EFP對(duì)坦克油箱的毀傷效應(yīng)

梁振剛,王 健,陳玨霖,張之喡

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.中國一重集團(tuán)有限公司 專項(xiàng)裝備研究所，遼寧 大連 116031；3.中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所 彈箭與制導(dǎo)武器研究室，北京 100089.)

坦克是陸軍作戰(zhàn)的主要裝備。末敏彈攻頂打擊坦克是當(dāng)今的主流反坦克手段[1]，研究末敏彈對(duì)坦克的毀傷評(píng)估具有重要意義。油箱是坦克的重要組成部分，當(dāng)它受到毀傷時(shí)，坦克的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能就會(huì)削弱，甚至喪失運(yùn)動(dòng)功能[2-3]，故針對(duì)坦克油箱毀傷效應(yīng)進(jìn)行的研究可以為坦克毀傷評(píng)估提供參考。張宇等通過仿真與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油箱構(gòu)型基本上不影響彈丸速度衰減和液體壓力的變化，并且彈丸沖擊速度越大，不同構(gòu)型油箱的抗毀傷能力趨于一致[4]。許化珍研究了含能破片對(duì)柴油箱的引燃破壞效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)裝有燃油的箱體在遭到侵徹過程中，即使燃油未被引燃，箱體壁面也會(huì)發(fā)生很大的破壞[5]。當(dāng)高速侵徹體擊穿液體容器的上層板并進(jìn)入箱內(nèi)液體中時(shí)，會(huì)對(duì)箱內(nèi)液體產(chǎn)生作用，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液體的壓力載荷，而液體的壓力載荷作用在箱體壁面，導(dǎo)致箱體壁面發(fā)生變形[6-7]。末敏彈通常會(huì)配置爆炸成型彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部。國內(nèi)對(duì)EFP侵徹裝甲目標(biāo)和坦克毀傷評(píng)估的研究有很多，但少關(guān)于EFP對(duì)坦克油箱毀傷效應(yīng)的研究。本文擬建立典型坦克油箱模型，通過仿真和試驗(yàn)探究EFP對(duì)坦克油箱的毀傷機(jī)理，并分析坦克油箱的毀傷效應(yīng)，為末敏彈對(duì)坦克的毀傷評(píng)估創(chuàng)造條件。

1 油箱目標(biāo)特性分析

坦克有多個(gè)大容量油箱，以保證其攜帶足夠燃油，滿足行進(jìn)的動(dòng)力要求。為了節(jié)約坦克空間，油箱在結(jié)構(gòu)外形上要適配坦克的其他部件，一般呈現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。典型坦克油箱結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 典型坦克油箱的結(jié)構(gòu)模型

油箱用來容納燃油并對(duì)燃油起一定的保護(hù)作用，油箱的毀傷形式一般有解體、穿孔、撕裂、燃燒和爆炸等。坦克油箱的毀傷形式可分為化學(xué)毀傷和物理毀傷。

化學(xué)毀傷一般包括油箱受到侵徹和其他作用造成燃油燃燒甚至爆燃，導(dǎo)致油箱解體甚至大面積撕裂的嚴(yán)重?fù)p毀情況。老式的鋼制油箱受撞擊易產(chǎn)生火花，且早期燃油極易引燃，油箱的防爆效果較差，發(fā)生化學(xué)毀傷的可能性很高?，F(xiàn)代坦克為了減輕整體質(zhì)量，一般采用相對(duì)輕便的鋁作為油箱的材料，且鋁制油箱的防爆效果好于鋼制油箱?，F(xiàn)代坦克用燃油經(jīng)過改良，鈍感較高，不易燃燒，降低了油箱爆燃的可能性，提高了油箱發(fā)生化學(xué)毀傷的條件。

物理毀傷一般包括油箱的破孔和解體等結(jié)構(gòu)性毀傷現(xiàn)象。物理毀傷能造成燃油流出，導(dǎo)致油箱儲(chǔ)油功能的喪失。

2 EFP對(duì)坦克油箱毀傷的仿真

本文重點(diǎn)研究油箱物理毀傷的情況，以EFP垂直打擊典型坦克頂部裝甲下的油箱為模型，使用AUTODYN仿真軟件對(duì)油箱毀傷情況進(jìn)行研究；為了研究油箱內(nèi)液面高度對(duì)油箱毀傷情況的影響，建立典型EFP和油箱的簡化仿真模型，并在油箱頂部殼體上方添加裝甲靶板模型，設(shè)置兩種典型油箱內(nèi)液面高度進(jìn)行仿真計(jì)算，以確定油箱殼體受侵徹毀傷情況和油箱內(nèi)部燃油的變化情況。

2.1 建立仿真模型

EFP的材料為銅(CU-OFHC)，密度為8.96 g/cm3。其材料參數(shù)如表1所示。

表1 CU-OFHC材料參數(shù)

