李 爭(zhēng),劉元雪,張 裕
(后勤工程學(xué)院 重慶市巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401311)
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動(dòng)能彈侵徹機(jī)理及其防護(hù)研究進(jìn)展
李爭(zhēng),劉元雪,張?jiān)?/p>
(后勤工程學(xué)院重慶市巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶401311)
摘要:動(dòng)能彈是一種打擊地下深層戰(zhàn)略目標(biāo)的重要武器裝備,研究其侵徹機(jī)理及防護(hù)技術(shù)意義重大。綜述了近年來(lái)動(dòng)能彈侵徹機(jī)理的相關(guān)研究進(jìn)展,指出國(guó)內(nèi)外動(dòng)能彈侵徹機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究多集中在v<1 300 m/s的中低速范圍內(nèi),經(jīng)驗(yàn)公式多考慮彈體為剛性彈或變形非消蝕彈,相關(guān)的理論模型和數(shù)值模擬研究已初成體系,而動(dòng)能彈高速/超高速侵徹技術(shù)的研究仍處于起步階段,其破壞機(jī)制尚不清晰;從增大遮彈層強(qiáng)度、優(yōu)化遮彈層結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)偏航層3個(gè)方面總結(jié)了新型抗侵徹防護(hù)技術(shù)的研究成果;對(duì)未來(lái)的研究工作提出了建議。
關(guān)鍵詞:動(dòng)能彈;侵徹機(jī)理;防護(hù)技術(shù)
Citation format:LI Zheng, LIU Yuan-xue, ZHANG Yu.Research Progress of Kinetic Energy Projectile Penetration Mechanism and Protection[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):9-14.
隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)透明度增加,重要戰(zhàn)略目標(biāo)大量轉(zhuǎn)入地下深層掩體內(nèi),一般武器裝備難以發(fā)揮作用。
動(dòng)能彈,也稱侵徹彈,是20世紀(jì)80年代由歐洲人率先提出的,依靠高空墜落形成的巨大動(dòng)能鉆入地下掩體后引爆裝藥毀傷目標(biāo)的精確制導(dǎo)武器。早期的動(dòng)能彈受到技術(shù)水平的限制,侵徹效果不佳,并未受到各國(guó)的關(guān)注。90年代初的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,多國(guó)軍隊(duì)“地毯”式轟炸伊拉克深層地下軍事目標(biāo)卻收效甚微,而美國(guó)應(yīng)急研制的激光制導(dǎo)鉆地動(dòng)能彈—GBU-28[1],成功穿透阿里米亞防空洞厚2.15m的鋼筋混凝土層以及覆蓋層,防空洞內(nèi)400多名避難者當(dāng)場(chǎng)被炸死,其前所未有的侵徹深度和破壞效果引起世界的關(guān)注,掀起了動(dòng)能彈的研究熱潮。
1動(dòng)能彈
動(dòng)能彈是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)條件下打擊地下深層戰(zhàn)略目標(biāo)武器系統(tǒng)的重要組成部分,依靠高空墜落的巨大動(dòng)能造成侵徹效果,單位面積上的動(dòng)能與侵徹效率正相關(guān),故長(zhǎng)桿彈成為動(dòng)能彈的主要形態(tài),而鎢合金、鈦合金、合金鋼等高強(qiáng)度、高密度材料成為制作彈體的主要材料,圖1為動(dòng)能彈侵徹戰(zhàn)斗部示意圖。
圖1 動(dòng)能侵徹彈戰(zhàn)斗部示意圖
隨彈體著靶速度的提高,彈體經(jīng)歷了從剛體侵徹到半流體侵徹,最終到流體侵徹的轉(zhuǎn)變過(guò)程,其侵徹破壞機(jī)理大不相同。且彈靶材料不同,臨界侵徹速度各異。根據(jù)彈體著靶速度的不同,將動(dòng)能侵徹過(guò)程粗略地分為4種情況[2]:低速侵徹(v<500 m/s)、中速侵徹(500 m/s
2動(dòng)能彈侵徹機(jī)理研究現(xiàn)狀
2.1實(shí)驗(yàn)研究與經(jīng)驗(yàn)公式
實(shí)驗(yàn)研究法是基于大量的彈道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合一定的假設(shè),歸納出彈靶侵徹深度的經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式。目前,國(guó)際上廣泛應(yīng)用的動(dòng)能彈侵徹巖石、混凝土等材料的經(jīng)驗(yàn)公式有法國(guó)的Pencelet公式、Petry經(jīng)驗(yàn)公式、俄國(guó)的別列贊經(jīng)驗(yàn)公式、美國(guó)國(guó)防委員會(huì)的 NDRC 公式、SNL 的Young公式、Forrestal的半經(jīng)驗(yàn)公式等。
