防跳彈結(jié)構(gòu)對彈體侵徹性能的影響

孔軍利,屈可朋,肖 瑋,周 濤

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

近年來，高速侵徹彈已經(jīng)成為武器裝備研究的熱點之一。彈體在侵徹過程中，由于初始著角、攻角的存在以及速度、彈頭形狀、彈靶材料等因素的影響，使得彈體的受力不對稱，進(jìn)而由靶體對彈體阻力相對于彈體的質(zhì)心產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩，造成彈體在侵徹過程中偏離預(yù)定彈道，甚至發(fā)生跳彈[1-4]。彈體一旦跳彈，就失去了對目標(biāo)的侵徹功能，進(jìn)而無法對目標(biāo)內(nèi)的人員和設(shè)施形成有效打擊。

實踐證明，在彈體頭部添加爪形防跳結(jié)構(gòu)，可有效避免彈體斜侵徹鋼板時的跳彈現(xiàn)象，然而，由于防跳彈結(jié)構(gòu)的存在，會對彈體侵徹鋼板的能力產(chǎn)生影響，尤其是當(dāng)同一種彈體需要兼顧打擊多類目標(biāo)(鋼板或混凝土)時，這種影響更為顯著。因此，為確保戰(zhàn)斗部有效侵徹目標(biāo)，需要對含防跳彈結(jié)構(gòu)彈體侵徹不同目標(biāo)時的侵徹能力開展研究。

國內(nèi)外對侵徹過程中的跳彈現(xiàn)象開展了較多的研究。Segletes等[5]對長桿彈的跳彈進(jìn)行了理論研究，獲取了桿體長度對跳彈的影響規(guī)律。段建等[6-7]分析了在250～430 m/s速度下彈體侵徹30 MPa和60 MPa鋼筋混凝土的臨界跳彈角度，建立了預(yù)測彈體斜侵徹目標(biāo)的跳彈分析評估方法；薛建峰[8]研究了平頭、圓頭、和尖頭彈在不同速度影響下的跳彈規(guī)律和跳彈臨界角范圍，并分析了彈頭形狀、彈體材料和侵徹速度三種因素對跳彈臨界角度的影響；胡德安等[9]通過數(shù)值模擬的方法，獲取了不同頭部形狀彈體侵徹鋼靶時跳彈臨界角度范圍；陳小偉[10]提出了尖頭剛性彈斜侵徹金屬靶的分析模型，以預(yù)測跳彈發(fā)生的臨界條件。吳榮波等[11]研究了初始角度對跳彈現(xiàn)象的影響規(guī)律，得到了跳彈臨界角度范圍?？梢?，關(guān)于跳彈過程的研究目前主要集中在侵徹角度、侵徹速度及彈體頭部形狀等方面，但目前關(guān)于侵徹彈防跳彈結(jié)構(gòu)及其位置對其侵徹能力的影響研究較少，導(dǎo)致防跳彈結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏技術(shù)支撐。

本文采用輕氣炮為加載源，開展了帶防跳彈結(jié)構(gòu)彈體侵徹鋼板和混凝土實驗，分析防跳彈結(jié)構(gòu)及其位置對彈體侵徹鋼板和混凝土靶侵徹能力的影響，以期為相關(guān)侵徹類戰(zhàn)斗部的設(shè)計提供支撐。

1 實驗

1.1 實驗彈與靶標(biāo)

實驗彈基于某型戰(zhàn)斗部進(jìn)行縮比，試驗證明該防跳彈結(jié)構(gòu)可有效避免亞音速條件下戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶時的跳彈現(xiàn)象[12]。彈采用熱處理后的30CrMnSi加工而成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。實驗彈直徑為φ65 mm、長度為160 mm、重量約為2.0 kg，在其尖卵形處設(shè)置4個對稱的防跳彈結(jié)構(gòu)。為對比實驗結(jié)果，制備了同結(jié)構(gòu)無跳彈結(jié)構(gòu)的1#實驗彈，2#彈和3#彈的防跳彈結(jié)構(gòu)距離彈尖處的距離L分別為17 mm和44 mm，如圖2所示。

