CN114923378B - 一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置及方法。本发明基于梯度阈值活性毁伤元激活阈值梯度分布特性，将活性毁伤元与目标作用过程中的载荷衰减过程引入，通过多层结构靶考量梯度阈值活性毁伤元的梯度激活行为，并在减小燃料箱流体动压效应的基础上，测试材料的反应、释能及对燃料目标的毁伤增强效应。本发明可为梯度阈值活性材料及其毁伤元应用提供标准测试方法，有效对其引燃增强效应进行测试评估，促进梯度阈值活性材料毁伤元武器的研制及对燃料目标的毁伤，提高我国武器装备发展及进步，具备广泛的应用空间及发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及毁伤效能测试技术领域，具体涉及一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置及方法。
背景技术
燃料箱是飞机、工程机械、军工车辆、舰船等军事目标的关键易损功能部件，一旦遭到高速破片或弹丸的碰撞作用发生结构破坏、燃油泄漏、点火和爆燃，将对相应作战装备和平台的作战效能、生存能力造成严重威胁。军事需求的驱动，使得以燃料箱为攻击目标的研究不断深入，促进基础科学问题研究的同时，相应武器弹药不断发展。
传统惰性金属材料毁伤元(破片、子弹)受惰性材料动能侵彻机理和单一机械贯穿毁伤模式的限制，使得现有武器弹药对汽油、煤油、柴油等燃料目标，毁伤效果不够理想。活性材料是一种新型的高能量密度含能材料，在常规条件下处于惰性亚稳态，但在强冲击条件下会被激活，发生化学反应，快速而剧烈地释放大量化学能。当活性材料被制备成各类毁伤元时(如活性破片、活性药型罩、活性杆条等)，可首先依靠自身动能侵彻、贯穿目标，同时在强冲击载荷的作用下被激活并发生爆炸/爆燃反应，进入目标内部进一步毁伤目标，通过动能侵彻和内部燃爆两种毁伤机制的联合作用，在大幅提高毁伤元对柴油燃料箱的毁伤效能方面具备巨大潜力。
尤其是，最近针对活性材料毁伤元显著不同于传统含能材料的非自持反应特性，及其与目标作用时载荷的短时高峰特性，提出的梯度阈值活性材料，基于活性毁伤元与目标作用时的载荷演化及分布特征，将活性材料激活阈值进行梯度化设计，使得材料与目标作用的整个过程中，随着活性材料的反应及输入材料内载荷的衰减，输入未反应材料的载荷仍可达到或者超过材料的激活阈值，相比单一激活阈值活性材料，实现活性材料的充分反应及释能，从而大幅提升其毁伤能力。
当应用该梯度激活阈值活性材料替代传统惰性金属材料作为毁伤元，对燃油类目标，如飞机、军工车辆、舰船燃料箱及地面各类油库、油罐进行打击时，可首先通过动能对目标进行机械贯穿毁伤，同时激活活性材料开始反应；随着侵彻过程的进行，材料与目标碰撞速度不断减小，输入材料载荷不断衰减，但依然高于材料的激活阈值，材料进一步被激活反应，最终造成燃油的泄露、喷射、燃烧、甚至爆炸。尤其是在低速作用条件下，相比传统惰性毁伤元，梯度阈值活性材料毁伤元对燃料目标的毁伤效能体现出优越的引燃增强效应。
然而，针对该梯度阈值活性材料冲击激活的特殊响应过程及其对燃油目标的引燃效应，目前的测试方法存在很大不足。目前所有测试方法的基本思路为：通过高速发射器，将待测试毁伤元加速驱动，驱动后的毁伤元以一定速度直接撞击位于一定距离处的燃油目标，或者一定距离处位于一定厚度金属靶板之后的燃油目标，通过对燃油目标的响应分析该速度下毁伤元的引燃效果。要对梯度阈值活性材料的引燃增强效应进行测试，需基于该材料的基本设计思路，将其与目标作用过程中的载荷衰减特性引入，与材料的梯度激活特性相结合，验证其反应释能及对燃油目标的引燃增强效果。目前广泛采用的测试方法显然无法为材料设置载荷衰减测试条件，更不能验证在不同衰减条件下材料的激活反应特性及对燃料目标的毁伤增强效应。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，将活性材料毁伤元与目标作用过程中的载荷衰减过程引入，与材料的激活阈值梯度化分布相结合，有效测试材料的反应、释能及对燃料目标的毁伤增强效应，促进梯度阈值活性材料的设计、改进我国武器装备的发展进步。