表1 不同著靶速度下回收彈體形態(tài)統(tǒng)計(jì)
近年來(lái),動(dòng)能彈侵徹的實(shí)驗(yàn)研究也取得了一定的研究成果。將文獻(xiàn)[3-10]的侵徹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納總結(jié),如圖2~圖6和表1所示。其中,表1[7]為不同侵徹速度下,30CrMnSi動(dòng)能彈侵徹 C35混凝土靶板的回收彈體形態(tài)。圖2~圖5為不同彈靶強(qiáng)度、長(zhǎng)徑比、彈頭形狀時(shí),侵徹深度隨彈體著靶速度的變化關(guān)系圖[3,6,8,10]。其中,P為最終侵徹深度,L為彈體長(zhǎng)度,d為彈體直徑。
圖2 不同彈體強(qiáng)度時(shí),侵徹深度隨彈體著靶速度變化
圖3 不同靶體強(qiáng)度時(shí),侵徹深度隨彈體著靶速度變化
圖4 不同長(zhǎng)徑比時(shí),侵徹深度隨彈體著靶速度變化
圖5 不同彈頭形狀時(shí),侵徹深度隨彈體著靶速度變化
分析圖表可知,隨彈體著靶速度的增加,彈體逐漸由剛性彈轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃蜗g彈,且質(zhì)量損失越來(lái)越大。彈材強(qiáng)度與侵徹深度正相關(guān),靶材強(qiáng)度與侵徹深度負(fù)相關(guān)。彈靶強(qiáng)度相差越大,侵徹深度隨彈體著靶速度變化曲線的幅值就越大。在剛體侵徹過(guò)程中,著靶速度越大,侵徹深度越大。隨著靶速度的進(jìn)一步增加,進(jìn)入半流體侵徹過(guò)程,侵徹深度隨彈體著靶速度增加出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),這與下文的理論分析結(jié)果一致。隨著彈體長(zhǎng)徑比的增加,單位彈長(zhǎng)的有效侵徹深度反而降低,即長(zhǎng)徑比與彈體的侵徹效率負(fù)相關(guān)。但是長(zhǎng)徑比越大,最終侵徹深度越大。彈頭形狀對(duì)侵徹深度有較大影響,彈頭越鈍,侵徹效率越低。
此外,吳昊[11]進(jìn)行了剛性彈侵徹高強(qiáng)鋼纖維增強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土靶體的實(shí)驗(yàn)研究,提出了考慮彈靶摩擦阻力和彈頭形狀變化的鋼纖維混凝土靶侵徹深度的經(jīng)驗(yàn)公式。劉勇[12]進(jìn)行了侵徹鋼筋混凝土靶的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)使混凝土抗拉強(qiáng)度明顯提高,將混凝土中的鋼筋網(wǎng)等價(jià)為一定厚度的鋼板,提出了鋼筋混凝土靶侵徹深度的經(jīng)驗(yàn)公式。徐文崢[13]借助實(shí)驗(yàn)研究尖形彈丸垂直侵徹半無(wú)限混凝土靶的沖擊過(guò)載特性,考慮應(yīng)力波對(duì)靶體阻力的影響,得出簡(jiǎn)化的侵徹方程。武海軍[7]通過(guò)高速?gòu)椀琅谇謴厥沂?、石英石骨料混凝土靶的?shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)著靶速度越高,彈材強(qiáng)度越低,質(zhì)量消蝕越快。且石英石骨料混凝土的抗侵徹性能優(yōu)于石灰石骨料混凝土。
總的來(lái)說(shuō),動(dòng)能彈侵徹領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究集中在著靶速度1 300 m/s以下的中低速范圍內(nèi),經(jīng)驗(yàn)公式多假設(shè)彈體為剛性彈或變形非消蝕彈。受到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)水平的限制,高速/超高速侵徹的實(shí)驗(yàn)研究很少,僅有Sislby、Orphal和Forrestal等人進(jìn)行過(guò)少量動(dòng)能彈侵徹金屬靶板的實(shí)驗(yàn)研究,侵徹混凝土的實(shí)驗(yàn)只有Gold的幾組數(shù)據(jù),且最高著靶速度還不足2 km/s[14]。可見(jiàn),高速/超高速侵徹的實(shí)驗(yàn)研究還處于起步階段,有待進(jìn)一步完善。而且實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用高,適用范圍有限,只能反映彈靶侵徹始末狀態(tài)之間的關(guān)系,不能反映侵徹演化中間過(guò)程,有一定的局限性。
2.2理論分析
