電磁炮用動(dòng)能彈高速侵徹半無限鋼靶的機(jī)理研究

馮曉暉

摘 要：電磁炮是一種新型武器，能夠通過電磁力驅(qū)動(dòng)彈丸高速侵徹半無限鋼靶，彈丸高速撞擊靶板形成高壓，當(dāng)高壓超過彈丸和靶板的材料強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使材料產(chǎn)生變形，最終形成一個(gè)侵徹彈坑。文章進(jìn)行了動(dòng)能彈高速侵徹半無限鋼靶的實(shí)驗(yàn)研究，在設(shè)計(jì)動(dòng)能彈時(shí)，要考慮到絕緣性、材料強(qiáng)度、材料性能穩(wěn)定性，并在彈丸中設(shè)計(jì)一個(gè)良好的緩沖結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對高速侵徹時(shí)產(chǎn)生的加速度，并確保侵徹穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：電磁炮；動(dòng)能彈；高速侵徹；半無限鋼靶

電磁炮是近年來世界各軍事強(qiáng)國研究的方向之一，是一種機(jī)理更新穎、殺傷力更強(qiáng)大的新概念武器，作為一種超高速度的動(dòng)能武器，電磁軌道炮使用電磁能加速彈丸，通過電源、金屬導(dǎo)軌、電樞和彈丸組件形成一個(gè)大型電路，由電源產(chǎn)生的電流，在經(jīng)導(dǎo)軌、電樞和導(dǎo)軌流轉(zhuǎn)后，形成一個(gè)大型電流回路，電流經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的電磁場會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)大的電磁推力即安培力，并驅(qū)動(dòng)電樞對彈丸組件做推動(dòng)作用，使其能夠沿著軌道急速行進(jìn)。電磁軌道炮的發(fā)展，也使彈丸侵徹問題成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，侵徹理論是基于試驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)仿真分析、理論計(jì)算分析等方法進(jìn)行合理假設(shè)，將復(fù)雜公式化簡后，簡化復(fù)雜的問題，從而計(jì)算彈丸侵徹深度。電磁炮動(dòng)能彈侵徹半無限鋼靶的機(jī)理，不僅涉及高速彈丸的設(shè)計(jì)，還需要對其加速度、電樞一體化的彈托結(jié)構(gòu)、侵徹實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行研究。

1 電磁炮動(dòng)能彈彈丸組件結(jié)構(gòu)

1.1 彈丸組件

1.1.1 彈芯設(shè)計(jì)

彈丸組件中的彈芯是完成侵徹半無限鋼靶任務(wù)的構(gòu)件，這一結(jié)構(gòu)是彈丸組件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，鎢合金、貧鈾合金是彈芯結(jié)構(gòu)的主要材料，鎢合金因?yàn)閷τ谌梭w的傷害性較小又成為首選材料。將彈芯環(huán)形齒與彈托的環(huán)形槽配合，能夠提高應(yīng)力承受能力，并且不會(huì)造成破壞[1-2]。

1.1.2 風(fēng)帽設(shè)計(jì)

在彈芯前部，設(shè)計(jì)錐形或拋物線形的風(fēng)帽，降低彈芯飛行時(shí)承受的空氣阻力，改善彈丸頭部氣動(dòng)外形，使用鋁合金或超硬鋁合金材料設(shè)計(jì)風(fēng)帽，還能夠降低風(fēng)帽對于侵徹任務(wù)的影響。

1.1.3 尾翼設(shè)計(jì)

尾翼設(shè)計(jì)是保證彈芯飛行穩(wěn)定性和侵徹效果的因素之一，尾翼的材料選擇要避免影響彈芯的侵徹效果，因此，合金鋼、超硬鋁是主要使用的材料，還需要對尾翼進(jìn)行一定的處理，如表面涂抹高溫涂料等，以避免彈丸組件飛行時(shí)不會(huì)因氣動(dòng)燒蝕造成破壞。

