超空泡模型對(duì)固態(tài)介質(zhì)侵徹及影響因素實(shí)驗(yàn)研究

陳誠(chéng)，袁緒龍，劉傳龍

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072）

超空泡模型對(duì)固態(tài)介質(zhì)侵徹及影響因素實(shí)驗(yàn)研究

陳誠(chéng)，袁緒龍，劉傳龍

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072）

為了獲得超空泡模型對(duì)固態(tài)介質(zhì)侵徹現(xiàn)象及相關(guān)力學(xué)特性的影響因素，采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)侵徹速度、彈頭形狀、通氣等因素進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)采用空氣炮獲得模型侵徹固體介質(zhì)的初速，利用高速攝像系統(tǒng)獲得直觀的超空泡生成過(guò)程圖像，通過(guò)圖像處理獲得侵徹過(guò)程運(yùn)動(dòng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)首先在勻質(zhì)固體中成功獲得超空泡模型侵徹現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了侵徹速度與不同頭形的系列侵徹實(shí)驗(yàn)，獲得了空泡形態(tài)、減速特性以及各影響因素的影響規(guī)律。借鑒水下通氣超空泡的概念，設(shè)計(jì)了通氣頭形，并進(jìn)行了不同通氣量下的侵徹實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了彈頭通氣有助于空泡生成的結(jié)論。

兵器科學(xué)與技術(shù)；超空泡；鉆地彈；侵徹

0　引言

鉆地彈依靠其強(qiáng)大的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)地下深處進(jìn)而爆炸摧毀目標(biāo)的效果，受到各國(guó)的高度重視，由此，鉆地彈鉆地深度不夠的問(wèn)題日漸突出。鉆地彈在侵徹過(guò)程中由于直接與土壤、混凝土等接觸受到較大阻力，因此減小阻力成為提高彈體侵徹深度的有效途徑。在水下航行器運(yùn)動(dòng)速度足夠大時(shí)，在自然空化作用下形成包裹航行體的超空泡，由于空氣密度小，故航行體的摩擦阻力大大減小，利用超空泡效應(yīng)可達(dá)到很好的減阻效果。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水下超空泡減阻機(jī)理、鉆地武器動(dòng)能侵徹機(jī)理等研究均相當(dāng)成熟，通過(guò)二者有機(jī)結(jié)合，利用超空泡減阻效應(yīng)提高鉆地武器的侵徹效能。開(kāi)展不同彈頭形狀，不同侵徹速度與彈頭通氣的侵徹實(shí)驗(yàn)，了解彈頭參數(shù)對(duì)生成超空泡的影響，為研發(fā)高性能鉆地武器提供基本條件。

為了更清楚地了解侵徹現(xiàn)象，許多學(xué)者利用空腔膨脹理論和不同的材料響應(yīng)模型，分析了混凝土、巖石、土壤和金屬材料的侵徹問(wèn)題，提出了諸多的侵徹模型［1-4］。在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方面，孫傳杰等［5］針對(duì)不同強(qiáng)度混凝土靶開(kāi)展侵徹實(shí)驗(yàn)，觀察不同頭形彈體侵徹混凝土靶的侵徹效應(yīng)，探索彈體頭形的侵徹機(jī)理及侵徹性能。

徐英等［6］采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了彈丸頭部形狀和長(zhǎng)徑比對(duì)侵徹深度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比圓錐形頭部的彈丸，半球形頭部的彈丸在侵徹半無(wú)限厚靶板時(shí)具有更大的侵徹深度，同時(shí)長(zhǎng)徑比較大的彈丸雖然具有較強(qiáng)的穿透能力，但隨著長(zhǎng)徑比的增大，對(duì)侵徹效果的影響逐漸減弱。高光發(fā)等［7］以長(zhǎng)桿彈垂直侵徹半無(wú)限厚靶板為研究對(duì)象，分析了彈體最大侵徹深度與入射速度的關(guān)系，研究了彈體入射速度對(duì)侵徹最大深度的影響規(guī)律。Mayersak［8］在水箱和沙箱中針對(duì)不同的介質(zhì)進(jìn)行了侵徹實(shí)驗(yàn)，提出了土壤動(dòng)力學(xué)空泡的概念，證實(shí)了超空泡效應(yīng)在沙土中的可行性。

