CN115289920B - 活性复合药型罩聚能装药毁伤效应测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性复合药型罩聚能装药毁伤效应测试装置及方法。本发明通过X光技术掌握破甲后金属碎片云分布特性；通过内置间隔靶不断引爆尾随剩余侵彻体，并通过靶板上爆裂孔面积及隆起高度表征活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应；通过压力传感器获取罐内活性剩余侵彻体对间隔靶各靶板爆燃反应形成的超压‑时间曲线，分析活性剩余侵彻体能量释放特性；通过高速摄影观察剩余侵彻体等对间隔靶的侵爆耦合毁伤行为；并且设置碎片回收装置回收仍具有剩余动能的金属碎片，保护测试装置；本发明结构简单，便于操作，可重复利用，能够实现对活性复合药型罩聚能装药的侵爆耦合毁伤效应的综合全面表征，有利于此类装药或战斗部的设计。

Description

活性复合药型罩聚能装药毁伤效应测试装置及方法

技术领域

本发明涉及聚能装药技术领域，具体涉及一种活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应测试装置及方法。

背景技术

随着轻型坦克、装甲运兵车等大机动性、轻中型装甲类目标在战场上的作用日益显著，如何高效毁伤这类轻中型装甲战车，达到“一击必毁”的作战目的，是现代战争中面临的技术难题之一。特别是受惰性金属射流单一动能侵彻机理局限，传统聚能战斗部在反轻中型装甲类目标时，往往侵彻能力有余，但后效毁伤不足。与此同时，近年来受到广泛关注的活性药型罩，在聚能装药作用下形成的活性射流密度低、延展性不好，虽可对目标产生强后效毁伤，但侵彻深度十分有限，这极大程度上制约了活性材料技术在聚能战斗部上的应用。如能联合发挥传统金属药型罩与活性药型罩的优势，则能在兼顾侵彻深度的条件下，有效提升聚能战斗部的后效毁伤能力。为此，活性复合药型罩成为高效毁伤领域的研究重点，其在聚能作用下形成的活性复合射流前部为具有良好侵彻能力的金属射流，后部为可发生爆燃反应的活性尾随体，从而利用“动能侵彻和爆燃毁伤”两种机理的联合作用，实现对装甲目标贯穿的同时，提升对目标内部技术装备和人员的后效毁伤。具体来说，活性复合射流兼具金属射流大侵彻和活性射流强后效双重毁伤特性。当射流撞击装甲目标时，前驱金属射流利用动能侵彻装甲，在装甲上造成穿孔并在目标内部形成金属碎片云，随之活性尾随体随入目标内部，通过剧烈的爆燃反应释放大量化学能和气体产物。也就是说，活性复合射流利用金属碎片云、剩余侵彻体、爆燃超压等多元毁伤场实现对靶后目标的高效毁伤。

由此可见，活性复合射流具有强后效毁伤效应，实现对其后效毁伤效应的表征十分重要，是开展活性复合药型罩聚能装药结构优化设计的前提。然而，一方面，单一的金属射流静爆侵彻深度试验无法表征活性复合射流这种强后效毁伤效应；另一方面，单一的活性射流超压试验仅能给出活性射流内爆超压规律，无法表征多元毁伤场造成的侵爆耦合毁伤效应。换句话说，传统的聚能装药性能测试方法均不适用于活性复合药型罩聚能装药，造成活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应与规律研究缺乏应有的测试方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应测试装置及方法，能够有效表征活性复合药型罩聚能装药对目标的侵爆耦合毁伤效应。

本发明的活性复合药型罩聚能装药毁伤效应测试装置，包括：炸高筒、装甲钢、测试罐、封盖、间隔靶、碎片回收模块、X光拍摄模块、压力传感器、数据采集模块和高速摄影模块；

其中，封盖密闭连接在测试罐的开口端；封盖上预留有通孔；待测试的活性复合药型罩聚能装药通过炸高筒和装甲钢固定在封盖外侧；间隔靶设置在测试罐内部，首层为钢靶，其余层为铝靶，且各铝靶的厚度依次递减、间隔依次递增；碎片回收模块位于测试罐内部底部；

