壳体材料对装药引爆/引燃响应特征的影响分析

9.4.1.1　破片撞击薄铝板、薄钢板试验

1.试验系统及方法

采用12.7 mm滑膛弹道枪、破片速度测试装置与高速录像构成试验系统进行破片对薄铝板、薄钢板的垂直冲击试验。离枪口3.0 m处垂直地面竖立靶架，靶架上与枪口等高位置处固定薄金属板，板正前方1.0 m处正对枪口竖立激光测速系统，靶架后方1 m处竖立木制回收板，侧向垂直于金属板5.0 m外架设高速录像机（型号：FASTCAM SA4），录像频率设定为40 000帧/s，具体试验布置示意如图9.18所示。

图9.18　破片撞击薄铝板、薄钢板试验布置示意

试验用破片为圆柱形，破片尺寸为φ5.6 mm×5.3 mm，材料为45钢，质量为1.0 g，薄金属板尺寸为500 mm×500 mm×3 mm，材料分别为2A12-T4铝和35CrMnSi钢。

2.试验结果

破片对薄铝板、薄钢板的撞击试验中，选用上述装药发生快速反应的着速，分为（1 250±25）m/s和（1 500±25）m/s两组，每组各进行试验3发。试验中，无论何种着靶速度破片均能完全贯穿两种金属板，通过高速录像获得的靶板响应特征图片，如图9.19所示。

图9.19中，破片以（1 250±25）m/s的速度撞击薄铝板初始（0μs），破片作用区域呈现明亮的白色闪光，随后闪光弱化并最终消失，在铝板后无闪光现象；破片以（1 500±25）m/s的速度撞击薄铝板初始时刻（0μs），破片作用区域仍呈现明亮的白色闪光，随后白色闪光特征逐渐减弱，黄色闪光特征逐渐突出，在破片撞靶100μs后，铝板后出现偏白色闪光，并逐步发展成一条泛黄色的明亮火龙，闪光辐射区域及强度远大于低速冲击情况。

图9.19中，破片以（1 250±25）m/s的速度撞击薄钢板初始（0μs），破片作用区域呈现橘黄色闪光，闪光强度远不及冲击薄铝板，随着破片的侵彻，闪光弱化并最终消失，在钢板后无闪光现象；破片以（1 500±25）m/s速度撞击薄钢板初始（0μs），破片作用区域仍呈现橘黄色闪光，在破片撞靶200μs后，钢板后出现小区域的弱橘黄色火光，火光范围远不及铝板。

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图9.19　薄铝板、钢板在破片撞击下的响应特征

（a）破片冲击薄铝板（着靶速度：1 243 m/s）；（b）破片冲击薄钢板（着靶速度：1 232 m/s）；（c）破片冲击薄铝板（着靶速度：1 538 m/s）；（d）破片冲击薄钢板（着靶速度：1 541 m/s）

另外，薄金属板在破片撞击下，穿孔周围出现花瓣形翻边，薄铝板破碎飞溅出的小碎片嵌入金属板后的木质回收板上，如图9.20所示，薄钢板被破片撞击后难以在回收板上发现细小碎片。

综上所述，破片高速撞击下，两种薄金属板上的光辐射强度及区域特征差异较大，薄铝板在破片撞击下光辐射强度及区域远大于薄钢板，且2A12-T4铝板的破碎程度也要比35CrMnSi钢板的剧烈。

9.4.1.2　讨论

图9.20　破片高速撞击后的靶孔特征

（a）薄钢板；（b）薄铝板；（c）嵌入回收板的铝碎片

弹靶高速、超高速碰撞过程中，往往会产生机械、声、光、热及形变等物理效应。出于空间活动的向往，铝合金靶板在碎片超高速碰撞下的破碎行为及发生的光、热和等离子体特征一直是空间研究者关注的对象［400-402］。高速碰撞中，材料界面的冲击压力虽难以达到上百GPa，但靶体材料被冲击波压缩激发内能产生温升依然存在，温升的幅度依赖于弹靶碰撞条件和材料的性质。张庆明［403］（2000）通过试验和理论分析获得了2A12-T4铝合金冲击熔化的临界着靶速度（5 000 m/s）。本节试验中，钢破片以（1 500±25）m/s的速度分别撞击铝壳和钢壳，弹靶界面压力分别为17.8～18.5 GPa和28.4～29.6 GPa，远未达到铝合金相变的压力，更谈不上合金钢的结构相变。但在破片撞击产生的冲击波压缩和塑性功作用下，材料比内能增加，撞击周围区域温升迅速是不争的事实。

通常黑体辐射产生的都是连续波长的光，只是各波长的比例随温度变化而变化，颜色也相应而变；大致规律是：温度越低，短波长的光（蓝光、紫光）越少，长波长的光（红光、橙光）越多，即火焰会偏黄偏暖；温度越高，短波长的光越多，长波长的光越少，即火焰会偏蓝偏冷［404］。图9.19中，同等撞击条件下，薄铝板闪光区域虽大于薄钢板，但闪光颜色与薄钢板的基本相同，两者在钢破片撞击下的局部温升相差不大。但靶后闪光特征却差别较大，铝板后闪光偏白，且范围很大；钢板后闪光仍是偏黄色，且范围很小。由图9.19和图9.20可推断高速钢破片冲击薄铝板时，形成了若干炙热的微小破碎块，局部高温区域及高温区域的持续时间均大于薄钢板。

对于薄壳装药，因壳体后有炸药约束存在，破片撞击后的壳后效应并不完全等同于薄金属板的穿甲，能否形成大量微小的破碎块在前面的试验中难以考证。但同着靶速度条件下，撞击瞬间白色的闪光特征是一致的，穿靶过程中温升幅度及范围也应具有相似性。因此，对同一状态炸药，同机械作用条件下，铝壳因破片贯穿后产生大范围和持续时间的温升，会提高热点形成的概率，较钢壳装药更易起爆/起燃。另外，在图9.19中，破片以不同的速度撞击薄铝板，靶后的闪光特征相差较大。可以推断同弹靶条件下，着靶速度是激发壳后大范围温升的主要因素，通过提高破片着靶速度来增加铝壳的比内能，提高靶后温升区域和持续时间可以有效提高对铝壳装药的冲击引爆/引燃概率。