本发明的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，包括：发射器、通断测速靶、多层结构靶、燃料箱和高速摄影仪；
其中，发射器用于发射活性毁伤元；
多层结构靶用于获得活性毁伤元各梯度激活阈值下的激活反应特性；多层结构靶中靶板的层数，以及各层靶板的尺寸、材质、靶板间距均由待测试的活性毁伤元的梯度激活阈值及各激活阈值对应的活性毁伤元的高度确定；
通断测速靶位于发射器和多层结构靶之间，以及多层结构靶各靶板的背面，用于测量活性毁伤元的速度；
燃料箱位于多层结构靶后，用于测试活性毁伤元的引燃效果；燃料箱的正面上端设有一开口，所述开口的面积为燃料箱正面面积的1/5；
高速摄影仪用于拍摄活性毁伤元冲击多层结构靶并引燃燃料箱的过程。
较优的，发射器为弹道枪或者气枪。
较优的，发射器的口径12.7mm或者14.5mm。
较优的，多层结构靶中，第1层靶板的厚度为1.5a～2.0a，选用密度为2.5g/cm3～3.5g/cm3的金属材料制成；第2层靶板的厚度为1.0b～1.5b，选用合金钢制成；第3～N-2层靶板的厚度为0.8c～1.0c，选用密度为2.5g/cm3～5.0g/cm3的金属材料制成；最后的第N-1层靶板的厚度在2.0e～3.0e，选用密度为0.8g/cm3～2.0g/cm3的非金属材料制成；其中，a、b、c、e分别为待测梯度阈值活性毁伤元从头部到尾部各激活阈值对应毁伤元的高度；
第1层靶板与第2层靶板之间的距离为150～200mm，后几层间隔靶之间的距离以10％～20％逐渐降低。
较优的，第1层靶板采用硬铝、铝合金或镁合金；第2层靶板采用45号钢、Q235钢或装甲钢；第3～N-2层靶板采用铝、铝合金或钛合金；最后的第N-1层靶板采用尼龙、聚乙烯或凯夫拉。
较优的，通断测速靶采用铝箔夹书写纸的三明治结构。
较优的，发射器与多层结构靶之间布置2块测速靶，第1块测速靶距离多层结构靶300～400mm处，第2块测速靶距离多层结构靶200mm处。
较优的，燃料箱的正面和背面划线分割为大小均等的方格。
较优的，还包括背景幕布，所述背景幕布与高速摄影仪分别位于多层结构靶的两侧。
本发明还提供了一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试方法，采用上述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置进行测试。
有益效果：
(1)本发明基于梯度阈值活性毁伤元激活阈值梯度分布特性，将活性毁伤元与目标作用过程中的载荷衰减过程引入，通过多层结构靶考量梯度阈值活性毁伤元的梯度激活行为，并在减小燃料箱流体动压效应的基础上，测试材料的反应、释能及对燃料目标的毁伤增强效应。本发明可为梯度阈值活性材料及其毁伤元应用提供标准测试方法，有效对其引燃增强效应进行测试评估，促进梯度阈值活性材料毁伤元武器的研制及对燃料目标的毁伤，提高我国武器装备发展及进步，具备广泛的应用空间及发展前景。
(2)本发明采用弹道枪或者气枪即可完成活性毁伤元的发射，结构简单，可重复使用，且通过调整发射气压或者发射装药量即可实现任意的发射速度。