X光拍摄模块设置在测试罐开口端，用于拍摄活性复合药型罩聚能装药形成的活性复合射流穿透装甲钢后形成的金属碎片云；高速摄影模块用于记录活性尾随体对间隔靶的毁伤过程；压力传感器用于测量活性复合射流在间隔靶各靶板爆燃产生的超压，并通过数据采集模块采集输出。

较优的，所述封盖上的通孔的直径为0.1CD～0.3CD，其中，CD为活性复合药型罩聚能装药的装药直径。

较优的，所述间隔靶中，第1层为钢靶，厚度为0.05CD～0.15CD，其中，CD为活性复合药型罩聚能装药的装药直径；钢靶与封盖之间间距为2CD～4CD；其余层为铝靶，其中，第一层铝靶与第一层钢靶之间的距离为a₁，且a₁一般取值为1.0CD～3.0CD，则后续间隔依次为a_i+1＝a_i〃p，i为间隔顺序，取i＝1～n，p为系数，取决于活性复合射流质量分布特性，一般取p＝1.2～1.5，确保各铝靶层之间有效材料质量比较接近，更好地匹配表征剩余侵彻体和对应的超压特性。假设第一层铝靶厚度为b₁，且b₁一般取值为0.05CD～0.1CD，则后续铝靶厚度依次为b_j+1＝b_j〃q，j为铝靶板顺序，取j＝1～m，q为系数，也取决于活性复合射流质量分布特性，一般取q＝0.8～0.9。

较优的，碎片回收模块从前至后依次为软铝层、阻燃层和均质装甲层。

较优的，X光拍摄模块包括X光射线管和X光底片；X光发射管和X光底片分别安装在测试罐相对的侧壁上，两者中心位于同一高度。

较优的，高速摄影模块透过设置在测试罐侧壁上的观察窗记录活性尾随体对间隔靶的毁伤过程；所述观察窗采用一整块的透明有机玻璃制成。

较优的，高速摄影模块的拍摄幅值不低于8000幅/秒。

本发明提供了利用上述测试装置进行测试的方法，包括：

根据待测试的活性复合药型罩聚能装药，确定炸高筒、封盖上通孔、间隔靶各靶板厚度及间距的尺寸；根据待测试活性复合药型罩聚能装药的打击目标，确定装甲钢尺寸；

安装所述测试装置及待测试活性复合药型罩聚能装药；

引爆活性复合药型罩聚能装药；

根据X光拍摄模块连续拍摄的活性复合药型罩聚能装药形成的活性复合射流穿透装甲钢后形成的金属碎片云尺寸和速度，以及间隔靶第一层钢靶的毁伤情况，分析金属碎片云毁伤特性；通过高速摄影模块观察剩余侵彻体对间隔靶的毁伤行为；根据压力传感器获得的活性尾随体在罐体内不同位置的超压-时间历程曲线以及间隔靶各铝靶的毁伤情况，分析侵爆联合的后效毁伤效应。

有益效果：

(1)本发明装置结构简单，便于操作，可重复利用，改变间隔靶尺寸、间隔靶材料、间隔靶间距即可适用于各种活性复合药型罩聚能装药的毁伤效应测试，适用性广；本发明通过X光技术掌握破甲后金属碎片云分布特性；通过内置间隔靶不断引爆尾随剩余侵彻体，并通过靶板上爆裂孔面积及隆起高度表征活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应；通过压力传感器获取罐内活性剩余侵彻体爆燃反应形成的超压-时间曲线，分析活性剩余侵彻体能量释放特性；通过高速摄影观察剩余侵彻体等对间隔靶的侵爆耦合毁伤行为；并且设置碎片回收模块回收仍具有剩余动能的金属碎片，保护测试装置；本发明结构简单，便于操作，可重复利用，能够实现对活性复合药型罩聚能装药的侵爆耦合毁伤效应的综合全面表征，有利于此类装药或战斗部的设计。

