1.引爆毁伤增强行为

毁伤实验结果表明，在活性脱壳穿甲弹丸侵彻屏蔽装药过程中，活性芯体将在碰撞冲击作用下被激活并发生爆燃反应，通过动能与爆炸化学能的时序联合作用，可大幅提升对屏蔽装药引爆毁伤能力。本小节主要基于活性材料能量释放行为及毁伤效应实验，分别对惰性和活性两种脱壳穿甲弹丸作用屏蔽装药引爆过程进行分析，以对比活性脱壳穿甲弹丸引爆毁伤增强行为。

受制于单一动能侵彻毁伤机理，惰性脱壳穿甲弹丸主要依靠碰靶时冲击效应实现对屏蔽装药的引爆，且受弹靶作用条件影响显著。惰性脱壳穿甲弹丸作用屏蔽装药冲击起爆行为如图4.58所示。当惰性脱壳穿甲弹丸以一定速度碰撞屏蔽装药时，碰撞瞬间产生强冲击波，分别向前传入屏蔽装药并向后传入弹丸中，且碰靶时所产生的冲击波压力大小与弹丸动能密切相关。在透射冲击波作用下，炸药内部压力、密度和温度均有不同程度上升，由于炸药内部存在微细观缺陷，炸药内部将产生绝热压缩，从而形成局部热点。当冲击波强度足够高时，炸药内已经生成的热点将相互作用，促使炸药发生局部分解。与此同时，炸药内部其余区域将会在冲击波作用下继续产生新的热点，一旦弹丸传递给炸药的能量达到其临界值，炸药内热点将引发局部爆燃或燃烧，继而发生低速爆轰，并最终发展成稳定传播的高速爆轰。但弹丸动能不足时，传入炸药的冲击波强度将不足以维持整个爆轰过程，炸药将无法被引爆，仅发生缓慢燃烧或碎裂。在整个惰性金属弹丸冲击起爆过程中，炸药的内能增量全部来源于弹丸动能，因此弹丸动能大小很大程度上决定了装药引爆与否。

图4.58　惰性脱壳穿甲弹丸作用屏蔽装药冲击起爆行为

活性脱壳穿甲弹碰撞屏蔽装药引爆行为如图4.59所示。当活性脱壳穿甲弹以一定速度碰撞屏蔽装药时，撞击后同样将产生分别传入弹丸和靶板中的初始冲击波，若撞击速度较小，此时传入炸药中的初始冲击波往往难以引爆炸药。但对活性脱壳穿甲弹丸而言，其内部活性芯体在撞击冲击波压力作用下还将发生一定程度碎裂，其中尺寸较小的活性材料碎片将首先被激活并发生局部爆燃反应，其余活性材料也将在侵彻过程中不断被激活。待活性脱壳穿甲弹丸成功贯穿屏蔽板后，侵彻过程中被激活的大量活性材料都将侵入屏蔽板。在达到反应弛豫时间后，活性芯体将发生剧烈爆燃，释放大量化学能与气体产物，在造成芯体周围金属外壳破碎的同时，还将在与炸药相接触区域形成较高超压，从而进一步增强对炸药的冲击作用。在动能撞击产生的冲击波和化学能释放所形成的爆燃超压联合作用下，炸药极有可能在芯体爆燃场与接触点处发生爆轰，并随时间推移爆轰波逐渐汇合扩展至整个炸药。因此，当活性脱壳穿甲弹自身动能足以贯穿屏蔽板并侵入炸药内部时，弹丸所含活性材料即可在激活后依靠自身爆燃反应释放大量化学能，形成额外超压作用场，极大地提升了对靶后装药的引爆概率，从而显著增强弹丸引爆能力。

图4.59　活性脱壳穿甲弹碰撞屏蔽装药引爆行为

4.3.3小节所述弹道碰撞实验表明，相较于传统钨合金脱壳穿甲弹，活性脱壳穿甲弹在命中屏蔽装药中心的前提下，均能以750 m/s速度贯穿6～15 mm厚屏蔽板并成功引爆装药，而钨合金弹丸以1 151 m/s撞击速度却未能将6 mm厚屏蔽板防护下的装药引爆，表明活性材料爆燃所产生的引爆增强效应十分显著。

