0 引言
活性材料作为一种新型的直接毁伤式含能材料,其主要成分为高氟含量(>70%)的氟聚物和金属颗粒或纤维填料。氟聚物基反应材料的高能、钝感和独特的能量释放特性使其成为近些年国内外的热点研究方向[1-13]。赵宏伟等[14]采用试验研究方法,分析了活性破片的击穿能力、引燃能力和引爆能力。丁建等[15]梳理了氟聚物基活性材料的释能反应行为,以及引燃引爆、侵爆耦合毁伤效应研究现状。肖建光等[16]通过对Al/PTFE活性材料弹丸高速碰撞2024铝合金间隔靶板的数值模拟,得到了碰撞过程中活性弹丸的形貌演化规律,实现了对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量分析。葛超等[17-20]开展了活性材料对柴油油箱引燃效应的实验研究,得到了弹丸结构与油箱碰撞位置对引燃效应影响规律,揭示了活性芯体对柴油油箱的引燃机理。王成龙等[18]通过弹道枪试验和理论分析计算,研究了单枚反应破片对10 mm厚Q235钢密实防护油箱的引燃问题,获得了引燃机理和引燃判据。肖艳文等[19]采用弹道碰撞试验方法对活性弹丸碰撞无防护6 mm厚LY12铝壳油箱引燃效应和机理进行了研究,发现活性弹丸通过动能侵彻和化学能释放联合作用,能显著增强对油箱的引燃效果。王海福等[20]采用弹道炮实验方法,对活性破片和钨合金破片碰撞10 mm厚LY12铝壳油箱引燃效应进行了研究,研究结果表明,活性破片较钨破片对航空煤油具有更强的引燃能力,活性破片被激活后快速而剧烈地释放大量化学能,通过动能侵彻和内部燃爆两种毁伤机制的联合作用,大幅提升了引燃航空煤油能力。
本文采用装填PTFE(73.5%)/Al活性材料[21-25]芯体弹丸,对10、20、30 mm厚均质装甲钢靶防护的航空煤油油箱的毁伤效应和引燃效果进行弹道试验研究,同时开展无防护满油箱和有防护空油箱的对比试验。通过分析揭示活性材料对油箱的引燃增强机理,得到不同厚度装甲防护油箱的毁伤效应和引燃效果,以期为活性材料研究和小口径活性侵爆弹结构设计提供参考。
1 试验方法
试验弹丸以制式30 mm口径杀爆弹外形为基础,将其内部掏空为φ18 mm圆柱空腔,放置φ18×120 mm的PTFE/Al活性材料芯体;口部装填带尖锥形钨合金穿甲块,其高抗压强度特性利于穿甲,同时在侵彻过程中能挤压并激活活性材料;头部风帽采用2A12铝材制成,保证弹丸具有较小风阻的同时具有轴向固定芯体及穿甲块功能,如图1所示。
图1 试验弹丸结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of experimental projectile structure
试验用油箱为400 mm×400 mm×300 mm的长方体,采用0.8 mm厚Q253铁皮焊接而成;主靶板采用GY4均质装甲钢,长宽为500 mm×500 mm,厚度分别为10、20、30 mm。
试验布置如图2所示。在距炮口30 m处靶架上分别固定10、20、30 mm均质装甲板或不装装甲板,主靶板正后方300 mm处固定装满了标准航空煤油的油箱或空油箱。调整弹道线与主靶板正面垂直,以920 m/s初速依次射击,并在靶架侧方布置高速摄像,记录弹丸着靶后活性材料作用过程。
图2 试验系统布置示意图
Fig.2 Test system layout diagram
2 试验结果与分析
2.1 无防护油箱毁伤效应
使用1发装填PTFE/Al活性材料芯体的弹丸侵彻无防护的满油箱,一是测试0.8 mm厚的铁皮油箱壁能否激活活性材料;二是通过试验观察弹丸侵彻无防护油箱时水锤效应[26]对油箱的破坏效果,以便和后续试验油箱的破坏效果进行对比。