(2)封盖M上的通孔直径为0.1CD～0.3CD，适用于现有各种活性复合药型罩，使得活性复合药型罩形成的射流在穿透装甲钢后能直接进入罐体，实验中就只需要换装甲钢板，而封盖M可以重复利用。

(3)间隔靶中钢靶厚度为0.05CD～0.15CD，一方面通过钢靶上凹坑考核靶后碎片云动能毁伤能力，另一方面，钢靶能够阻止靶后碎片云对其余铝靶的毁伤，确保铝靶精确表征剩余侵彻体和爆燃超压的耦合毁伤效应；第一层钢靶与封盖M之间间距一般取2CD～4CD，可有效观察碎片云的飞散情况；钢靶后的各铝靶厚度按0.8～0.9的比例依次减小，能够在剩余侵彻体侵彻过程中速度逐次降低、超压逐渐减小的状况下有效表征剩余侵彻体的侵爆威力；各铝靶的间隔按1.2～1.5的比例依次增大，能够有效确保各铝靶层之间的剩余侵彻体的有效材料质量，更好地匹配表征剩余侵彻体和对应的超压特性。

(4)碎片回收模块K从前至后依次为软铝层、阻燃层和均质装甲层；其中，软铝层和阻燃层硬度低，能减少碎片撞击时的飞溅程度，利于回收仍有动能的碎片，且阻燃层能够有效防止回收过程中不必要的燃烧，减小无谓的工作量，且避免了回收过程中非金属碎片云、剩余侵彻体导致的燃烧现象，减少对真实毁伤结果的影响；经软铝和阻燃层的减速和阻燃后，仍有动能的碎片撞击到最下面的均质装甲层时，就大概率不会发生引燃现象，也不会再有明显的飞溅现象。最后的均质装甲层则有效回收碎片，避免碎片穿透测试罐底部。

(5)高速摄影模块J的拍摄幅值不低于8000幅/秒，以便更好地观察金属碎片云飞散行为。

(6)本发明测试方法，可适用于各种活性复合药型罩聚能装药的毁伤效应测试，可实现活性复合药型罩聚能装药的侵爆耦合毁伤效应的综合表征。

附图说明

图1为本发明活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应测试装置示意图。

其中：A—活性复合药型罩聚能装药；B—炸高筒；C—装甲钢；D—X光射线管；E—X光底片；F—压力传感器；G—数据采集模块；H—观察窗；J—高速摄影模块；K—碎片回收模块；L—测试罐；M—封盖；S—间隔靶。

图2为实施例1测试罐内超压曲线图。

图3为实施例1各铝靶的破孔情况。

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。

本发明提供了一种活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应测试装置，如图1所示，包括炸高筒B、装甲钢C、测试罐L、封盖M、间隔靶S、碎片回收模块K、X光射线管D、X光底片E、压力传感器F、数据采集模块G和高速摄影模块J等。

其中，测试罐L为一端开口的空心容器，一般为圆柱体，多由钢制成，能够承受一定的爆轰压力，测试罐直径一般选取5CD～8CD。封盖M位于测试罐L的开口端，通过螺纹等方式与测试罐L密闭连接，通常采用与测试罐L相同的材质。封盖M上预留有通孔，通孔直径一般为0.1CD～0.3CD，便于活性复合药型罩聚能装药形成的射流通过。