本文在透明勻質(zhì)固體中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用高速攝像機(jī)拍攝，不但可以觀測(cè)彈頭模型的侵徹效應(yīng)，同時(shí)也可以更為直觀地得到彈頭參數(shù)對(duì)固體介質(zhì)中空泡形態(tài)的影響，結(jié)合水中超空泡減阻機(jī)理進(jìn)一步提高固體中彈頭的侵徹效能。以模型實(shí)驗(yàn)為基本研究手段，進(jìn)行變彈體發(fā)射速度，彈體頭形，通氣與否的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析彈體空泡形態(tài)與力學(xué)特性，給出彈頭參數(shù)對(duì)空泡形態(tài)的影響以及其力學(xué)特性變化。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可用來(lái)校驗(yàn)?zāi)M方法的可行性以及為研發(fā)高性能鉆地彈提供研究基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)方法與裝置

1.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用空氣炮把模型射入透明的勻質(zhì)固態(tài)介質(zhì)內(nèi)，用激光測(cè)速儀獲得模型射入固態(tài)介質(zhì)前的速度，使用高速攝像觀測(cè)固態(tài)介質(zhì)內(nèi)是否生成超空泡，同時(shí)保持空氣炮發(fā)射與高速攝影的同步性，事后分析固態(tài)超空泡形態(tài)及模型鉆入固態(tài)介質(zhì)的減速特性。模型入射速度80～200 m/s.實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)選用圖2所示φ25 mm口徑的空氣炮，其高壓室直徑為φ200 mm，長(zhǎng)2 m，最大發(fā)射壓力1 MPa，發(fā)射管長(zhǎng)4 m，發(fā)射速度范圍30～300 m/s.發(fā)射小口徑模型時(shí)，采用塑料彈托，管口配有脫殼器。

圖2　φ25 mm口徑空氣炮Fig.2 φ25 mm air cannon

采用PhantomV711高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝分析，其最大分辨率為1 280×800，幀速率為7 530幀/s.采用非接觸式的激光測(cè)速系統(tǒng)，記錄兩路激光傳感器的電壓變化，人工分析彈頭速度以避免彈托碎片引起的誤差。

1.2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

設(shè)計(jì)編號(hào)為M1～M6的長(zhǎng)40 mm、直徑為8 mm、長(zhǎng)細(xì)比為5的6種不同頭形彈頭（見(jiàn)圖3（a）所示），模型代號(hào)與參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　彈頭模型Tab.1 Warhead models

為進(jìn)行彈頭通氣對(duì)侵徹形成超空泡的影響，借鑒水下帶空化器航行器的設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)了12 mm通氣模型（見(jiàn)圖3（b）所示），在彈頭前端安裝撞針，當(dāng)受到劇烈撞擊時(shí)引燃彈體內(nèi)火藥，實(shí)現(xiàn)通氣效果。

圖3　不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Different experimental models

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用木質(zhì)彈托裝載彈體，保證加速階段彈體與空氣炮管之間的氣密性與彈體的穩(wěn)定性。

選用透明勻質(zhì)材料制作試件，材料為107#室溫硫化橡膠，為了方便進(jìn)行圖像處理分析，在試件的背面粘貼具有固定尺度的方格紙，如圖4中所示。

圖4　高速攝像視頻分析軟件Fig.4 Analysis software for high-speed camera

1.2.3觀測(cè)結(jié)果分析軟件

為了對(duì)高速攝影的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，專門為本次實(shí)驗(yàn)編寫了分析軟件。軟件數(shù)據(jù)處理的方法如下：

