桿式穿甲彈對多層間隔薄板橫向破壞效應(yīng)的研究

焦延博, 羅文敏, 徐穎新

(宜春先鋒軍工機械有限公司, 江西 宜春 336000)

0 引言

防空、反導任務(wù)中，小口徑高射炮能夠彌補導彈對空中目標射擊的攔截死區(qū)，是低空防御必不可少的武器。桿式穿甲彈的存速能力強，著靶比動能大。與旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈相比，其穿甲厚度一般高出20%～30%。桿式穿甲彈可有效擊穿導彈戰(zhàn)斗部殼體和武裝直升機裝甲，對硬目標和半硬目標具有優(yōu)異的縱向侵徹破壞特征，但由于橫向破壞特征有限，導致裝甲后毀傷效果不夠理想。

近些年，關(guān)于穿甲彈的破壞效能研究逐步從提高著靶速度、增加鎢芯長徑比向擴大終點效應(yīng)發(fā)展，出現(xiàn)了易碎脫殼穿甲彈和含能破片。易碎鎢芯在穿過目標裝甲后產(chǎn)生相當于鎢芯質(zhì)量30%～40%的碎塊，在離心力作用下，形成錐形碎塊束，對目標的橫向破壞起到促進作用。但因易碎鎢芯“抗壓而不抗拉”的力學特性不適應(yīng)桿式穿甲彈在發(fā)射過程中的受力環(huán)境，加上桿式穿甲彈無法賦予碎塊足夠的離心力并形成大范圍碎塊束，目前服役的易碎脫殼穿甲彈多采用旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定方式。國內(nèi)外大量試驗證明，含能破片能在比普通破片低得多的速度下引燃、引爆裝藥戰(zhàn)斗部，反應(yīng)產(chǎn)生的能量可對目標內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行毀傷，如含能破片會對電路造成嚴重退化，且其反應(yīng)產(chǎn)生的碳化物質(zhì)能使電子元器件短路，反應(yīng)產(chǎn)生的高溫能對人員和元器件造成燒蝕損傷等。

為實現(xiàn)桿式穿甲彈同時具有穿甲彈縱向侵徹與爆破榴彈橫向破壞特征，提出了一種將普通鎢芯、易碎鎢芯和含能破片組合使用的復合鎢芯結(jié)構(gòu)，開展了理論分析和驗證試驗，并對這種復合鎢芯的破壞效能進行了研究。

1 理論分析

1.1 含能破片釋能分析

對含能破片作用機制的研究表明，降低含能破片發(fā)生釋能反應(yīng)時的能量閥值并可提高釋能反應(yīng)的充分程度的措施主要有：

1)減小含能破片殼體頭部厚度有利于減小沖擊波在殼體內(nèi)部的衰減；2)增加含能破片直徑有利于增加破片在目標內(nèi)部的沖擊能量；3)增加含能破片的長徑比、殼體材料密度有利于降低發(fā)生反應(yīng)所需的臨界沖擊速度；4)與圓頭含能破片相比，平頭破片發(fā)生釋能反應(yīng)時的臨界沖擊速度較低。

對含能破片沖擊薄靶釋能時間的研究表明，通過調(diào)整殼體厚度可實現(xiàn)對含能破片釋能時間的控制，使其適時釋能，增加有效毀傷能力。

1.2 易碎鎢芯段PELE效應(yīng)分析

由于全易碎鎢芯不適應(yīng)桿式穿甲彈發(fā)射過程的高過載，因此將易碎鎢芯與普通鎢芯段通過過渡段燒結(jié)成一體，通過坯料成分配比和燒結(jié)工藝控制過渡段的力學性能呈梯狀化，令其前段具備易碎特性，中、后段保留韌性與強度。易碎段鎢芯中空,內(nèi)部裝填含能破片并形成PELE結(jié)構(gòu)。該段的長徑比對橫向破壞效應(yīng)具有一定影響。當長徑比較大時，比動能較大，擊穿多層薄靶板后的剩余速度也較大，但當長徑比增加到一定程度后，侵徹多層薄靶板后的余速增量逐漸不明顯，充塞變形無法充分覆蓋PELE內(nèi)芯，橫向效應(yīng)僅發(fā)生在頭部高壓區(qū)；當長徑比較小時，整個易碎段都能發(fā)生橫向效應(yīng)，但由于比動能較小，其整體侵徹能力會有所下降。綜合上述分析，易碎段的長徑比取4∶1～6∶1為宜。

1.3 復合鎢芯主要參數(shù)

根據(jù)桿式穿甲彈設(shè)計理論和易碎穿甲鎢芯破碎機理，對普通鎢芯、易碎鎢芯和含能破片的主要參數(shù)進行匹配。

1.3.1 產(chǎn)生碎塊束的臨界沖擊速度

易碎鎢芯發(fā)生拉伸斷裂時臨界速度應(yīng)滿足：

(1)

式中:為鎢芯材料的動態(tài)斷裂極限;和分別為靶板和鎢芯材料密度;和分別為靶板和鎢芯材料的彈性波速;為相互剪切運動的靶板長度;通常取靶板材料靜態(tài)剪切強度的2～3倍；為靶板塞塊直徑。

