波阻抗梯度材料加强型Whipple结构撞击极限研究

为研究一种改进型的波阻抗梯度材料防护结构Ti/Al/Mg结构的撞击极限,采 用 二 级 轻 气 炮 以3.0～8.0 km/s的速度对Ti/Al/Mg结构、Al/Mg结构和2A12结构开展了超高速撞击实验,建立了Ti/Al/Mg结构的撞击极限曲线。结果表明:高阻抗的钛合金表层能产生更高的冲击压力和温升,使弹丸充分破碎;在面密度相同的条件下,与Al/Mg结构和2A12结构相比,Ti/Al/Mg结构具有更强的防护性能。通过理论计算得到Ti/Al/Mg结构撞击极限曲线的区间转变速度小于7.0 km/s,但其实验撞击极限曲线上并未出现明显的区间转变,在实验速度范围内,撞击极限随着撞击速度的提升而增大,这与典型Whipple结构撞击极限曲线存在差异。     

Al/Mg波阻抗梯度材料加强型Whipple结构超高速撞击特性研究

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构具有优异的防护性能。本文的目的是研究Al/Mg波阻抗梯度材料加强型Whipple结构在5.0 km/s撞击速度下的超高速撞击特性,以及除具有高阻抗的迎撞击面在弹丸中产生更高的冲击压力和温升外,影响波阻抗梯度材料防护性能的主要因素。本文中提出一种由铝合金表层和镁合金基底组成的面密度等效于1.5 mm厚铝合金的新型波阻抗梯度防护屏,采用二级轻气炮在5.0 km/s的撞击速度下对Al/Mg波阻抗梯度材料加强型和铝合金Whipple结构进行了初步超高速撞击对比实验,研究了超高速撞击防护屏穿孔、碎片云和后墙损伤特性。与铝合金防护结构相比,Al/Mg防护结构具有防护屏穿孔翻边更明显、后墙损伤较轻微、碎片云扩散半角大和撞击坑细化程度高4个主要特征。本文中开展了理论分析与计算,研究了冲击耦合过程、波传播特性和热力学状态等。结果表明:不受面密度影响,Al/Mg防护屏能改变冲击波在靶中的传播特征,使弹丸破碎程度更高,并且提升了防护屏中的内能转化率,具有优异的动能耗散特性。因此,与同等面密度的铝合金Whipple结构相比,Al/Mg结构具有更优异的防护性能。     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

防护板尺寸对Whipple防护结构撞击损伤影响的实验研究

通过高速撞击实验,探讨了采用小尺寸防护板的可行性。实验中采用的Whipple结构由尺寸变化的1 mm厚防护板（前板）和尺寸固定的3 mm厚舱壁板（后板）组成,防护板与舱壁板间隔10 cm。防护板为边长分别为8、12、16和20 cm的方形2A12铝合金板,舱壁板为边长为20 cm的方形5A06铝合金板。实验过程中均采用直径为4 mm的铝合金球形弹丸,撞击速度为1.45~1.71 km/s。实验结果表明:Whipple防护结构在舱壁板被击穿的概率大于0.8的条件下和击穿概率为0的条件下的极限速度以及舱壁板临界击穿条件下的速度都与防护板尺寸无关;并且,防护板前后表面击穿孔的直径及击穿孔侧壁的倾斜角也与防护板尺寸无关;但是,在速度相同的条件下随着板尺寸的增大,防护板板面的最大挠度增大,而且,防护板挠曲面的凸凹方向也由单一的凹向变成凸凹方向交替出现;随着速度的增加和板尺寸的增大,防护板最大挠度的增量减小。     

后墙拆分结构防护性能的实验和计算对比研究

为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性,通过开展数值模拟（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度5.0～8.3 km/s）和超高速撞击实验（铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度约8.3 km/s）,研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况,借助Autodyn软件开展了数值模拟,并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明,在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异,但均优于相同面密度的Whipple结构,且随着撞击速度的提高,这种优势具有增大的趋势。     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。     

改进的Whipple防护结构与相关数值模拟方法研究进展

基于弹丸在超高速撞击薄板时破碎形成碎片云的机理,Whipple防护结构能够对航天器所面临的空间碎片及微流星体等威胁形成有效防护。通过回顾Whipple防护结构的研究和发展历程,对多层板结构、填充式防护结构、夹芯板结构等进行对比,分析其力学效应和防护性能;总结可应用于含泡沫、蜂窝、梯度和编织等材料的防护结构超高速撞击的数值模拟方法及其改进方法;结合相关材料的超高速撞击试验及数值模拟结果,为防护结构未来的研究方向提出建议。     

Experimental investigation of penetration performance of shaped charge into concrete targets

In order to develop a tandem warhead that can effectively destroy concrete targets, this paper explores the penetration performance of shaped charges with different cone angles and liner materials into concrete targets by means of experiments. The penetration process and the destruction mechanism of concrete targets by shaped charges and kinetic energy projectiles are analyzed and compared. Experimental results suggest that both kinetic energetic projectile and shaped charge are capable of destroying concrete targets, but the magnitudes of damage are different. Compared with a kinetic energy projectile, a shaped charge has more significant effect of penetration into the target, and causes very large spalling area. Hence, a shaped charge is quite suitable for first-stage charge of tandem warhead. It is also found that, with the increase of shaped charge liner cone angle, the depth of penetration decreases gradually while the hole diameter becomes larger. Penetration depth with copper liner is larger than of aluminum liner but hole diameter is relatively smaller, and the shaped charge with steel liner is between the above two cases. The shaped charge with a cone angle of 100° can form a jet projectile charge （JPC）. With JPC, a hole with optimum depth and diameter on concrete targets can be formed, which guarantees that the second-stage warhead smoothly penetrates into the hole and explodes at the optimum depth to achieve the desired level of destruction in concrete targets.     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

