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摘 要：针对聚能弹集装储运意外爆炸条件下的殉爆问题，应用脉冲X光成像技术，分别对某型聚能弹射流在空气中自由成型及运行过程，不同材料干扰装置作用于射流成型的过程进行X光拍摄试验，获得射流未被干扰状态的基本参数和在不同材料干扰装置作用下的干扰效果X光影像，并在影像分析基础上，研究干扰装置的作用机制，为提高干扰装置的射流防护性能，提供基础试验数据。结果表明：试验用聚能弹的射流准直性良好，在54～197.4 mm炸高范围内具有较强的侵彻能力，防护困难；3种材料的干扰装置对射流成型过程都发挥显著抑制作用，射流均未成型；干扰装置的作用机制主要是施加干扰后，药型罩的受力状态发生明显改变，干扰装置使药型罩变形受阻，变形速度显著降低，最终未形成射流；强度较高、密度较大、较耐高温的材料干扰效果较好。
关键词：X光成像技术；聚能弹；射流；干扰装置；防护
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）10-0090-05
Abstract： With regard to the induced detonation feature of shaped charge after accidental explosion in packaging and transportation process， pulsed X-ray imaging technology is applied to have X-ray photographing test on the free forming and moving process of the jet flow of one type of shaped charge in air and the process that jamming device of difference materials acts on the jet formation. Through the test， basic parameters under the condition that the jet flow is not interfered and the X-ray image of interfering effect of jamming devices of different materials are obtained. In addition， the acting mechanism of jamming device is studied on the basis of image analysis to provide data in basic test for the improvement of jet protection performance of jamming device. Results show that the shaped charge for test has good jet alignment and it has strong penetration ability within a burst height ranging 54 to197.4mm； jamming devices of three materials have obvious effects in restraining the jet formation and the jet formation always fails； the acting mechanism of jamming device is that after an interference is posed， the stress state of shaped charge liner will change obviously， the jamming device will deform and restrict the liner， the deformation speed will be decreased obviously and finally jet will not be formed； material with strong strength， large intensity and great high temperature resistance has good interfering effects.
Keywords： X-ray imaging technology； shaped charge； jet； jamming devices； protection
0 引 言