1.2 彈托電樞結(jié)構(gòu)的電磁推力研究

有限無分析軟件Ansys是研究高速彈丸侵徹問題的常用軟件，使用這一軟件建模，選擇純銅作為軌道材料，并將超硬鋁作為彈托電樞結(jié)構(gòu)材料，兩種材料的電磁率分別是1.7×10-8 Ω·m，2.9×10-8 Ω·m，取0.99作為相對磁導(dǎo)率，導(dǎo)軌截面大小取30 mm×15 mm，兩導(dǎo)軌之間的距離則設(shè)計(jì)為60 mm，軌道長為30 mm，由于軌道長度直接影響了電流集中度數(shù)值，而純銅電流集中度是43 kA/mm，要避免電流過大導(dǎo)致導(dǎo)軌因過熱融化，可以取軌道長為30 mm.

在無限元單元中建立一個(gè)軸對稱幾何模型，選擇solid97單元作為結(jié)構(gòu)模型，對電磁炮在空氣中飛行時(shí)的電磁學(xué)特性進(jìn)行模擬，獲取不同時(shí)刻，導(dǎo)軌和彈托內(nèi)部流經(jīng)的電流密度具體分布情況，電流密度與電流波形呈共同變化的特點(diǎn)，電流表現(xiàn)出明顯的趨膚效應(yīng)[3-5]。

電流密度主要在彈托尾部集中，使電磁力在彈托尾部集中。在電流趨膚效應(yīng)下，與彈托尾部越接近，電磁力也就越大。彈托會(huì)因時(shí)間變化而承受不同的電磁力，放電時(shí)間在0.6 ms內(nèi)，電流波形與電磁力增長趨勢類似于線性趨勢；放電時(shí)間在0.6 ms以上時(shí)，電流波形與電磁力增幅都會(huì)趨于平直緩慢；放電時(shí)間在5.5 ms時(shí)，彈托會(huì)承受最大的電磁力值3.1×105 N。之后，電流波形會(huì)逐漸下降，在8 ms時(shí)，放電結(jié)束，電磁力歸零，繼續(xù)充電，并積蓄下一輪彈丸組件所需的發(fā)射能量。

在導(dǎo)軌發(fā)射時(shí)，導(dǎo)軌發(fā)射器可以視為電源負(fù)載之一，沿邊導(dǎo)軌長度分布有電阻與電感。

其中，a表示彈托上承載的加速度，m表示彈丸組件的總質(zhì)量，F(xiàn)則表示彈托所承受的電磁力；a1表示彈托尾部所承受的加速度，m1則表示彈托尾部近似于電樞結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

利用軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算后，可以得知彈頭在放電后，從第1齒開始到第10齒，應(yīng)力逐漸降低，因此，彈芯上的環(huán)形齒會(huì)逐漸的承載接觸應(yīng)力，在0.6 ms時(shí)，第1齒承受的應(yīng)力達(dá)到了460 MPa。放電時(shí)間逐漸增加，彈芯和彈托之間會(huì)逐漸產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，放電時(shí)間在5.5 ms時(shí)，接觸應(yīng)力會(huì)達(dá)到最大值，是587 MPa，這一數(shù)值已經(jīng)對彈芯中所使用的鎢合金材料產(chǎn)生了較大的威脅，必須改善應(yīng)力分布的均勻性。出現(xiàn)這種狀況的原因在于由于沖擊載荷的變化，彈體內(nèi)部各個(gè)環(huán)形齒所承受的加速度是有差別的，放電持續(xù)時(shí)間不同，對于加速度 和電流波形也會(huì)有強(qiáng)烈的影響，持續(xù)時(shí)間越短，載荷的上升時(shí)間也越短，因而會(huì)使應(yīng)力波前的應(yīng)力梯度越大，進(jìn)而產(chǎn)生更高的加速度，這也是第1齒受力最大的原因，為避免應(yīng)力過高，對彈體造成破壞，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)，設(shè)置一個(gè)緩沖結(jié)構(gòu)。

