寇鹏飞,曹 磊,梁争峰

(西安近代化学研究所， 西安 710065)

1 引言

坦克自一战面世以来，就成为了地面作战的主要突击兵器和装甲兵的基本装备。为了击毁坦克和装甲车辆，聚能装药战斗部应运而生。聚能装药战斗部依靠金属药型罩形成的金属射流来毁伤目标，它对发射平台提供的初速要求不高，可适用于多种武器平台，是目前应用面最广的一种战斗部形式。然而随着间隙装甲、复合装甲和爆炸反应装甲等的出现和快速发展，普通的聚能装药战斗部已无法满足作战要求，需要对现有的破甲战斗部进行优化和提升，使其能够对使用新型装甲和披挂爆炸反应装甲的装甲车辆形成有效毁伤。其中最为典型的就是反爆炸反应装甲串联战斗部(后文中使用串联破甲战斗部)，主要用来打击披挂爆炸反应装甲的装甲目标。随着爆炸反应装甲的更新换代，传统的串联破甲战斗部受到了严重威胁，对串联破甲战斗部破甲能力进行优化和提高以成为当今国内外研究热点。因此，对串联破甲战斗部技术现状和发展进行综述具有重要意义。

2 爆炸反应装甲发展历史

随着反坦克武器威力的不断提高，坦克的防护性能也愈发受到重视，研究质量更轻、防护能力更强的新型装甲成为了国内外研究热点。

爆炸反应装甲这一概念最早是在1949年由苏联的拉夫烈杰夫提出，然而苏联钢铁科学研究院在对其长达十年的研究中发现该装置容易被除导弹战斗部之外的其他弹药诱爆，无法投入实战，因此苏联最终停止了对这一项目的研究。20世纪70年代初，德国科学家黑尔德提出了一种新的反应装甲结构，即在两层钢板中间夹装炸药。以色列拉法尔公司在此基础上将钢板中的炸药换成钝感炸药，设计出了“夹克衫”反应装甲。并在1982年的黎巴嫩战争中大放异彩，加装了“夹克衫”爆炸反应装甲的M48、M60坦克成功抵御了反坦克导弹的攻击，爆炸反应装甲也因此成为了世界瞩目的焦点。

苏联在已有的技术基础上仅用一年时间就研制出了自己的第一代爆炸反应装甲“接触-1”。“接触-1”并没有直接模仿“夹克衫”的三明治结构，而是将两块钢板呈夹角放置，并用钝感炸药填充钢板间隙。这种结构会使炸药产生不对称的爆轰波，推动钢板快速而剧烈的消耗和切割射流，使得“接触-1”的防护效果明显优于西方的爆炸反应装甲。“夹克衫”和“接触-1”为第一代爆炸反应装甲的典型代表，其仅能对威力较小的破甲弹有较好的防御效果，无法防御穿甲弹及串联战斗部。

第二代爆炸反应装甲结构与第一代相似，通过加厚内部的钢板及使用热敏感度较高的炸药，使得穿甲弹在爆轰产物及面/背板运动的共同作用下发生偏转或断裂，从而实现对穿甲弹的防御。其典型代表为苏联的“接触-5”。

第三代爆炸反应装甲防护能力较前两代有了进一步提升，当此种爆炸反应装甲夹层装药被引爆时，会在反应装甲内部形成毁伤元对串联战斗部的后级主战斗部造成干扰，从而实现对破甲弹、穿甲弹和串联战斗部的全方位防护。

近年来，爆炸反应装甲的结构趋向复杂化发展，出现了双层甚至三层复合的爆炸反应装甲。姬龙等对双层爆炸反应装甲作用场进行了分析和试验研究，发现双层爆炸反应装甲对射流的防护能力有了明显提升。吕竹文等对W型和N型的3层爆炸反应装甲对射流的干扰进行了研究，发现当射流垂直入射时，W型对射流的干扰明显优于N型；而当入射角仅为45°时，N型对射流的干扰能力最佳，比W型干扰射流开坑能力提高了3.17倍。

可见，多层爆炸反应装甲的结构明显优于单层爆炸反应装甲，但会增加反应装甲盒的体积和质量，同时不同的多层结构也会对反应装甲的性能造成不同的影响。如何平衡爆炸反应装甲的质量与防护性能的矛盾，是未来研究的重点。

3 串联破甲战斗部作用机理

3.1 串联破甲战斗部毁伤原理

串联破甲战斗部一般由两级聚能装药通过串联组合而成。当战斗部与目标相碰撞时，前级装药首先起爆，形成射流穿透爆炸反应装甲面板从而引爆其内部的炸药，炸药爆炸产生的爆轰产物推动面/背板相背运动，切割和消耗前级射流。再通过设置合理的时间延迟，使后级装药形成的射流不会受到爆炸反应装甲的干扰，进而实现破甲威力的最大化。