考慮到空氣中EFP飛行過程的變化較小，且EFP侵徹油箱過程計(jì)算量較大，為解決網(wǎng)格畸變等造成的計(jì)算精度下降問題，可對(duì)EFP進(jìn)行簡化，建立圖2所示的EFP簡化模型。由于EFP在實(shí)際成型過程中尾翼易發(fā)生斷裂而脫離主體的現(xiàn)象，故EFP簡化模型不必考慮裙尾結(jié)構(gòu)。

圖2 EFP簡化模型

參考典型坦克油箱的結(jié)構(gòu)，通過簡化模型，保留油箱的主要特征輪廓和尺寸參數(shù)，可建立長方體油箱模型。其長寬高尺寸分別為600 mm、600 mm和400 mm，添加殼體厚度為6 mm。油箱材料為鋁(AL203-99.5)，密度為3.89 g/cm3。其材料參數(shù)如表2所示。在油箱頂部殼體上方250 mm處添加厚度為20 mm的裝甲靶板，材料為裝甲鋼(RHA)。其材料參數(shù)如表3所示。

表2 AL203-99.5材料參數(shù)

表3 RHA材料參數(shù)

采用拉格朗日算法，在接觸位置添加耦合條件，且將EFP放置在裝甲靶板和油箱的中心位置，令其初始速度為1 900 m/s。為了研究EFP對(duì)不同液面高度油箱的毀傷情況，可設(shè)置半液箱和滿液箱兩種典型液面高度的工況進(jìn)行仿真。滿液箱工況的仿真界面如圖3所示。

圖3 滿液箱工況的仿真界面

2.2 仿真結(jié)果分析

觀察滿液箱和半液箱的仿真過程可以看到，EFP首先穿透裝甲靶板和油箱頂部殼體，進(jìn)入油箱；然后穿過箱內(nèi)燃油；最后從油箱底部殼體穿出，在油箱底部殼體留下侵徹孔洞。雖然EFP未直接作用在油箱側(cè)面殼體上，但側(cè)面殼體出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形。整個(gè)作用過程可以分為侵徹階段、沖擊階段、阻滯階段、穿出階段和空穴變化階段[7]。圖4、圖5所示分別為滿液箱工況和半液箱工況的毀傷仿真過程。

(a) 侵徹和沖擊階段

(b) 阻滯階段

(c) 穿出階段

(d) 空穴變化階段圖4 滿液箱的毀傷仿真過程

(a) 侵徹階段

(b) 沖擊和阻滯階段

(c) 穿出階段

(d) 空穴變化階段圖5 半液箱的毀傷仿真過程

從圖4、圖5可看出，EFP穿過裝甲靶板時(shí)發(fā)生了變形，變形后的EFP侵徹滿液箱頂部殼體的同時(shí)直接進(jìn)入沖擊階段，而侵徹半液箱頂部殼體后需要穿過氣體層才開始對(duì)燃油進(jìn)行沖擊作用。分析可知，EFP進(jìn)入燃油后受到阻滯作用，動(dòng)能開始減弱，燃油受壓后向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)。圖6所示為滿液箱內(nèi)燃油的壓力云圖。

圖6 滿液箱內(nèi)燃油的壓力云圖

觀察箱內(nèi)燃油壓力的變化情況，分析可知，造成側(cè)面殼體變形的原因是燃油的擠壓作用。具體說來，油箱內(nèi)燃油受到高速侵徹體的撞擊，燃油吸收彈丸的動(dòng)能并將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為自身的壓力載荷，作用在油箱側(cè)面殼體上，使側(cè)面殼體發(fā)生變形。側(cè)面殼體發(fā)生變形的區(qū)域主要集中在與燃油接觸面上，滿液箱的側(cè)面殼體向外凹陷明顯程度嚴(yán)重，而半液箱工況側(cè)面殼體變形程度相對(duì)較小。造成這種區(qū)別的原因是滿液箱內(nèi)燃油吸收的彈丸動(dòng)能更多，轉(zhuǎn)化成燃油的壓力載荷更大，作用在側(cè)面殼體上的能量更大。對(duì)比剛穿透油箱頂部殼體時(shí)的EFP形狀發(fā)現(xiàn)，阻滯階段的EFP也發(fā)生了變形。最終，EFP以一定速度從油箱底部殼體穿出。對(duì)坦克油箱毀傷作用過程中EFP運(yùn)動(dòng)速度的變化情況如圖7所示。

圖7 對(duì)坦克油箱毀傷作用過程中EFP運(yùn)動(dòng)速度的變化情況

觀察EFP運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化曲線可知，EFP從半液箱底部殼體穿出時(shí)的剩余速度為582.52 m/s，大于滿液箱工況的280.51 m/s。油箱內(nèi)液面低，EFP受到阻滯作用造成的速度衰減小，容易導(dǎo)致油箱底部被侵徹穿孔的結(jié)果。

