大質(zhì)量高速動(dòng)能彈侵徹鋼筋混凝土的實(shí)驗(yàn)研究＊

汪 斌，曹仁義，譚多望

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900）

高速侵徹戰(zhàn)斗部憑借高速度的優(yōu)勢能夠?qū)Φ叵律盥瘛⒓庸痰闹匾娛履繕?biāo)進(jìn)行毀傷打擊。隨著高超聲速飛行器的迅速發(fā)展，高速侵徹戰(zhàn)斗部已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向［1］。由于高速飛行器的飛行速度很高，戰(zhàn)斗部對(duì)混凝土等典型地質(zhì)材料進(jìn)行侵徹時(shí)，彈靶之間的碰靶壓力很高，已經(jīng)超出了目前常用金屬材料的強(qiáng)度極限，彈頭部分會(huì)發(fā)生失效、磨蝕現(xiàn)象。另一方面，由于混凝土的失效壓力很低，相對(duì)金屬失效壓力的吉帕量級(jí)，混凝土的失效壓力為幾十兆帕，因此需深入研究彈靶相互作用過程。開展高速侵徹實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來綜合判定彈體和混凝土之間的相互作用過程，是研究金屬彈體侵徹混凝土的侵徹能力以及侵徹體可能產(chǎn)生的頭部磨蝕甚至彈體折斷、失效等高速侵徹現(xiàn)象最直接和有效的方法。

對(duì)高速彈體侵徹混凝土的機(jī)理，已開展了一定的實(shí)驗(yàn)研究，M.J.Forrestal等［2－3］開展了彈頭形狀因子為3.00和4.25的2種頭部為卵形的彈體以1 300～1700m／s的速度侵徹強(qiáng)度為19.5MPa的混凝土的實(shí)驗(yàn)。梁斌等［4］開展了先進(jìn)鉆地彈概念彈的高速深侵徹縮比實(shí)驗(yàn)，最高撞擊速度接近1 200m／s。武海軍等［5］開展了高速非正侵徹混凝土實(shí)驗(yàn)，撞擊速度為800～1100m／s，獲得了一些高速侵徹的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。何翔等［6］開展了不同速度下，不同彈體結(jié)構(gòu)高速侵徹混凝土實(shí)驗(yàn)，探討了高速撞擊條件下彈體的侵徹能力、彈體侵徹穩(wěn)定性、彈體變形和破壞等問題，揭示了混凝土中半流體侵徹階段的典型特征。

目前高速侵徹實(shí)驗(yàn)的加載設(shè)備主要是高速火炮，采用次口徑加載技術(shù)，能夠?qū)⑶Э思?jí)彈丸加速到約1500m／s。由于縮比實(shí)驗(yàn)存在尺度效應(yīng)，通過縮比實(shí)驗(yàn)只能發(fā)現(xiàn)和解決高速侵徹過程中的部分問題，特別是千克級(jí)彈丸的侵徹實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際戰(zhàn)斗部數(shù)百千克甚至上千千克質(zhì)量相比，尺寸縮比達(dá)到1／10量級(jí)。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室在對(duì)數(shù)百次全尺寸戰(zhàn)斗部侵徹實(shí)驗(yàn)和縮比侵徹實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出侵徹類戰(zhàn)斗部的縮比實(shí)驗(yàn)尺寸必須大于真實(shí)尺寸的1／3～1／4，才能得到較可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［7］。

本文中利用口徑為320mm的平衡炮，采用次口徑加載技術(shù)，將直徑為136mm、長度為680mm、質(zhì)量為52kg的金屬彈體，加速到1 300m／s，實(shí)現(xiàn)正常高速侵徹，回收彈體，分析其結(jié)構(gòu)變形情況。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 彈體設(shè)計(jì)

圖1 高速侵徹彈體Fig.1 High－velocity penetrator

圖2 鋼筋混凝土靶Fig.2 Reinforced concrete target

圖3 口徑為320mm的平衡炮Fig.3 The 320－mm－caliber Davis gun

圖4 侵徹實(shí)驗(yàn)布局Fig.4 Layout of penetration experiment

高速侵徹彈主要由殼體、炸藥模擬件和后端蓋構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)件長度為680mm，中段直徑為136mm，彈體長徑比為5，距尾部端面50mm長度內(nèi)的直徑為144mm，頭部曲徑比為3，彈體裝填比為0.1。實(shí)驗(yàn)件總質(zhì)量約為52kg，質(zhì)心距頭部端面約350mm，加工后的彈體實(shí)物見圖1。