弹丸侵彻无防护满油箱过程高速摄像如图3所示,t=0 ms,弹丸着靶,弹丸与油箱前壁碰撞产生少量火光;t=0.4 ms,火光消失;t=0.5 ms,弹丸击穿油箱,油箱后壁可见开孔;t=1 ms,油料开始从油箱后壁开孔处大量喷出;t=1.5 ms,油箱后壁严重鼓包,从开口处撕裂;t=2 ms,油箱侧壁开始出现鼓包,整体变形加剧;t=3.5 ms,油箱侧向变形导致焊缝开裂,开始有油料从焊缝失效处喷出;t=5 ms,油箱在强烈的冲击下开始解体;t=10 ms,油箱完全解体。
图3 弹丸侵彻无防护满油箱过程
Fig.3 Process of projectile penetration into unprotected fuel tank
在此次弹丸侵彻油箱过程中,由于高速弹丸撞击产生显著的水锤效应,瞬间将油箱完全撕裂,油料快速泄漏,但未与高温弹体充分接触。同时由于油箱壁较薄,装填活性材料芯体的弹丸碰撞油箱壁时,其受到的过载无法使活性材料被激活,从而导致油箱只是在被撕裂的瞬间出现爆燃,而未被完全引燃。
试验结果如图4所示,可见油箱除了后壁从弹丸穿孔处被撕裂外,侧向失效发生在油箱焊缝这一薄弱部位,与水锤效应理论一致;油箱被穿透并破裂,油料喷出,但未被引燃。此试验证明了0.8 mm厚铁皮油箱壁和油料的冲击载荷无法激活弹丸内部装填的活性材料。
图4 弹丸侵彻无防护满油箱
Fig.4 Bullet penetration into unprotected fuel tank
2.2 10 mm装甲板防护油箱毁伤效应
对10 mm装甲板防护满油箱射击了1发试验弹,试验过程高速摄像见图5。t=0 ms,弹丸着靶,弹体与装甲板碰撞产生少量火光;t=0.3 ms,活性材料被激活反应,靶前出现强烈闪光;t=0.8 ms,弹丸击穿油箱,油箱后壁可见开孔;t=1 ms,油料开始从油箱后壁开孔处大量喷出;t=1.5 ms,开始有油料向上喷出;t=5 ms,少量的靶前火焰在压力差作用下被吸到靶后方油气混合物中;t=15 ms,靶前火焰基本熄灭;t=18 ms,向上喷出的油气混合物被引燃,火焰快速蔓延;t=26 ms,点燃的油气混合物从靶板被弹丸击穿的穿孔向前喷出;t=100 ms,火焰进一步向四周蔓延,直至点燃所有的油气混合物。
图5 弹丸侵彻10 mm厚装甲板防护满油箱过程
Fig.5 The projectile penetrates 10 mm armor plate to protect the process of filling the fuel tank
试验结果如图6所示,装甲板穿孔为圆形,直径约30 mm。油箱前壁开孔略大于装甲板穿孔尺寸,说明弹丸穿靶后在短时间内径向膨胀效应还不显著。弹丸侵入油料内部后,径向膨胀效应显现,油箱沿后壁焊缝处撕裂;弹丸穿透油箱后壁时,由于膨胀效应的持续作用,沿后壁开孔处撕裂,至此油箱背面被完全撕裂;油料大量喷出,油箱底部剩余少量油料持续燃烧。
图6 弹丸侵彻10 mm装甲板防护满油箱
Fig.6 The projectile penetrates with 10 mm armor plate to protect the full fuel tank
作为对比试验,对10 mm装甲板防护空油箱射击了1发试验弹。为了更好地观察活性材料芯体在油箱内部的反应情况,空油箱的一侧壁面被切开。