由于聚能弹具有定向高威力、大穿深特点，在聚能弹集装储运时，如某层中的一个聚能弹发生意外爆炸，产生的高速射流不仅将冲击起爆相邻层中的其他装药，还可穿透十几厘米厚的装甲钢板，从而引发大规模殉爆，造成难以估量的人员和财产损失，后果不堪设想。但在聚能射流成型阶段，其速度较低，且极易被干扰，威力大幅降低。因此，对射流进行初始干扰，比直接增加抗射流材料的防护方式，效费比更高，也有利于减轻防护结构重量，是射流防护的一条合理思路。射流干扰一直是防护研究的热点问题，基于射流干扰机理的多层复合装甲、反应装甲，以及新概念装甲防护技术发展迅速。HAUVER分别对熔铸玻璃与结晶水晶对射流的干扰作用进行了研究[1]，Littlefield[2]对热动力及磁场与射流稳定性之间的关系进行了分析，Horsfall[3]对间隙复合装甲抗射流的问题进行了研究，Helte[4]应用开尔文-亥姆霍兹原理，开展了反应装甲对射流的干扰作用研究；黄正祥、祖旭东等[5-12]对橡胶复合装甲、凯夫拉纤维复合装甲、以及异形结构装甲等对射流的干扰作用进行了较为系统的研究。从国内外相关研究情况分析可以发现：对射流进行干扰是防护射流的重要手段，成型射流的干扰问题已经进行了深入研究，并取得了系列成果，但国内外学者集中关注于成型射流的干扰防护问题，而非初始阶段。同时，射流成型初始阶段的干扰问题，虽然理论研究有一定基础，但干扰装置的作用机制、不同材料干扰装置的效果差异等关键问题却鲜有报道。 本文应用脉冲X光成像技术，首先对某型聚能弹在空气中射流自由成型过程进行了试验，获得了射流未被干扰状态的基本参数；然后，拍摄得到了3种不同材料制成的干扰装置对聚能射流成型过程的干扰效果影像；最后，根据影像对比分析，研究了干扰装置的作用机制和不同材料干扰装置的效果差异，为提高干扰装置的射流防护性能，提供了基础试验数据。
1 试验设备及器材
采用ScandiFlash公司的双出光管300 kV脉冲X光发生装置进行试验过程拍摄，在有混凝土防护墙和X光出光口的爆炸洞内进行该试验，以保证安全。同时，在爆炸洞中心设置聚能弹，在出光口与爆炸洞中心连线的法向设置X光底片，并用底片盒及支托架进行底片防护和固定，如图1所示。试验用某型聚能弹由聚能装药和装药壳体组成。聚能弹的药型罩为T2紫铜，装药为8701炸药，外径为40 mm，结构为柱锥结合式。装药的圆柱段为27 mm，锥台段为24 mm，总高度为51 mm，如图2所示。
设计了聚乙烯、酚醛树脂和尼龙3种材料不同，但结构相同的射流干扰装置。干扰装置的结构，如图3所示，干扰装置的基本参数，见表1。3种干扰装置的密度和强度均有明显差异，其中聚乙烯材料的密度和强度最小，而酚醛树脂最大，尼龙介于二者之间。
2 试验方法
试验分为两个阶段进行，首先对某型聚能弹射流在空气中自由成型及运行过程进行试验，获得射流未被干扰状态的基本参数；然后，进行3种干扰装置对射流成型过程的干扰效果试验，并对实际干扰效能进行了对比分析研究。
射流自由成型及在空气中的运行试验设置如图1所示，采用被动同步触发方法。在聚能弹的柱锥结合位置环绕粘贴两根直径0.3 mm的漆包线，断口平行。聚能弹爆炸后产生的电离作用将接通两根漆包线，从而产生启动信号，以保证X光与聚能弹的同步触发。分别设置两个X光管的出光时间，即可一次试验得到两张不同时刻的X光照片。在进行影像处理时，还需确定影像放大系数。放大系数由X光管、拍摄对象和底片的相对位置决定。本试验设置两台X光管距爆炸洞中心的距离与爆炸洞中心与对应底片盒的距离相等，因此，图像的放大系数为2。此外，为了方便在X光照片上计算射流头尾速度，在拍摄前还在底片盒上粘贴了参考标记线，上下标记线的实际距离为500 mm，在底片上能清晰反映。
干扰装置对射流成型过程的干扰效果试验的设置、同步触发方法和底片盒的位置与图1中相同，主要区别在于聚能弹的设置。本试验聚能弹采用爆炸试验台架上的PVC管支撑，并在聚能穴内安放了干扰装置，以模拟实际应用情况。试验对不同材料干扰装置的射流成型情况进行了拍摄，记录了药型罩和干扰装置变形过程。
3 试验结果与分析
3.1 试验结果
试验获得了射流自由成型及在空气中特征时刻的X光照片，但照片上的图像已经过放大，放大系数为2，上下标记线的实际距离为500 mm。因此，根据射流头尾距离上标记线的距离差和出光时间差，以及放大系数，即可得到射流在该时间范围的平均速度。同时，由于0～10 μs射流还未完全成型，只对15～50 μs的射流头尾位置进行了测量，如图4所示。
试验获得了3种材料干扰装置特征时刻的干扰效果X光照片，并回收了被干扰变形后的药型罩，所有被干扰的聚能弹均未形成射流，特征时刻的干扰情况，如图5所示。
3.2 结果分析
1）射流成型未受干扰时，40 μs之前是连续的，而50 μs时部分射流出现颈缩和断裂现象，射流断裂时间应位于40～50 μs区间内。
