爆炸成型弹丸简介及其成形性能研究文档格式.doc
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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,其药型罩的曲率半径不能太大,能保证生成质量较好
的稳定裙以增强EFP的气动稳定性即可。
在EFP设计过程中,应将药型罩的部分质量转移到弹芯上,或是增加弹芯的长度,使EFP的性能得到较大的提高。
图9EFP速度与药型罩曲率半径关系
从以上的分析可以看出,曲率半径为55mm和60mm的两种结构较为合理,将曲率半径与装药口径的比值记作r,则r的取值范围在0.9~1.0之间时EFP的形状和稳定性较好。
引入装药形状系数η的概念,定义η=。
分析文中所提出的装药结构,即装药高度H=30mm,装药口径φ=60mm,有η=0.5。
对于球缺型聚能装药而言,装药形状不同,爆轰波作用到药型罩上的形状也将随之改变,使形成的EFP的形状发生变化。
所以,通过改变装药形状系数η,可控制EFP的外形。
不同的装药形状系数,r的取值范围也将发生变化,在进行EFP型号的设计中,综合装药结构参数的影响,对于设计出性能优良的爆炸成型弹丸至关重要。
2.3一种新型聚能破甲弹的应用研究
对于典型的聚能射流破甲弹,在炸药爆炸作用下,药型罩被压合后,分别形成速度较高的射流和运行较慢的杵,当药型罩锥角增大时,向内压合部分显著减少,相应得射流和杵之间的速度差也随之减小。
当射流和杵接近相同的速度时,将形成EFP。
从聚能武器装药结构出发,有学者提出了一种新型聚能装药结构,如图10所示。
图10新型装药结构
2.3.1作用机理
成形机理:
当主装药引爆后,小锥角聚能罩在炸药的爆炸作用下,首先产生压合运动,小锥角聚能罩上部形成的高速射流从小孔穿出;
下部在压合作用下与大锥角聚能罩碰撞复合形成弹丸,如图11所示。
图11弹丸成型示意图
穿靶机理:
射流从小孔穿出后,首先拉动低速弹丸快速形成和加速,并在拉动过程中与弹丸脱离(如图11所示),随后对靶板开始侵彻,使射孔周围材料发生软化而形成塑性区;
低速弹丸在经过加速后,尾随射流而入并对射流开坑进行扩孔和再侵彻,从而完成了一个破甲弹对靶板的两次侵彻,大大提高了破甲弹对目标的侵彻能力。
2.3.2试验结果
试验中大锥角聚能罩材料为紫铜,直径为¢
48,锥角1250;
靶板为45﹟钢层叠靶。
通过系统的静破甲试验,得出穿深随主要结构参数及材料的变化规律如图12~图15所示。
图12不同小锥角聚能罩材料下图13炸高对穿深的影响
空孔孔径对穿深的影响
图14小锥角聚能罩底面直径对穿深的影响图15小锥角聚能罩锥顶角对穿深的影响
在系统研究其主要结构参数对破甲效果影响基础上可知:
在保持穿孔孔径相当和同等装药条件下,该新型聚能破甲弹可比EFP提高破甲深度达50%。
三结论
1.EFP的成型受多种因素的影响,如炸药性能、装药结构、外壳材料和结构以及药型罩材料和结构等。
药型罩是爆炸成型弹丸中的一个重要部件,直接关系着弹丸的威力。
药型罩的材料是弹丸设计的关键。
在影响等壁厚球缺药形罩成形的因素中,球缺罩的曲率半径和壁厚是最重要的决定因素。
2.用爆炸焊接铜铝复合双金属板挤压成的大锥角药型罩,在爆炸过程中能形成爆炸成型弹丸。
若罩顶中心开一通孔,将有利于药型罩的翻转,弹丸形状较好。
3.在装药条件、几何尺寸等相同的条件下,铜铝复合双金属药型罩聚能装药对靶板的侵彻比紫铜罩提高。
4.两个聚能罩的材料及其材料的组合对破甲效果具有显著影响;
新型聚能破甲弹的最佳炸高位于聚能射流和爆炸成型弹丸的最佳炸高之间。