CN113137897A

CN113137897A - 一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹

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Publication number: CN113137897A
Application number: CN202110301146.XA
Authority: CN
Inventors: 邓希旻; 武海军
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2041-03-22
Also published as: CN113137897B

Abstract

本发明公开了一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，涉及横向效应增强弹技术领域，由前段子弹、尾段子弹及设置在二者之间的一段以上中段子弹组成；所有前段子弹、中段子弹和尾段子弹同轴顺序对接，且均包括：同轴套装的壳体、内芯及设置在壳体和内芯之间的夹心；所有壳体的外壁分布有刻槽；其中，所有壳体的材质为惰性材料，所有内芯和夹心的材质为活性材料；解决了已有的横向效应增强弹存在的毁伤模式单一、破片大小及数量不可控、高速侵彻时弹体强度低等问题，实现动能与化学能联合毁伤、多层目标指定位置高效毁伤，进而能够实现冲击释能、破片控制、高速冲击时具有更强结构强度等特点。

Description

一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹

技术领域

本发明涉及横向效应增强弹技术领域，具体涉及一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹。

背景技术

横向效应增强弹(penetrator with enhanced later efficiency，PELE)是一种新型多功能动能弹药，其不含高能炸药、不具备引信、依靠物理作用攻击目标，主要攻击对象是飞机、舰船、轻型车辆等间隔金属板类目标以及钢筋混凝土建筑、混凝土工事、掩体等目标。横向增强效应指该类弹体与目标作用时，强度远低于壳体的内芯受轴向压缩而径向膨胀，从而对壳体内表面产生径向应力，当应力大于壳体材料的抗拉强度时，壳体破碎，当弹体贯穿目标后破碎的壳体径向飞散，形成直径比弹径更大的破片云。破片云继续朝靶后运动并不断径向膨胀，对目标后方进行杀伤。

现有的横向效应增强弹主要分为：整体式、分段式和嵌套式弹体。如图1所示，整体式弹体结构简单，主要由外壳10和内芯11两部分组成，一般外壳材料为钨合金或高强度钢，内芯材料多为尼龙、聚乙烯、铝合金等，其弹靶作用过程可表述为：弹体右侧(图中右侧)与目标撞击，外壳10与内芯11同时受到压缩，由于内芯11的强度低于外壳10，导致内芯11径向膨胀；当弹体贯穿目标后，目标对弹体的径向约束消失，在内芯11的径向压力作用下，外壳10破碎并沿径向飞散，形成碎片云；整体式弹体的主要缺陷在于：(1)毁伤模式单一，仅依靠动能对目标进行毁伤；(2)外壳10破碎后形成的破片散布直径较小；(3)外壳10破碎的随机性较大，形成的破片形状不可控；(4)对目标毁伤的区域较小，对舰船类目标的毁伤能力较低；(5)对多层目标的穿甲能力较弱，无法对多层目标指定层数进行高效毁伤；(6)对高硬度目标的侵彻能力较弱。

如图2所示，分段式弹体主要由多个子弹串联而成，单个子弹由外壳10和内芯11构成，对多层目标进行毁伤时，弹体右侧与目标碰撞，贯穿首层靶后仅最右端子弹碎裂，后续子弹保持完整；对后续目标毁伤时，后续完整子弹继续侵彻目标；分段式弹体的主要缺陷在于：(1)毁伤模式单一，仅依靠动能对目标进行毁伤；(2)外壳10破碎后形成的破片散布直径较小；(3)外壳10破碎的随机性较大，形成的破片形状不可控；(4)弹体结构强度较低，以较高速度撞击目标时易解体；(5)对高硬度目标的侵彻能力较弱。

