彈丸侵徹高強度混凝土的高速攝影試驗研究

吝曼卿，夏元友，肖正學，王智德，陳少炎，李復庭

（1. 武漢理工大學 土木工程與建筑學院，武漢 430070；2. 西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010；3. 武漢建工股份有限公司，武漢 430023）

1 引 言

受現代戰爭的影響，大多數具有戰略價值的目標均修筑有堅固的高強度混凝土的防護工事[1]，如何提高混凝土防護工事在鉆地武器侵徹作用下的抗侵徹能力，是安全防護工程領域中重點研究的方向[2]。目前，國內外已對彈丸侵徹混凝土靶體方面的研究作了很多工作[3－5]，但都著重對彈丸侵徹深度和靶體破壞程度進行研究，而對彈丸侵徹靶體的運動特征研究甚少，尤其是彈丸在空中飛行過程中，因受到重力、空氣阻力或靶資不穩定等現象，不可避免地會形成斜著靶狀態。因此，清楚地了解彈丸在不同侵徹角度下的侵徹運動過程，對合理設計防護工事有著重要的參考價值。

在侵徹試驗過程中，各個觀測對象的運動速度是十分重要的參數。高速攝影是研究高速運動過程的一種行之有效的方法，它與一般攝影最根本的區別在于具有很高的時間分辨本領，能跟蹤快速變化過程的發生和發展，并記錄下來，從而為高速動態實驗提供豐富的試驗信息[6－7]，不僅能測量出彈丸著靶前的飛行速度，還能測量出彈丸在侵徹過程中的速度變化、彈丸在侵徹過程中發生的偏轉角度和靶體飛濺物速度的變化過程。馬愛娥等[8]利用輕氣炮進行彈丸斜侵徹鋼筋混凝土的實驗時，通過高速攝影系統及靶前鏡面反射裝置記錄彈丸著靶前飛行姿態，得到了彈丸對鋼筋混凝土靶體的斜侵徹破壞效應、彈道軌跡、彈丸侵徹深度、開坑直徑等參數。

本次采用高速攝影儀拍攝在一級輕氣炮中彈丸對侵徹面不同侵角的高強度混凝土靶體的侵徹過程，通過捕捉彈丸在侵徹過程中的速度變化、姿態變化和靶體的飛濺物情況，結合靶體在侵徹后的破壞狀態，對比分析靶體侵徹面的侵角、彈丸著靶速度不同情況下彈丸在靶體中的運動特征規律，對研究彈丸侵徹高強度混凝土有很大的現實和軍事意義。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

彈丸頭部呈卵形（彈形系數 CRH = 3），彈長120 mm，直徑φ20 mm，其材料選用45#鋼，熱處理后屈服強度不小于355 MPa，重約0.250 kg。為保證彈丸在輕氣炮內射彈定心和閉氣效果，將彈丸安放在彈托上。彈托為高壓聚乙稀材料制成的圓柱體，彈托長70 mm，外徑φ57 mm。彈托中心有一深度50 mm，內徑約φ22 mm的圓形孔洞，如圖1所示。

圖1 彈丸與彈托Fig.1 Projectile and sabot

靶體選用混凝土材料，原材料配合比表 1，試件在實驗室經標準養護28 d后，測試平均單軸抗壓強度為76.6 MPa。由于彈丸在輕氣炮中的加載運動軌跡恒定，試驗通過改變靶體侵徹面的不同傾角以達到彈丸對靶體進行斜侵徹的效果。靶體侵徹面有0°、10°和20°三種不同傾角，具體尺寸見表2。

表1 混凝土試件配合比Table1 Mix proportion of concrete specimen（kg/m3）

表2 6次侵徹試驗相關參數Table2 Parameters of the six penetration experiments

采用Ultima APX－RS型數字式高速彩色攝相機拍攝彈丸的侵徹過程。該機運用 Photron領先的CMOS傳感器技術，感光度高、分辨率高[9]，且具有“重點關注區域”的功能；采用電子快門，最快可達1 μs，有利于消除動態像移，獲得清晰的圖像，且該機具有適應性強的同步裝置，能方便地與輕氣炮的電測系統同步，在常用幅頻條件下有2～6 s的時間記錄范圍，適應于沖擊實驗需要記錄時間較長的特點，能方便地觀測彈丸著靶前的飛行姿態、著靶后的侵徹過程以及靶體的飛濺情況[10]。

