破甲/殺傷多用途戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

王利俠，袁寶慧，孫興昀，劉豐旺，唐　斌，李妍妍，董立明

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

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破甲/殺傷多用途戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

王利俠，袁寶慧，孫興昀，劉豐旺，唐斌，李妍妍，董立明

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

摘要：為使戰(zhàn)斗部能夠打擊多種目標(biāo)，在保持原單兵破甲戰(zhàn)斗部的質(zhì)量、外形結(jié)構(gòu)和破甲威力基本不變的條件下，利用新型薄型波形控制器、半預(yù)制殼體和精密破甲戰(zhàn)斗部技術(shù)，設(shè)計(jì)了破甲/殺傷多用途戰(zhàn)斗部。采用射流垂直穿深試驗(yàn)、射流大間隔靶和破片殺傷試驗(yàn)，研究了改進(jìn)后單兵破甲彈的射流穿深和破片殺傷威力。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的多用途戰(zhàn)斗部在大炸高下使射流侵徹帶前掛板加厚度80mm/50°均質(zhì)靶后，還可穿透不低于3塊厚度10mm的Q235靶板。周向殺傷破片能穿透距爆心5～10m處厚度1.5mm的 Q235鑒證鋼板，破片密度不小于2枚/m2，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部多功能的打擊需求。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；多用途戰(zhàn)斗部；破甲穿深；破片殺傷威力；大炸高

引 言

彈藥戰(zhàn)斗部不僅要求有足夠的作戰(zhàn)威力，而且應(yīng)具有多種毀傷效應(yīng)，以提高其戰(zhàn)場(chǎng)使用的靈活性和多目標(biāo)打擊能力。破甲彈作為常規(guī)反裝甲武器裝備，主要用于打擊點(diǎn)目標(biāo)(坦克)或硬目標(biāo)(防護(hù)工事)[1]，而針對(duì)作戰(zhàn)人員所兼?zhèn)涞母綆δ苡邢?。因此，為提高現(xiàn)有單兵或輕型破甲彈的附加殺傷能力，目前破甲/殺傷多用途戰(zhàn)斗部在破甲與殺傷功能的設(shè)計(jì)思路和功能分配上，大多以降低射流的部分穿深威力為條件，來(lái)滿足附帶殺傷功能的需要。如文獻(xiàn)[2]將爆破、殺傷和破甲3種不同功能的戰(zhàn)斗部結(jié)合在一起形成綜合效應(yīng)戰(zhàn)斗部，雖能滿足一種武器攻擊多種目標(biāo)的需求，但在技術(shù)上較復(fù)雜，而且其中的每一種戰(zhàn)斗部都無(wú)法發(fā)揮出最佳效能；徐文旭等[3]設(shè)計(jì)的破甲/殺傷多用途戰(zhàn)斗部，利用金屬射流擊毀坦克和預(yù)制鎢球來(lái)摧毀武裝直升機(jī)。

為使破甲/殺傷戰(zhàn)斗部既能夠滿足打擊多種目標(biāo)，在保證單兵或輕型反裝甲戰(zhàn)斗部在質(zhì)量、外形結(jié)構(gòu)等基本不變時(shí)，又盡可能保持原破甲威力，并附加對(duì)人員的有效殺傷，實(shí)質(zhì)就是解決對(duì)彈藥有效載荷的再分配和提高炸藥的能量利用率。本研究采用新型薄型波形控制器和半預(yù)制鋼殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用成熟的精密戰(zhàn)斗部技術(shù)[4]，將縮減節(jié)余出的戰(zhàn)斗部質(zhì)量和空間用于殺傷功能設(shè)計(jì)上，使戰(zhàn)斗部在保持穿深威力的基礎(chǔ)上，又增加了殺傷功能，實(shí)現(xiàn)同時(shí)打擊多目標(biāo)、多用途的需求。

1戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)及原理

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

破甲/殺傷多用途戰(zhàn)斗部在原單兵破甲彈基礎(chǔ)上增加半預(yù)制殼體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中采用的薄型波形控制器為硅橡膠、金屬鋁板材料復(fù)合而成；風(fēng)帽用于保證戰(zhàn)斗部正常形成射流的炸高；半預(yù)制殼體形成殺傷破片。為了改善射流的抗干擾能力、提高射流和破片的打擊威力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了精密藥型罩、精密裝藥和精密裝配的戰(zhàn)斗部技術(shù)[5]，提高主裝藥的內(nèi)在質(zhì)量及射流品質(zhì)。

圖1　多用途戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及外形圖Fig. 1　Structure and outline drawing of multi-purpose warhead

多用途戰(zhàn)斗部作用原理為：當(dāng)前端觸及目標(biāo)，向后端引信發(fā)出引爆信號(hào)，引爆裝藥，由于薄型波形控制器的存在使起始爆炸的球面波波形，改變?yōu)槔@過(guò)波形控制器，并與經(jīng)過(guò)它的爆轟波產(chǎn)生疊加，而合成為錐形起始爆轟波向前傳播[6-7]，并作用于藥型罩形成軸向高速射流，打擊坦克或穿透裝甲；同時(shí)使半預(yù)制殼體在裝藥側(cè)向爆炸產(chǎn)物作用下膨脹而破裂為大小、質(zhì)量較為規(guī)則的破片，以動(dòng)能擊穿來(lái)殺傷目標(biāo)。

1.2半預(yù)制殼體設(shè)計(jì)

在保證彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，采用薄壁鋼質(zhì)殼體的外表面刻V型槽，使彈體局部強(qiáng)度減弱，以控制爆炸時(shí)殼體的破裂位置。依據(jù)打擊人員目標(biāo)的特性和已有破片毀傷的研究基礎(chǔ)，計(jì)算殺傷人員的有效破片質(zhì)量約1g，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)要形成的破片大小及形狀，并由預(yù)刻的溝槽來(lái)控制破片的形狀與大小[8]。通過(guò)刻槽將殼體壁分成許多尺寸相等的菱形或方形網(wǎng)格小塊，當(dāng)炸藥爆炸時(shí)，由于刻槽處的應(yīng)力集中而沿此處破裂產(chǎn)生破片。戰(zhàn)斗部殼體外表面刻槽形狀見(jiàn)圖2。圖中a為棱形邊長(zhǎng)，b為棱形短軸長(zhǎng)，t為殼體厚度，h為刻槽深度，h取約t/3，θ為V型槽半錐角。

圖2　殼體外表面等分刻槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Sketch of equivalent notch groove on theoutside surface of shell

利用格尼(Gurney)公式，考慮端面稀疏波及藥柱錐形空穴等影響時(shí)取修正系數(shù)k為0.7～0.8，計(jì)算破片初速約1600m/s，質(zhì)量約1g，對(duì)人員目標(biāo)有強(qiáng)殺傷作用?？梢?jiàn)采用半預(yù)制鋼殼加強(qiáng)了對(duì)裝藥的約束作用，有助于炸藥能量的充分利用和提高破片速度。

1.3波形控制器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)起始波形的控制，加入復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄型波形控制器，其作用為：(1)減小作用于藥型罩上的波陣面與藥型罩母線的夾角，增加作用于罩上的初始?jí)毫?，以達(dá)到提高射流破甲威力的目的；(2)降低副藥柱高度以降低整體裝藥高度及質(zhì)量。薄型波形控制器的波形控制部分與常規(guī)聚能裝藥副藥柱加傳統(tǒng)波形調(diào)整器方案相比，不僅高度可縮減約50%，其裝藥量也可減輕約50%[9]。利用SJZ-15高速相機(jī)的狹縫掃描攝影技術(shù)，以6mm/μs的掃描速度對(duì)隔板下罩頂上部炸藥斷面的爆轟波波陣面掃描照相，測(cè)試波形見(jiàn)圖3。