2）射流准直性良好，在15～25 μs已产生较高的头部平均速度，约4 736 m/s，而后续射流拉伸过程还在加速，在40～50 μs区间，头部平均速度已达约6 847 m/s。在54～197.4 mm炸高范围内（即15～40 μs射流运行范围内）该射流具有较强的侵彻能力，炸高适应范围较宽，防护困难。
3）3种材料的干扰装置对射流成型过程都发挥了显著抑制作用，射流均未成型。从干扰成型的效果看，酚醛树脂材料的干扰装置效果最好，尼龙次之，聚乙烯相对较差。
4）如表1所示，3种干扰装置的材料强度差别明显，密度和耐温性能也有所差异。强度较高、密度较大、较耐高温的材料干扰效果较好。在射流正常成型情况下，炸药爆轰高温高压驱动药型罩的平均变形速度可达几千米每秒，而从图5中的X光片分析，受到干扰后，以聚乙烯干扰装置为例，在0～50 μs时间区间，药型罩的口部平均变形速度约154 m/s，而当酚醛树脂干扰装置作用时，则仅为58 m/s。
5）干扰装置的作用机制主要是：施加干扰后，药型罩的受力状态发生了显著改变。未受干扰时，药型罩内部为空气，在变形过程中不承受压力，对药型罩的变形过程无影响；而施加干扰后，干扰装置受到药型罩变形的压力，但其自身有较高强度，将反作用于药型罩，使其变形受阻，变形速度显著降低，最终未形成射流。此外，不同材料在高温下保持强度的性能不同，也是导致干扰效果差异的一个因素。从图5中的X光片分析，聚乙烯和尼龙干扰装置在高温作用下都很快强度失效，而酚醛树脂的耐温性能较好，强度能够保持相对较长的作用时间，从而干扰效果也较好。另外，干扰装置材料的密度也对干扰效果产生一定的影响。在聚能弹未受干扰时，炸药爆轰作用直接驱动药型罩；但受到干扰后，药型罩与干扰装置几乎一起运动和变形，而炸药的驱动能力并未明显变化。药型罩质量约为18 g，而聚乙烯、尼龙和酚醛树脂干扰装置的结构体积一样，密度较大的，质量也较大，分别为23.263，31.175，37.338 g。因此，从炸药驱动能力的角度分析，被驱动物体的质量显著增加了，在同样的作用时间内，必然降低最终速度。
4 结束语
1）试验用聚能弹的射流准直性良好，在54～197.4 mm炸高范围内具有较强的侵彻能力，炸高适应范围较宽，防护困难。 2）3种材料的干扰装置对射流成型过程都发挥了显著抑制作用，射流均未成型。从干扰成型的效果看，酚醛树脂材料的干扰装置效果最好，尼龙次之，聚乙烯相对较差。
3）干扰装置的作用机制主要是：施加干扰后，药型罩的受力状态发生了显著改变，干扰装置使药型罩变形受阻，变形速度显著降低，最终未形成射流。强度较高、密度较大，较耐高温的材料干扰效果较好。
参考文献
[1] HAUVER G E， NETHERWOOD P H， BENCK R F， et al. Penetration of shaped charge jets into glass and crystalline quartz：BRL-TR-3273[R]. 1991.
[2] LITTLEFIELD D L. Thermomechanical and magnetohydrodynamic stability in shaped charge jets：ADA271369[R].1993.
[3] HORSFALL I， PETROU E， CHAMPION S M. Shaped charge attack of spaced and composite armour 23rd Internation Symposium on Ballistics[C]∥Tarragona Spain，2007：1281-1288.
[4] HELTE A， LIDEN E. The role of Kelvin-Helmholtz instabilities on shaped charge jet interaction with reactive armoursplates 25th International Symposium on Ballistics[C]∥Beijing，2010：1347-1350.
[5] 黄正祥，张钟文，祖旭东，等. 折状夹芯复合靶对射流侵彻的影响[J]. 弹道学报，2013，25（4）：69-74.
[6] 言克斌，祖旭东，黄正祥，等. 陶瓷/橡胶复合装甲对射流防护效能的实验研究[J]. 弹道学报，2013，25（4）：59-64.
[7] 张钟文，黄正祥，祖旭东，等. 异型夹层结构复合靶板抗射流侵彻性能研究[J]. 高压物理学报，2013，27（6）：928-935.
[8] 肖强强，黄正祥，祖旭东，等. 新结构药型罩射流对等效前舱的抗干扰研究[J]. 弹道学报，2012，24（1）：47-68.
[9] 鑫贾，黄正祥，祖旭东，等. 织物纤维增强橡胶复合板抗射流侵彻的防护效能[J]. 复合材料学报，2012，29（6）：66-72.
[10] 祖旭东，黄正祥，鑫贾. 橡胶复合靶板抗射流侵彻的理论和实验研[J]. 爆炸与冲击，2012，32（4）：376-383.