2.2 試驗方法

試驗采用某炮管直徑為 57 mm的一級輕氣炮作為彈丸侵徹靶體的加載裝置，將靶室的觀測窗之一安裝防彈玻璃作為高速攝影窗，為防止彈丸侵徹靶體所產生的混凝土飛濺物或彈丸對靶室造成破壞，甚至威脅到實驗人員和高速攝影機的安全，將靶室內的靶體侵徹面向下，用弧形鋼板緊箍靶體側面。同時，高速攝影機通過實驗室自制潛望鏡進行拍攝，潛望鏡由一段直徑φ110 mm，長700 mm的PVC-U管和安裝鏡片的 2段彎頭裝配制成。由于攝影機鏡頭距靶體中心線的垂直距離僅1 m，觀測范圍較小，攝影機配置直徑為70 mm的微距鏡頭，進光量調為最大；根據彈丸速度、光源強度、記錄時長等條件，設置拍攝速度為3000 s-1（每秒傳輸3000幀），每幅時間間隔33 μs，分辨率為256×256像素，預拍攝時長為拍攝時長的1/3[11－12]。

試驗光路采用后照明技術，即將1000 W無頻鹵鎢燈緊靠在靶體表面，照射方向與靶體侵徹面平行，光路由光源經碰靶位置、攝影窗、潛望鏡至攝影機鏡頭。實驗時，輕氣炮氣室中的高壓氣體突然釋放，推動彈托及裝配在彈托上的彈丸在真空炮管內高速運動，直至彈丸侵徹靶體并完成侵徹過程。為提高試驗的精確性，試驗中使用同步設備進行控制，以保證彈丸侵徹靶體瞬間，高速攝影儀正常啟動并拍攝到試驗所需的全過程，并用筆記本電腦記錄和顯示拍攝圖像信息。試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統示意圖Fig.2 Sketch of experimental system

3 試驗結果

3.1 宏觀觀測結果

試驗通過不同的彈丸著靶速度，對侵徹角度分別為0°、10°和20°的靶體進行侵徹，對試驗后的彈丸和靶體進行宏觀觀測并發現，彈丸僅對靶體侵徹面形成宏觀破壞，破壞呈漏斗狀，靶體侵徹背面和側面無任何變化。彈丸頭部僅呈現少許摩擦痕跡，彈體未變形。用輕氣炮磁探針測速系統測出試驗中的著靶速度，相關參數見表 2，由表可見，當靶體侵徹角度一定時，彈丸著靶速度越大，靶體上形成的成坑直徑和侵徹深度相對越大[13]。

3.2 高速攝影結果

經過6次彈丸侵徹靶體的高速攝影試驗，均取得較好的高速攝影效果。根據試驗分析的需要，截取了拍攝范圍內彈丸在靶體中侵徹過程的部分照片，且擬定彈丸著靶瞬間的1幅照片作為彈丸侵徹靶體的0時刻。照片中的兩條明亮的光線均為鹵鎢燈絲的亮光。由于輕氣炮的炮管口距靶體侵徹面距離很短，僅1 m，使得彈丸在著靶前的初始航偏角極小，可忽略不計，故高速攝影拍攝出彈丸在著靶前的彈姿為水平狀態。試驗I和試驗VI的部分高速攝影照片，如圖3所示。由圖3(1)可見，彈丸對侵徹面侵角為0°的靶體進行侵徹時，彈姿均保持水平狀態。圖 3(2)中，彈丸對侵徹面角度為 20°的靶體進行侵徹時，彈姿在侵徹初期保持水平狀態，而在著靶后600 μs出現明顯的偏轉。這是因為靶體侵徹面侵角為0°時，彈丸在侵徹過程中受到靶體均勻的阻力作用，不會影響彈丸在侵徹運動中發生偏轉。而靶體侵徹角度大于0°時，由于彈丸著靶速度大，彈丸在著靶瞬間的動能大，使得彈頭在著靶初期受到不均勻阻力產生的偏轉現象不明顯，進而表現出水平侵徹狀態。當彈丸侵徹速度減小到一定值時，彈丸因受到靶體的不均勻阻力影響而出現明顯的偏轉現象。