装甲钢C固定在封盖M外侧，用于模拟实际目标的装甲防护层，厚度依据目标特性确定。

炸高筒B固定在装甲钢C上，用于安装待测试的活性复合药型罩聚能装药A，并给射流形成预留空间。

间隔靶S设置在测试罐L内部，将测试罐分为多个舱室，用来表征活性复合射流动能和化学能联合毁伤效应。由于活性复合射流穿透装甲钢C后，会形成3种毁伤元：碎片云、剩余侵彻体和超压；这些大量金属碎片云具有很高的动能，且碎片云分布密度较大，为此，本发明将间隔靶的第一层靶板设置为钢靶，其厚度一般在0.05CD～0.15CD之间，这一方面利用钢靶上的凹坑表征碎片云，有利于考核碎片云毁伤效应，另一方面第一层钢靶可以将多数碎片拦截，这样其他层的间隔靶就可以重点来考核活性复合射流的剩余侵彻体和活性材料内爆超压带来的侵爆耦合毁伤效应。第一层钢靶与封盖M之间间距一般取2CD～4CD，可结合X光拍摄模块有效观察碎片云的飞散情况。

间隔靶S第2层及以后的其他层靶均为铝靶，活性复合射流穿透装甲钢C后，形成的碎片云被第1层的钢靶所拦截并表征，而剩余侵彻体和超压则由后续的铝靶进行表征。研究发现，活性复合射流从头到尾部，基本呈锥形结构，即头部很细且速度梯度大、尾部较粗且速度梯度小，也就是说，前部速度高、速度梯度大，但活性复合射流质量小；后部速度低、速度梯度小，但活性复合射流的质量大；各层铝靶之间的间隔应与活性复合射流的这种特性相匹配。假设第一层铝靶与第一层钢靶之间的距离为a₁，且a₁一般取值为1.0CD～3.0CD，则后续间隔依次为

a_i+1＝a_i*p

i为间隔顺序，取i＝1～n，p为系数，取决于活性复合射流质量分布特性，一般取p＝1.2～1.5，确保各铝靶层之间有效材料质量比较接近，更好地匹配表征剩余侵彻体和对应的超压特性。

此外，研究表明，从第一层铝靶开始到最后一层铝靶，其受到的毁伤威力是递减的，为此，铝靶厚度必须相匹配，才能精确反应各层铝靶上毁伤效应，假设第一层铝靶厚度为b₁，且b₁一般取值为0.05CD～0.1CD，则后续铝靶厚度依次为

b_j+1＝b_j*q

j为铝靶板顺序，取j＝1～m，q为系数，取决于活性复合射流质量分布特性，一般取q＝0.8～0.9。

碎片回收模块K位于测试罐内部底部，用于回收贯穿间隔靶的残余射流和金属碎片；碎片回收模块K从前至后依次为软铝层、阻燃层和均质装甲层；其中，软铝层和阻燃层硬度低，能减少碎片撞击时的飞溅程度，利于回收仍有动能的碎片，且阻燃层能够有效防止回收过程中不必要的燃烧，减小无谓的工作量，且避免了回收过程中非金属碎片云、剩余侵彻体导致的燃烧现象，减少对真实毁伤结果的影响；经软铝和阻燃层的减速和阻燃后，仍有动能的碎片撞击到最下面的均质装甲层时，就大概率不会发生引燃现象，也不会再有明显的飞溅现象。最后的均质装甲层则有效回收碎片，避免碎片穿透测试罐底部。

X光拍摄模块设置在测试罐开口端；当活性复合射流穿透装甲钢后，在测试罐内形成金属碎片云和剩余侵彻体。由于X光具有一定的穿透效应、荧光效应及感光效应，并且不同金属碎片存在密度和厚度上的差别。因此，当X光透过金属碎片云时，被吸收的程度不同，到达X光底片E上的X光的强度存在差异，在底片上形成亮度不同的影像，即可得到碎片云尺寸分布和剩余侵彻体形貌X光照片，进而判断碎片速度分布和有效打击范围、以及剩余侵彻体速度等。X光拍摄模块包括X光射线管D和X光底片E；X光射线管和X光底片分别安装在测试罐相对的侧壁上，两者中心位于同一高度。

测试罐的侧壁、间隔靶所在位置处设有观察窗H，所述观察窗H采用透明有机玻璃制成；高速摄影模块位于测试罐L外部，通过观察窗记录金属碎片云和活性尾随体对间隔靶的毁伤过程，用于获得毁伤时序和活性材料能量释放规律。高速摄影系统应有防护装置，推荐拍摄幅值不低于8000幅/秒。