值得注意的是，屏蔽板厚度与撞击点位置均对活性脱壳穿甲弹引爆毁伤效应影响显著。由实验结果可知，活性脱壳穿甲弹对屏蔽装药的引爆效应随屏蔽板厚度增加逐渐减弱。造成这一现象的原因可能有以下两点，一方面，随着屏蔽板厚度增加，弹丸在侵彻屏蔽板过程中所耗散的能量逐渐增加，贯穿屏蔽板后的剩余速度逐渐下降，从而导致侵入炸药内部的活性材料逐渐减少。另一方面，屏蔽板厚度的增加还将显著削弱撞击时所产生的冲击波强度，使得传入装药内的透射冲击波强度显著减小，也不利于弹丸对炸药的引爆。除此之外，实验中还观察到活性脱壳穿甲弹命中装药边缘时的毁伤效果要显著弱于命中装药中心处时。而造成这一差别的主要原因可能是当撞击点位于装药边缘时，弹丸撞击以及爆燃所产生的冲击波压力及超压都将很快被环形壳体上所反射的稀疏波所卸载，从而导致传入炸药内部的能量大幅下降。

2.引爆毁伤增强模型

活性脱壳穿甲弹作用屏蔽装药引爆增强行为，涉及动能与化学能联合毁伤效应，作用机理复杂，具体分析可通过对其作用过程解耦的方式实现。

首先，在不考虑活性材料爆燃反应的前提下，对活性脱壳穿甲弹撞击屏蔽装药过程中的冲击响应进行理论分析，而后再对活性芯体激活后的化学能释放行为进行理论分析，进而获得动能和化学能对引爆增强效应的具体贡献。

基于一维冲击波理论建立弹靶作用力学模型，对只考虑弹丸动能冲击作用下屏蔽靶后装药所吸收能量进行分析，弹靶作用过程如图4.60所示。碰撞屏蔽装药前，弹丸初始粒子速度u0p与其初始撞击速度vi相等，此时屏蔽板中粒子速度u0t=0。碰撞后所产生初始冲击波以速度Ut向右传入屏蔽板中，同时以速度Up向左传入弹丸中，波后介质密度、压力和粒子速度等均发生变化。基于一维冲击波理论，碰撞区域压力和速度守恒关系表述为

式中，P、u分别为波后介质中压力和粒子速度；下标p、t分别为弹丸和屏蔽板。

初始冲击波过后，介质中压力与粒子速度关系为

式中，ρ0为介质初始密度；c0为介质中初始声速；s0为材料Hugoniot常数。

基于压力守恒条件，可对波后屏蔽板中粒子速度ut进行求解。由冲击波速度与粒子速度关系，屏蔽板中冲击波速度Ut、波后介质密度ρt可表述为

图4.60　活性脱壳穿甲弹丸弹靶作用力学响应

弹丸中冲击波速度Up与波后密度ρp分别表述为

随着初始冲击波在屏蔽板中不断传播，当其到达屏蔽板与炸药接触面时，将会向炸药中传入波速为Ue的透射波，同时向屏蔽板中传回一波速为UT的反射波。与上述弹丸与屏蔽板之间相互作用的分析类似，由冲击波理论可对透射波与反射波过后屏蔽板与炸药内压力和粒子速度等参量进行分析。

基于冲击波在密实介质中传播时的衰减规律，屏蔽板与炸药接触面处初始入射波强度Pt1以及此时屏蔽板内粒子速度ut1分别表述为(www.daowen.com)

式中，α为冲击波在屏蔽板中传播时的衰减系数；x为冲击波传播距离。

在屏蔽板与炸药接触面，由动量守恒和连续条件可知（ut1＜ue＜2ut1）：

考虑弹丸中冲击波由金属弹芯传至活性材料时，同样可由冲击波衰减及冲击波在不同介质界面处相互作用规律进行相应分析。需要注意的是，传入活性芯体内的初始冲击压力也直接决定着活性材料的冲击激活响应，从而决定活性材料激活率以及反应弛豫时间等关键参数，最终影响其力化特性。