圖1 實驗彈結(jié)構(gòu)圖

圖2 實驗實物圖

實驗所用靶體分為鋼靶和素混凝土靶。鋼靶為熱軋態(tài)45號鋼，尺寸為400 mm×400 mm，厚度為14 mm；素混凝土靶為圓柱形，靶板直徑φ800 mm、厚度為400 mm。為便于安裝和成型，圓柱靶外圓周用4 mm厚的鋼筒進(jìn)行約束?；炷涟邪逶跇?biāo)準(zhǔn)溫度、濕度條件下養(yǎng)護(hù)28 d，實驗前對加固的混凝土靶進(jìn)行強(qiáng)度檢測，強(qiáng)度值為38 MPa。

1.2 實驗方法

實驗彈侵徹不同類型靶實驗在西安近代化學(xué)研究所的一級輕氣炮上進(jìn)行，利用高壓氣體驅(qū)動實驗彈以一定速度正撞擊靶標(biāo)；分別采用激光遮蔽法和斷通式梳狀靶，測量彈體撞擊速度和剩余速度，瞬態(tài)波形存儲采用Tektronix公司DPO4104型示波器。通過測量實驗彈及靶標(biāo)破壞情況，獲取防跳結(jié)構(gòu)對彈體侵徹性能的影響規(guī)律，實驗原理如圖3所示。

圖3 實驗原理示意圖

2 結(jié)果及分析

2.1 侵徹鋼靶實驗結(jié)果

實驗彈侵徹鋼靶的實驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，防跳彈結(jié)構(gòu)距離彈尖17 mm時(2#)，實驗彈的剩余速度與無防跳結(jié)構(gòu)實驗彈(1#)相當(dāng)，而當(dāng)防跳彈結(jié)構(gòu)與彈尖距離增大到44 mm時(3#)，實驗彈的剩余速度明顯低于1#實驗彈的剩余速度。采用游標(biāo)卡尺人工測量試驗后3種彈體的剩余長度，1#和2#實驗彈剩余長度相近。3#實驗彈剩余長度明顯降低，這可能是由于3#實驗彈剩余速度低，導(dǎo)致侵徹時程長所致。

2#和3#實驗彈侵徹后，回收的實驗彈及鋼靶的破壞情況如圖4所示。由圖4可知，鋼靶板的破壞均屬于典型的花瓣型穿孔，穿孔直徑相當(dāng)，靶后花瓣數(shù)量相同，說明其破壞模式未發(fā)生改變。但3#實驗彈的花瓣最大張開量明顯大于2#實驗彈，這是由于不同位置的防跳彈結(jié)構(gòu)在鋼靶破壞過程中所起作用不同導(dǎo)致的。

表1 不同類型實驗彈侵徹鋼靶實驗結(jié)果

圖4 侵徹后鋼板破壞情況

2.2 侵徹素混凝土靶實驗結(jié)果

實驗彈侵徹混凝土靶的實驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，防跳彈結(jié)構(gòu)距離彈尖17 mm時(2#)，實驗彈的剩余速度遠(yuǎn)低于無防跳結(jié)構(gòu)實驗彈(1#)，而當(dāng)防跳彈結(jié)構(gòu)與彈尖距離增大到44 mm時(3#)，實驗彈的剩余速度與1#實驗彈的剩余速度相當(dāng)。由于靶標(biāo)為素混凝土靶標(biāo)，強(qiáng)度較低，因此彈體長度變化較小。

表2 不同類型實驗彈侵徹素混凝土靶實驗結(jié)果

1#～3#實驗彈侵徹后，靶前成坑均為近似錐形，其深度為11 ～12.5 mm，約為彈體直徑的2倍，防跳彈結(jié)構(gòu)對靶前破壞形態(tài)及尺寸影響不大，也是由于本實驗中防跳彈結(jié)構(gòu)尺寸較小所致。侵徹后回收的實驗彈及素混凝土靶破壞情況如圖5所示。