1）讀入視頻，分解為幀序列。

2）顯示首幀圖像，使用鼠標(biāo)選取試件像素高度，根據(jù)輸入的物理高度，計(jì)算得到圖像中每像素所代表的物理尺寸。

3）逐幀顯示侵徹過(guò)程，使用鼠標(biāo)指示彈頭像素位置，換算成物理坐標(biāo)，輸出到數(shù)據(jù)文件中，形成侵徹彈道曲線。

4）對(duì)彈道位移曲線進(jìn)行平滑處理，對(duì)時(shí)間求導(dǎo)后獲得速度曲線。

5）同樣的方法可以獲得每一時(shí)刻模型尾部空泡直徑和固態(tài)透明介質(zhì)試件指定位置空泡截面膨脹最大直徑和膨脹收縮時(shí)間，用于對(duì)比分析。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1超空泡模型對(duì)固體侵徹效應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)高速攝像記錄模型射入固態(tài)介質(zhì)的侵徹過(guò)程，彈頭侵入試件，形成橢球形空泡。與水下超空泡形態(tài)類似，彈頭在侵入試件任意截面的瞬間，向試件傳遞動(dòng)量，彈頭所在切片上的材料獲得了法向動(dòng)能向周圍運(yùn)動(dòng)，在該切片上形成空洞，各個(gè)切片連接起來(lái)就形成了入射超空泡，如圖5所示。模型尺寸為φ8 mm×40 mm，形成空泡長(zhǎng)度為170 mm，最大截面尺寸為30 mm.此實(shí)驗(yàn)證實(shí)了固態(tài)介質(zhì)超空泡的存在。侵徹超空泡生成過(guò)程及其形態(tài)特征另文研究。

2.2侵徹速度對(duì)超空泡模型侵徹現(xiàn)象的影響

在同一彈頭外形和試件材料一定的情況下，通過(guò)改變空氣炮的發(fā)射壓力即改變彈頭入侵試件的初速，觀察超空泡形態(tài)，進(jìn)行對(duì)比分析。采用編號(hào)為M1的圓柱體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同入射速度下，封閉空泡形態(tài)對(duì)比如圖6所示。結(jié)合空泡形態(tài)分析，彈頭外形和試件材料一定的情況下，當(dāng)發(fā)射壓力為0.2 MPa、侵徹速度約130 m/s時(shí)在此固體介質(zhì)中可以生成明顯超空泡；隨著入射速度增大，由表2可得，超空泡長(zhǎng)度、直徑逐漸變大。

圖5　空泡形態(tài)Fig.5 Cavity shape

圖6　不同速度下空泡的閉合形態(tài)Fig.6 Closed forms of cavitation at different velocities

表2　回轉(zhuǎn)體空泡形態(tài)參數(shù)Tab.2 Cavity shape of cone-head rotary body

采用視頻分析軟件讀取彈體移動(dòng)過(guò)程中位移數(shù)值，對(duì)其求導(dǎo)可得速度。圖7所示為彈體在侵入固體介質(zhì)后其速度曲線。為定量表示彈頭以不同初速侵徹固體介質(zhì)產(chǎn)生的空泡形態(tài)的關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合（見(jiàn)表3），空泡直徑擬合公式為D′= 0.159 1v-1.904 7，擬合值與實(shí)驗(yàn)值誤差均在10%以內(nèi)，可得在本文研究范圍內(nèi)固體侵徹過(guò)程中產(chǎn)生的空泡直徑正比于速度v.

圖7　模型速度-時(shí)間歷程Fig.7 Model velocity vs.time

表3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合Tab.3 Fitting of experimental data

2.3彈頭形狀對(duì)超空泡模型侵徹現(xiàn)象的影響

6種彈頭的質(zhì)量相同，因此在發(fā)射壓力均為0.4 MPa時(shí)具有相近的初始侵徹速度?？张菪螒B(tài)對(duì)比如圖8所示。

對(duì)比分析空泡形態(tài)可知，M1～M3構(gòu)成一個(gè)頭形系列，前端面直徑分別為4 mm、2.66 mm、8 mm，比較其空泡形態(tài)可見(jiàn)，空泡長(zhǎng)度接近，直徑隨前端面直徑增大而增大。M4～M6構(gòu)成另一個(gè)頭形系列，空泡長(zhǎng)度接近，半球頭空泡直徑最大，4 mm截頭橢球次之，2.66 mm截頭橢球最小。