(3)本发明所设计的多层结构靶采用的是变壁厚变材料变间距的多层间隔靶，一方面是结合活性毁伤元的梯度激活特性，可验证在不同衰减条件下活性材料的激活反应特性以及对燃油目标的引燃增强效应；另一方面，多层结构靶可模拟目标防护结构的多样性，结合目标特性与油箱引燃效应，能实现对梯度阈值活性毁伤元的优化设计。
(4)通断测速靶4采用铝箔夹书写纸的三明治结构，制作简单，且可保证测速靶对活性材料毁伤元的速度和姿态影响最小。
(5)燃料箱5的正面和背面划线分割为大小均等的方格，便于分析每次测试中活性材料毁伤元的弹着点与燃料箱破坏、燃油引燃效果的关联性。
(6)在多层结构靶的另一侧布置白色背景幕布7，提高高速摄影仪的拍摄质量，背景布与高速摄影可重复使用。
(7)本发明测试方法可有效测试梯度阈值活性毁伤元的反应、释能及对燃料目标的毁伤增强效应。
附图说明
图1为本发明测试装置结构示意图。
其中，1-发射器，2-活性毁伤元，3-多层结构靶，4-通断测速靶，5-燃料箱，6-高速摄影仪，7-背景幕布。
图2为多层结构靶示意图。
图3为燃料箱正面及背面示意图。
图中：a-正面；b-背面；c-燃料加注口。
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。
本发明提供了一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，如图1所示，包括：发射器1、通断测速靶4、多层结构靶3、燃料箱5和高速摄影仪6。其中，发射器1、通断测速靶4、多层结构靶3、燃料箱5的中心线位于同一水平高度并对齐。
其中，发射器1为口径12.7mm或者14.5mm的弹道枪或者气枪，用于发射活性毁伤元2，并可以通过调整发射气压或者发射装药量实现任意设定的发射速度。
活性毁伤元2一般加工成与发射器口径相等的圆柱体以方便发射。活性毁伤元2具有N个梯度激活阈值。根据活性材料配方及对燃料箱的引燃效应，N一般取3～6。一般，活性毁伤元以面向靶板为头部，活性毁伤元的激活阈值沿其头部到尾部逐渐减小，即先碰靶的活性材料激活阈值最大。活性毁伤元各梯度变化的激活阈值所对应的活性材料的高度沿头部到尾部分别为a，b，c，d，……；各梯度激活阈值所对应的活性材料的高度可以相等，也可以不一致。
多层结构靶3用于充分激活各梯度阈值下的活性毁伤元，尽量保证每撞击一层靶板对应一层激活阈值的活性材料能被完全激活，验证在不同衰减条件下活性材料的激活反应特性以及对燃油目标的引燃增强效应；包含N-1或N-2层不同厚度的金属和非金属靶(但靶板个数不能小于2)，这与活性毁伤元的梯度阈值和侵彻-引燃的目标结构特性有关。
事实上，活性毁伤元的激活阈值除了与材料本身性能、尺寸有关外，还显著受冲击载荷环境的影响。实验研究表明，碰撞速度、靶板材料、靶板厚度等参数对活性材料的激活反应与释能特性影响较大，通常活性材料激活长度随碰撞速度降低而减小，随靶板密度与厚度增加而增大。然而，靶板太厚或密度太大时，活性材料还没穿透靶板就可能发生化学反应了，这不利于对油箱的引燃增强毁伤。此外，活性毁伤元在飞行过程中速度会不断衰减，随着碰撞速度降低，传入活性材料中的冲击载荷强度会不断减小，这就对多层结构靶的间距设计提出了要求，如结构靶之间的间隔太长，较小的冲击速度不利于活性材料的激活，从而影响对油箱的引燃效应。再者，油箱在各类目标内的位置也不尽相同，且各类目标的防护结构特性差异也较显著，设计多层结构靶时也应结合目标特性，从而能达到验证梯度阈值活性毁伤元穿透不同结构靶时对油箱的引燃效应，实现对梯度阈值活性毁伤元引燃效应的毁伤评估。
