分層地質(zhì)類材料靶體抗超高速侵徹模型實(shí)驗(yàn)*

程怡豪，鄧國(guó)強(qiáng)，李 干,3，宋春明，邱艷宇,3，張中威，王德榮，王明洋,3

（1. 陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007；2. 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100850；3. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

近年來(lái)，在超高速動(dòng)能彈體對(duì)混凝土和巖石類介質(zhì)的打擊毀傷效應(yīng)方面開展了廣泛的研究[1]。其中Antoun等[2]、Wünnemann等[3]和鄧國(guó)強(qiáng)等[4-6]開展了超高速打擊巖石和砂的數(shù)值計(jì)算分析，得到了地沖擊效應(yīng)的傳播衰減規(guī)律和等效荷載計(jì)算方法，Dawson等[7]、牛雯霞等[8]、王鵬等[9]、錢秉文等[10]開展了動(dòng)能彈對(duì)混凝土靶和花崗巖靶的超高速撞擊效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，Cheng等[11]、Shi等[12]、李臥東等[13]、王明洋等[14]、宋春明等[15]、李干等[16]開展了對(duì)巖土類介質(zhì)超高速撞擊侵徹與成坑效應(yīng)的理論分析。實(shí)際條件下防護(hù)工程往往是以分層結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)的，因此開展分層靶體的超高速侵徹效應(yīng)研究具有更加現(xiàn)實(shí)的意義。這一類問(wèn)題在裝甲防護(hù)和航天裝備防護(hù)領(lǐng)域得到了較系統(tǒng)的研究[17-18]，但與工程防護(hù)相結(jié)合的研究還比較缺乏，其中劉崢等[19]基于數(shù)值計(jì)算方法研究了形式為“花崗巖-砂-混凝土”的成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)超高速動(dòng)能武器打擊的防護(hù)性能，并發(fā)現(xiàn)在花崗巖層和砂層間增加空氣隔層可以顯著減小混凝土層的侵徹深度，但上述研究結(jié)論缺乏實(shí)驗(yàn)的直接驗(yàn)證。

在文獻(xiàn)[19] 的基礎(chǔ)上，本文中開展約10馬赫速度條件下高強(qiáng)鋼質(zhì)桿形彈對(duì)4種分層組合形式的地質(zhì)類材料靶體的超高速侵徹效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證相關(guān)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，并進(jìn)一步探索實(shí)際工程條件下抵抗超高速動(dòng)能武器打擊的優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)形式。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉崢等[19]采用了一種“硬-軟-硬”復(fù)合結(jié)構(gòu)初步實(shí)現(xiàn)了“侵蝕破壞彈體-吸收地沖擊-抵抗殘余侵徹”的抗超高速打擊效果，其中最上層（第1層）為花崗巖組成的遮彈層，第2層為干砂組成的分配層，第3層為混凝土組成的結(jié)構(gòu)層；當(dāng)增加空氣隔層時(shí)，將隔層設(shè)置于遮彈層和分配層之間。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大體參照劉崢等[19]的方案，但除了考慮空氣隔層對(duì)結(jié)果的影響，還設(shè)計(jì)了將砂層從分配層轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)最上層的情形以考慮砂層位置對(duì)結(jié)果的影響；需要說(shuō)明的是，由于水平入射條件的限制，采用一種密度和強(qiáng)度均較低的砂漿代替砂。在所有實(shí)驗(yàn)方案中，混凝土層均作為背板結(jié)構(gòu)，且為了便于評(píng)價(jià)最終侵徹效應(yīng)，混凝土層厚度為彈體長(zhǎng)度22倍以上，此時(shí)背板可視為半無(wú)限介質(zhì)。

1.1 彈體參數(shù)與撞擊條件

彈體材料選用高強(qiáng)度合金鋼30CrMnSi2A，基本材料參數(shù)如表1所示。彈體采用尖卵形頭部實(shí)心彈體（圖1），彈頭曲徑比（calibre-radius-head，CRH）為3，彈體直徑為7.2 mm，彈長(zhǎng)為36 mm，發(fā)射時(shí)與外徑18 mm的可分離式聚碳酸酯彈托配合。設(shè)計(jì)彈體發(fā)射速度為10倍音速（10馬赫），入射方向與靶體迎彈面垂直。