1.2 靶 標(biāo)

實(shí)驗(yàn)靶標(biāo)由6塊尺寸為3.0m×3.0m×1.0m的C35鋼筋混凝土組合而成，鋼筋混凝土的截面配筋率為0.5%。在1300m／s的侵徹速度條件下，根據(jù) C.W.Young公式［7］計(jì)算得到的侵徹深度為5.8m，實(shí)驗(yàn)靶標(biāo)如圖2所示。

1.3 加載技術(shù)

對(duì)大質(zhì)量彈丸的加載可采用口徑為320mm的平衡炮，該炮具有無后坐力、加載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。利用平衡炮采用次口徑加載技術(shù)，可以將質(zhì)量為50kg級(jí)的彈丸加速到1 300m／s，彈體飛行姿態(tài)穩(wěn)定，無明顯攻角。

1.4 實(shí)驗(yàn)布局

高速彈體侵徹混凝土靶標(biāo)的布局示意圖如圖4所示，混凝土靶標(biāo)距離平衡炮彈體出口為15.2m。在距離炮口11m的位置安裝4個(gè)斷絲靶網(wǎng)，用于測量彈體碰靶過程的速度。2臺(tái)數(shù)字式高速相機(jī)位于平衡炮側(cè)面，分別記錄彈體的飛行全過程圖像和彈體著靶過程圖像。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 彈體飛行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中斷絲靶網(wǎng)測試系統(tǒng)測得的實(shí)驗(yàn)彈飛行速度為1305m／s，從高速攝影上判讀得到的實(shí)驗(yàn)彈飛行速度為1310m／s，與預(yù)估彈速1300m／s基本一致。高速侵徹實(shí)驗(yàn)彈著靶狀態(tài)為正碰，由于次口徑技術(shù)采用的部分材料在彈體飛行過程中破碎霧化，不能對(duì)彈體的著靶狀態(tài)進(jìn)行精確判讀，從高速錄像上分析，著靶攻角小于2°。

圖5 彈體飛行過程圖像Fig.5 Pictures of the penetrator in the process of the flight

2.2 彈體的侵徹能力

高速彈體侵徹6層混凝土靶標(biāo)后，混凝土結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯破壞，如圖6所示。在靶板正面，受到次口徑推板的撞擊影響，靶板正面產(chǎn)生一個(gè)較大凹坑。彈體在穿靶過程中，其穿靶位置發(fā)生明顯變化，彈體從靶板正中心進(jìn)入，從后靶板較低的位置處穿出，如圖6（b）所示。高速錄像判讀的彈體穿出后飛行速度在260m／s左右，說明彈體的實(shí)際侵徹能力比用C.W.Young公式預(yù)估的更強(qiáng)。

圖6 混凝土靶標(biāo)的破壞情況Fig.6 Damage of target

2.3 彈體的狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)后回收的彈體如圖7所示，從圖中可以看出，彈體結(jié)構(gòu)保持完整，頭部存在墩粗現(xiàn)象。初步判斷，在1 300m／s的侵徹速度條件下，鋼筋混凝土對(duì)彈體頭部的侵蝕現(xiàn)象不明顯。設(shè)計(jì)的彈體結(jié)構(gòu)基本能夠在1 300m／s的侵徹速度下保持完整。

圖7 回收實(shí)驗(yàn)彈Fig.7 Recovered penetrator

實(shí)驗(yàn)前后彈體的狀態(tài)參數(shù)分別為：侵徹速度，1300m／s；實(shí)驗(yàn)前彈體質(zhì)量，47.05kg；實(shí)驗(yàn)后彈體質(zhì)量，46.14kg；質(zhì)量損失，1.1%；實(shí)驗(yàn)前彈體長度，680mm；實(shí)驗(yàn)后彈體長度，675mm；長度變化，0.73%。由此可知，彈體存在一定的質(zhì)量損失，但質(zhì)量損失不明顯，說明高速侵徹過程中彈體的侵蝕現(xiàn)象不明顯。彈體長度發(fā)生一定變化主要是由彈體頭部的墩粗現(xiàn)象造成的。總地說來，在1 300m／s的侵徹速度條件下，設(shè)計(jì)的彈體結(jié)構(gòu)合理，經(jīng)受住了高速侵徹過程的考驗(yàn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