動(dòng)能彈侵徹常用理論有能量動(dòng)量守恒定律理論、空腔膨脹理論、微分面力法、局部相互作用理論以及彈塑性流體力學(xué)理論,其中空腔膨脹理論應(yīng)用最為廣泛。Bishop、Hill和Mott等人最早提出的空腔膨脹理論。Hopkins提出了針對(duì)不可壓縮彈塑性材料的空腔膨脹理論。Goodiert將 Hopkins的成果應(yīng)用于動(dòng)能彈高速侵徹金屬靶板的問(wèn)題中。Ross和Hanagud又將其推廣到可壓縮材料。Forrestal 等認(rèn)為脆性靶體響應(yīng)區(qū)分為彈性區(qū)、開裂區(qū)、塑性區(qū),對(duì)金屬材料和脆性材料的侵徹問(wèn)題進(jìn)行了求解[15]。Warren等[16]提出了一個(gè)考慮自由表面效應(yīng)的球形空腔膨脹理論的修正函數(shù)。王明洋[17]等運(yùn)用空腔膨脹理論,引入兩個(gè)系數(shù)研究斜入射和鋼球?qū)η稚畹挠绊?,得到了鋼球鋼纖維混凝土侵深計(jì)算公式。周輝[18]提出了適用于混凝土、巖石等脆性材料的新空腔膨脹模型。趙軍等[19]假設(shè)動(dòng)能彈侵徹過(guò)程中,主要在彈體頭部發(fā)生質(zhì)量損失,考慮彈頭形狀因子的影響,提出能夠考慮彈頭損耗的侵深計(jì)算公式。閃雨等[20]應(yīng)用混凝土的動(dòng)態(tài)球形空腔膨脹理論,建立了頭部和側(cè)壁分別具有不同摩擦因數(shù)的動(dòng)能彈侵徹阻力模型。
圖6 6種理論模型計(jì)算的侵徹深度變化曲線
圖7 不同彈靶組合時(shí),侵徹深度變化曲線
動(dòng)能彈侵徹的理論分析主要集中在兩個(gè)方面:一是對(duì)經(jīng)典空腔膨脹理論的修正,二是對(duì)高速侵徹理論模型的改進(jìn)。理論分析法可以得到清晰的侵徹參量的變化過(guò)程,但是如何去粗存精進(jìn)行合理的假設(shè)是一大難點(diǎn),還要加入修正的彈道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),且彈靶材料參數(shù)的準(zhǔn)確性受模型假設(shè)和參數(shù)好壞影響顯著,使得理論分析方法存在一定的誤差。
2.3數(shù)值模擬法
數(shù)值模擬借助計(jì)算機(jī),求解動(dòng)能彈侵徹的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方程組,可得到侵徹過(guò)程中各參量的時(shí)程變化關(guān)系和具體圖像,清晰地觀測(cè)到彈靶材料的變形過(guò)程,彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析方法的不足。而且數(shù)值模擬有利于進(jìn)行不同彈靶組合、邊界條件、初始條件的計(jì)算,成本低,效率高,得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外動(dòng)能彈侵徹領(lǐng)域的數(shù)值模擬研究主要集中在以下幾個(gè)方面:
1) 研究網(wǎng)格尺寸、數(shù)值模擬算法對(duì)侵徹性能的影響。模擬結(jié)果顯示[21-22],在建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí),彈體半徑與靶體網(wǎng)格尺寸的比值不宜小于2.6,取值在4~6之間計(jì)算結(jié)果比較滿意。在高速侵徹模擬中,Langrang網(wǎng)格因嚴(yán)重畸變而被迅速刪除,造成彈靶不可忽略的質(zhì)量損失,與實(shí)際情況不符。而ALE算法在高速侵徹模擬中表現(xiàn)出較好性能,能夠得到清晰的物質(zhì)界面。
2) 分析著靶速度、彈靶強(qiáng)度、入射角度、彈頭形狀和長(zhǎng)徑比等對(duì)侵徹性能的影響,數(shù)值模擬結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析結(jié)論保持一致[23-24]。
3) 研究新的混凝土動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型,并應(yīng)用到數(shù)值模擬中,考察不同本構(gòu)模型對(duì)侵徹性能的影響。例如范飛林[25]在Ottosen靜態(tài)本構(gòu)的基礎(chǔ)上,考慮應(yīng)變率強(qiáng)化和損傷軟化提出的混凝土沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)本構(gòu);徐浩[26]考慮加載路徑、多孔性和壓力相關(guān)性等,修正拉伸損傷和應(yīng)變率效應(yīng)后提出的新動(dòng)態(tài)本構(gòu);路德春[27]提出的混凝土三維動(dòng)態(tài)彈塑性本構(gòu)模型等。
4) 在動(dòng)能彈侵徹鋼筋混凝土領(lǐng)域,分析鋼筋混凝土含筋率、彈著點(diǎn)等對(duì)侵徹性能的影響。模擬結(jié)果顯示[28],鋼筋直徑越大或編織越密集,即體積含筋率越高,抗侵徹力越強(qiáng)。彈著點(diǎn)對(duì)彈體侵徹能力影響顯著,擊中鋼筋交叉點(diǎn)時(shí)彈體能量損失最大。
3地下工程新型遮彈技術(shù)
遮彈層作為一種重要的防護(hù)結(jié)構(gòu),其作用是有效攔截鉆地武器,迫使其在遮彈層內(nèi)爆炸,降低甚至消除鉆地武器對(duì)地下工程的毀傷效應(yīng)。傳統(tǒng)遮彈層通常由具有較強(qiáng)抗壓、抗腐蝕性能的混凝土或塊石構(gòu)成,現(xiàn)有的鉆地武器侵徹效應(yīng)研究多集中在彈體侵徹土、巖石、混凝土等介質(zhì)方面。