圖9給出了6種頭形的速度-時(shí)間曲線。在小范圍內(nèi)當(dāng)侵徹速度一定時(shí)，圖中曲線斜率為彈體模型加速度。

式中：C為阻力系數(shù)；F為模型受力；ρ為介質(zhì)密度；v為模型運(yùn)動(dòng)速度；S為模型最大橫截面積；m為模型質(zhì)量。

根據(jù)（1）式當(dāng)采用不同彈體外形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，阻力系數(shù)基本與加速度呈正比。選取彈體侵徹過(guò)程中同一運(yùn)動(dòng)速度時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)柱體阻力系數(shù)最大，45°截頭錐、截頭橢球4 mm前端面和球頭柱體阻力特性依次減小，30°截頭錐較45°截頭錐阻力系數(shù)小，截頭橢球頭前端面減小有利于阻力特性的減小。

圖8　不同頭形彈頭空泡形態(tài)Fig.8 Cavity shapes of different models

2.4彈頭通氣對(duì)超空泡模型侵徹現(xiàn)象的影響

設(shè)計(jì)通氣彈模型，在模型頭部安裝撞針，當(dāng)其受到猛烈撞擊后引燃火藥，氣體從模型頭部冒出，達(dá)到通氣的效果。根據(jù)裝藥量的不同進(jìn)行不通氣、小通氣量、大通氣量實(shí)驗(yàn)，空泡形態(tài)對(duì)比如圖10所示。

圖9　模型速度-時(shí)間曲線Fig.9 Model velocity vs.time

圖10　不同通氣量下空泡形態(tài)Fig.10 Cavity shapes with different ventilation

通氣的作用體現(xiàn)在，彈頭速度不能維持超空泡模型侵徹的條件下，向泡內(nèi)通氣可以獲得較為飽滿的空泡，同時(shí)延緩空泡的潰滅，進(jìn)而延長(zhǎng)超空泡模型侵徹距離。進(jìn)行不通氣、小通氣量、大通氣量下的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比不同通氣量下空泡形態(tài)的差異，得出通氣的增大有助于空泡的生成。而對(duì)其更精確的描述有待進(jìn)一步的研究。

水下航行器采用增加來(lái)流速度或增加空泡內(nèi)壓力的方法降低空化數(shù)，從而促使生成超空泡。本文采用同樣研究方法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示此兩種方法在固體介質(zhì)中均有利于空泡的生成，表明在固體侵徹研究中一定范圍內(nèi)可以借鑒水下超空泡航行體相關(guān)理論方法進(jìn)行。

3　結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)對(duì)水下超空泡減阻機(jī)理、鉆地武器動(dòng)能侵徹機(jī)理等研究均相當(dāng)成熟，本文旨在為二者有機(jī)融合，研發(fā)高性能鉆地武器拋磚引玉。開(kāi)展勻質(zhì)固體超空泡模型侵徹效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行固體超空泡模型侵徹效應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展侵徹速度、彈頭外形、彈頭通氣等參數(shù)對(duì)其力學(xué)特性的影響實(shí)驗(yàn)，對(duì)固體中超空泡效應(yīng)進(jìn)一步了解。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，初步結(jié)論如下：

1）當(dāng)速度達(dá)到某一臨界值后，可以在勻質(zhì)固體中生成超空泡模型侵徹現(xiàn)象。

2）彈頭外形一定時(shí)在硅膠試件中，當(dāng)侵徹速度足夠高時(shí)在勻質(zhì)固體中可以生成侵徹超空泡；入射速度越高生成的超空泡越長(zhǎng)、直徑越大。

3）頭形系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，柱體阻力系數(shù)最大，45°截頭錐、截頭橢球4 mm前端面和球頭阻力特性依次減??；減小截頭錐角度，截頭橢球前端面直徑均有利于使模型獲得更好的阻力特性。

