破片效应的研究简史

破片效应、穿甲效应、聚能效应和爆破效应是终点效应学研究的四大基本问题［1］，也是武器常规毁伤最基本的实现形式，与数学、物理学、力学、化学、材料学及创伤医学等基础学科紧密联系，是毁伤理论与技术的重要研究内容，是兵器科学与技术中最活跃、最积极的研究领域之一。

破片效应，又称杀伤效应［1］，是指弹药/战斗部金属壳体在内部装填的炸药爆炸作用下解体形成高速碎片，并以此对目标进行毁伤的一种终点效应。破片效应十分普遍地存在于多种类型的弹药/战斗部中，这是因为：一方面，武器的远射程和高发射初速需求使弹药/战斗部的受力环境非常恶劣，对其强度和发射安全性的要求十分苛刻，因此，用于承载炸药装药的高强度金属壳体几乎必不可少；另一方面，弹药/战斗部命中精度的局限性和扩大对目标杀伤范围的客观要求，使破片被合理地利用为毁伤元素，并成为一种自然而又有效的技术手段。

有目的地利用弹药/战斗部金属壳体产生碎片来实现对目标毁伤的杀伤技术，可追溯到20世纪初高能炸药（以TNT为代表）的广泛应用。1915年［4］，英国的米尔斯爵士提出了菠萝形半预制破片手榴弹的设计方案，采用在壳体外部刻槽的方式来控制破片的形状和质量，达到了大幅度提高综合杀伤威力的目的。自此，壳体破裂与质量分布控制、破片速度及飞散规律和破片毁伤效应等相关问题陆续受到关注。1943年，N.F.Mott和E.H.Linfoot［5-7］提出了爆炸条件下破片质量分布的分析方法，即Mott公式。同年，Gurney［8］从能量守恒的角度出发，基于瞬时爆轰假设并通过虚拟一个反映装药爆炸驱动做功能力的Gurney比能，提出了形式简单的一维装药结构（无限长圆柱、无限大平板和球）破片初速的计算方法，诞生了著名的Gurney公式；BRL研究所［9］（1943）以试验数据为依据获得了一定速度钢球对软钢贯穿厚度的计算式。次年，Gurney和Sarmousakis［10］（1944）给出了适用于薄壳装药破片质量分布的另一表达式。Shapiro［11］（1951）将Taylor的思想予以具体应用，提出了至今仍在使用的Shapiro公式。Johns Hopkins大学［12］（1958）对钢制破片侵彻软钢、杜拉铝、防弹玻璃和胶质玻璃四种材料进行了试验研究，收集了剩余速度数据，并依此推导出钢制破片弹道极限速度公式。Taylor［13］（1963）提出了自然破片战斗部壳体断裂的拉伸应力准则。Held［14］（1967）发表了有关破片弹道的论文，将破片弹道分为加速、飞行和侵彻三个阶段（也称为爆炸驱动的内、外和终点弹道），其中详细介绍了加速阶段的有关试验结果，推导出了计算预制钢珠和自然破片初速的一些经验公式。(www.xing528.com)

20世纪70年代后的30年内，自然破片因壳体内有相当大一部分易于破裂成速度衰减快、贯穿能力弱的微小破片（或粉末）问题难以有效解决，其逐渐成了历史。预制/预控破片技术的快速发展和广为应用推动了连续杆、离散杆、聚焦、定向等基于不同结构和原理的杀伤弹药/战斗部形式开始出现［15，16］，壳体破裂与质量分布控制的问题已不再成为关注的焦点，破片速度及飞散规律的精准预测和对目标作用效应的深入研究成为破片效应研究的主体。其中，破片毁伤效应研究因目标种类的不断扩展而最为活跃。BRL实验室［17-19］（1961、1963）根据试验数据拟合建立了THOR方程，可用于估算圆柱体或立方体的钢制破片（长径比小于3）在不变形、不破碎条件下，对多种均质金属靶和非金属靶的弹道极限、剩余速度和剩余质量。高修柱和蒋浩征（1985）［20］给出了10种均质金属靶材和7种非金属靶材的THOR方程参数。其间，基于有限元或有限差分的数值模拟与仿真技术日趋成熟，Ls-Dyna（1976）［21］、Autodyn（1986）［22］和Msc-Dytran（1990）［23］等冲击动力学数值模拟软件的出现为破片毁伤效应的研究提供了新的手段。

进入21世纪后的10年中，战场目标的多样化发展致使破片毁伤效应问题的研究已不限于均质靶体的侵彻与贯穿等经典问题，带壳装药引爆等热点问题、复合结构穿甲等前沿问题也开始引起研究者的关注。