圖3　罩頂炸藥端面高速攝影爆轟波陣面形狀圖Fig.3　Picture of detonation wave front of explosive on the top of liner by high-speed photography

由圖3可見(jiàn)，使用薄型波形控制器在藥型罩一側(cè)的炸藥端面上形成了理想對(duì)稱的錐形收斂波，可作為起始爆轟波實(shí)現(xiàn)主裝藥的環(huán)形同步起爆。

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

針對(duì)具有射流和破片兩種毀傷元的多用途戰(zhàn)斗部的作用特點(diǎn)和目標(biāo)特性，設(shè)計(jì)了圖4所示的多用途戰(zhàn)斗部的試驗(yàn)布局。前掛板、側(cè)向鑒證板和后效靶[10]分別等效為厚度3.0、1.5和10.0mm的Q235鋼板；主靶板等效厚度為80mm的均質(zhì)裝甲鋼板。

圖4　多用途戰(zhàn)斗部試驗(yàn)布局Fig. 4　Experiment sketch of multi-purpose warhead

圖4所示的試驗(yàn)布局除側(cè)向鑒證板外，前掛板、后效靶和主靶板均與彈軸方向50°著角，利用帶前掛板的大炸高間隔狀態(tài)主要是為了模擬射流打擊主戰(zhàn)坦克的側(cè)甲和輕型裝甲時(shí)，兼顧考慮到主裝甲外側(cè)的防護(hù)柵欄或履帶裙板等對(duì)射流的干擾作用；后效靶用于驗(yàn)證射流穿透主靶后的剩余穿深及毀傷能力，即所能發(fā)揮的后效作用。

為使結(jié)果方便表述和理解，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的考查內(nèi)容分兩部分:內(nèi)容Ⅰ和內(nèi)容Ⅱ。

考查內(nèi)容Ⅰ要求試驗(yàn)既驗(yàn)證多用途戰(zhàn)斗部的射流穿深威力，又能觀察射流的大炸高抗干擾和穩(wěn)定性性能。

考查內(nèi)容Ⅱ主要利用周向鑒證板檢驗(yàn)戰(zhàn)斗部側(cè)向半預(yù)制破片的殺傷效能[11-12]，將Q235鋼板放置于周向距爆心5～10m處，參照GJB140-86有關(guān)后效靶及文獻(xiàn)[12]對(duì)扇形靶試驗(yàn)布置部分規(guī)定，模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)把尺寸1000mm×500mm鑒證板在戰(zhàn)斗部爆心周圍的不同距離上圍成扇形，戰(zhàn)斗部爆炸后，求出靶板每一單位面積上命中的破片數(shù)，用有效穿孔數(shù)來(lái)綜合評(píng)價(jià)破片殺傷威力。

2.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)彈彈徑均為80mm,裝藥為壓裝JH-16塑性黏結(jié)炸藥，密度約1.71g/cm3；采用紫銅藥型罩、罩錐角約50°。

2.3射流垂直穿深試驗(yàn)

射流垂直破甲穿深試驗(yàn)布置見(jiàn)圖5。試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)彈、炸高架及45號(hào)鋼靶多塊層疊而成，試驗(yàn)炸高分別為有利炸高及14倍裝藥直徑大炸高。

試驗(yàn)原理為戰(zhàn)斗部起爆形成射流后，不同炸高下侵徹一定厚度的45號(hào)鋼層疊靶，通過(guò)實(shí)際測(cè)量穿透鋼靶的總深度、穿孔直徑及靶面入孔狀態(tài)等參數(shù)判斷射流在不同炸高下的穿深威力。

圖5　射流垂直破甲穿深試驗(yàn)布置圖Fig.5　Test layout of vertical static penetrating depth test by shaped charge jet

2.4射流大間隔靶和破片殺傷試驗(yàn)

