet’s head, the tendency of the overall jet velocity to decrease, and the jet’s penetration ability; in terms of materials, plasticity, density, sound velocity, compressibility will increase the penetration depth or damage performance of the energy gathering effect. Improving the material and structure of the drug-type cover will increase the penetration performance of the shaped energy jet or the aftereffect damage ability of the EFP. Problems that need to be solved urgently: ① How to improve the quality of the spherical drug cover; ② Insufficient micro-research on the basic mechanism of the liner material; ③ How to make various metals with good properties dissolve each other; ④ How to make the superplastic alloy micro-area. The density is uniform and has no defects, and high density is obtained; ⑤ How to improve the processing technology to realize the large-scale practical use of a variety of rare metals and their alloys. Future key research directions: ① To further explore new structures, such as double-layer liner, multi-layer liner, and variable cone angle liner and variable wall thickness liner; ② In the future, in addition to the research on high-density charge cover materials, we should also study the charge cover materials with special properties to meet the requirements of attack special heterogeneous armor. ③ Since amorphous alloys have no defects in structure and excellent properties, more kinds of amorphous alloys are still the focus of future research.

Key words: liner; shaped charge; jet; explosively formed projectile; penetration

收稿日期:2021-02-11;

修回日期:2021-03-09

基金项目:国家自然科学基金项目(11572292);国家青年科学基金项目(11802274);国家青年科学基金项目(12002319)

作者简介:贾梦晔(1996—),女,硕士研究生,E-mail:jmy96jmy@163.com。

通信作者:高永宏(1978—),女,博士,E-mail:gyh54gyh@163.com。

doi: 10.11809/bqzbgcxb2022.01.002

本文引用格式:贾梦晔,高永宏,周鹏飞,等.药型罩材料与结构的研究进展[J].兵器装备工程学报,2022,43(01):10-18.

Citation format:JIA Mengye, GAO Yonghong, ZHOU Pengfei, et al.Research progress on material and structure of drug cover[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2022,43(01):10-18.

中图分类号:TJ410.333

文献标识码:A

文章编号:2096-2304(2022)01-0010-09

科学编辑 王雅君(南京理工大学博士研究生)责任编辑 周江川