3.2 聚能射流侵彻理论

Birkhoff等最早描述了射流侵彻的分析模型，同时利用一维流体动力学理论对射流侵彻问题进行了讨论。他们假设靶体和射流均为理想不可压缩的无黏性流体，射流和靶板相互作用的过程是稳态的且忽略靶板强度，是为定常侵彻理论。并得出了射流侵彻深度的计算公式为：

(1)

式中：和分别为射流和靶体密度；为射流长度。Pack和Evans在定常侵彻理论的基础上对断裂射流的侵彻进行了研究，他们认为射流侵彻深度随炸高的增加而增加，然而这与实验结果不符。

Allison等假设存在一虚拟源，虚拟源是所有射流发出的点源，射流长度为零。DiPersio等在Allison和Vitali虚拟源理论的基础上加以改进，得到了DSM理论，是为准定常侵彻理论。该理论均以计算射流深度的经验公式为基础，并没有反应射流侵彻随炸高变化的物理现象。Eichelberger测得了射流侵彻深度随时间变化的关系曲线，验证了一维流体动力学侵彻理论公式的正确性。

3.3 射流与爆炸反应装甲反应机理

射流与爆炸反应装甲接触一般会产生2种情况：一种是射流击穿爆炸反应装甲外层钢板，并引爆其内部的惰性炸药；另一种是射流在整个爆炸反应装甲中间形成一个一定直径的孔洞，但不引爆其内部的惰性炸药。

射流对爆炸反应装甲“穿而不爆”

孙华使用AUTODYN有限元仿真软件研究了以低密度的非金属材料作为聚能装药药型罩材料，利用其低密度的特点，使带壳装药 “穿而不爆”的现象，为后级主射流侵彻主装甲清除障碍。

由于非金属材料的密度较低，因此其形成的射流侵彻性能较金属射流大幅降低。并且低密度射流在穿透带壳装药的过程中消耗了大量动能，仅对主装甲有一个开坑作用，无明显侵彻能力。然而非金属射流并不能稳定达到“穿而不爆”的效果，并且由于非金属射流能量较低，射流所形成的孔径较小，后级主射流在穿过孔时也可能引爆爆炸反应装甲中的惰性炸药。

可见目前这一技术仍不成熟，不能实际应用。如何使用非金属射流在爆炸反应装甲上开出足够后级射流安全通过的穿孔是未来非金属药型罩研究的重点。

射流引爆爆炸反应装甲

射流引爆爆炸反应装甲的过程较为复杂，与射流速度、直径、炸药性能、面板材料及厚度有关。Chick和Bussell等对此进行了研究，发现对于单层爆炸反应装甲而言，其引爆判据为：

=

(2)

式中：、分别为射流穿过面板后的速度和头部直径。可见射流穿过面板后的速度和头部直径是其能否引爆爆炸反应装甲的关键因素。

当金属射流穿透外壳和第一层金属薄板后，会引爆金属薄板中间的钝感炸药，炸药爆炸会驱动金属薄板沿法向方向相背运动。在爆轰波的作用下，上层的金属薄板与射流相向运动，对聚能射流造成强烈干扰，使之失效或部分失效。根据射流与金属面板作用是否稳定，爆炸反应装甲对射流的干扰模型可分为以下3种：

1) 卵石干扰模型

Mayseless等基于对射流和金属板的相互作用现象研究提出了卵石干扰模型，该模型认为，在射流和金属板作用不稳定时期，射流会暂时的脱离与金属面/背板的接触。但随着坑的扩展速度下降，射流会重新接触面/背板，这一过程重复出现，使得射流受到板的周期性干扰，形成一个断裂的卵石干扰模型。

2) 稳定干扰模型

当低速的射流微元与面/背板发生相互作用时，射流扩孔的速度降低使得射流始终不能脱离与面/背板的接触，从而形成连续的射流与面/背板发生作用，在射流和面/背板之间形成一个相对稳定的作用面。在这个过程中，射流会使面板出现钥匙型孔洞，面板会使射流直径减小，并使残余射流发生偏转。

3) 间隙逃逸模型

射流与面板的作用过程可大致分为3个阶段：① 头部射流与面板发生碰撞，射流侵彻面板形成大于射流直径的穿孔，并消耗一部分射流；② 射流与面板作用产生大于射流直径的穿孔，射流与面板之间产生间隙，部分后续射流通过穿孔而不接触面板，此段射流称为逃逸射流；③ 面板拥有横向的速度，因此会持续移动，在面板移动一定距离后，射流会与面板再次接触，重新开坑。通过上述过程，射流会受到面板周期性的干扰，使连续的射流被面板截断，变成不连续射流。