圖1 彈體與彈托Fig. 1 Projectile and sabot

表1 彈靶材料的基本材料參數(shù)Table 1 Basic parameters of materials of projectile and target

1.2 靶體材料與幾何尺寸

靶體材料主要包括花崗巖、砂漿和混凝土，主要材料參數(shù)如表1所示。

圖2 靶體的分層設(shè)計(jì)Fig. 2 Sets of layered targets

靶體分層設(shè)計(jì)方案如圖2所示，其中圖2（a）～（d）為方案A、B、C和D的側(cè)視圖（此時(shí)彈體從左向右水平入射，“1”表示花崗巖層，“2”表示空氣隔層，“3”表示砂漿層，“4”表示混凝土層）。所有方案下砂漿層和花崗巖層的厚度均相等，不同方案之間的區(qū)別為是否設(shè)置空氣隔層以及砂漿層的位置。整個(gè)靶體在內(nèi)直徑120 cm的鋼制圓筒模具中澆筑完成，其中花崗巖預(yù)先切割成600 mm×600 mm×50 mm的長(zhǎng)方形并用混凝土澆筑在模具中，花崗巖平面形心與圓筒軸線重合；為了滿足空氣隔層的設(shè)置要求，模具被預(yù)先設(shè)計(jì)成直徑相等、高度不同的若干薄壁圓柱形鋼桶，相鄰鋼桶之間采用螺栓連接，這樣一來(lái)靶體不同部分即可分別澆筑并根據(jù)要求進(jìn)行任意組合。

1.3 發(fā)射與量測(cè)技術(shù)

發(fā)射裝置采用陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的氣體驅(qū)動(dòng)二級(jí)輕氣炮，彈托采用氣動(dòng)分離技術(shù)，彈體速度通過(guò)激光遮斷測(cè)速裝置確定，靶體幾何中心與彈體入射點(diǎn)間的誤差不超過(guò)1 cm。撞擊成坑采用光學(xué)三維掃描裝置捕捉并利用Geomagic Control 14對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)和特征提取，測(cè)量誤差小于0.1 mm。成坑參數(shù)主要包括各層的成坑區(qū)表面直徑、成孔直徑和背板侵徹深度等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)A、B、C和D的彈體撞擊速度分別為3 486.5、3 447.9、3 432.7和3 440.3 m/s，最大速度與最小速度相差僅1.57 %，因此可以忽略撞擊速度差異的影響。從破壞現(xiàn)象看（圖3～6），所有實(shí)驗(yàn)中彈體均貫穿花崗巖和砂漿層，直至侵徹至混凝土層；混凝土層的彈坑的中心位置與靶體中心的偏離距離不超過(guò)1倍彈徑，這說(shuō)明彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)很小，可以視作垂直侵徹。

圖3 方案A的破壞現(xiàn)象Fig. 3 Damage phenomena in experimental set A

表2 成坑幾何特征參數(shù)的量測(cè)結(jié)果Table 2 Measurements of geometrical character of craters