圖5 侵徹后的混凝土靶破壞情況

2.3 討論

防跳彈結(jié)構(gòu)對彈體侵徹性能的影響隨靶板材質(zhì)變化而表現(xiàn)出不同的規(guī)律，這是由于鋼板與混凝土靶破壞模式不同所致。

2#和3#實驗彈侵徹鋼板后防跳彈結(jié)構(gòu)高度如表3所示。由表3可見，3#實驗彈防跳彈結(jié)構(gòu)的侵蝕明顯大于2#實驗彈。分析認(rèn)為，實驗彈侵徹薄鋼板時，首先實驗彈尖部撞擊鋼板，如圖6(a)所示，靶板材料沿著彈頭表面擴(kuò)孔而被擠向四周，此時彈體的區(qū)域Ⅰ受沖擊較大；由于靶板孔徑大于區(qū)域Ⅰ的直徑，則區(qū)域Ⅱ通過孔徑時受力較??；而當(dāng)區(qū)域Ⅲ通過靶板孔洞時，需要進(jìn)一步增加孔洞直徑，屬于隨進(jìn)擴(kuò)孔過程(圖6(b))，此時實驗彈將承受高應(yīng)變率的剪切、摩擦作用，其動能將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為鋼板的破壞能。因此，若在實驗彈區(qū)域Ⅰ設(shè)置防跳彈結(jié)構(gòu)(2#實驗彈)，防跳彈結(jié)構(gòu)侵蝕破壞較小，對速度的影響不顯著；若在區(qū)域Ⅲ設(shè)置防跳彈結(jié)構(gòu)(3#實驗彈)，則彈體隨進(jìn)擴(kuò)孔過程中會使其與靶板發(fā)生較顯著的剪切、摩擦作用，導(dǎo)致防跳彈結(jié)構(gòu)破壞加劇，更多的彈體動能轉(zhuǎn)化為靶板變形能，導(dǎo)致其剩余速度明顯降低。

表3 實驗彈侵徹鋼靶后防跳彈結(jié)構(gòu)高度變化 mm

Ⅰ—撞擊受力區(qū)；Ⅱ—隨進(jìn)區(qū)域；Ⅲ—擴(kuò)孔受力區(qū)域；Ⅳ—主彈體

2#和3#實驗彈侵徹素混凝土靶后防跳彈結(jié)構(gòu)高度變化如表4所示。由表4可見，2#實驗彈防跳彈結(jié)構(gòu)的侵蝕明顯大于3#實驗彈。分析認(rèn)為：當(dāng)剛性彈體侵徹素混凝土靶時，其侵徹過程可分為兩個階段：開坑階段和隧道擴(kuò)孔階段。對于開坑階段，其阻力與撞擊速度、彈頭形狀、彈體尺寸等相關(guān)。高世橋等[12]將開坑分為彈性接觸階段、徑向碎裂階段、周向碎裂階段、成坑階段等4個階段。當(dāng)防跳彈結(jié)構(gòu)距離彈尖較近時(2#實驗彈)，其主要作用于徑向壓碎階段，而由于素混凝土靶強(qiáng)度較低，徑向壓碎區(qū)的破壞面積常大于此位置處的彈頭直徑，因此，小尺寸的防跳彈結(jié)構(gòu)難以改變其形狀及尺寸；而3#實驗彈的防跳彈結(jié)構(gòu)距離彈尖較遠(yuǎn)，在開坑階段的影響更小，其主要作用于彈體隧道穿孔過程。

對于隧道擴(kuò)孔階段，混凝土靶對彈體施加壓應(yīng)力，在此應(yīng)力作用下彈體不斷開孔向前運動。當(dāng)防跳彈結(jié)構(gòu)距離彈尖較近(2#實驗彈)時，其相當(dāng)于彈體頭部鈍化，彈體外徑由19.2 mm突變?yōu)?0 mm，其侵徹阻力將大幅增大；而當(dāng)防跳彈結(jié)構(gòu)距離彈尖較近(3#實驗彈)時，一方面彈尖對混凝土靶形成了預(yù)破壞，后續(xù)開孔阻力降低，另一方面彈體外徑由43 mm 增大至50 mm，尺寸增加約16%，阻力變化不大。因此，2#實驗彈的剩余速度明顯低于3#實驗彈。

表4 實驗彈侵徹素混凝土靶后防跳彈結(jié)構(gòu)高度 mm

3 結(jié)論

1) 在實驗彈質(zhì)量、外形相同的情況下，實驗彈侵徹素混凝土靶后剩余速度隨防跳彈結(jié)構(gòu)與彈尖間距的減小明顯降低，而侵徹鋼靶時，該趨勢則相反。

2) 防跳彈結(jié)構(gòu)及位置未改變鋼靶破壞模式，但隨著防跳彈結(jié)構(gòu)與彈尖間距增大，鋼靶破壞面積增加，更多的動能轉(zhuǎn)化為靶板變形能，導(dǎo)致其剩余速度明顯降低。

3) 防跳彈結(jié)構(gòu)及位置對素混凝土靶開坑深度及尺寸無明顯影響，隧道開孔過程是導(dǎo)致其出現(xiàn)速度差異的主要原因。