目前认为爆炸反应装甲对射流的干扰主要体现在2个方面：一种是飞板的干扰，另一种是爆轰场的干扰。如何在不同的射流作用阶段选用适当的干扰模型，是未来射流侵彻爆炸反应装甲研究的重点。

4 串联破甲战斗部相关技术

串联破甲战斗部一般由两级聚能装药通过串联组合而成。前级和后级战斗部一般具有不同的状态，前级战斗部用来引爆爆炸反应装甲，应具有足够的威力且破甲性能要稳定。后级战斗部为串联破甲战斗部的主战斗部，对坦克主装甲的侵彻主要由此部分形成的射流完成。崔魁文等对反坦克导弹串联战斗部进行了综述，常海昕等对国外便携式反坦克导弹进行了综述。

4.1 破甲战斗部技术

串联战斗部由前后两级破甲战斗部串联而成。对破甲战斗部而言，药型罩是形成金属射流的母体，其结构参数会对金属射流的形态及其他参数造成直接影响，进而影响射流的破甲威力，可见药型罩的设计非常关键。

大密度材料药型罩的应用

由密度定律结合射流形成理论可知，对射流侵彻威力影响最大的因素是射流密度和射流长度，因此密度更大、塑性更好的药型罩材料能显著提升射流侵彻威力。并且药型罩材料的晶粒度也对射流成型和侵彻有很大影响，晶粒越小，射流的性能越好。几种材料的药型罩性能参数见表1。

表1 几种材料的药型罩性能参数Table 1 comparison of properties of several materials for drug cover

由表1可知，镍与铜密度相近，但镍的声速要高于铜，因此镍药型罩形成的射流具有更高的头部速度。文献[26]对药型罩材料和炸药类型对聚能装药侵彻效能的影响进行了研究；赵丽俊等对不同材料药型罩的破甲威力进行了数值模拟和实验研究，发现钼合金药型罩破甲威力比铜药型罩有所提高；赵紫盈对钨铜合金药型罩的破甲特性及破甲机理进行了研究，发现其破甲穿深比相同结构铜药型罩提高了30%。可见，大密度的药型罩材料确实可以提高射流的侵彻威力，但部分大密度金属加工性能较差，且取材不便，限制了大密度药型罩的发展，如何更好的制造密度更大的药型罩是未来研究的重点。

活性材料药型罩的应用

活性材料是一种活性复合结构材料，其毁伤元以较高速度碰撞和侵彻目标时，会在穿孔内产生燃烧或杀伤元素，从而提高侵彻威力。

张雪朋等对活性射流作用在钢靶上的侵彻爆炸联合效应进行了研究，发现活性射流侵彻深度小于金属射流，但其侵彻孔径明显大于金属射流，并伴随有强烈的爆裂毁伤效应。文献[30]对镍-铝和铜镍-铝混合物作为聚能装药药型罩材料的反应性和侵彻性能进行了研究。郭焕果等对一种活性-铜复合罩聚能装药结构射流成型及侵彻钢靶进行了研究。发现活性-铜射流的侵彻深度明显高于单一活性射流。可见，活性药型罩更适合作为前级战斗部的药型罩使用，可以扩大开孔直径，确保前级可靠引爆爆炸反应装甲。

药型罩结构

在聚能装药中，药型罩的形状一般有圆锥形、半球形以及喇叭形等。喇叭形药型罩可视为锥角连续变化的锥形罩，其可以增加药形罩的母线长度，从而使射流的有效质量、装药质量均有所提高。进而形成破甲侵彻能力更强的聚能射流，但由于加工工艺存在问题，使其破甲稳定性较差。聚能装药中应用最广泛和最成功的药型罩形状是单锥形，此种形状的药型罩各项技术参数都比较成熟，也易于实现，其破甲性能和工艺性能都比较好。

阮光光等设计了一种喇叭-锥角结合药型罩，通过数值模拟发现其射流速度比锥角形药型罩提高约9.54%，对45钢板的侵彻深度提高约19.82%。陈闯等设计了一种顶部小锥角、口部大锥角的双锥形药型罩，发现双锥药型罩上锥形成的射流头部速度较高，下锥形成的射流直径较大，实现了不同锥角单锥罩优点的兼顾。王志军等设计了一种新的药型罩结构，其将药型罩壁有规律的向内折叠，使炸药与药型罩接触面积提高。通过数值仿真研究，发现相较于典型单锥药型罩，该药型罩所形成的多股射流会汇聚成一股射流，使射流的侵彻能力明显提高。