如图3所示，嵌套式弹体由内外两层同轴嵌套的子弹组成，每层子弹由外壳10和内芯11构成；其弹靶作用过程与整体式弹体类似，通过嵌套式布局，可提高弹体轴向承载能力；但由于内层子弹中外壳10约束了内芯11的径向膨胀，使得弹体的横向增强效应减弱；嵌套式弹体的主要缺陷在于：(1)毁伤模式单一，仅依靠动能对目标进行毁伤；(2)外壳10破碎后形成的破片散布直径小；(3)外壳10破碎的随机性较大，形成的破片形状不可控；(4)对多层目标的穿甲能力较弱，无法对多层目标指定层数进行高效毁伤；(5)该方案仅适用于高强度目标，与低强度目标作用时横向增强效应不明显。

总体而言，现有的横向效应增强弹大多以惰性材料制备而成，仅依靠动能对目标进行毁伤，靶后的杀伤效果不稳定，壳体破碎后形成的破片径向速度相对较低，无法产生超压对目标整体进行破坏，针对大型目标时威力不足。

现有的活性材料(又称多功能含能结构材料(multifunctional energeticstructural materials)或撞击引发含能材料(shock-induced energetic materials)，其为异于炸药、推进剂、烟火剂等传统含能材料的新型高效毁伤材料)，是一种新型的高能复合材料，其特点是在常规条件下保持惰性，但在强冲击载荷作用下会产生燃烧、爆燃和类爆轰效应，在战斗部设计中，常用来制作活性破片。而活性破片是一种具有撞击反应并释放化学能的反应性亚稳态材料破片，具有穿孔、内爆、引燃和引爆等多种耦合毁伤效应，比惰性破片有更显著的毁伤优势。将活性破片应用于战斗部，可显著提高战斗部毁伤威力。

现有的活性材料一般以活性破片或活性药型罩的方式出现在战斗部设计中，由于活性材料的密度小、强度低等因素，活性破片无法贯穿厚度大、强度高的目标，仅能破坏轻型装甲类目标，使得活性材料在战斗部设计中使用的领域较窄。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，解决了已有的横向效应增强弹存在的毁伤模式单一、破片大小及数量不可控、高速侵彻时弹体强度低等问题，实现动能与化学能联合毁伤、多层目标指定位置高效毁伤，进而能够实现冲击释能、破片控制、高速冲击时具有更强结构强度等特点。

本发明的技术方案为：一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，由前段子弹、尾段子弹及设置在二者之间的一段以上中段子弹组成；所有前段子弹、中段子弹和尾段子弹同轴顺序对接，且均包括：同轴套装的壳体、内芯及设置在壳体和内芯之间的夹心；所有壳体的外壁分布有刻槽；其中，所有壳体的材质为惰性材料，所有内芯和夹心的材质为活性材料。

优选地，所有前段子弹、中段子弹和尾段子弹通过螺纹连接。

优选地，所有壳体为一端开口、一端封闭的圆筒形结构，所述中段子弹和尾段子弹的壳体的开口端设有内螺纹，封闭端内底面设有螺纹盲孔；所述前段子弹和中段子弹的壳体封闭端设有外螺纹，与下一段子弹开口端的内螺纹配合；所述前段子弹的壳体封闭端设有内螺纹盲孔。

优选地，所有内芯为一端设有外螺纹的圆柱体，且该外螺纹与同一段子弹的内螺纹盲孔配合。

优选地，所述尾段子弹的壳体中内螺纹盲孔的孔径与尾段子弹的壳体的内径之比为0.6～0.65。

优选地，所有夹心为两端开口的为圆筒型结构，其外径与壳体内径相同，内径与内芯外径相同。

优选地，所述壳体的材质采用钨合金。

优选地，所述内芯的材质采用冲击释能类高熵合金。

优选地，所述夹心的材质采用PTFE/Al类活性材料。

优选地，所述刻槽的深度方向与壳体径向平行，且刻槽深度与壳体壁厚之比为0.7～0.8。

有益效果：

1、本发明所设计的复合式横向效应增强弹相比于传统的横向增强效应弹的毁伤威力更强，具有动能和化学能耦合的毁伤能力，壳体破碎后形成的破片均匀度可控，散布面积更大，针对高强度多层目标可实现高效毁伤，且可靠性和安定性高，具体表现如下：