压力传感器F设置在测试罐侧壁，位于间隔靶与顶盖、以及间隔靶各靶板之间，用于测量活性尾随体爆燃产生的超压，并通过数据采集模块采集输出。

本发明的具体工作过程为：

待测试的活性复合药型罩聚能装药A通过炸高筒B和装甲钢C置于综合测试罐体之上；雷管引爆活性复合药型罩聚能装药形成活性复合射流，其中，前驱金属射流穿透装甲钢C，在测试罐内形成金属碎片云和剩余侵彻体；同时活性尾随体也随入到测试罐体内部，发生爆燃反应产生超压。实验中，通过X光射线管D连续曝光，可观察和分析金属碎片云尺寸、速度分布等特征，并结合间隔靶第一层(钢板)上的穿孔或小坑分析碎片云毁伤特性。利用压力传感器F获得活性尾随体在罐体内不同位置的超压-时间历程曲线；通过高速摄影系统观察毁伤行为；基于间隔靶S上厚度和间隔相匹配的各层铝靶毁伤情况(爆裂孔面积及隆起高度表征)，可以分析侵爆联合后效毁伤效应。通过这一方法，进而可获得药型罩复合结构、装药条件等对靶后碎片云分布、内爆超压、后效毁伤效应的影响规律。

实施例1

本发明提供了一种活性复合药型罩聚能装药侵爆耦合毁伤效应测试装置及方法。采用的测试罐为壁厚20mm，内径360mm，高600mm的圆柱形罐体，其材料为高强度钢；测试罐上封盖外圆直径440mm，顶部中心有一直径为15mm的圆形通孔，测试罐体开口端有外螺纹，上封盖开口端有内螺纹，两者相匹配从而实现密封连接。选取装药材料为密度1.70g/cm³的8701炸药，装药量为110g。选取的活性复合药型罩锥角50°，口径为50mm，壁厚6mm，其中内层紫铜罩厚度1.5mm，外层活性罩厚度4.5mm。选取炸高筒高度为50mm。选取装甲钢厚度为50mm。

在测试罐内部，底端放置有直径为320mm的残余碎片回收模块，该碎片回收模块从前至后依次为软铝层、阻燃层和均质装甲层，其厚度分别为10mm、20mm和20mm。

回收装置前端放置有间隔靶，通过间隔靶各靶板上的爆裂孔面积及隆起高度表征活性复合射流侵爆耦合毁伤效应。其中，间隔靶第一层为钢靶，其厚度5mm；其他层靶均为铝靶，各层铝靶之间的间隔应与活性复合射流特性相匹配。第一层铝靶与第一层钢靶之间的距离为a₁＝50mm，则后续间隔依次为a₂＝60mm，a₃＝72mm，a₄＝86mm，a₅＝103mm。铝靶厚度应与毁伤威力相匹配，第一层铝靶厚度为b₁＝3mm，则后续铝靶厚度依次为b₂＝2.7mm，b₃＝2.4mm，b₄＝2.2mm，b₅＝2.0mm。

在测试罐开口端，端盖与间隔靶之间，设置X光拍摄模块，对活性复合射流穿透装甲钢后在测试罐内形成的金属碎片云进行拍照，得到碎片云尺寸分布。

同时，高速摄影系统通过罐体左侧壁上的透明有机玻璃观察窗口(观察窗有机玻璃厚30mm)观察对间隔靶的毁伤行为，拍摄幅值8000幅/秒。

传感器测量量程为3MPa，其通过测试端压阻敏感器件，获得罐体内不同位置处活性尾随体爆燃压力导致的传感器电阻变化，并转化为电信号输出至数据采集系统。数据采集系统G由多通道应变仪、数据采集仪及示波器组成，以一定采样频率，记录传感器捕获的电信号随时间变化，并以时程曲线形式存储输出。