圖3 不同時刻的高速攝影照片Fig.3 High-speed photography in different times

圖3(1)中，彈托在著靶后200 μs有明顯的分離現象，圖3(2)中，彈托在著靶后333 μs也有明顯地彈托分離現象，且隨著彈丸侵徹時間的增加，彈托分離現象越明顯。從圖3可見，彈丸從著靶到完成侵徹的整個過程中，彈丸著靶處會隨著彈丸的侵徹不斷噴射出粉狀的飛濺物，最終飛濺物彌漫整個靶室，使靶室變暗，其中，當靶體侵徹角大于0°時，靶體飛濺物主要集中在彈丸下方。此外，由圖可見，彈丸均在靶體侵徹面附近進行侵徹運動，這與靶體的宏觀觀測結果中彈丸成坑深度較淺的測試結果相吻合。產生該現象的原因可能與靶體強度過高，而彈丸的著靶速度相對較低有關。

綜上，高速攝影能較清晰地捕捉到彈丸侵徹混凝土靶體的全部過程，包括靶體飛濺物的噴射情況，彈丸在侵徹靶體過程中的位移變化和姿態變化過程。

4 試驗結果分析

4.1 分析方法

由前分析可知，靶體侵徹傾角為0°時，彈丸在靶體中作水平運動；靶體侵徹傾角大于0°時，彈丸在靶體中逐漸產生偏轉運動。為分析著靶速度和靶體侵角對彈丸侵徹過程的影響，很有必要對彈丸在侵徹過程中的水平運動速度變化和偏轉角度變化進行分析。

利用高速攝影的速度 v計算式[7]對所拍攝的 6組試驗高速攝影照片進行進一步分析。

式中：n為與運動距離相對應的照片幅數；f為高速攝影拍攝頻率；S為照片拍攝時間內彈丸或飛濺物運動距離。

圖4為相鄰照片的彈丸裁剪到一張圖片上的效果，利用靶室內無頻鹵鎢燈的燈絲位置和彈丸上的標尺作為參考點，可以計算出彈丸在一定時間內水平運動的距離ΔS。

4.2 彈丸侵徹過程中水平運動的影響分析

圖4 彈丸水平運動距離的判讀示意圖Fig.4 Judging sketch of projectile horizontal displacement distance

表3為彈丸水平運動速度隨侵徹時間的測量結果，侵徹時間為 0 μs時對應的速度為彈丸著靶速度。結合表1中的著靶速度可知，對于同一侵徹試驗，通過高速攝影所測得的彈丸著靶速度與磁探針測速系統所測得的速度值存在差異，其中相差最大的是試驗Ⅰ的著靶速度，表2中磁探針測出速度為224 m/s，而高速攝影測出速度為 240 m/s，相差16 m/s，存在 6.67%的相對誤差，經分析，引起該誤差的原因可能是試驗讀數時不可避免的人為誤差造成。

表3 彈丸水平運動速度測量結果Table3 Measured results of level velocities of projectile in penetration process

表3顯見，彈丸在靶體中的侵徹速度隨侵徹時間的增加不斷降低。靶體侵徹角度為0°時，彈丸著靶速度從220 m/s增加到240 m/s時，彈丸水平運動所需時間由132 μs增加到264 μs，可知靶體侵角為0°時，每增加單位著靶速度，彈丸在靶體中水平侵徹所需時間增加6.6 μs。同理，靶體侵徹角度為10°和 20°時，每增加單位著靶速度，彈丸在靶體中水平侵徹所需時間增加0.9 μs和0.47 μs，說明彈丸以200 m/s左右的低速侵徹靶體時，隨著靶體侵徹角度的增加，彈丸著靶速度對其在靶體中水平運動所需時間的影響逐漸減小，即靶體侵徹角度對彈丸在侵徹過程中水平運動的影響作用越來越大。