[11] 祖旭东，黄正祥，鑫贾，等. 橡胶复合靶板抗成型装药射流侵彻研究[J]. 南京理工大学学报，2012，36（6）：1047-1051.
[12] 祖旭东，黄正祥，鑫贾，等. 橡胶夹层厚度对复合靶板抗射流侵彻性能的影响[J]. 高压物理学报，2012，26（5）：551-556.
（编辑：刘杨）
关键词：X光成像技术；聚能弹；射流；干扰装置；防护
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）10-0090-05
Abstract： With regard to the induced detonation feature of shaped charge after accidental explosion in packaging and transportation process， pulsed X-ray imaging technology is applied to have X-ray photographing test on the free forming and moving process of the jet flow of one type of shaped charge in air and the process that jamming device of difference materials acts on the jet formation. Through the test， basic parameters under the condition that the jet flow is not interfered and the X-ray image of interfering effect of jamming devices of different materials are obtained. In addition， the acting mechanism of jamming device is studied on the basis of image analysis to provide data in basic test for the improvement of jet protection performance of jamming device. Results show that the shaped charge for test has good jet alignment and it has strong penetration ability within a burst height ranging 54 to197.4mm； jamming devices of three materials have obvious effects in restraining the jet formation and the jet formation always fails； the acting mechanism of jamming device is that after an interference is posed， the stress state of shaped charge liner will change obviously， the jamming device will deform and restrict the liner， the deformation speed will be decreased obviously and finally jet will not be formed； material with strong strength， large intensity and great high temperature resistance has good interfering effects.
Keywords： X-ray imaging technology； shaped charge； jet； jamming devices； protection
0 引 言