(1)毁伤威力更强：相比于纯动能杀伤的横向效应增强弹，本发明的弹体具有动能、化学能毁伤两种模式，在弹体侵彻、贯穿目标时，其活性材料被激活而发生燃烧、爆燃和类爆轰，产生的冲击波对目标及其后方单位进行毁伤，并可引燃目标，实现了动能、化学能耦合的毁伤模式；

(2)破片云散布面积更大：由于壳体一方面受到内芯的径向压力，一方面受到类爆轰产生的高压，两种载荷的联合作用使得破片的径向速度更大，从而提高了破片云的散布面积；

(3)破片大小可控，空间分布更均匀：壳体为刻槽式半预制破片，在弹体贯穿目标后形成的破片云的破片尺寸可人为控制，破片散布均匀；

(4)针对大型舰船目标具有较好的毁伤能力：大尺寸复合式横向增强效应弹与舰船目标作用时，分段产生的破片云对弹体路径上的各舱室进行动能毁伤，同时活性材料释放的能量对舱室进行化学能毁伤；

(5)可对多层目标指定位置处进行高效毁伤：通过设计复合式横向效应增强弹的结构布局，使弹体在对多层目标贯穿时，减少在次要部位的能量释放，将主要载荷作用在指定位置，实现对目标的高效毁伤；

(6)可靠性和安定性高：由于活性材料是依靠弹体与目标作用时，高速冲击下产生的高应力波而激活，不需要依靠引信等机构，故可靠性高；同时活性材料被激发的应力阈值高，在一般状态下为惰性材料，日常勤务、运输和贮藏时不易殉爆，故安定性好。

2、本发明的弹体内芯采用具有一定强度的高熵合金，提高了弹体轴向抗压能力，配合串联式分段结构的设计，能够提高弹体的整体强度。

附图说明

图1为现有技术中整体式横向效应增强弹的示意图。

图2为现有技术中分段式横向效应增强弹的示意图。

图3为现有技术中嵌套式横向效应增强弹的示意图。

图4为本发明提出的复合式横向效应增强弹的示意图。

图5为图4的剖视图。

图6为本发明提出的复合式横向效应增强弹中尾段壳体的示意图。

图7为本发明提出的复合式横向效应增强弹中尾段内芯的示意图。

图8为本发明提出的复合式横向效应增强弹中尾段夹心的示意图。

图9为本发明提出的复合式横向效应增强弹中中段壳体的示意图。

图10为本发明提出的复合式横向效应增强弹中前段壳体的示意图。

其中，1、尾段壳体，2、尾段内芯，3、尾段夹心，4、中段壳体，5、中段内芯，6、中段夹心，7、前段壳体，8、前段内芯，9、前段夹心，10、外壳，11、内芯，101、尾段前螺纹，102、尾段半预制破片壳体，103、尾段中螺纹盲孔，104、尾段底托，201、内芯主体，202、尾段内芯外螺纹，401、中段前螺纹，402、中段半预制破片壳体，403、中段中螺纹盲孔，404、中段后螺纹，701、前段半预制破片壳体，702、前段中螺纹盲孔，703、尾段后螺纹。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，解决了已有的横向效应增强弹存在的毁伤模式单一、破片大小及数量不可控、高速侵彻时弹体强度低等问题，实现动能与化学能联合毁伤、多层目标指定位置高效毁伤，进而能够实现冲击释能、破片控制、高速冲击时具有更强结构强度等特点，提高横向效应增强弹在贯穿首层目标后形成的破片云大小以及破片的散布直径，从而提高横向效应增强弹对大中型舰船目标的毁伤威力以及对高硬度目标的侵彻能力，实现对多层目标指定位置处的高效毁伤，解决高过载条件下弹体结构装药安定性的问题。