综上所述，在设计多层间隔靶3时，既要根据梯度阈值活性毁伤元自身材料、尺寸特性，还要结合目标结构特性。结合飞机与轻型装甲车辆的目标防护结构特性，本发明所设计的多层结构靶中各靶板的厚度、材料、靶板间距如下：多层结构靶第一层靶板的厚度在1.5a～2.0a内可调，靶板材料的密度一般选择为2.5g/cm3～3.5g/cm3，如硬铝、铝合金、镁合金等材料；第二层靶板的厚度在1.0b～1.5b内可调，靶板材料的密度一般选择为6.0g/cm3～8.0g/cm3，如45号钢、Q235钢、装甲钢等各类合金钢；中间一层或两层靶板的厚度在0.8c～1.0c或0.8d～1.0d内可调，靶板材料的密度一般选择为2.5g/cm3～5.0g/cm3，如铝、铝合金、钛合金等材料；最后一层靶板的厚度在2.0e～3.0e内可调，靶板材料的密度一般选择为0.8g/cm3～2.0g/cm3，如尼龙、聚乙烯、凯夫拉等非金属材料；多层间隔靶中第一层与第二层之间的距离为150～200mm，后几层间隔靶之间的距离以10％～20％逐渐降低。
也就是说，本发明所设计的第一层靶比第二层靶密度低，中间层靶密度与第一层相当，最后一层靶密度最小；结合梯度阈值活性毁伤元特性与目标结构特性，当使用两层靶时，通常选择第一层与第二层靶；当使用三层靶时，通常选择第一层、二层与最后一层靶；当靶板层数为四或五层时，需要选用1～2个中间层靶板，这两层靶板材料可相同，也可不同，当不同时，第三层靶板的密度通常比第四层大。本发明中最后一层靶设计为非金属材料，一是，考虑到活性毁伤元随侵彻靶板层数的增加，速度大幅降低，采用冲击参数较低的非金属材料可以保证剩余活性材料既能完全激活又能穿透靶板；二是，非金属材料也是模拟目标中的电子元器件、通讯设备等。本发明中多层结构靶这样设计的优势是，一方面，既能验证梯度阈值活性毁伤元对模拟飞机中的航空煤油的引燃效应，也能验证活性毁伤元对模拟轻型装甲车辆中柴油油箱的引燃效应；另一方面，可验证在不同衰减条件下活性材料的激活反应特性与对燃油目标的引燃效应的关联性，实现对梯度阈值活性材料的优化设计。
通断测速靶4位于发射器1与多层结构靶3之间，以及多层结构靶3中各层靶板的背面，用于测量活性毁伤元2的速度。本实施例采用铝箔夹书写纸的三明治结构测速靶，保证测速靶对活性材料毁伤元的速度和姿态影响最小。通断测速靶尺寸与多层结构靶相同，数量通常比多层结构靶多2块。其中，发射器1与多层结构靶3之间布置2块测速靶，第1块测速靶距离多层结构靶3300～400mm处，第2块测速靶与多层结构靶3的距离为200mm。
燃料箱5为长方体薄皮箱，箱体的材料为金属制，如铝、铁等，外形尺寸最好为长方体，长方体的尺寸根据作战目标的不同而等效，燃料箱位于多层结构靶3之后，距多层结构靶3最后一层0.4～0.6m。此外，为便于分析每次测试中活性材料毁伤元的弹着点与燃料箱破坏、燃油引燃效果的关联性，燃料箱正面(靠近多层结构靶3的一面)划线分割为横向3格、纵向4格，共12格的方格，燃料箱背面划分为横向3格、纵向5格，共15格的方格。特别的，燃料箱正面顶端需带一开口，尺寸为箱体的1/5，柴油、煤油或者汽油等燃料从开口位置注入，液面至开口下沿，一方面，燃料箱前面板的开口便于燃油加注，更重要的是，创造与传统封闭燃料箱不同的力学环境，显著减小活性材料与燃料箱碰撞时在箱体内的流体动压效应，便于更准确考核其引燃的增强效应。
高速摄影仪6设置在距发射器轴线5～10m距离处，高速摄影仪6与多层结构靶3中心对齐，对活性毁伤元2冲击多层结构靶3并引燃燃料箱5的过程进行拍摄。
此外，还可以在设置白色背景幕布7，置于通断测速靶4、多层结构靶3及燃料箱5的后面，与高速摄影仪6相对，提高高速摄影仪的拍摄质量。