由于聚能弹具有定向高威力、大穿深特点，在聚能弹集装储运时，如某层中的一个聚能弹发生意外爆炸，产生的高速射流不仅将冲击起爆相邻层中的其他装药，还可穿透十几厘米厚的装甲钢板，从而引发大规模殉爆，造成难以估量的人员和财产损失，后果不堪设想。但在聚能射流成型阶段，其速度较低，且极易被干扰，威力大幅降低。因此，对射流进行初始干扰，比直接增加抗射流材料的防护方式，效费比更高，也有利于减轻防护结构重量，是射流防护的一条合理思路。射流干扰一直是防护研究的热点问题，基于射流干扰机理的多层复合装甲、反应装甲，以及新概念装甲防护技术发展迅速。HAUVER分别对熔铸玻璃与结晶水晶对射流的干扰作用进行了研究[1]，Littlefield[2]对热动力及磁场与射流稳定性之间的关系进行了分析，Horsfall[3]对间隙复合装甲抗射流的问题进行了研究，Helte[4]应用开尔文-亥姆霍兹原理，开展了反应装甲对射流的干扰作用研究；黄正祥、祖旭东等[5-12]对橡胶复合装甲、凯夫拉纤维复合装甲、以及异形结构装甲等对射流的干扰作用进行了较为系统的研究。从国内外相关研究情况分析可以发现：对射流进行干扰是防护射流的重要手段，成型射流的干扰问题已经进行了深入研究，并取得了系列成果，但国内外学者集中关注于成型射流的干扰防护问题，而非初始阶段。同时，射流成型初始阶段的干扰问题，虽然理论研究有一定基础，但干扰装置的作用机制、不同材料干扰装置的效果差异等关键问题却鲜有报道。 本文应用脉冲X光成像技术，首先对某型聚能弹在空气中射流自由成型过程进行了试验，获得了射流未被干扰状态的基本参数；然后，拍摄得到了3种不同材料制成的干扰装置对聚能射流成型过程的干扰效果影像；最后，根据影像对比分析，研究了干扰装置的作用机制和不同材料干扰装置的效果差异，为提高干扰装置的射流防护性能，提供了基础试验数据。
1 试验设备及器材
采用ScandiFlash公司的双出光管300 kV脉冲X光发生装置进行试验过程拍摄，在有混凝土防护墙和X光出光口的爆炸洞内进行该试验，以保证安全。同时，在爆炸洞中心设置聚能弹，在出光口与爆炸洞中心连线的法向设置X光底片，并用底片盒及支托架进行底片防护和固定，如图1所示。试验用某型聚能弹由聚能装药和装药壳体组成。聚能弹的药型罩为T2紫铜，装药为8701炸药，外径为40 mm，结构为柱锥结合式。装药的圆柱段为27 mm，锥台段为24 mm，总高度为51 mm，如图2所示。
设计了聚乙烯、酚醛树脂和尼龙3种材料不同，但结构相同的射流干扰装置。干扰装置的结构，如图3所示，干扰装置的基本参数，见表1。3种干扰装置的密度和强度均有明显差异，其中聚乙烯材料的密度和强度最小，而酚醛树脂最大，尼龙介于二者之间。
2 试验方法
试验分为两个阶段进行，首先对某型聚能弹射流在空气中自由成型及运行过程进行试验，获得射流未被干扰状态的基本参数；然后，进行3种干扰装置对射流成型过程的干扰效果试验，并对实际干扰效能进行了对比分析研究。
射流自由成型及在空气中的运行试验设置如图1所示，采用被动同步触发方法。在聚能弹的柱锥结合位置环绕粘贴两根直径0.3 mm的漆包线，断口平行。聚能弹爆炸后产生的电离作用将接通两根漆包线，从而产生启动信号，以保证X光与聚能弹的同步触发。分别设置两个X光管的出光时间，即可一次试验得到两张不同时刻的X光照片。在进行影像处理时，还需确定影像放大系数。放大系数由X光管、拍摄对象和底片的相对位置决定。本试验设置两台X光管距爆炸洞中心的距离与爆炸洞中心与对应底片盒的距离相等，因此，图像的放大系数为2。此外，为了方便在X光照片上计算射流头尾速度，在拍摄前还在底片盒上粘贴了参考标记线，上下标记线的实际距离为500 mm，在底片上能清晰反映。
干扰装置对射流成型过程的干扰效果试验的设置、同步触发方法和底片盒的位置与图1中相同，主要区别在于聚能弹的设置。本试验聚能弹采用爆炸试验台架上的PVC管支撑，并在聚能穴内安放了干扰装置，以模拟实际应用情况。试验对不同材料干扰装置的射流成型情况进行了拍摄，记录了药型罩和干扰装置变形过程。
3 试验结果与分析
3.1 试验结果
试验获得了射流自由成型及在空气中特征时刻的X光照片，但照片上的图像已经过放大，放大系数为2，上下标记线的实际距离为500 mm。因此，根据射流头尾距离上标记线的距离差和出光时间差，以及放大系数，即可得到射流在该时间范围的平均速度。同时，由于0～10 μs射流还未完全成型，只对15～50 μs的射流头尾位置进行了测量，如图4所示。
试验获得了3种材料干扰装置特征时刻的干扰效果X光照片，并回收了被干扰变形后的药型罩，所有被干扰的聚能弹均未形成射流，特征时刻的干扰情况，如图5所示。
3.2 结果分析
1）射流成型未受干扰时，40 μs之前是连续的，而50 μs时部分射流出现颈缩和断裂现象，射流断裂时间应位于40～50 μs区间内。
2）射流准直性良好，在15～25 μs已产生较高的头部平均速度，约4 736 m/s，而后续射流拉伸过程还在加速，在40～50 μs区间，头部平均速度已达约6 847 m/s。在54～197.4 mm炸高范围内（即15～40 μs射流运行范围内）该射流具有较强的侵彻能力，炸高适应范围较宽，防护困难。
3）3种材料的干扰装置对射流成型过程都发挥了显著抑制作用，射流均未成型。从干扰成型的效果看，酚醛树脂材料的干扰装置效果最好，尼龙次之，聚乙烯相对较差。