132 含能破片發(fā)生釋能反應(yīng)的臨界沖擊速度

根據(jù)駐點起爆理論和射彈沖擊裸裝炸藥引爆臨界條件，忽略粒子速度與能量在含能破片殼體(易碎鎢合金殼體)中的衰減，含能破片釋能反應(yīng)臨界沖擊速度可表示為：

(2)

(3)

(4)

式中：為沖擊引爆常數(shù)；為鎢芯直徑；為含能破片粒子速度；為含能破片密度；為彈靶撞擊時的相對速度。

常見炸藥沖擊引爆常數(shù)見表1。

表1 常見炸藥沖擊引爆常數(shù)

133 含能破片釋能量

含能破片釋能反應(yīng)時作用于密閉空間中的化學反應(yīng)能為：

(5)

式中:為含能破片釋放化學能的作用空間體積;為含能破片各組分質(zhì)量;為各組分化學反應(yīng)釋放的能量。常見含能破片的質(zhì)量密度、能量密度見表2。

表2 含能破片化學能量密度

134 鎢芯易碎段長度

復合鎢芯的易碎段長度由以下關(guān)系確定：

(6)

--≥0

(7)

≤min(,p)

(8)

式中:為鎢芯材料彈性模量;為鎢芯直徑;為彈頭部長度;為鎢芯易碎段截面上的最大應(yīng)力;為鎢芯承受的壓桿臨界應(yīng)力；p為鎢芯材料比例極限。

2 驗證試驗

2.1 試驗方法

使鎢芯(見圖1)以1 000 m/s速度撞擊靶標(見圖2)。靶標1(見圖3)由多層鋁板和裝甲靶板組成,模擬迎頭擊中導彈戰(zhàn)斗部，用于檢驗復合鎢芯的破片束破壞效果。靶標2(見圖4)由鋼制圓筒、鋁板和低碳鋼板組成，模擬設(shè)備艙，內(nèi)置壓力傳感器，用于測量筒內(nèi)相對大氣壓的壓力差值。

圖1 易碎鎢芯和復合鎢芯示意圖

圖2 試驗布置示意圖

圖3 靶標1結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 靶標2結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 碎塊束破壞效果

試驗后統(tǒng)計鎢芯在多層鋁板上的穿孔情況：普通鎢芯穿孔特征單一，穿孔形狀較為規(guī)則，每張板上只有一個穿孔，穿孔短軸尺寸為10～12(見圖5)；易碎鎢芯在第5層鋁板處開始出現(xiàn)碎塊束破壞效果，但整個過程碎塊分散角較小，第7層鋁板穿孔長軸尺寸為4～6(見圖6)；復合鎢芯的含能破片在第2層鋁板處開始發(fā)生釋能反應(yīng)(見圖7)，在第3層鋁板處開始出現(xiàn)易碎鎢芯碎塊束，隨著釋能反應(yīng)充分度的提高，碎塊束的分散角相應(yīng)增加，鎢芯的破壞范圍逐漸擴大，最大穿孔出現(xiàn)在第5～第6層鋁板，長軸尺寸為10～16，鎢芯主體擊穿裝甲靶板(見圖8)。

圖5 普通鎢芯對靶標1的破壞效果

圖6 易碎鎢芯對靶標1的破壞效果

圖7 復合鎢芯釋能效果

圖8 復合鎢芯對靶標1的破壞效果

試驗結(jié)果表明，復合鎢芯碎塊束對該靶標的橫向破壞范圍大于易碎鎢芯。原因主要有兩個：1)復合鎢芯具有PELE結(jié)構(gòu)，在擊穿多層薄靶板的過程中，含能破片的膨脹作用有助于降低易碎鎢芯發(fā)生破碎時的臨界沖擊速度，因此在同樣沖擊速度下，復合鎢芯較易碎鎢芯發(fā)生破碎的部分更多且破碎更充分。2)由于通過尾翼提供穩(wěn)定力矩的桿式穿甲彈不具備旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定穿甲彈的高轉(zhuǎn)速，桿式穿甲彈易碎鎢芯產(chǎn)生的碎塊因離心力不足在短時間內(nèi)仍無法分散到較大的區(qū)域內(nèi)；而復合鎢芯產(chǎn)生的碎塊在含能破片釋能反應(yīng)的沖擊作用下能夠獲得較大的徑向加速度速度，此時即使沒有足夠的離心力，碎塊仍可以獲得較大的分散角度。

另外橫向破壞效果還受到“協(xié)同”效應(yīng)的影響，“寄生”效應(yīng)的存在使部分碎塊保存了能量，提高了碎塊束整體的侵徹能力。許多碎塊同時撞擊目標靶板產(chǎn)生的效應(yīng)要比等數(shù)量碎塊分別命中目標靶板產(chǎn)生的效果更大，這就是多重碎塊的“協(xié)同”效應(yīng)?！皡f(xié)同”效應(yīng)的存在，在多層間隔目標中會產(chǎn)生更大的橫向破壞作用。