基于上述测试装置的测试方法为：首先准备好活性毁伤元发射器1、变厚度多层结构靶3、通断测速靶4、燃料箱5、高速摄影仪6和背景幕布7。先通过水平仪对气枪或者弹道枪进行调整，保证枪管轴线水平；之后以枪口为原点，依次设置2层测速靶、多层结构靶和燃料箱，并在多层结构靶各层靶板背面粘贴测速靶，保证测速靶平整、粘贴牢固可靠；燃料箱带开口的正面朝向多层结构靶且与多层结构靶靶面平行；测速靶中心线、多层结构靶中心线、燃料箱中心线和枪管中心线重合；在枪管中心线左侧挂设白色背景幕布，要求背景幕布挂设平整无褶皱，且挂设牢固可靠；之后在枪管中心线右侧、与多层结构靶中心对齐位置设置高速摄影仪，对梯度阈值活性毁伤元冲击及对燃料箱引燃过程进行拍摄记录。
实施例1
采用12.7mm口径气枪为活性毁伤元发射器；通过水平仪对12.7mm口径气枪进行调整，保证枪管轴线水平；以枪口为原点，在距枪口9.6m处设置第一层测速靶，在距枪口9.8m处设置第二层测速靶，保证测速靶中心线和枪管中心线重合。所测的梯度阈值活性材料毁伤元的高度为10mm，等高度分5层(5个激活阈值)。设置完通断测速靶之后，在距第二层测速靶0.2m处设置多层结构靶。多层结构靶共4层，第一层与第二层之间距离为200mm，第二层与第三层之间为160mm，第三层与第四层之间130mm，保证结构靶中心线和枪管中心线重合；多层结构靶的靶板从前到后厚度分别为3mm，2mm，2mm，4mm，材料分别是LY12铝、Q235钢、LY12铝、尼龙；在多层结构靶的各层靶板的背面粘贴测速靶。在距多层结构靶最后一层0.4m处设置燃料箱，燃料箱内装0#柴油，燃料箱带开口正面朝向多层结构靶且与多层结构靶靶面平行，燃料箱中心线和枪管中心线重合。在枪管中心线左侧挂设白色幕布，在枪管中心线右侧5m处。在枪管中心线右侧8m处，与结构靶中心对齐位置设置高速摄影仪，对梯度阈值活性材料毁伤元冲击及对燃料箱引燃过程进行拍摄记录。设置好各测试装置，连接测速仪信号线，试验人员撤离现场，激发气枪，发射活性材料，对其引燃效应进行测试。
测试结果：前两块测速靶测得活性材料与结构靶作用前速度为1470m/s；结合高速摄影记录，撞击第一块铝靶时，活性材料头部被激活，发出明亮火光，在第一层靶板之后发生反应；穿过第一层靶板后继续与第二层靶板作用，剩余材料头部被激活，材料在穿过靶板的同时，继续发生反应，靶后反应现象比第一层靶后反应剧烈；剩余材料继续运动，与第三层靶板撞击，侵彻的同时，材料继续被激活，剧烈反应释能，并与第四块靶板碰撞，边反应边侵彻，伴随剧烈火光与燃料箱碰撞。剩余四块测速靶测得试样材料穿过四层靶板后的平均速度分别为：1320m/s，1140m/s，870m/s，730m/s，结构靶各层均发生爆裂毁伤。穿过四层靶板的活性材料剩余试样与燃料箱正中间部位作用，击穿燃料箱前后面板，造成柴油喷射、飞溅，并在试样与燃料箱作用后40us内发生剧烈燃烧。回收后的燃料箱严重变形及结构解体，柴油燃烧在燃料箱上留下大量黑色残留物。
以上试验现象及结果表明，在本测试方法下，梯度阈值活性材料毁伤元在多层变厚度结构靶作用下，被充分激活；多层测速靶可有效记录各时刻活性材料速度；白色背景布的设置保证了高速摄影对实验过程的清晰记录；燃料箱引燃过程及燃料箱回收表明梯度阈值活性材料对柴油燃料箱具有良好的引燃增强效应。
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 (9)
1.一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，包括：发射器（1）、通断测速靶（4）、多层结构靶（3）、燃料箱（5）和高速摄影仪（6）；