弹丸侵彻10 mm厚装甲板防护空油箱高速摄像见图7。t=0 ms,弹丸着靶;t=0.2 ms,活性材料被激活,在靶前产生强烈火光;t=0.3 ms,装甲板被击穿,活性材料碎片进入油箱内部,短时间内径向膨胀效应还不显著;t=0.6 ms,活性材料反应膨胀,将弹体撑破,活性材料芯体自身也严重碎裂,大量高温活性材料粒子碰撞油箱后壁,产生闪光;t=1 ms,油箱后壁开孔进一步扩大,大量高温粒子从油箱后方飞出,形成直径约130 mm大型穿孔;t=5 ms,随着活性材料碎片的飞散,油箱后方的火焰离开油箱;t=15 ms,油箱内部的活性材料碎片反应开始减弱,箱内的火光开始逐渐熄灭;t=95 ms,油箱内部火焰完全熄灭,只剩少数高温粒子。
图7 弹丸侵彻有10 mm厚装甲板防护空油箱过程
Fig.7 The process of a projectile penetrating an empty fuel tank protected by 10 mm armor plate
试验结果如图8所示,装甲板穿孔为椭圆形,最大约50 mm,油箱被穿透。油箱前壁开孔直径约为80 mm,与靶板穿孔尺寸相差不大,说明弹丸穿靶后在短时间内径向膨胀效应并不明显。随着弹丸飞行,活性材料反应膨胀,将弹体撑碎,芯体自身也严重碎裂,撞击油箱后壁,形成直径约130 mm穿孔,并在大孔周围分布许多细碎的小孔。
图8 弹丸侵彻10 mm装甲板防护空油箱
Fig.8 The projectile penetrates an empty fuel tank protected by 10 mm armor plate
从这组对比试验中可以看出,活性材料穿透10 mm厚装甲板后被激活并在油箱内剧烈反应,产生高温高压,反应持续时间很长,可以证明油箱起火是由油箱内部高温造成。
2.3 20 mm装甲板防护油箱毁伤效应
对20 mm装甲板防护满油箱射击了1发试验弹,弹丸侵彻20 mm厚装甲板防护满油箱高速摄像见图9。t=0 ms,弹丸着靶;t=0.2 ms,活性材料被激活,在靶前产生强烈闪光;t=2.5 ms,油料开始从油箱后壁开孔处大量喷出;t=3 ms,油料开始从焊缝失效处侧向喷出;t=10 ms,被点燃的油气混合物从装甲板开孔处向前喷出;t=15 ms,向上喷出的油气混合物被引燃;t=23 ms,油箱下方喷出火焰,并迅速蔓延;t=80 ms,喷出的油气混合物被全部点燃。
图9 弹丸侵彻20 mm厚装甲板防护满油箱过程
Fig.9 The projectile penetrates with 20 mm armor plate to protect the full fuel tank
试验结果如图10所示,弹丸在装甲板上留下直径约45 mm的穿孔,在油箱前壁面造成最大开口约75 mm的穿孔。由于弹丸命中位置靠近油箱左上角,因此油箱失效主要集中在油箱后壁靠近弹丸命中部位。油箱解体后油料大量喷出,底部剩余少量油料持续燃烧。
图10 弹丸侵彻有20 mm装甲板防护满油箱
Fig.10 The projectile penetrates with 20 mm armor plate to protect the full fuel tank
作为对比试验,也对20 mm装甲板防护空油箱射击了1发试验弹,侵彻过程高速摄像见图11。t=0 ms,弹丸着靶;t=0.2 ms,活性材料被激活,靶前出现强烈闪光;t=8 ms,大量活性材料碎片从油箱后方飞出;t=12 ms,靶前和油箱内的活性材料反应开始减弱,火焰开始熄灭;t=20 ms,随着活性材料碎片的飞散,油箱后方的火焰离开油箱;t=50 ms,活性材料反应基本停止,内部火焰完全熄灭,只剩少数高温粒子。
图11 弹丸侵彻20 mm厚装甲板防护空油箱过程