當(dāng)含有空氣隔層時(shí)（圖3（a）～（b）、圖4（a）～（b）），首層形成一個(gè)直徑約10倍于彈體直徑的貫穿孔洞，還會(huì)在正面和反面分別形成范圍更大的剝離區(qū)和震塌區(qū)，且剝離區(qū)和震塌區(qū)的平面尺寸相當(dāng)，厚度也較接近（詳見(jiàn)表2）。從底層破壞現(xiàn)象看，方案A（圖3（c）～（d））的砂漿層與混凝土層的孔洞直徑存在明顯的不連續(xù)變化，且混凝土層表面孔洞直徑遠(yuǎn)小于砂漿層孔洞直徑，這與兩種材料的強(qiáng)度特征與聲阻抗差異有關(guān)。砂漿層在孔洞區(qū)域外還存在一個(gè)直徑約20 cm的損傷區(qū)域（圖3(c)），從形態(tài)上看這一區(qū)域明顯有別于圖3（a）的剝離現(xiàn)象，可以推斷其形成機(jī)理主要是首層花崗巖在背板形成的震塌碎片云作用；方案B中混凝土形成的孔洞直徑（圖4（c）～（d））遠(yuǎn)小于圖3（c）～（d）的結(jié)果，孔洞周圍不存在剝離區(qū)，僅在其周圍形成直徑10 cm左右的蜂窩狀損傷區(qū)，其影響深度較淺，從形態(tài)上看同樣可以歸結(jié)為首層震塌碎片云的作用。這種碎片云引起對(duì)背板的破壞效應(yīng)類似于Whipple防護(hù)屏的效果[18]，這與數(shù)值計(jì)算結(jié)果[19]完全一致。

當(dāng)不含空氣隔層時(shí)（圖5～6），靶體整體上形成漏斗形的彈坑；但從三維掃描的結(jié)果看，不同介質(zhì)界面附近的彈坑輪廓具有顯著的非光滑過(guò)渡的拐角，這種現(xiàn)象可以歸結(jié)為材料聲阻抗與強(qiáng)度的非連續(xù)梯度變化。總體來(lái)看，花崗巖層彈坑直徑隨深度變化最劇烈，而砂漿層彈坑的直徑變化則較緩和，這在圖5（b）的砂漿層彈坑輪廓和圖6（b）的花崗巖彈坑輪廓的對(duì)比中表現(xiàn)得尤為明顯。

圖4 方案B的破壞現(xiàn)象Fig. 4 Damage phenomena in experimental set B

圖5 方案C的破壞現(xiàn)象Fig. 5 Damage phenomena in experimental set C

圖6 方案D的破壞現(xiàn)象Fig. 6 Damage phenomena in experimental set D

通過(guò)開挖，在實(shí)驗(yàn)A、C、D的彈坑底部可以找到少量殘余彈體，剩余彈體長(zhǎng)度均約4 mm（圖7），從彈體一端扁平、一端微微凸起的形態(tài)可以判斷，殘余部分全部為侵蝕后剩余的彈體尾部部分，且利用磁鐵可以在彈坑內(nèi)壁吸引到少量鐵屑，這說(shuō)明侵徹過(guò)程滿足從頭部至尾部的逐漸侵蝕過(guò)程[4,14-15,20]。由于方案B沒(méi)有收集到可以辨別的殘余彈體，可以認(rèn)為彈體被完全侵蝕。

圖7 實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后的彈體形態(tài)與長(zhǎng)度Fig. 7 Profiles and length of projectiles before and after experiment

2.2 彈坑尺寸

分層復(fù)合靶體的成坑特征參數(shù)較復(fù)雜，為了便于分析，這里選取以下參數(shù)：對(duì)于含空氣隔層的實(shí)驗(yàn)A和B，選取首層正面彈坑表面直徑D1f、首層背面彈坑表面直徑D1b、首層貫穿孔直徑D1p、首層震塌區(qū)厚度h1s、混凝土層表面彈孔直徑Dc和混凝土層侵徹深度hc（需加上剩余彈體長(zhǎng)度）；對(duì)于不含空氣隔層的實(shí)驗(yàn)C和D，選取彈坑表面直徑Df、混凝土層表面彈孔直徑Dc和混凝土層侵徹深度hc。以上符號(hào)的具體含義可參考圖3～6。最終量測(cè)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2作以下分析。