其中，发射器（1）用于发射活性毁伤元（2），所述活性毁伤元具有N个梯度激活阈值，所述N≥3；
多层结构靶（3）用于获得活性毁伤元（2）各梯度激活阈值下的激活反应特性；多层结构靶（3）包括N-1或N-2层靶板，靶板个数大于或等于2；其中，第1层靶板的厚度为1.5a~2.0a，选用密度为2.5g/cm3~3.5g/cm3的金属材料制成；第2层靶板的厚度为1.0b~ 1.5b，选用合金钢制成；最后一层靶板的厚度在2.0e~ 3.0e，选用密度为0.8g/cm3~2.0g/cm3的非金属材料制成；第2层和最后一层靶板之间的靶板的厚度为0.8c~ 1.0c，选用密度为2.5g/cm3~5.0g/cm3的金属材料制成；其中，a、b、c、e分别为待测梯度阈值活性毁伤元从头部到尾部各激活阈值对应毁伤元的高度；其中，当靶板总个数为2时，选择第1层和第2层靶板；当靶板总个数为3时，选择第1层、第2层和最后一层靶板；
第1层靶板与第2层靶板之间的距离为150~200mm，后几层间隔靶之间的距离以10%~20%逐渐降低；
通断测速靶（4）位于发射器（1）和多层结构靶（3）之间，以及多层结构靶（3）各靶板的背面，用于测量活性毁伤元（2）的速度；
燃料箱（5）位于多层结构靶（3）后，用于测试活性毁伤元的引燃效果；燃料箱（5）的正面上端设有一开口，所述开口的面积为燃料箱正面面积的1/5；
高速摄影仪（6）用于拍摄活性毁伤元（2）冲击多层结构靶（3）并引燃燃料箱（5）的过程。
2.如权利要求1所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，发射器（1）为弹道枪或者气枪。
3.如权利要求1或2所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，发射器（1）的口径12.7mm或者14.5mm。
4.如权利要求1所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，第1层靶板采用硬铝、铝合金或镁合金；第2层靶板采用45号钢、Q235钢或装甲钢；最后1层靶板采用尼龙、聚乙烯或凯夫拉；第2层和最后1层靶板之间的靶板采用铝、铝合金或钛合金。
5.如权利要求1所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，通断测速靶（4）采用铝箔夹书写纸的三明治结构。
6.如权利要求1或5所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，发射器（1）与多层结构靶（3）之间布置2块测速靶，第1块测速靶距离多层结构靶（3）300~400mm处，第2块测速靶距离多层结构靶（3）200mm处。
7.如权利要求1所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，燃料箱（5）的正面和背面划线分割为大小均等的方格。
8.如权利要求1所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置，其特征在于，还包括背景幕布（7），所述背景幕布（7）与高速摄影仪（6）分别位于多层结构靶（3）的两侧。
9.一种梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试方法，其特征在于，采用权利要求1~8任一所述的梯度阈值活性毁伤元引燃增强测试装置进行测试。
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