(1)射流大間隔靶威力判據(jù)

考慮坦克側(cè)甲及輕型裝甲的防護(hù)厚度、防護(hù)環(huán)境等因素，多用途戰(zhàn)斗部模擬試驗(yàn)中讓射流首先穿透厚度3mm前掛板加80mm /50°均質(zhì)鋼板后，對(duì)多塊后效靶產(chǎn)生作用。根據(jù)主靶和后效靶穿透情況以及后效靶穿透塊數(shù)判斷射流在對(duì)大間隔靶作用時(shí)的打擊威力。

(2)破片殺傷威力判據(jù)

根據(jù)破片穿透距爆心一定距離處厚度1.5mm Q235鑒證板上穿孔數(shù)目計(jì)算得到破片密度，判斷破片的殺傷威力。按照破片能穿透1.5mm低碳鋼板和破片密度不小于2枚/ m2形成對(duì)人員有效殺傷[11-12]的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作出判斷。

按照?qǐng)D4所示進(jìn)行試驗(yàn)布局，主靶為厚度80mm均質(zhì)鋼板；數(shù)塊鑒證板呈扇形分別布設(shè)于距爆心5、7、8和10m處。射流大間隔靶穿透和殺傷威力試驗(yàn)靶前、靶后的現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖6。

圖6　射流大間隔靶和破片殺傷試驗(yàn)布置圖Fig.6　Test layout of jet penetration depth and fragments lethality

3結(jié)果與討論

3.1不同炸高的射流穿深威力

在有利炸高和14倍裝藥直徑大炸高的射流垂直靜破甲穿深試驗(yàn)結(jié)果分別如圖7所示。

圖7　射流垂直靜破甲穿深試驗(yàn)結(jié)果Fig.7　The results of vertical static penetrating depth test by shaped charge jet

由圖7(a)和(b)可以看出，有利炸高時(shí)射流對(duì)45號(hào)鋼層疊靶的垂直穿深分別為625mm和650mm，已達(dá)到原單兵破甲彈結(jié)構(gòu)的威力，因此，采用薄型波形控制器、精密破甲戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)，可使研究的多用途戰(zhàn)斗部實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部的穿深基本不變。

由圖7(c)和(d)可知， 在14倍裝藥直徑大炸高時(shí)，3發(fā)試驗(yàn)射流對(duì)45號(hào)鋼的垂直穿深分別為210、245和245mm，滿足實(shí)際要求的打擊厚度80mm/50°裝甲鋼、大炸高下的垂直等效穿深厚度。

以上射流穿深試驗(yàn)結(jié)果與采用李金銘等[13]推導(dǎo)的射流對(duì)靶板侵徹深度的炸高計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果一致，可見(jiàn)，新設(shè)計(jì)的多用途戰(zhàn)斗部在不同炸高條件下射流穿深威力均得到了較好發(fā)揮。

3.2射流后效及破片殺傷威力

后效靶射流穿透結(jié)果和側(cè)向鑒證板破片打擊效果如圖8所示。

由圖8可以看出，多用途戰(zhàn)斗部射流在大間隔靶時(shí)可穿透帶前掛板加厚度80mm/50°均質(zhì)鋼板，并有效穿透3～6塊后效靶，具有較好的大炸高穿深及抗干擾能力。因此，利用薄型波形控制器得到有利的爆轟波波形，提高了射流速度和穿深；而采用精密破甲技術(shù)改善了戰(zhàn)斗部裝藥和射流質(zhì)量，提高了射流抗干擾能力，有利于射流大炸高下的威力及性能穩(wěn)定。