Fig.11 The process of a projectile penetrating an empty fuel tank protected by 20 mm armor plate
试验结果如图12所示,由于弹丸穿透20 mm装甲板后存速降低,相比较10 mm装甲板空油箱,活性材料在油箱内部作用持续时间更久,产生的径向效应更显著,油箱后壁被撕开直径超过200 mm开孔。
图12 弹丸侵彻20 mm装甲板防护空油箱
Fig.12 The projectile penetrates an empty fuel tank protected by 20 mm armor plate
2.4 30 mm装甲板防护油箱毁伤效应
对30 mm装甲板防护满油箱射击了1发试验弹,侵彻过程高速摄像见图13。t=0 ms,弹丸着靶;t=1 ms,活性材料被激活,靶前出现强烈闪光;t=10 ms,大量活性材料碎片从油箱后方飞出;t=20 ms,靶后和油箱内的活性材料反应开始减弱,火焰开始熄灭;t=30 ms,随着活性材料碎片的飞散,油箱后方的火焰离开油箱,靶前火焰开始逐渐熄灭;t=90 ms,活性材料反应基本停止,内部火焰完全熄灭,只剩少数高温粒子。
图13 弹丸侵彻30 mm厚装甲板防护满油箱过程
Fig.13 The projectile penetrates with 30 mm armor plate to protect the full fuel tank
试验结果如图14所示,装甲板穿孔直径约为50 mm,装甲板正面穿孔附近及孔壁内有明显灼烧痕迹,说明活性材料在靶前及穿孔过程中大量反应,且随着装甲板厚度的增加,弹丸穿靶后存速进一步下降,弹丸动能造成的水锤效应只能使油箱变形鼓包,无法使其解体,油箱后壁穿孔较小。2个因素叠加,大大降低了引燃油料的几率。
图14 弹丸侵彻30 mm装甲板防护满油箱
Fig.14 The projectile penetrates with 30 mm armor plate to protect the full fuel tank
作为对比试验,同样对30 mm装甲板防护空油箱射击了1发试验弹,试验结果如图15所示。由于弹丸命中位置靠近油箱侧壁,可清晰看到活性材料在箱体内反应后在油箱侧壁上留下的灼烧痕迹。由于没有油料的阻力,油箱后壁的孔洞明显大于射击满油油箱时的孔洞,但其尺寸仍明显小于装甲板厚度为10 mm和20 mm时的孔洞。结合高速摄影可看出,随着装甲板厚度的提升,穿靶后残余的活性材料减少,对油箱的后效毁伤效果逐渐减弱。试验数据见表1。
表1 试验数据
Table1 Test data
序号靶标类型穿孔大小/mm装甲板油箱前壁油箱后壁试验结果1无装甲板+满油箱/45完全撕开油箱解体,未引燃210 mm装甲板+满油箱3060完全撕开油箱解体,引燃310 mm装甲板+空油箱50(椭圆)80130油箱穿透变形420 mm装甲板+满油箱4575完全撕开油箱解体,引燃520 mm装甲板+空油箱4070200油箱穿透变形630 mm装甲板+满油箱508090油箱严重鼓包,未引燃730 mm装甲板+空油箱6090120油箱穿透变形
图15 弹丸侵彻30 mm装甲板防护空油箱
Fig.15 The projectile penetrates an empty fuel tank protected by 30 mm armor plate
3 高速弹丸侵彻油箱引燃增强机理
