新型反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)對長桿彈小法線角侵徹的干擾分析和防護(hù)效能＊

熊良平，黃道業(yè)，王鳳英

（1.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 六安 237011；2.中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西 太原 030051）

爆炸反應(yīng)裝甲（explosive reactive armor，ERA）是抵御反坦克武器的主要裝備，具有抗彈效益高、安全性好、質(zhì)量輕、占用空間小等優(yōu)點。由平板裝藥結(jié)構(gòu)組成的反應(yīng)裝甲的防護(hù)效益在很大程度上與來襲彈頭的命中角度（即彈軸方向與反應(yīng)裝甲表面法線之間的夾角，也稱為法線角）有關(guān)。實驗表明，爆炸反應(yīng)裝甲實現(xiàn)其最優(yōu)性能的法線角是60°～80°。當(dāng)來襲彈頭小角度入射時，反應(yīng)裝甲的防護(hù)效果甚微；特別當(dāng)長桿彈相對目標(biāo)垂直入射時，反應(yīng)裝甲幾乎沒有任何防護(hù)能力。

本文中設(shè)計出一種新型的反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行不同小法線角下長桿彈侵徹實驗。結(jié)果表明，新型反應(yīng)裝甲可有效干擾長桿彈的運動速度和姿態(tài)，減小穿甲動能，在法線角θ＜30°的情況下，能有效防御大口徑長桿彈，可提高坦克在戰(zhàn)場上的生存能力［1－4］。

1 新型反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)

新型反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)是在“三明治”式平板裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，專門針對防御長桿彈小法線角侵徹而設(shè)計的。新型反應(yīng)裝甲中包括盒式外殼、3塊“三明治”式平板裝藥單元、導(dǎo)爆索和1個爆炸沖擊模塊，如圖1所示。單元2與盒體相連接，爆炸沖擊模塊通過導(dǎo)爆索與單元1相連接。新型反應(yīng)裝甲要達(dá)到的防護(hù)效果是：在小法線角θ＜30°的情況下，使坦克裝甲能防御大口徑長桿彈。

當(dāng)長桿彈以小法線角高速撞擊反應(yīng)裝甲后，引爆單元1內(nèi)部的平板裝藥，在爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動下，單元1中的金屬面、背板向各自外法線方向高速運動，在長桿彈上所形成力偶產(chǎn)生的橫向運動使長桿彈彎曲、偏轉(zhuǎn)；但由于法線角較小，彈桿可能不會斷裂，這是新型反應(yīng)裝甲對長桿彈一次干擾的主要形式。同時由于單元1與單元2下方的爆炸沖擊模塊用導(dǎo)爆索連接，在長桿彈撞擊單元1的同時，立即引爆單元2下方的爆炸沖擊模塊。此時爆炸沖擊模塊對單元2產(chǎn)生1個向右的爆炸驅(qū)動力，并同時伴隨1個沿瞬時針方向的力矩，使得單元2高速沿順時針方向轉(zhuǎn)動，經(jīng)過一定的時間差之后，最終與長桿彈相撞；單元2與長桿彈桿作用后，其結(jié)構(gòu)中包含的面、背板始終帶著1個順時針的力矩沿各自外法線方向高速運動，使得作用在長桿彈桿上的橫向力偶比單元1更加劇烈，加劇了彈桿的變形和速度損失，甚至導(dǎo)致長桿彈桿的斷裂。這是新型反應(yīng)裝甲對長桿彈的二次干擾。當(dāng)長桿彈穿透單元2之后與單元3碰撞時，由于單元3與單元2帶有一定的夾角，則相應(yīng)的，若長桿彈與單元3作用時，法線角顯著增大。單元3結(jié)構(gòu)中的面、背板對長桿彈桿所產(chǎn)生的橫向力偶也會加劇，對長桿彈桿的運動姿態(tài)產(chǎn)生極大的影響，導(dǎo)致長桿彈桿的變形或斷裂而喪失穿甲作用，這是新新型反應(yīng)裝甲對長桿彈的三次干擾。

圖1 新型反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of new ERA structure

2 新型反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)對長桿彈干擾的動力學(xué)分析

新型反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)中裝藥單元1、2、3均為由面、背板和平板裝藥組成的“三明治”式反應(yīng)裝甲板。反應(yīng)裝甲在抵御長桿彈傾徹時，主要是通過3種途徑來降低長桿彈侵徹效能：（1）通過平板裝藥的爆轟產(chǎn)物對長桿彈造成速度損失；（2）反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)中殼體反向撞擊引起長桿彈運動速度的損失；（3）引爆平板裝藥后，面、背板對長桿彈桿產(chǎn)生運動姿態(tài)干擾［5－7］。

2.1 引爆平板裝藥后爆轟產(chǎn)物造成長桿彈的速度損失

為研究平板裝藥爆轟產(chǎn)物壓力對長桿彈運動速度的影響，設(shè)爆轟產(chǎn)物的起始壓力是pm，根據(jù)動量守恒定律

式中：v0為長桿彈撞擊反應(yīng)裝甲前的速度，v1為長桿彈受爆轟產(chǎn)物影響后的速度，vn為反應(yīng)裝甲殼體鋼板在爆轟完成瞬時的法向運動速度，它是因為爆轟產(chǎn)物對反應(yīng)裝甲殼體鋼板的作用使它具有了一個與長桿彈速度反方向的運動速度；m為長桿彈的質(zhì)量，d為長桿彈直徑，δ0為平板裝藥炸藥層厚度，pm為爆轟產(chǎn)物的壓力，t為爆轟產(chǎn)物作用時間，ρ0為裝藥密度，ρm為爆轟完成瞬間爆轟產(chǎn)物密度為爆轟產(chǎn)物的質(zhì)量熱容比。