由圖8也可看到，半預(yù)制破片在5、7、 8和10m處均可實(shí)現(xiàn)有效殺傷，在8m處較多破片可以穿透第二層鑒證鋼板，甚至在10m處仍有6～7枚破片有效穿透了鑒證鋼板，換算得知該戰(zhàn)斗部在10m處的扇形靶上可穿透2～3孔/m2，破片的有效殺傷半徑10m。隨著殺傷半徑的增加，有效破片的散布范圍逐步擴(kuò)大，密集度有所降低?？梢?jiàn)，半預(yù)制殼體設(shè)計(jì)能產(chǎn)生威力要求半徑上的有效破片密度且實(shí)現(xiàn)破片形狀、大小和質(zhì)量可控制。

圖8　射流和破片對(duì)靶板的毀傷效果Fig.8　Danage effects of shaped charge jet and fragments on targets

4結(jié)論

(1)采用薄型波形控制器、半預(yù)制鋼殼設(shè)計(jì)和精密破甲戰(zhàn)斗部技術(shù)，使單兵戰(zhàn)斗部在基本保持原有穿深威力的基礎(chǔ)上，又增加殺傷功能，實(shí)現(xiàn)多用途戰(zhàn)斗部多目標(biāo)打擊需求。

(2)利用對(duì)裝藥精密加工和精密裝配技術(shù)，使多用途戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，提高了戰(zhàn)斗部裝藥和射流質(zhì)量，保證了射流大炸高的抗干擾能力，使多用途戰(zhàn)斗部可用于打擊大間隔靶的裝甲目標(biāo)，并具有顯著的后效作用，即在大間隔作用距離，射流穿透帶前掛板加厚度為80mm/50°均質(zhì)靶板后，還能穿透厚度10mm的3塊以上后效靶。

(3)在戰(zhàn)斗部射流打擊裝甲目標(biāo)的同時(shí)，產(chǎn)生周向殺傷破片能穿透距爆心5～10m處厚度1.5mm的Q235鑒證板，且密度不小于2枚/ m2，能對(duì)人員目標(biāo)形成有效殺傷作用。

致謝：參加本課題研究和方案設(shè)計(jì)的還有西安近代化學(xué)研究所的孫建研究員、梁爭(zhēng)峰研究員等，在此表示衷心感謝！

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Structural Design and Experimental Research on the Anti-armor and Anti-personnel Multi-purpose Warhead

WANG Li-xia, YUAN Bao-hui, SUN Xing-yun, LIU Feng-wang, TANG Bin, LI Yan-yan, DONG Li-ming

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To make the warhead strike a variety of targets, under the basically unchanged conditions of keeping the mass, configuration and penetration depth of original individual armor-penetrating warhead， a new type of anti-armor and anti-personnel multi-functional warhead was designed by new thin waveform controller, semi-performed fragment shell and precision penetration warhead technology. The improved jet penetrating depth and the fragments lethality of individual armor-penetrating warhead were studied by vertical jet penetration test, big disconnected target test and fragment destruction test. Results show that under the condition of high stand-off, the jet current of the designed multi-purpose warhead can penetrate no less than 3-layer 10mm Q235 after effect target plates after penetrating 80mm/50° homogeneous target plate. The circumferential antipersonnel fragments can penetrate the Q235 verifying armor plate with thickness of 1.5mm, 5-10m away from explosion center, with fragment density not less than 2 fragments per square meter. This technology can realize the demand of the warhead multi-function dampen.

Keywords:explosion mechanics；multi-purpose warhead；penetration depth；damage fragments；lethality high stand-off

中圖分類號(hào)：TJ55;O38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)02-0075-05

作者簡(jiǎn)介:王利俠(1966-)，女，高級(jí)工程師，從事聚能戰(zhàn)斗部技術(shù)及毀傷效應(yīng)研究。E-mail:wlx201311tgy@163.com通迅作者:袁寶慧(1959-)，男，研究員，從事彈藥及戰(zhàn)斗部技術(shù)研究。E-mail:ybhybh59@sina.com

基金項(xiàng)目:國(guó)防基礎(chǔ)研究項(xiàng)目

收稿日期:2015-09-29；修回日期:2015-11-15

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.016