2 侵徹試驗(yàn)及結(jié)果

運(yùn)用Anasys/Ls-dyna軟件可以模擬進(jìn)行侵徹試驗(yàn)，使用Largrange網(wǎng)格劃分侵徹模型，并計(jì)算仿真數(shù)值，彈芯則選擇Shock強(qiáng)度模型，靶板材料是38CrMoAl，選擇Von-Mises模型[6-7]。當(dāng)彈丸高速侵徹靶板時(shí)，會(huì)形成開坑和準(zhǔn)穩(wěn)定侵徹兩個(gè)階段，彈芯高速撞擊到靶板上，接觸瞬間會(huì)形成高壓，并且這一壓力值會(huì)超過彈丸和靶板材料的強(qiáng)度，材料就會(huì)形成局部變形和破壞。靶板由于徑向應(yīng)力出現(xiàn)塑性變形，并沿著徑向進(jìn)行塑性流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生了孔洞。靶板上表面則由于稀疏波作用，出現(xiàn)了翻邊現(xiàn)象。開坑階段后，彈丸頭部開關(guān)會(huì)發(fā)生改變，成為蘑菇頭狀，并不斷消耗彈芯質(zhì)量，這些被消耗掉的彈芯材料會(huì)在彈坑壁面均勻分布。隨著彈芯和慣性力作用，不斷擴(kuò)張，最終形成彈坑。當(dāng)侵徹速度不同時(shí)，對于侵徹過程會(huì)產(chǎn)生不同的影響，如同樣的桿體以不同速率的高速度進(jìn)行侵徹時(shí)，其持續(xù)時(shí)間會(huì)有所不同，在高速侵徹時(shí)，彈丸總侵徹時(shí)間要少于速度更低的情況[8]。endprint

3 結(jié)語

電磁炮作為一種新型武器，通過電磁力驅(qū)動(dòng)彈丸高速侵徹半無限鋼靶，彈丸高速撞擊到靶板時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)高壓，這一高壓超過彈丸和靶板的材料強(qiáng)度，進(jìn)而使材料產(chǎn)生變形和破壞，經(jīng)過開坑和穩(wěn)定侵徹兩個(gè)階段后，形成一個(gè)侵徹彈坑。由于這一侵徹過程以電磁力作為驅(qū)動(dòng)力，在選擇材料、設(shè)計(jì)彈丸時(shí)要考慮到絕緣材料的應(yīng)用，并考慮到侵徹加速度時(shí)材料性能的穩(wěn)定性，在彈丸中設(shè)計(jì)一個(gè)良好的緩沖結(jié)構(gòu)，以確保侵徹穩(wěn)定性和安全性。要提高彈丸的侵徹效果，采取提速和增加彈丸直徑的方法能夠獲得更好的效果，但同時(shí)也要考慮到加速度對于材料的破壞性，選擇更為適宜的材料，設(shè)計(jì)長徑比更合理的彈丸。

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[8]史梁.電磁炮用動(dòng)能彈高速侵徹半無限鋼靶的機(jī)理研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2016.

Abstract：The electromagnetic gun is a new type of weapon capable of driving the projectile to penetrate the semi-infinite steel target at high speed by electromagnetic force. The projectile hits the target plate at high speed to form a high pressure. When the high pressure exceeds the material strength of the projectile and the target plate， the material will deform， eventually forming a crater. In this paper， experimental study on penetration of semi-infinite steel target with kinetic bomb at a high speed was conducted. When design the kinetic bomb， the insulation， the material strength and the stability of the material properties need to be taken into account. A good buffer structure need to be designed in the projectile to cope with high speed acceleration generated when penetration， and to ensure the stability and security of penetration.

Key words：electromagnetic gun； kinetic bomb； high-speed penetration； semi-infinite steel targetendprint