2.2 反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)中殼體引起長桿彈運動速度的損失

長桿彈穿透反應(yīng)裝甲殼體的整個過程可分為，殼體受力變形階段和變形達(dá)到強(qiáng)度極限后的擴(kuò)孔階段。通過整個過程的分析，可以得到長桿彈穿透殼體后的速度損失

式中：ρ為反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)中殼體密度，h為裝甲結(jié)構(gòu)中殼體厚度，β為長桿彈頭部半錐角，θ為法線角，χ為彈形系數(shù)。

2.3 裝藥單元結(jié)構(gòu)中面、背板對長桿彈桿運動姿態(tài)干擾

圖2 長桿彈與裝藥單元結(jié)構(gòu)中面、背板相互作用受力簡圖Fig.2 Force diagrams of the interaction between the long－rod projectile and the armor

當(dāng)裝藥單元1被引爆后，它對長桿彈運動姿態(tài)的影響分為長桿彈從開始穿入面板至到達(dá)背板之前階段和穿入背板之后階段，并作如下假設(shè)：（1）面、背板與長桿彈的碰撞是全塑性的，即碰撞后板與長桿彈以相同的速度運動；（2）不考慮面、背板碰撞前后的變形和翻轉(zhuǎn)，也不考慮長桿彈受碰撞后的變形和破壞，且認(rèn)為面背板足夠大；（3）在反應(yīng)裝甲對長桿彈的諸多作用中，只考慮面、背板對長桿彈的剪切破壞作用，并且作用始終垂直于彈軸?；谏鲜黾僭O(shè)，長桿彈與裝藥單元面、背板相互作用的受力簡圖如圖2所示。

建立長桿彈桿體的動力學(xué)方程組

在桿的動力學(xué)方程中，只有當(dāng)桿的運動距離大于背板的運動距離時才可能存在Fb的作用。因此，需考慮：當(dāng)x＜δ0＋vbt時，F(xiàn)b＝0；當(dāng)x≥δ0＋vbt時，F(xiàn)b＝2σthbΔy2。同時，在面板足夠大的條件下，也考慮作用力Ff的存在條件，當(dāng)x＋vft≤lsinφ時，F(xiàn)f＝2σthfΔy1，當(dāng)x＋vft＞lsinφ時，F(xiàn)f＝0。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗條件

采用100滑鋼長桿彈，對均質(zhì)裝甲鋼穿深可達(dá)280mm，實驗射程為200m，反應(yīng)裝甲總質(zhì)量為6.8kg，有效裝藥體積為935mm×200mm×5mm，實驗布置如圖3所示。

圖3 實驗布置圖Fig.3 Experimental layout

3.2 實驗結(jié)果

為了驗證反應(yīng)裝甲的防護(hù)性能，使用長桿彈以不同的法線角侵徹覆蓋反應(yīng)裝甲的靶板，進(jìn)行3次實驗，得到結(jié)果如下。

（1）當(dāng)θ＝19.26°時，主靶板的最大侵徹尺寸為：表面孔尺寸，190mm×85mm；垂直穿深，74mm，背鼓。

（2）當(dāng)θ＝21.72°時，主靶板的最大侵徹尺寸為：表面孔尺寸，192mm×87mm；垂直穿深，66mm。

（3）當(dāng)θ＝27.60°時，主靶板的最大侵徹尺寸為：表面孔尺寸，200mm×93mm；垂直穿深，52mm。

在第3次實驗時，由于法線角選取比較大，長桿彈穿深比較淺。分析原因：（1）利用爆炸沖擊模塊爆炸后產(chǎn)生的動能給予單元2一個順時針的力矩，驅(qū)動其面、背板改變飛散角度，增加作用在長桿彈上的力偶，使其更有效的切割彈桿，致使長桿彈變形或斷裂，長桿彈將因失穩(wěn)斷裂而損失穿甲效能。（2）單元3與單元2存在一定的夾角，長桿彈以小法線角侵徹時，勢必與單元3作用導(dǎo)致法線角增大，因此可以更有效的干擾長桿彈，并改變其運動速度和運動姿態(tài)。

3.3 局部防護(hù)系數(shù)的計算

防護(hù)系數(shù)N定義為由標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼半無限靶的密度與覆蓋反應(yīng)裝甲后平均面密度的比值

式中：Tb為以標(biāo)準(zhǔn)彈種射擊標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲板時的穿入深度，ρg為鋼密度7.85g／cm3，Tt為覆蓋反應(yīng)裝甲后同型標(biāo)準(zhǔn)彈種射擊標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲板時的穿入深度，ρt為覆蓋反應(yīng)裝甲后反應(yīng)裝甲與均質(zhì)裝甲靶板的平均密度，由式（6）

當(dāng)θ＝19.26°時，局部防護(hù)系數(shù)N 為7.0。

當(dāng)θ＝21.72°時，局部防護(hù)系數(shù)N 為7.6。

當(dāng)θ＝27.60°時，局部防護(hù)系數(shù)N 為8.0。

由上述結(jié)果可以看出，新型反應(yīng)裝甲對長桿彈的局部防護(hù)系數(shù)均達(dá)到了大于5的指標(biāo)。

4 結(jié) 論

在長桿彈小法線角侵徹新型反應(yīng)裝甲進(jìn)行動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，通過實驗測試了在新型反應(yīng)裝甲保護(hù)下主靶板的最大侵徹尺寸和局部防護(hù)系數(shù)，得出長桿彈經(jīng)過新型反應(yīng)裝甲干擾后，有效穿深大大降低的結(jié)論，完全能夠滿足在法線角θ＜30°時干擾長桿彈侵徹的目的。

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