含能复合防护结构的设计方法及防护结构技术

本发明专利技术提供一种含能复合防护结构的设计方法及防护结构，设计方法包括如下步骤：依据聚能射流侵彻机理确定射流侵彻速度变化率

【技术实现步骤摘要】
含能复合防护结构的设计方法及防护结构


[0001]本专利技术涉及防护结构的设计
，具体涉及一种含能复合防护结构的设计方法及防护结构。

技术介绍

[0002]聚能射流作为一种典型聚能装药结构因其稳定成型的聚能侵彻体速度高(传统的聚能射流头部速度可达8000～10000米/秒)、侵彻深度大(一般能够达到8～10倍装药口径)等特点，因此其防护难度极大。针对聚能装药类弹药的主要防护措施包括间隙结构防护技术、陶瓷复合装甲防护技术、爆炸反应装甲防护技术以及电磁装甲防护技术等，这几类防护措施中主要存在增加了防护结构的厚度、带来了一定程度的次生危害效应以及附属装备庞大等不利因素。
[0003]反应材料是一种由多种类非炸药类固体物质通过一定方法制成，在加热或高速撞击条件下可以自身或与空气发生反应同时释放大量化学能的含能材料。与传统含能材料如TNT相比，反应材料反应时理论释放能量更大，部分反应材料的单位体积放热量甚至可达TNT(1720cal/cm3,l cal＝4.186J)的3～4倍。常见的反应材料体系包括：金属
‑
氧化物型混合物；金属
‑
聚合物型混合物；金属
‑
金属型混合物等。
[0004]目前，反应材料主要用于破片战斗部领域，取代传统破片战斗部中的惰性破片形成反应破片。这是因为反应材料密度普遍高于传统含能材料，在侵彻目标时将获得更大的动能，依赖于反应材料在强冲击下的剧烈化学反应释能，反应破片战斗部在应用方面均表现优于传统惰性战斗部。反应破片既具有传统惰性破片的“动能侵彻”能力，又具有与目标作用时“释放化学能”的能力，从而可实现对目标的二次毁伤，尤其可以实现对目标内部易燃易爆物品、电子设备以及人员等弱防护目标的高效毁伤。同时，在横向效应增强型弹药领域，反应材料可取代传统PELE的惰性内芯，在受到冲击高压时，发生剧烈的燃爆反应生成大量破片以对装甲后的目标实现高效毁伤。此外，材料还可以替代传统聚能破甲战斗部的金属药型罩，形成反应射流，在目标内部释放大量化学能、对目标造成多重毁伤效应，将多级战斗部的毁伤机制合并到单级战斗部中。
[0005]也有研究表明反应材料可应用于防护
，由于反应材料在破片冲击作用下可发生剧烈的化学反应，其高温、高压、高速运动的反应产物会对弹丸产生反向冲量，降低了碎片的轴线动能，起到防护效果；理论上在防护结构中使用反应材料可有效的干扰聚能射流，形成对聚能装药类弹药侵彻的进一步防护，优化聚能装药类弹药的防护措施。
[0006]但现阶段尚未出现反应材料在防护领域的具体应用形式，以怎样的系统方法来设计含反应材料的防护结构，如何更大的发挥反应材料的防护效率，以及如何评估其防护效果都是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中反应材料在防护领域的具体应用的问题，本专利技术提出一种含能复
合防护结构的设计方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种含能复合防护结构的设计方法，包括如下步骤：
[0009]S1、依据聚能射流侵彻机理确定聚能射流侵彻速度变化率
ù
；
[0010]S2、依据反应材料抗侵彻性能的反应机理确定反应材料的反应灵敏度g；
[0011]S3、判断聚能射流侵彻速度变化率
ù
与反应材料的反应灵敏度g的大小，当
ù
与g在同一数量级时，则反应材料可发挥针对聚能射流侵彻的防护作用；
[0012]S4、依据反应材料的防护效率设计防护结构。
[0013]进一步地，当步骤S3中聚能射流侵彻速度变化率
ù
小于反应材料的反应灵敏度g时，则需要对反应材料释能特性予以提升，具体包括以下方法：
[0014]S31、选择选不同类型反应材料；
[0015]S32、调整反应材料配方组份；
[0016]S33、优化反应材料制备工艺；
[0017]S34、添加反应材料约束壳体。
[0018]进一步地，步骤S1中确定聚能射流侵彻速度变化率
ù
需要基于流体动力学理论计算的射流侵彻深度、侵彻速度，结合侵彻过程随时间尺度的变化规律，确定侵彻过程速度变化率
ù
，以速度变化率
ù
的值判断聚能射流侵彻速率的快速变化区和衰减区；
[0019]射流侵彻深度预估公式为：
[0020][0021]射流侵彻速度预估公式为：
[0022][0023]其中l为聚能射流的长度、ρ
j