基于Walker和Wasley的冲击起爆能量准则，炸药冲击起爆能量阈值既与传入炸药内冲击波压力大小P有关，还与冲击波脉冲宽度τ有关。在压力大小为p、脉冲宽度为τ的冲击波作用下，炸药所吸收的能量E表述为

忽略弹丸侧向稀疏效应影响，传入炸药内冲击波脉冲宽度τe取决于初始冲击波在弹丸尾部反射所形成稀疏波传回弹靶接触面所需时间，近似为

式中，L为弹丸长度；分别为弹丸中冲击波及稀疏波平均速度。

弹丸中稀疏波速度可表述为

弹丸动能撞击下，炸药所吸收能量Ei可表述为

基于上述分析，可对炸药在活性脱壳穿甲弹丸动能撞击下所吸收能量进行计算。然而，数值模拟结果与实验结果均表明，受活性脱壳穿甲弹丸特有的冲击激活释能特性影响，内部活性材料在侵彻中所发生的爆燃反应是其引爆增强毁伤效应的主控机制。为分析活性脱壳穿甲弹丸作用屏蔽装药过程中活性材料释放化学能对其引爆增强行为的贡献，一般先采用密闭压力测试罐测试方法，对活性材料在碰撞与侵彻过程中的能量释放行为进行研究，基于实验所得弹丸芯体材料超压时程特性，可建立测试罐内压力与活性材料释能量间关系，从而定量分析活性脱壳穿甲弹在撞击中所释放的化学能。

能量释放测试实验中，活性芯体在测试罐内发生爆燃反应后将导致罐内压力显著提高，但其压力响应行为与传统高能炸药存在较大区别。从压力峰值ΔP来看，实验中活性材料爆燃后在测试罐内所产生的峰值压力为10-1 MPa量级，显著低于传统高能炸药吉帕量级的近场爆轰压力。但从压力上升时间tr和正压持续时间td来看，活性材料在测试罐内爆燃反应所产生超压的tr和td分别为10 ms量级和102 ms量级，爆燃压力的这一特性可描述为“低峰长时”，而这一特性也是活性材料区别于传统含能材料的主要特征之一。

在获得活性材料能量释放超压数据后，基于气体状态方程与热力学定律，可进一步对活性材料爆燃反应释能量进行理论分析，从而建立活性脱壳穿甲弹撞击侵彻行为与其爆燃释能行为间内在关联。

由3.3.1小节所述内爆超压测试原理，活性芯体所释放化学能可表述为

基于式（4.33），即可通过所测得超压数据对罐内气体吸收总能量进行计算，与弹丸动能之差即为活性材料所释放化学能理论值，从而对活性材料化学能贡献进行定量分析。基于内爆实验，弹丸着靶速度为v时活性材料激活比例ηv可表述为

式中，Ek为测试罐实验中活性脱壳穿甲弹初始动能，m为测试罐实验中活性脱壳穿甲弹质量，Q为活性材料单位质量含能量。

活性脱壳穿甲弹撞击屏蔽装药时所释放化学能Ec可表述为

式中，mr为活性脱壳穿甲弹中所含活性材料总质量。

对活性脱壳穿甲弹而言，作用屏蔽装药的起爆能量准则表述为

式中，Ecritical为炸药临界起爆能量，注装B炸药时，其值为122 J/cm2。

与传统惰性金属脱壳穿甲弹不同，活性材料反应所释放化学能往往数倍于其自身动能，因此，在活性脱壳穿甲弹引爆装药过程中，活性材料在炸药内部的爆燃反应起主导作用。当活性脱壳穿甲弹动能足够贯穿屏蔽板并侵入炸药内部时，活性材料芯体就能在激活后依靠自身爆燃反应释放大量化学能，并形成超压场，从而极大提升对靶后装药的引爆概率。