現(xiàn)代化條件下,新型鉆地武器的精確制導(dǎo)能力、有效射程、侵徹能力等均大幅度提高,無(wú)限制地增加傳統(tǒng)遮彈層的厚度顯然并不現(xiàn)實(shí),新型遮彈技術(shù)的研究迫在眉睫。近年來(lái),地下工程新型遮彈技術(shù)的研究主要從以下3個(gè)方面入手:
1)通過(guò)增大遮彈層材料強(qiáng)度(如高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土、鋼筋-鋼纖維/鋼絲網(wǎng)混凝土、金屬混凝土等),提高材料的動(dòng)態(tài)抗壓、抗拉、抗彎等力學(xué)性能,減小鉆地武器侵徹深度。例如:陳英偉[29]使用固定砂石體積法和參數(shù)設(shè)計(jì)法,進(jìn)行了70~100 MPa的高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)和性能實(shí)驗(yàn);巫緒濤[30]對(duì)鋼纖維含量分別為0%、2%、4%和6%,強(qiáng)度等級(jí)分別為C60、C80和C100的鋼纖維混凝土進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖擊壓縮(5個(gè)應(yīng)變率)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鋼纖維對(duì)混凝土的壓縮增強(qiáng)作用微弱,對(duì)混凝土的增韌效果隨鋼纖維含量的增加而顯著提高;查呂應(yīng)、何翔、楊建超等[31]用金屬作為膠凝材料研制出了金屬混凝土,測(cè)試得到金屬含量15%~25%,密度為3 050~3 250 kg/m3的金屬混凝土抗壓強(qiáng)度為210~320 MPa,抗折強(qiáng)度為105~216 MPa,抗侵徹優(yōu)勢(shì)顯著。
2) 通過(guò)優(yōu)化遮彈層結(jié)構(gòu)(鋼管混凝土、鋼板混凝土等),提高結(jié)構(gòu)整體的抗侵徹能力,減小鉆地武器侵徹深度。例如:甄明[32]進(jìn)行了12.7 mm穿甲槍彈侵徹鋼管混凝土的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)彈體高速侵徹作用下,鋼管混凝土靶與無(wú)側(cè)限約束混凝土靶的破壞模式差別很大,前者核心混凝土的側(cè)面出現(xiàn)環(huán)向裂紋,抗侵徹性能優(yōu)越,且抗多發(fā)打擊能力突出;蔣志剛[33]借助LS-DYNA有限元軟件,進(jìn)行了與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與侵徹實(shí)驗(yàn)吻合較好,同時(shí)指出鋼管約束混凝土的環(huán)向裂紋是入射壓縮波與反射拉伸波及鋼管約束效應(yīng)共同作用的結(jié)果;吳鵬[34]研究了彈體侵徹鋼板混凝土的變形和破壞過(guò)程,發(fā)現(xiàn)侵徹過(guò)程中薄層鋼板提供的是一種膜力,可使最終侵徹深度明顯減小。
3) 在遮彈層中設(shè)置偏航層(鋼棒偏航、空心三棱柱偏航、剛玉球偏航、陶瓷球或其他硬質(zhì)巖石球偏航等),使彈體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),減小鉆地武器侵徹深度。例如:孫巖[35]進(jìn)行了桿式彈侵徹含剛玉球遮彈層的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)剛玉球直徑與遮彈層抗侵徹性能正相關(guān),含剛玉球?qū)拥穆裆钆c抗侵徹性能負(fù)相關(guān),且剛玉球的表面曲率對(duì)侵徹深度有較大影響;王起帆[36]進(jìn)行了彈體侵徹含高強(qiáng)RPC球柱偏航層的鋼纖維混凝土遮彈層的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示此遮彈層偏航效果顯著,應(yīng)用前景廣闊;高光發(fā)[37]指出,表面偏航層必須保持水平方向的較大梯度,設(shè)置功能斜面(斜面兩側(cè)介質(zhì)的強(qiáng)度和硬度相差極大)或功能弧面是行之有效的方法。
4結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,國(guó)內(nèi)外動(dòng)能彈侵徹領(lǐng)域的研究多集中在彈體著靶速度1 300 m/s以下的中低速范圍內(nèi),相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究及經(jīng)驗(yàn)公式、理論模型和數(shù)值模擬等已初成體系,而動(dòng)能彈高速/超高速侵徹的研究仍然處于起步階段,其侵徹破壞機(jī)理尚不清晰。現(xiàn)階段的研究仍然存在諸多不足,下一步值得解決的問(wèn)題有:① 發(fā)展高速/超高速撞擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)和檢測(cè)手段,開展大量半流體、流體侵徹實(shí)驗(yàn)研究,記錄彈體侵蝕演變規(guī)律和靶體破壞形態(tài),為高速/超高速侵徹的理論研究和數(shù)值模擬提供支撐。