質(zhì)量相同、初始撞擊速度接近的普通鎢芯、易碎鎢芯和復合鎢芯對同一靶標的整體破壞效果如表3、圖9和圖10所示。

表3 橫向破壞效應(yīng)對比

碎塊束的破壞系數(shù)定義為多層鋁板的穿孔總面積與鎢芯圓柱部斷面面積之比，近似表示為：

(9)

式中:為鋁板的層數(shù);為每一塊鋁板上破片穿孔的數(shù)量;為破片穿孔近似為矩形后的長度;為破片穿孔近似為矩形后的寬度;為飛行彈體的直徑。通常認為破壞系數(shù)超過140即可對軍用飛行器造成中度毀傷，使其不能完成預定作戰(zhàn)使命，當破壞系數(shù)超過300后，可對目標造成重度毀傷或摧毀的打擊效果。

圖9 各層穿孔面積

圖10 各層穿孔數(shù)量

易碎彈芯產(chǎn)生碎塊較晚，單層鋁板最大穿孔數(shù)較少，最大穿孔面積較小，因此整體破壞系數(shù)較低。對碎塊產(chǎn)生機制分析可知，易碎彈芯的碎塊總量少于復合彈芯。靶標2的第1層與第7層鋁板之間的間距約為1.5 m，復合鎢芯的碎塊束穿過第6層鋁板后基本全部破碎、動能消耗殆盡，解決了碎塊束侵徹能力有余而橫向破壞作用不足的問題。在產(chǎn)品設(shè)計中，可通過調(diào)整易碎段的長度、力學性能實現(xiàn)對不同強度和間距的多層靶實現(xiàn)該作用效果，但是由于整體重量的限制，增加易碎段長度必然影響到普通鎢芯段對裝甲鋼板的侵徹深度。

2.2.2 反應(yīng)產(chǎn)物的超壓破壞效果

在靶標2內(nèi)部使用鋁板將筒內(nèi)空間分隔成4個獨立艙室，在入射方向上順序編為Ⅰ號～Ⅳ號，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ艙室分別設(shè)置壓力傳感器，編為1號～3號。通過高速攝像視頻和壓力傳感器讀數(shù)發(fā)現(xiàn)，復合鎢芯擊穿靶標2后，易碎段彈芯的碎塊束將隔層和蒙皮撕裂，留在靶標內(nèi)部的含能破片繼續(xù)發(fā)生釋能反應(yīng)(見圖11)；靶標內(nèi)部氣壓相對大氣壓急劇增加了3倍～4倍，隨后產(chǎn)生一個負壓差,約為1倍大氣壓(見圖12)。

圖11 靶標2試驗情況

圖12 靶標2內(nèi)部壓力曲線

含能破片在殼體的保護下穿過前端蓋，彈芯的易碎段在侵徹過程中不斷破碎，含能破片釋能反應(yīng)被激活，鎢芯主體擊穿整個目標后，含能破片留在目標內(nèi)部持續(xù)作用，反應(yīng)產(chǎn)物使目標內(nèi)部的壓力和溫度驟增。位于Ⅲ號艙室的2號傳感器讀數(shù)略高于位于Ⅱ號艙室的1號傳感器，但壓力衰減相對更快。造成這種現(xiàn)象的原因是含能破片在Ⅲ號艙室的釋能反應(yīng)更加充分，但易碎鎢合金對靶標隔層和端蓋造成的穿孔面積也在不斷增加，因此壓力峰值和衰減速度均相對較大。壓力急劇變化引發(fā)的強震、釋能反應(yīng)造成的燒蝕、易碎鎢合金破片的大面積沖擊，在這些效應(yīng)的綜合作用下，對艙內(nèi)的電子元器件、各類機構(gòu)和蒙皮造成了顯著的毀傷效果。

3 結(jié)論

針對當前桿式穿甲彈缺少橫向破壞特征的現(xiàn)狀和不足，提出在保留一定縱向侵徹能力的基礎(chǔ)上，加入易碎鎢芯的碎塊束破壞效果和含能破片的爆轟破壞效果，通過試驗驗證了一種普通鎢芯、易碎鎢芯與含能破片的組合方案。結(jié)果表明：

1)使用侵徹膨脹彈結(jié)構(gòu)，利用含能破片的膨脹作用和釋能作用降低易碎鎢合金發(fā)生破裂的臨界沖擊速度，同時提高鎢合金碎塊的徑向速度，增強碎塊束的整體威力，從而對薄目標造成較好的橫向破壞效果。

2)在桿式穿甲鎢芯中裝填含能破片，改善了僅靠單一物理作用攻擊目標的現(xiàn)狀，能夠增強對導彈儀器艙或武裝直升機等目標的毀傷效果。

3)通過工藝控制，使鎢芯的一端具有易碎特性，經(jīng)過過渡使另一端保留強度和韌性，這種鎢芯結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)桿式穿甲彈的受力特點。

4)該組合方案的破壞效果達到了預期水平，能夠為桿式穿甲彈鎢芯設(shè)計提供參考和依據(jù)。