为聚能射流的密度、V
j
为聚能射流的速度、ρ
t
为靶体的密度。
[0024]进一步地，当聚能射流侵彻速率处于快速变化区时，反应材料反应程度达到最大值区间时，反应材料干扰聚能射流的侵彻将获得最佳的防护效果。
[0025]进一步地，步骤S2中g表示反应材料完成超快反应的时间；g的确定需要参考反应材料冲击诱发反应模型确定反应材料的反应灵敏度g需要参考反应材料冲击诱发反应模型，计算反应材料的反应阈值，其中PTFE/AL冲击诱发材料反应的经验预测公式可参考：
[0026][0027]其中A、B为待定参数，σ
T
为反应材料的应力阈值、为反应材料的应变率阈值，σ、分别为测试条件下的碰撞应力和加载应变率。
[0028]进一步地，步骤S31中反应材料优选金属
‑
氧化物型混合物反应材料。
[0029]进一步地，步骤S32中确定针对聚能射流最佳防护材质后，根据反应材料组份中对
聚能射流侵彻速率和结构强度有较大影响的组份予以优化调整，通过实验验证获得针对聚能射流最佳防护效果的反应材料配方组份；反应材料组份包括不同金属颗粒间两种或多种组合，或金属颗粒与金属氧化物间两种或多种组合，或金属颗粒与聚合物间两种或多种组合。
[0030]进一步地，步骤S33中反应材料制备工艺包含：反应材料的预处理、材料成型以及坯料的后处理；预处理工艺主要针对的反应材料的各组份进行改性处理，以改变反应材料的反应活化能、反应阈值温度；材料成型工艺主要影响材料冲击点火反应阈值；坯料的后处理工艺用于细化反应材料组织，消除材料内部的位错、孪晶缺陷。
[0031]进一步地，步骤S34中添加反应材料约束壳体，约束壳体材质选自钢、塑料、复合材料中的任一种，约束壳体用于切断聚能射流、降低聚能射流侵彻能力，以提高反应材料的能量利用率和对聚能射流的防护效率。
[0032]本专利技术还提供一种反应材料防护结构，根据上述含能复合防护结构的设计方法设计，所述防护结构依次设置有防护层壳体、反应材料壳体、反应材料层；所述反应材料层采用模块化设计，单个反应材料层模块尺寸按照来袭聚能射流直径的3～5倍设置，以模块拼接的形式形成反应材料壳体和反应材料层，单个模块遭袭破坏后能够快速更换，实现反应材料层的高效利用。
[0033]本专利技术的优势在于：提出了反应材料用于聚能射流防护结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含能复合防护结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、依据聚能射流侵彻机理确定聚能射流侵彻速度变化率
ù
；S2、依据反应材料抗侵彻性能的反应机理确定反应材料的反应灵敏度g；S3、判断聚能射流侵彻速度变化率
ù
与反应材料的反应灵敏度g的大小，当
ù
与g在同一数量级时，则反应材料可发挥针对聚能射流侵彻的防护作用；S4、依据反应材料的防护效率设计防护结构。2.根据权利要求1所述的含能复合防护结构的设计方法，其特征在于，当步骤S3中聚能射流侵彻速度变化率
ù
小于反应材料的反应灵敏度g时，则需要对反应材料释能特性予以提升，具体包括以下方法：S31、选择选不同类型反应材料；S32、调整反应材料配方组份；S33、优化反应材料制备工艺；S34、添加反应材料约束壳体。3.根据权利要求1所述的含能复合防护结构的设计方法，其特征在于，步骤S1中确定聚能射流侵彻速度变化率
ù
需要基于流体动力学理论计算的射流侵彻深度、侵彻速度，结合侵彻过程随时间尺度的变化规律，确定侵彻过程速度变化率
ù
，以速度变化率
ù
的值判断聚能射流侵彻速率的快速变化区和衰减区；射流侵彻深度预估公式为：射流侵彻速度预估公式为：其中l为聚能射流的长度、ρ
j
为聚能射流的密度、V
j
为聚能射流的速度、ρ
t
为靶体的密度。4.根据权利要求3所述的含能复合防护结构的设计方法，其特征在于，当聚能射流侵彻速率处于快速变化区时，反应材料反应程度达到最大值区间时，反应材料干扰聚能射流的侵彻将获得最佳的防护效果。5.根据权利要求1所述的含能复合防护结构的设计方法，其特征在于，步骤S2中g表示反应材料完成超快反应的时间；g的确定需要参考反应材料冲击诱发反应模型，计算反应材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘健峰，连志颖，秦志强，胡兆颖，姜鹏飞，闫瑢，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程设计研究院，
类型：发明
国别省市：