（1）將實(shí)驗(yàn)方案A和實(shí)驗(yàn)方案C作對(duì)比，或?qū)?shí)驗(yàn)方案B和實(shí)驗(yàn)方案D作對(duì)比時(shí)，可發(fā)現(xiàn)增加空氣隔層可以減小hc，特別是實(shí)驗(yàn)方案B的hc僅為實(shí)驗(yàn)方案D的49.7 %，但此時(shí)實(shí)驗(yàn)方案A和實(shí)驗(yàn)方案B的D1f也要分別大于實(shí)驗(yàn)方案C和實(shí)驗(yàn)方案D的Df，因此在一定條件下增加空氣隔層可以減小結(jié)構(gòu)層的侵徹深度，但這會(huì)引起結(jié)構(gòu)成坑直徑的顯著加劇，這和數(shù)值計(jì)算結(jié)果[19]是定性吻合的。

（2）對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案A和實(shí)驗(yàn)方案B可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加空氣隔層時(shí)，若將砂漿層從混凝土頂部轉(zhuǎn)移至花崗巖頂部，則hc可減小50%以上，此時(shí)D1p無(wú)顯著變化，但D1f和D1b稍有增大。

（3）對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案C和實(shí)驗(yàn)方案D可以發(fā)現(xiàn)，若不設(shè)空氣隔層，將砂漿層從混凝土頂部轉(zhuǎn)移至花崗巖頂部可使hc可減小16.5%，但Df稍有增大。

（4）從減小hc的角度看，實(shí)驗(yàn)方案B（增加空氣隔層并將砂漿層置于整個(gè)結(jié)構(gòu)最上方）是最有利的。從減小橫向破壞區(qū)域（D1f、D1b和Df）來(lái)看，實(shí)驗(yàn)方案B卻是最不利的。

3 分析與討論

3.1 空氣隔層的影響

從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果和劉崢等[19]的計(jì)算結(jié)果看，一定條件下增加空氣隔層對(duì)于減小底部結(jié)構(gòu)在超高速打擊下的侵徹深度是有利的。這里進(jìn)一步給出兩方面可能的解釋：

（1）超高速撞擊動(dòng)能在撞擊發(fā)生后的極短時(shí)間內(nèi)大量轉(zhuǎn)移到靶體近區(qū)的內(nèi)能中并以應(yīng)力波形式向靶體遠(yuǎn)處擴(kuò)散。當(dāng)加入空氣隔層后，由于上下層阻抗嚴(yán)重失配，應(yīng)力波能量向下部結(jié)構(gòu)直接傳遞的途徑被阻滯，因而被迫向花崗巖層發(fā)生橫向轉(zhuǎn)移；伴隨著更大范圍的花崗巖參與破壞過(guò)程，彈體在貫穿花崗巖層時(shí)的平均阻力有所增加，其最終結(jié)果是減小了貫穿后彈體的長(zhǎng)度和速度，使得混凝土靶體的侵徹深度減小。

（2）若認(rèn)為背板侵徹深度是彈體侵徹和花崗巖背面運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的沖擊局部作用共同決定時(shí)，還可以作如下推斷：當(dāng)存在空氣隔層時(shí)，花崗巖背面的震塌碎片被擴(kuò)散到較大的空間范圍內(nèi)（擴(kuò)散角效應(yīng)），在這種效應(yīng)下，碎片對(duì)底層靶體的局部破壞作用相對(duì)于無(wú)空氣隔層的情形而言被大大削弱了，因此侵徹深度有所減小。

值得注意的是，空氣隔層對(duì)侵徹深度的影響似乎存在正負(fù)兩種效應(yīng)。例如：Wu等[21]的混凝土靶板貫穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，彈體在貫穿多層間隔靶體后的剩余速度要大于相同厚度的單層靶體（初始撞擊速度640 m/s）。從相關(guān)文獻(xiàn)[17-18] 看，空氣隔層的正負(fù)效應(yīng)不僅取決于隔層厚度與彈體長(zhǎng)度之比，也和初始撞擊速度、首層裝甲的厚度和強(qiáng)度等因素相關(guān)，因此對(duì)上述因素需要作進(jìn)一步分析以得出更加全面的結(jié)論。