如图4所示，该横向效应增强弹由前段子弹、中段子弹和尾段子弹三部分组成，其中，中段子弹数量及长度可根据目标特性进行调整；如图5所示，尾段子弹包括：尾段壳体1、尾段内芯2和尾段夹心3；中段子弹包括：中段壳体4、中段内芯5和中段夹心6；前段子弹包括：前段壳体7、前段内芯8和前段夹心9；

如图6所示，尾段壳体1由尾段半预制破片壳体102和尾段底托104组成；尾段半预制破片壳体102为一端封闭、一端开口的圆筒形壳体，其开口端内壁面上设有尾段前螺纹101，封闭端与尾段底托104固连，尾段底托104轴向设有与尾段半预制破片壳体102内部连通的尾段中螺纹盲孔103(尾段中螺纹盲孔103的轴线与尾段半预制破片壳体102的轴线重合)；其中，尾段壳体1的材料为钨合金(一种惰性材料)；

如图7所示，尾段内芯2由尾段内芯主体201和设置在尾段内芯主体201一端外表面上的尾段内芯外螺纹202组成；其中，尾段内芯主体201为圆柱体，其通过尾段内芯外螺纹202与尾段中螺纹盲孔103螺纹配合，实现尾段内芯主体201同轴安装在尾段壳体1内部；其中，尾段中螺纹盲孔103的深度与尾段内芯外螺纹202的长度相同；尾段内芯2的材料为活性材料(优选冲击释能类高熵合金，如HfZrTiTax四元高熵合金等)；

如图8所示，尾段夹心3为圆筒型结构，其外径与尾段壳体1的内径相同，内径与尾段内芯2的外径相同，尾段夹心3同轴设置在尾段壳体1和尾段内芯2之间；其中，尾段夹心3的材料为活性材料，如PTFE/Al类活性材料；

如图9所示，中段壳体4的结构与尾段壳体1基本相同(中段壳体4的主体部分为中段半预制破片壳体402，且中段半预制破片壳体402为一端开口、一端封闭的壳体，其开口端内壁面上设有中段前螺纹401，封闭端设有中段中螺纹盲孔403，同时，中段半预制破片壳体402的外壁交错分布有若干刻槽)，区别在于其底部外圆周面上设有中段后螺纹404，其螺纹长度与尾段前螺纹101的螺纹深度相同，二者螺纹配合，实现中段壳体4与尾段壳体1的同轴连接；其中，中段壳体4的材料为钨合金；

中段内芯5、中段夹心6与尾段内芯2、尾段夹心3结构、材料相同，且中段内芯5同轴螺纹连接在中段壳体4中，中段夹心6同轴夹设在中段内芯5和中段壳体4之间；

如图10所示，前段壳体7的结构与尾段壳体1基本相同(前段壳体7的主体部分为前段半预制破片壳体701，且前段半预制破片壳体701为一端开口、一端封闭的壳体，其封闭端设有前段中螺纹盲孔702，同时，前段半预制破片壳体701的外壁交错分布有若干刻槽)，区别在于其开口端内壁无螺纹；其中，前段壳体7的材料为钨合金；

前段内芯8和前段夹心9与尾段内芯2、尾段夹心3结构、材料相同，且前段内芯8同轴螺纹连接在前段壳体7中，前段夹心9同轴夹设在前段内芯8和前段壳体7之间。

本实施例中，尾段半预制破片壳体102的外壁交错分布(优选均匀分布)有若干刻槽，刻槽深度(沿尾段半预制破片壳体102的径向)与尾段半预制破片壳体102的壁厚之比为0.7～0.8，长径比(一般为弹体长度与弹体直径之比，本实施例中特指单段壳体长度与壳体外径之比)为4～6，无量纲壁厚(壳体厚度与弹体直径之比)为0.1～0.2。

本实施例中，刻槽均为薄弱槽。

本实施例中，尾段中螺纹盲孔103的孔径与尾段半预制破片壳体102的内径之比为0.6～0.65。

该横向效应增强弹的工作原理为：

使用时，该横向效应增强弹以较高速度与目标碰撞，作用过程可以表述为：

S1：弹体撞击目标瞬间，由于前段壳体7、前段内芯8和前段夹心9的动能不同，使得前段内芯8和前段夹心9被封闭在前段壳体7中，撞击产生的应力波从撞击面开始分别向靶板背面和弹尾方向传开；