4）如表1所示，3种干扰装置的材料强度差别明显，密度和耐温性能也有所差异。强度较高、密度较大、较耐高温的材料干扰效果较好。在射流正常成型情况下，炸药爆轰高温高压驱动药型罩的平均变形速度可达几千米每秒，而从图5中的X光片分析，受到干扰后，以聚乙烯干扰装置为例，在0～50 μs时间区间，药型罩的口部平均变形速度约154 m/s，而当酚醛树脂干扰装置作用时，则仅为58 m/s。
5）干扰装置的作用机制主要是：施加干扰后，药型罩的受力状态发生了显著改变。未受干扰时，药型罩内部为空气，在变形过程中不承受压力，对药型罩的变形过程无影响；而施加干扰后，干扰装置受到药型罩变形的压力，但其自身有较高强度，将反作用于药型罩，使其变形受阻，变形速度显著降低，最终未形成射流。此外，不同材料在高温下保持强度的性能不同，也是导致干扰效果差异的一个因素。从图5中的X光片分析，聚乙烯和尼龙干扰装置在高温作用下都很快强度失效，而酚醛树脂的耐温性能较好，强度能够保持相对较长的作用时间，从而干扰效果也较好。另外，干扰装置材料的密度也对干扰效果产生一定的影响。在聚能弹未受干扰时，炸药爆轰作用直接驱动药型罩；但受到干扰后，药型罩与干扰装置几乎一起运动和变形，而炸药的驱动能力并未明显变化。药型罩质量约为18 g，而聚乙烯、尼龙和酚醛树脂干扰装置的结构体积一样，密度较大的，质量也较大，分别为23.263，31.175，37.338 g。因此，从炸药驱动能力的角度分析，被驱动物体的质量显著增加了，在同样的作用时间内，必然降低最终速度。
4 结束语
1）试验用聚能弹的射流准直性良好，在54～197.4 mm炸高范围内具有较强的侵彻能力，炸高适应范围较宽，防护困难。 2）3种材料的干扰装置对射流成型过程都发挥了显著抑制作用，射流均未成型。从干扰成型的效果看，酚醛树脂材料的干扰装置效果最好，尼龙次之，聚乙烯相对较差。
3）干扰装置的作用机制主要是：施加干扰后，药型罩的受力状态发生了显著改变，干扰装置使药型罩变形受阻，变形速度显著降低，最终未形成射流。强度较高、密度较大，较耐高温的材料干扰效果较好。
参考文献
[1] HAUVER G E， NETHERWOOD P H， BENCK R F， et al. Penetration of shaped charge jets into glass and crystalline quartz：BRL-TR-3273[R]. 1991.
[2] LITTLEFIELD D L. Thermomechanical and magnetohydrodynamic stability in shaped charge jets：ADA271369[R].1993.
[3] HORSFALL I， PETROU E， CHAMPION S M. Shaped charge attack of spaced and composite armour 23rd Internation Symposium on Ballistics[C]∥Tarragona Spain，2007：1281-1288.
[4] HELTE A， LIDEN E. The role of Kelvin-Helmholtz instabilities on shaped charge jet interaction with reactive armoursplates 25th International Symposium on Ballistics[C]∥Beijing，2010：1347-1350.
[5] 黄正祥，张钟文，祖旭东，等. 折状夹芯复合靶对射流侵彻的影响[J]. 弹道学报，2013，25（4）：69-74.
[6] 言克斌，祖旭东，黄正祥，等. 陶瓷/橡胶复合装甲对射流防护效能的实验研究[J]. 弹道学报，2013，25（4）：59-64.
[7] 张钟文，黄正祥，祖旭东，等. 异型夹层结构复合靶板抗射流侵彻性能研究[J]. 高压物理学报，2013，27（6）：928-935.
[8] 肖强强，黄正祥，祖旭东，等. 新结构药型罩射流对等效前舱的抗干扰研究[J]. 弹道学报，2012，24（1）：47-68.
[9] 鑫贾，黄正祥，祖旭东，等. 织物纤维增强橡胶复合板抗射流侵彻的防护效能[J]. 复合材料学报，2012，29（6）：66-72.
[10] 祖旭东，黄正祥，鑫贾. 橡胶复合靶板抗射流侵彻的理论和实验研[J]. 爆炸与冲击，2012，32（4）：376-383.
[11] 祖旭东，黄正祥，鑫贾，等. 橡胶复合靶板抗成型装药射流侵彻研究[J]. 南京理工大学学报，2012，36（6）：1047-1051.
[12] 祖旭东，黄正祥，鑫贾，等. 橡胶夹层厚度对复合靶板抗射流侵彻性能的影响[J]. 高压物理学报，2012，26（5）：551-556.
（编辑：刘杨）