3.2 砂漿層位置的影響

如前所述，超高速撞擊能量在撞擊瞬時(shí)大量轉(zhuǎn)移到靶體近區(qū)的應(yīng)力波中，因此頂層的砂漿（或砂）豐富的孔隙會(huì)大量耗散應(yīng)力波能量，這就大大減小了傳遞到花崗巖上的能量總和。另一方面，從桿形彈的超高速侵徹過(guò)程[20]來(lái)看，瞬時(shí)激波階段（即超高速侵徹的第1階段）壓力最高，侵徹速度也最大，此時(shí)靶體材料的強(qiáng)度對(duì)抵抗侵徹意義不大。將強(qiáng)度較低的砂漿（或砂）置于頂層，可以減少花崗巖在瞬時(shí)激波階段的消耗并在接下來(lái)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)侵徹階段（即超高速侵徹的第2階段）更充分地發(fā)揮高強(qiáng)度的特點(diǎn)。這一過(guò)程的最終結(jié)果是減小了剩余彈體的長(zhǎng)度和動(dòng)能。

3.3 對(duì)成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的啟示

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果和劉崢等[19]的數(shù)值計(jì)算成果說(shuō)明，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，合理的分層設(shè)計(jì)確實(shí)可以顯著提高防護(hù)效能。當(dāng)以減小超高速動(dòng)能彈打擊下結(jié)構(gòu)層的侵徹深度為目標(biāo)時(shí)，可以歸結(jié)為“軟-硬-軟-硬”的分層設(shè)計(jì)思路。第1軟層（疏松層）應(yīng)具有較低的聲阻抗和較高的孔隙率（可采用干砂、疏松土或級(jí)配不良的碎石等），主要作用是承受瞬時(shí)激波階段的侵徹效應(yīng)并耗散初始撞擊引起的部分波動(dòng)能；第1硬層（遮彈層）應(yīng)具較高的強(qiáng)度和密度（可采用天然巖體、漿砌塊石、高性能混凝土、剛玉、陶瓷等），其作用是抵抗彈體侵徹、破壞彈體結(jié)構(gòu)、分散彈體動(dòng)能的時(shí)空分布密度；第2軟層（分配層）應(yīng)具有極低的聲阻抗（可采用空氣或干砂等），通過(guò)與遮彈層和結(jié)構(gòu)層間形成顯著的阻抗失配，進(jìn)一步促進(jìn)遮彈層防護(hù)效能的發(fā)揮；第2硬層（結(jié)構(gòu)層）一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，除了抵抗剩余彈體的沖擊局部作用外，尚應(yīng)考慮震塌碎片打擊下的防護(hù)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，最終的抗侵徹效應(yīng)尚取決于彈體的材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、彈體的撞擊速度和角度，以及各層靶體的厚度，這些因素的影響尚有待進(jìn)行系統(tǒng)分析。另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，上述分層設(shè)計(jì)思路與常規(guī)鉆地彈侵爆條件下成層式防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路并行不悖[22-23]，此時(shí)遮彈層的作用基本不變，而分配層還兼具削弱爆炸波能量向結(jié)構(gòu)層耦合的作用，這說(shuō)明抗常規(guī)武器的防護(hù)設(shè)計(jì)可以與抗超高速動(dòng)能彈的防護(hù)設(shè)計(jì)相統(tǒng)一。

4 結(jié) 論

開展了近10馬赫速度條件下桿形鋼彈對(duì)4種配布形式的分層地質(zhì)類材料靶體的侵徹效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：增加遮彈層與下部結(jié)構(gòu)間的空氣隔層、在整個(gè)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置疏松砂漿層，均可以在一定條件下加劇彈體破壞、減小結(jié)構(gòu)層的侵徹深度，但同時(shí)會(huì)增大遮彈層的表面成坑直徑。從減小結(jié)構(gòu)層的侵徹深度出發(fā)，“軟-硬-軟-硬”的分層設(shè)計(jì)思路對(duì)抵抗超高速?gòu)楏w侵徹是可行的，但其具體效能的發(fā)揮尚有待對(duì)相關(guān)影響因素作更加系統(tǒng)全面的分析。