可见，设计性能更为优异的药型罩结构是提升聚能装药破甲威力的有效途径。

4.2 高能炸药

聚能装药所用炸药应满足有足够的机械强度和临界应力、高爆速、高爆压、安定性及相容性好以及工艺性优越等要求。目前，国内外破甲弹中使用的炸药主要是用黑索金(RDX)或奥克托今(HMX)与高分子材料黏合制成的高分子黏合炸药，技术比较成熟。上述炸药属第二代炸药，第三代的炸药如DNTF、CL-20等威力较HMX有15%的提升，可大幅提高聚能装药威力。第四代的炸药如N4、N6、N8等氮原子族化合物炸药正在研制中，预计会使HMX炸药的威力提升数倍。

虽然第三代的炸药性能比二代炸药有所提高，但由于技术还不是特别成熟，使得炸药成本过高，并且在压制药柱过程中容易出现安全问题。如何降低三代炸药的成本问题以及更安全的使用三代炸药是未来高能炸药研究的重点。

4.3 隔爆装置

由于串联破甲战斗部是两级聚能装药串联，前级装药爆炸后爆轰产物和空气冲击波直接作用在后级药型罩上，会产生较大的冲量和冲击波超压，对后级装药造成破坏，影响后级装药射流形成，使后级射流的速度降低、破甲威力下降，甚至可能引爆后级装药。

在前、后级战斗部中间设计一隔爆装置，一方面此装置应具有一定的强度，可以阻碍前级战斗部的爆轰产物和破片向后飞散对后级战斗部造成影响，同时强度不宜过大，否则会消耗后级形成的主射流；另一方面此装置应对爆轰波有一定的吸收和阻碍作用，可以避免前级战斗部爆炸产生的冲击波对后级药型罩造成的影响。

1) 隔爆装置材料

隔板要采用材料声速低、隔爆性能好的惰性材料。目前，应用比较广泛的隔爆材料为泡沫铝、聚氨酯塑料等。田杰等对泡沫铝的动态力学性能和抗爆震结构进行了研究，发现泡沫铝能有效降低次生冲击波的超压，且脆性泡沫铝可以改变冲击波的形状，大大降低冲击波的峰值应力。王永刚等对泡沫铝在爆炸载荷下的冲击波衰减特性进行了研究。陈网桦等对硬质聚氨酯泡沫塑料隔爆性能进行了研究，发现密度会显著影响聚氨酯塑料的力学性能和隔爆性能，在一定的范围内，密度越大，效果越好。

2) 隔爆装置形状

形状不同的隔爆体对爆轰波的阻隔作用也不尽相同，一般情况下，隔爆材料厚度达到25 mm即可满足隔爆要求。王珞冰研究了4种不同形状的隔爆体(如图1所示)对爆轰波的阻碍作用，发现使冲击波衰减幅度最大的是内凹形(b)的隔爆体。

图1 不同形状的隔爆体Fig.1 Different shapes of explosion-proof body

4.4 起爆方式

射流是由炸药爆炸产生的爆轰波压缩药型罩产生，在其他条件一定的情况下，起爆方式决定了爆轰波的形式。而药型罩受爆轰载荷的作用形成射流，所以起爆方式对射流有重要影响。目前聚能装药通常采用增加隔板的方式来改变爆轰波波形，减小爆轰波阵面与药型罩壁面夹角，从而提高射流速度。然而实验表明，隔板会增加射流侵彻深度的不稳定性。可见，更为精密的隔板和装药匹配设计是其未来的主要发展方向。

5 破甲/杀伤复合战斗部技术

随着现代武器装备和作战方式的不断发展，常规的串联破甲战斗部已经不能满足战场作战的需要，设计功能更加多样的串联破甲战斗部势在必行。通过在串联破甲战斗部后级装药周向填充钨合金破片，从而使战斗部既能打击地面重装甲目标，也能打击空中低速的直升机类目标。

王利侠等设计了一种破甲/杀伤多用途战斗部，该战斗部使用了新型薄型波形控制器、半预制壳体和精密破甲战斗部技术，从而在保持原单兵破甲战斗部质量、外形结构和破甲威力基本不变的条件下实现了复合战斗部多目标打击需求。

张俊等利用LS-DYNA软件对一种轴向EFP、周向预制破片的新型破甲杀伤复合战斗部进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明，在聚能装药战斗部周向增设预制破片可以在不影响战斗部成型的基础上扩展其毁伤效应，而且破片场对目标周围的有生力量与轻型装甲具有较强的毁伤能力。

6 结论

1) 破甲战斗部技术始终紧密针对坦克防护技术的发展而进步，两者互相制约又互相促进，串联破甲战斗部仍将是未来很长一段时间内对付爆炸反应装甲的主要毁伤技术。

2) 使用低密度的非金属射流对爆炸反应装甲实现稳定的“穿而不爆”是前级战斗部技术未来的一个重要发展方向。

3) 采用大密度、小晶粒度以及活性的药型罩材料是提高破甲战斗部侵彻威力的主要技术途径。

4) 使用破甲和其他毁伤类型相结合的技术是串联破甲战斗部未来的一个重要发展方向。