C.W.Young［7］給出的侵徹深度經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：k為侵徹系數(shù)，在鋼筋混凝土條件下為1.8×10－5；S是靶的可侵徹性，鋼筋混凝土條件下為0.9；N為頭部形狀系數(shù)，W／A為截面密度，v為碰靶速度，m／s。

式（1）的適用范圍為：彈體質(zhì)量大于2kg，侵徹速度為61～1330m／s。本文中按照經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)彈體的侵徹能力進(jìn)行了預(yù)估，計(jì)算結(jié)果為5.8m。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，彈體侵徹6m厚的鋼筋混凝土后剩余速度為260m／s。按式（1）計(jì)算，在260m／s的侵徹速度條件下，彈體還能侵徹1m厚的鋼筋混凝土，即在1 300m／s的侵徹速度條件下，設(shè)計(jì)的動(dòng)能鉆地彈能夠侵徹7m厚的鋼筋混凝土。

根據(jù)量綱分析理論［7］，公式（1）中的參數(shù)除W／A不能按照尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮比外，其他均可以進(jìn)行縮比。C.W.Young［7］指出，截面密度W／A沒有縮比性，如按幾何縮比，W／A比原值大，過載改變；如按W／A縮比，殼體應(yīng)力改變，不能真實(shí)反映殼體強(qiáng)度、炸藥安定性，可能掩蓋長脈沖作用下的一些現(xiàn)象。另外，混凝土屬于脆性材料，沖擊響應(yīng)特性復(fù)雜，混凝土材料本身存在損傷、空化、界面等現(xiàn)象，難以縮比。因此，C.W.Youg［7］建議彈體的縮比不能夠超過設(shè)計(jì)尺寸的1／3～1／4。

本文中利用梁斌等［4］的高速侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果和本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量綱分析和縮比理論驗(yàn)證。2種實(shí)驗(yàn)的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)尺寸基本相同，侵徹體的幾何縮比L為3.2，截面密度W／A縮比為3.8，按照式（1）對(duì)侵徹深度D的預(yù)估，在1300m／s的速度條件下，

式中：Df為實(shí)際侵徹深度，Ds為縮比侵徹深度。

對(duì)梁斌等［4］在1200m／s的侵徹速度條件下，質(zhì)量為1.5kg的彈體按1.5m的侵徹深度進(jìn)行外推得到質(zhì)量為50kg的彈體在1 200m／s的侵徹速度條件下的侵徹深度應(yīng)為12m。本文中實(shí)驗(yàn)彈體在1300m／s的速度條件下，侵徹深度約為7m，遠(yuǎn)低于按照縮比理論給出的侵徹深度。因此，從較小尺度的縮比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用量綱分析原理進(jìn)行外推，存在一定的不確定性，同時(shí)驗(yàn)證了C.W.Young［7］提出的縮比尺寸不能過大的理論。

3 結(jié) 論

（1）采用合適的次口徑發(fā)射技術(shù)，利用口徑為320mm的平衡炮能夠?qū)①|(zhì)量為50kg級(jí)的侵徹體發(fā)射速度提高到1300m／s，侵徹彈體姿態(tài)穩(wěn)定，無明顯攻角。

（2）實(shí)驗(yàn)回收的彈體無明顯變形和破壞，說明本文中設(shè)計(jì)的彈體結(jié)構(gòu)能夠承受1300m／s的正侵徹過載。

（3）彈體在侵徹過程中無明顯的質(zhì)量損失，在1300m／s的侵徹條件下，彈體的侵蝕現(xiàn)象不明顯。

（4）彈體頭部有一定的墩粗現(xiàn)象，需要進(jìn)一步分析彈體頭部變形對(duì)其侵徹能力的影響。

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