3 試 驗(yàn)

試驗(yàn)用的模擬油箱材料為硬質(zhì)鋁合金，結(jié)構(gòu)尺寸與仿真中油箱一致.油箱的6個(gè)面通過焊接相連接。在油箱頂板上有一個(gè)直徑為20 mm油箱孔，用來注入燃油。在油箱上方布置一塊厚度為20 mm的650 mm×650 mm裝甲靶板，材料為裝甲鋼。

試驗(yàn)用的典型EFP戰(zhàn)斗部樣彈如圖8所示。裝藥為B級(jí)炸藥，裝藥質(zhì)量為2.66 kg。藥型罩材料為銅，質(zhì)量為650 g。

圖8 EFP戰(zhàn)斗部樣彈

現(xiàn)場布置如圖9所示。試驗(yàn)架由角鋼焊接而成，頂部距地面高度為1 650 mm。試驗(yàn)架中部有放置平臺(tái)，用于放置裝甲靶板。放置平臺(tái)頂部距離地面高度為650 mm。將油箱放置于試驗(yàn)架下方的平整地面上，將柴油注入油箱，其中一個(gè)油箱注滿油，另一個(gè)油箱注入半箱。將裝甲靶板放置在試驗(yàn)架中部的放置平臺(tái)上，裝甲靶板底部與油箱頂部的距離為250 mm。戰(zhàn)斗部距離裝甲靶板高度為1 000 mm，彈軸與地面垂直，且正對(duì)裝甲靶板的中心部位。

圖9 現(xiàn)場布置圖

使EFP侵徹油箱上方的裝甲靶板后，首先擊穿油箱的頂板，然后穿過燃油擊穿油箱的底板。圖10、圖11所示分別為滿液箱和半液箱的頂板、底板、側(cè)板毀傷效果。

(a) 頂 板

(b) 底 板

(c) 側(cè) 板圖10 滿液箱的頂板、底板、側(cè)板毀傷效果

(a) 頂 板

(b) 底 板

(c) 側(cè) 板圖11 半液箱的頂板、底板、側(cè)板毀傷效果

觀察發(fā)現(xiàn)：油箱頂板都有一個(gè)直徑超過150 mm的穿孔，周邊散步很多小的孔洞；滿液箱底板孔直徑最大為49 mm，半液箱底板孔直徑最大為43 mm，這是由于EFP主體雖受到燃油阻滯作用，但最終仍可擊穿油箱底板。分析可知，小的破片在擊穿頂板后受到阻滯作用失去速度，無法再擊穿油箱底板，因此底板上沒有其余穿孔。

油箱底部穿孔會(huì)造成油箱漏油，影響坦克作戰(zhàn)能力，因此要避免油箱底部被擊穿，可以對(duì)油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和頂部裝甲防護(hù)力進(jìn)行深入研究。

油箱側(cè)板毀傷對(duì)油箱功能的發(fā)揮也會(huì)產(chǎn)生明顯影響。觀察圖10中側(cè)板的毀傷視圖可發(fā)現(xiàn)，側(cè)板向外壁面方向發(fā)生凹陷變形，且中心部位變形十分嚴(yán)重。觀察圖11發(fā)現(xiàn)，半液箱側(cè)板也發(fā)生了變形，且部分區(qū)域發(fā)生明顯變形，部分區(qū)域未變形或輕微變形。與仿真中得到的結(jié)論一樣，滿液箱的側(cè)板變形比半液箱更加嚴(yán)重，符合仿真結(jié)果中油箱內(nèi)液面越高，油箱側(cè)面殼體變形越嚴(yán)重的結(jié)論。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)坦克油箱目標(biāo)特性分析，建立典型EFP對(duì)兩種油箱液面高度工況下的油箱毀傷仿真模型，并進(jìn)行了典型EFP戰(zhàn)斗部試驗(yàn)研究。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，空油箱遠(yuǎn)離穿孔處壁面沒有明顯變形，這是因?yàn)橄鋬?nèi)燃油會(huì)增大油箱毀傷效果。油箱受燃油擠壓作用，側(cè)板會(huì)發(fā)生一定程度的變形或撕裂。當(dāng)油箱內(nèi)液面較高時(shí)，EFP受燃油阻滯作用時(shí)間長，速度衰減大，作用在燃油的能量較多，使得側(cè)板變形比較明顯，易發(fā)生撕裂現(xiàn)象。當(dāng)油箱內(nèi)燃油液面較低時(shí)，側(cè)板變形較小，EFP速度衰減小，底板易被侵徹而形成穿孔。油箱內(nèi)液面高度不同，油箱受到的毀傷程度也不同。