测试结果表明，活性复合射流在穿透50mm装甲钢后，在测试罐内产生了显著超压，典型超压曲线如图2所示，各传感器获得的超压峰值列于表1。活性复合射流穿透了5块铝靶，在铝靶上形成的破孔形状如图3所示，各铝靶上破孔面积列于表2。

表1超压测试结果

表2各铝靶上的爆裂孔面积

可以看出，本发明所设计的测试装置，能够有效表征活性复合药型罩聚能装药在靶后的综合毁伤后效，为活性复合药型罩聚能装药优化设计提供有效手段。

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 (8)

1.一种活性复合药型罩聚能装药毁伤效应测试装置，其特征在于，包括：炸高筒(B)、装甲钢(C)、测试罐(L)、封盖(M)、间隔靶(S)、碎片回收模块(K)、X光拍摄模块、压力传感器(F)、数据采集模块(G)和高速摄影模块(J)；

其中，封盖(M)密闭连接在测试罐(L)的开口端；封盖(M)上预留有通孔；待测试的活性复合药型罩聚能装药通过炸高筒(B)和装甲钢(C)固定在封盖(M)外侧；间隔靶(S)设置在测试罐(L)内部，首层为钢靶，厚度为0.05CD～0.15CD，其中，CD为活性复合药型罩聚能装药的装药直径；钢靶与封盖之间间距为2CD～4CD；其余层为铝靶，其中，第一层铝靶与第一层钢靶之间的距离为a₁，且a₁为1.0CD～3.0CD，后续间隔依次为a_i+1＝a_i·p，i为间隔顺序；第一层铝靶厚度为b₁，且b₁为0.05CD～0.1CD，后续铝靶厚度依次为b_j+1＝b_j·q，j为铝靶板顺序；p、q为系数，取决于活性复合射流质量分布特性；碎片回收模块(K)位于测试罐内部底部；

X光拍摄模块设置在测试罐开口端，用于拍摄活性复合药型罩聚能装药形成的活性复合射流穿透装甲钢(C)后形成的金属碎片云；高速摄影模块(J)用于记录活性尾随体对间隔靶的毁伤过程；压力传感器(F)用于测量活性复合射流在间隔靶各靶板爆燃产生的超压，并通过数据采集模块(G)采集输出。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述封盖(M)上的通孔的直径为0.1CD～0.3CD，其中，CD为活性复合药型罩聚能装药的装药直径。

3.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，p＝1.2～1.5；q＝0.8～0.9。

4.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，碎片回收模块(K)从前至后依次为软铝层、阻燃层和均质装甲层。

5.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，X光拍摄模块包括X光射线管(D)和X光底片(E)；X光发射管(D)和X光底片(E)分别安装在测试罐相对的侧壁上，两者中心位于同一高度。

6.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，高速摄影模块(J)透过设置在测试罐侧壁上的观察窗(H)记录活性尾随体对间隔靶的毁伤过程；所述观察窗(H)采用一整块的透明有机玻璃制成。

7.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，高速摄影模块(J)的拍摄幅值不低于8000幅/秒。

8.如权利要求1～7任一所述的测试装置的测试方法，其特征在于，

根据待测试的活性复合药型罩聚能装药，确定炸高筒(B)、封盖(M)上通孔、间隔靶(S)各靶板厚度及间距的尺寸；根据待测试活性复合药型罩聚能装药的打击目标，确定装甲钢(C)尺寸；

安装所述测试装置及待测试活性复合药型罩聚能装药；

引爆活性复合药型罩聚能装药；

根据X光拍摄模块连续拍摄的活性复合药型罩聚能装药形成的活性复合射流穿透装甲钢后形成的金属碎片云尺寸和速度，以及间隔靶第一层钢靶的毁伤情况，分析金属碎片云毁伤特性；通过高速摄影模块观察剩余侵彻体对间隔靶的毁伤行为；根据压力传感器获得的活性尾随体在罐体内不同位置的超压-时间历程曲线以及间隔靶各铝靶的毁伤情况，分析侵爆联合的后效毁伤效应。