S2：稳定侵彻阶段，前段内芯8和前段夹心9的压力继续上升，导致前段夹心9径向膨胀，同时前段内芯8和前段夹心9的活性材料被激活，开始发生爆轰/爆燃；与此同时，中段及尾段子弹仍保持结构强度和材料的安定；

S3：弹体穿透目标首层结构，目标对弹体的径向约束力卸载，前段夹心9径向应力释放，迫使前段壳体7在刻槽处发生破碎，形成特定形状且具有径向速度的破片；爆燃或爆轰产生的高压气体进一步沿径向加速破片，高温高压气体对目标进行毁伤；

S4：具有径向速度的破片形成大于弹径的破片云对后续目标进行杀伤，与此同时，中段和尾段子弹保持完整且安定的弹体继续对后续结构进行侵彻/穿甲；

S5：重复进行上述S1～S4，直至尾段子弹解体，穿甲过程结束。

复合式活性横向效应增强弹通过活性材料和高熵合金的冲击释能效应，利用高压气体和爆轰产物的推动，增大横向效应，从而提高破片的散布直径。壳体表面的刻槽降低了结构的强度，使得壳体受内壁径向压力时在刻槽处断裂，进而形成形状大小规则的破片，达到破片可控的效果。通过调整中段弹体的长度和数量，使弹体在多层目标指定位置处释放大量能量和破片，从而实现对指定位置的高效毁伤。由于弹体轴线上的高熵合金内芯的存在，以及分段式结构，弹体整体强度得到提高，使得复合式活性横向效应增强弹相较于传统的横向效应增强弹具有更高的强度，从而提高对高硬度目标的侵彻能力。本发明无引信、装药等结构，活性材料及高熵合金的应力激发阈值高，在面对高过载条件下弹体结构的安定性良好。基于上述性能，本发明可有效贯穿高强度、高硬度的多层间隔目标，对于大中小舰船目标有较好的毁伤能力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，由前段子弹、尾段子弹及设置在二者之间的一段以上中段子弹组成；所有前段子弹、中段子弹和尾段子弹同轴顺序对接，且均包括：同轴套装的壳体、内芯及设置在壳体和内芯之间的夹心；所有壳体的外壁分布有刻槽；其中，所有壳体的材质为惰性材料，所有内芯和夹心的材质为活性材料。

2.如权利要求1所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所有前段子弹、中段子弹和尾段子弹通过螺纹连接。

3.如权利要求2所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所有壳体为一端开口、一端封闭的圆筒形结构，所述中段子弹和尾段子弹的壳体的开口端设有内螺纹，封闭端内底面设有螺纹盲孔；所述前段子弹和中段子弹的壳体封闭端设有外螺纹，与下一段子弹开口端的内螺纹配合；所述前段子弹的壳体封闭端设有内螺纹盲孔。

4.如权利要求3所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所有内芯为一端设有外螺纹的圆柱体，且该外螺纹与同一段子弹的内螺纹盲孔配合。

5.如权利要求3所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所述尾段子弹的壳体中内螺纹盲孔的孔径与尾段子弹的壳体的内径之比为0.6～0.65。

6.如权利要求1所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所有夹心为两端开口的为圆筒型结构，其外径与壳体内径相同，内径与内芯外径相同。

7.如权利要求1所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所述壳体的材质采用钨合金。

8.如权利要求1所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所述内芯的材质采用冲击释能类高熵合金。

9.如权利要求1所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所述夹心的材质采用PTFE/Al类活性材料。

10.如权利要求1所述的基于活性材料和惰性材料的复合式横向效应增强弹，其特征在于，所述刻槽的深度方向与壳体径向平行，且刻槽深度与壳体壁厚之比为0.7～0.8。