4）彈頭外形、侵徹速度和試件材料一定的情況下，彈頭通氣有助于空泡的生成，通氣量越大空泡越飽滿，同時(shí)驗(yàn)證了通氣可以延遲空泡的閉合。

國(guó)內(nèi)針對(duì)固態(tài)介質(zhì)超空泡問(wèn)題的研究較少，本文的研究在固態(tài)介質(zhì)中成功獲得超空泡生成與演化過(guò)程的清晰圖像。這些結(jié)果可為相關(guān)研究提供參考，同時(shí)這些成果也可為后續(xù)深入開(kāi)展土壤等固體介質(zhì)中超空泡生成問(wèn)題的研究提供基礎(chǔ)。

（

）

［1］王明洋，譚可可，吳華杰.鉆地彈侵徹巖石深度計(jì)算新原理與方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（9）：1863-1869. WANG Ming-yang，TAN ke-ke，WU hua-jie.New method of calculation of projectile penetration into rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（9）：1863-1869.（in Chinese）

［2］潘萬(wàn)慶.動(dòng)能彈對(duì)靶體的侵徹特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013. PAN Wan-qing.Research on the characteristic of kinetic energy projectile penetrating into target［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2013.（in Chinese）

［3］Forrestal M J，Tzou D Y.A spherical cavity-expansion penetration model for concrete targets［J］.International Journal of Solids and Structures，1997，34（31/32）：4127-4146.

［4］Forrestal M J，Luk V K.Penetration into soil targets［J］.International Journal of Impacting Engineering，1992，12（5）：427-444.

［5］孫傳杰，盧永剛，張方舉，等.新型頭形彈體對(duì)混凝土的侵徹［J］.爆炸與沖擊，2010，30（3）：269-275. SUN Chuan-jie，LU Yong-gang，ZHANG Fang-ju，et al.Penetration of cylindrical-nose-tip projectiles into concrete targets［J］. Explosion and Shock Waves，2010，30（3）：269-275.（in Chinese）

［6］徐英，時(shí)家明，林志丹.彈丸頭部形狀和長(zhǎng)徑比對(duì)侵徹過(guò)程的影響研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29（5）：135-138. XU Ying，SHI Jia-ming，LIN Zhi-dan.On the nose role and slenderness ratio of projectile in penetration［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2009，29（5）：135-138.（in Chinese）

［7］高光發(fā)，李永池，沈玲，等.入射速度對(duì)長(zhǎng)桿彈垂直侵徹行為的影響規(guī)律［J］.高壓物理學(xué)報(bào)，2012，26（4）：449-454. GAO Guang-fa，LI Yong-chi，SHEN Ling，et al.Effect of impact velocity on the penetration behavior for long-rod penetrator vertically penetrating semi-infinite target［J］.Chinese Journal of High Pressure Physics，2012，26（4）：449-454.（in Chinese）

［8］Mayersak J.Kinetic energy cavity penetrator weapon：US，2004/ 0231552［P］.2004-11-25.

Experimental Investigation on the Supercavitation models Penetrating into Solid Medium and the Influence Factors

CHEN Cheng，YUAN Xu-long，LIU Chuan-long
（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，Shaanxi，China）

To obtain the supercavitation models penetrating into solid medium and the influence factors of mechanical properties，including the penetration velocity，penerator shape and ventilation，a series of experiments are carried out using a transparent silicone box.The penetrators are launched by air cannon，and the penetration processes are recorded by a high speed camera.The penetration velocity is obtained through image processing and analysis.In the first experiment，the penetration phenomenon of supercavitation models was successfully obtained.And then a series of experiments for different head-shapes of penetrators were carried out at different penetration speed.The effects of the influence factors on the supercavity profiles and the deceleration characteristics are analyzed.Referring to underwater ventilation supercavitation concept，a new penetrator whith ventilation is designed to test the supercavitating penetration under ventilation，which finally confirms that ventilation is benefit for the generation of supercavity and helps to prolong the penetration depth.

ordnance science and technology；supercavitation；earth penetrator；penetration

TJ630

A

1000-1093（2015）02-0299-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.016

2014-04-16

2013屆西北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）重點(diǎn)扶持項(xiàng)目（2013年）

陳誠(chéng)（1990—），男，碩士研究生。E-mail：840680497@qq.com；袁緒龍（1977—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：yuanxulong@nwpu.edu.cn