填充式泡沫铝防护结构的弹道极限

为了探索泡沫材料在空间防护上的应用,结合实验和数值模拟,绘制了弹速0.5~7.0km/s范围 内填充式泡沫铝防护结构的弹道极限曲线,并与Whipple结构进行了比较。结果表明:填充式泡沫铝防护结 构的防护性能优于同等面密度、总厚度的Whipple结构;孔隙率对填充式泡沫铝防护结构防护性能影响较小。     

低密度脆性微流星体撞击航天器防护结构损伤效应研究

采用硅酸盐质弹丸模拟低密度脆性微流星体,开展了航天器典型Whipple 防护结构撞击实验研究,获得了低密度微流星体弹丸损伤模式和损伤规律,实验表明,当弹丸撞击速度在1.1~1.4 km/s,前板损伤模式从花瓣式开裂转变为穿孔,当速度为1.4 km/s 时后板鼓包头上出现裂纹;随着弹丸速度的进一步增加,后板出现剥落现象,并形成花瓣撕裂,当弹丸撞击速度达到1.95 km/s 时后板被击穿,导致防护结构受到破坏.     

一种新型聚能战斗部的实验研究

本文根据能量利用的观点提出了一种新型聚能战斗部装药结构,指出开展其研究的重要价值;并对其射流与弹丸的成型过程和破甲机理进行了理论分析,在此基础上进行了系统的静破甲实验,并对该战斗部装药结构的一些关键结构参数(例如空孔孔径、炸高、小锥角聚能罩底面直径和锥角角度)和大、小锥角聚能罩材料之间的匹配关系对静破甲效果的影响进行了系统的分析研究。实验结果表明:在各自最佳炸高条件下,该新型聚能装药结构比普通EFP装药结构,在保持相当穿孔孔径、同等装药和壳体约束条件下,可以提高穿深达50%左右。进一步深化了聚能效应的内涵和丰富了打击目标的手段。     

成型装药研究新进展

随着装甲技术以及灵巧弹药、多功能弹药和串联战斗部的发展,近期新型成型装药结构、技术及其应用研究活跃,取得了较好的进展。从射流装药、射弹装药、高速杆式弹丸装药3个方面就其新进展和新动向进行了调研、分析,并对成型装药发展趋势及潜在应用进行了评述。     

一种新型聚能破甲弹的应用研究

基于能量利用的观点提出一种新型聚能破甲弹装药结构，对其破甲性能进行研究；在进行射流与弹丸的成型过程和破甲机理理论分析基础上，采用静破甲实验对该破甲弹装药结构的关键参数和大、小锥角聚能罩材料之间匹配关系对破甲效果影响进行了系统研究．实验结果表明：在各自最佳炸高条件下，该新型聚能装药结构比EFP装药结构，在保持相当穿孔孔径、同等装药和壳体约束条件下，可以提高穿深达50％左右；进一步深化和丰富了聚能效应内涵．     

串联随进战斗部垂直侵彻装甲钢板实验研究

设计了一种串联随进战斗部,作用时前级聚能装药形成聚能杆式侵彻体对靶板进行侵彻开孔,随后后级随进子弹依靠动能嵌入到开孔的靶板中,实现对目标的毁伤与封锁。在着靶速度为220～330m/s范围内,开展了对该串联战斗部垂直作用于不同厚度装甲钢板的侵彻实验研究。实验结果表明,在230～300m/s范围内,此种结构的串联随进战斗部可以有效作用,随进子弹的嵌入深度总体上随着撞击速度的提高而增大,随进子弹保持完整且嵌入牢固,能够有效实现对目标的毁伤与封锁。     

Matching of operation of “base-head” composite shaped-charge stages

A composite shaped charge of a “base-head” type in which the charge located further from the target, in the base part of the projectile, operates first and forms a hole in the target is considered. After a certain time necessary for operation of the first shaped charge, the second shaped charge located in the head part of the projectile is initiated, which exerts a repeated action on the target (make the hole deeper).     

舰用复合装甲结构的斜破甲机理实验研究

大型舰船的重要部位，为抵御聚能破甲反舰导弹的攻击，其防护采用立体大间隙复合装甲，且复合装甲设置在内舱以避开聚能破甲弹连续时流的攻击，抵御断裂射流的破甲。对舰用立体大间隙装甲结构在聚能破甲弹攻击下的大斜角破甲机理和Ａｌ＿１Ｏ＿３－钢复合装甲抵御断裂射流斜侵彻破甲机理进行了实验研究，得到了有意义的实验结果。     

一种新型聚能战斗部

根据能量利用的观点提出了一种将聚能射流与爆炸成型弹丸相结合的新型聚能战斗部装药结构,在此基础上,运用系统的静破甲实验研究了该战斗部装药结构关键参数对破甲效果的影响。实验结果表明:保持穿孔孔径相当和同等装药条件下,该聚能装药结构比普通EFP装药结构穿深可提高约50%,小锥角聚能罩采用裂锥型是一个更好的选择。利用等效药量法对小锥角聚能罩的最大底面半径进行了工程计算。实验和计算结果表明该新型聚能战斗部有较大发展潜力。     

约束状态下聚能杆流对混凝土作用的实验研究

聚能杆流是多级串联战斗部次级装药的常用聚能侵彻体.基于两种典型的聚能装药结构,设计加工了有不同直径和深度预制约束孔的C35混凝土靶板,开展了(Φ60mm亚半球和K装药在不同约束状态侵彻毁伤混凝土对比实验研究.结果表明,两种聚能杆流都可在混凝土孔约束状态下形成大且深的侵彻孔;随约束孔径增大,侵彻深度先减小而后增加;随约束...