由于装填的油料本身是可燃物,通常情况下其被引燃至少需要2个条件:引火源(高于油料的点火温度)和助燃物(充足的氧气)。高速弹丸侵彻油料过程中,产生的压缩冲击波为油料引燃提供了足够高的温度。然而,由于侵彻通道中缺乏氧气,高温且雾化的燃油几乎无法与箱体外的环境氧气接触并混合,导致燃油最终无法被引燃。因此,引燃油料的关键在于如何使高温且雾化的油料与箱体外界环境中的氧气充分混合。弹丸侵彻装满油料的油箱时,能够产生显著的水锤效应,水锤效应最终将弹丸的动能传递给油箱结构,并从薄弱位置将箱体撕裂,油料喷出,被雾化的油料能够与油箱外的环境氧气接触并混合,因此油料被引燃。
对比于活性材料芯体未被激活的弹丸(相当于惰性钨合金弹丸),活性材料碰撞油箱的作用过程更为复杂,这是由于活性材料碰撞油箱时,不仅能利用其动能产生流体动压效应,还能在箱体内额外释放大量化学能产生超压,对油箱结构造成进一步破坏。为了深入理解活性材料碰撞油箱时的增强引燃行为,对活性材料和惰性钨合金弹丸作用油箱过程进行对比。图16所示为惰性钨合金弹丸碰撞油箱箱体的引燃过程。
图16 钨合金弹丸侵彻油箱引燃过程
Fig.16 The ignition process of tungsten alloy projectile penetrating fuel tank
在侵彻油料时,惰性弹丸产生冲击波压缩油料,冲击波压缩使得油料的压力和温度快速升高(如图16 (a)所示)。随着燃油被进一步压缩,在弹丸后方会形成一个空穴并逐渐扩展(如图16 (b)所示)。接下来,冲击波传播到箱体内壁并快速反复加载油箱结构,通常这种现象被称为水锤效应。最终,油箱箱体在水锤效应的作用下从侵孔位置产生裂纹并逐渐扩展,甚至产生结构性破坏,油料从油箱的破坏位置喷溅而出并被点燃[27]。
活性材料芯体弹丸侵彻燃油油箱过程中,燃油的引燃过程和机理均不同于惰性钨合金弹丸,如图17所示。当活性材料碰撞燃油油箱时,相比惰性钨合金弹丸,由于活性材料密度较低,其产生的压缩冲击波也较弱,最终形成的压力和温升均比钨合金弹丸小,引发的水锤效应也相对较弱。然而,高速碰撞有装甲板防护油箱能够使活性材料发生碎裂并被激活,从而在油箱箱体内产生大量的化学能释放。活性材料释放的化学能使温度提升,更重要的是,化学能释放能够在油箱箱体内部产生显著的超压,从而使得油箱箱体产生结构破坏。通过动能与化学能的联合毁伤机制,油箱结构更容易被“打开”,高温且雾化的燃油从油箱喷溅而出并与外界空气充分混合,最终实现油料的引燃增强效应。
图17 活性材料芯体弹丸侵彻油箱引燃过程
Fig.17 The ignition process of active material core projectile penetrating fuel tank
4 结论
本文中以30口径活性侵爆弹内装填的PTFE/Al活性材料芯体为主要研究对象,开展了活性侵爆弹弹丸对有不同厚度装甲板防护油箱毁伤效应和引燃效果的研究,通过对无装甲板、10 mm厚装甲板、20 mm厚装甲板和30 mm厚装甲板防护的满油箱和空油箱模拟靶等各项试验验证和综合分析,得出如下结论:
1) 直接对无装甲板防护的满油箱射击,可穿透油箱,但无法引燃燃油,单靠油箱壁和燃油的冲击无法激活弹丸内装填的PTFE/Al活性材料;
2) 对有10、20、30 mm厚装甲板防护的油箱射击,均能有效激活弹丸内装填的PTFE/Al活性材料和对油箱造成较大程度的破坏,对20 mm及以下厚度装甲板防护的油箱造成完全破坏。
3) 随着油箱防护装甲板厚度的增大,弹丸穿靶后的存速明显降低,PTFE/Al活性材料在油箱内部的反应时间明显减少,对油箱结构的破坏程度显著降低,对油箱的后效毁伤效应和引燃效果也大大减弱。
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