② 混凝土材料超高應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型的不斷改進(jìn)和數(shù)值實(shí)現(xiàn)。③ 現(xiàn)階段新型遮彈材料和結(jié)構(gòu)(如PRC混凝土、鋼管混凝土、金屬混凝土等)的破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)模型的研究與改進(jìn),并將其應(yīng)用于理論分析和數(shù)值模擬。④ 研制具有更好抗侵徹性能的新型遮彈材料,并將其推廣到工程實(shí)踐中。
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(責(zé)任編輯周江川)
Research Progress of Kinetic Energy Projectile Penetration Mechanism and Protection
LI Zheng, LIU Yuan-xue, ZHANG Yu
(Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geological Environmental Protection,Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)
Abstract:Kinetic energy projectile plays an important role in attacking deep underground targets. It is very important to study its penetration mechanism and protection technology. Firstly, the paper reviewed the recent progress of the kinetic energy projectile penetration mechanism, and pointed that experimental study were more concentrated in the low-speed range(v<1 300 m/s), and the existing empirical formulas more considerate rigid projectile or deformed non-eroded projectile, and relevant theoretical models and numerical simulation studies had formed into early system. But the research of high-speed/ultra high-speed kinetic energy projectile penetration technology is still in its infancy and its failure mechanism is not yet clear. Secondly, the paper summarized the research results of new anti-penetration protection technology from the view of increasing the strength of bursting layer, optimizing layer structure and designing yaw. Finally, some research proposals were given for the future study.
Key words:kinetic energy projectile; penetration mechanism; protection technology
文章編號(hào):1006-0707(2016)03-0009-06
中圖分類號(hào):O347.3;TJ2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
doi:10.11809/scbgxb2016.03.003
作者簡(jiǎn)介:李爭(zhēng)(1992—),女,碩士研究生,主要從事巖土本構(gòu)關(guān)系及其軍事地下工程穩(wěn)定性研究。
基金項(xiàng)目:重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015jcyjA30007)重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA30011,cstc2014jcyjA30015)
收稿日期:2015-09-29;修回日期:2015-10-15
本文引用格式:李爭(zhēng),劉元雪,張?jiān)?動(dòng)能彈侵徹機(jī)理及其防護(hù)研究進(jìn)展[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016(3):9-14.
【裝備理論與裝備技術(shù)】