將表3中的彈丸水平速度與侵徹時間作回歸分析，如圖5所示。從圖可見，彈丸水平侵徹速度與其侵徹時間有很好的相關性，相關性系數均在0.93以上，即彈丸水平侵徹速度與其侵徹時間相關的基本方程關系式為

式中：y為彈丸水平侵徹速度(m/s)；x為彈丸在靶體中的侵徹時間(μs)；a、b分別為與靶體侵徹角及靶體強度參數相關的系數；c為彈丸著靶速度(m/s)。

從圖5亦見，當靶體侵角一定時，彈丸著靶速度越小，彈丸在靶體中的侵徹速度降低的越快，彈丸水平侵徹時所需時間越短。彈丸著靶速度一定時，靶體侵徹角度越大，彈丸水平侵徹所需時間相對越短。

圖5 彈丸著靶速度與侵徹時間關系曲線Fig.5 Relation curves of projectile between penetration speed and time

4.3 彈丸侵徹過程中偏轉運動過程的影響分析

表4為彈丸偏轉角度隨侵徹時間的測量結果，根據表4繪制出彈丸偏轉角度與侵徹時間的關系曲線，如圖6所示。

表4 彈丸在侵徹過程中的偏轉角度測量結果Table4 Measured results of deflection angles of projectile in penetration process

圖6 彈丸偏轉角度與侵徹時間的關系曲線Fig.6 Relation curves of projectile between deflection angles and penetrating time

從圖6可見，彈丸均在著靶后150～200 μs發生偏轉。彈丸偏轉與其侵徹時間均有很好的相關性，彈丸偏轉角度與其侵徹時間也滿足二次多項式的基本方程關系。

對比圖6(a)和圖6(b)可知，在相同侵徹角度下，彈丸著靶速度越高，彈丸在靶體中偏轉所需的時間越長，彈丸著靶速度越低，彈丸在靶體中偏轉的越快。由圖 6(b)可見，彈丸對侵徹面為 20°的靶體以著靶速度為180 m/s進行侵徹時，彈丸在靶體中進行極速偏轉，當侵徹時間為330 μs時，彈丸偏轉角已達24.4°。結合表2可知，試驗VI中彈丸未在靶體侵徹面上留下殘孔，僅出現一淺坑，此時彈丸已跳彈，說明當靶體侵徹角度增加到一定程度時，彈丸著靶速度越低，其在靶體中偏轉的越快，發生跳彈的可能越大。

4.4 彈丸侵徹過程的飛濺物速度分析

彈丸著靶時，會在靶體著靶點附件產生一定的飛濺物，圖7為6組實驗條件下產生飛濺物的最大速度（簡稱飛濺物速度）與對應著靶速度的關系曲線圖。

圖7 飛濺物速度與侵徹速度的關系曲線Fig.7 Relation curves between spatter velocity and penetration velocity

從圖7可見，當靶體侵徹角一定時，隨著彈丸著靶速度的增加，彈丸著靶產生飛濺物速度越大。當靶體侵角為 20°，彈丸以 180 m/s侵徹靶體所產生的飛濺物速度為486 m/s，大于靶體侵角為0°和10°時產生的飛濺物速度，說明靶體侵徹角對飛濺物速度的影響因子相對比彈丸著靶速度的大，亦進一步說明在彈丸侵徹靶體的過程中，靶體侵徹角的大小是安全防護工事中不可忽視的重點問題。

5 結 論

（1）高速攝影能清晰地捕捉彈丸侵徹靶體的全部過程，包括靶體飛濺物的噴射情況，彈丸的位移變化和姿態變化過程。通過高速攝影所測得的彈丸著靶速度，與磁探針測速系統所測得速度值的相對誤差不超過6.67%。

（2）彈丸以200 m/s左右的低速侵徹靶體時，彈丸在著靶后150～200 μs發生偏轉，靶體侵徹角越大，對彈丸水平運動的影響作用越大。靶體侵徹角一定時，彈丸著靶速度越小，彈丸在靶體中的侵徹速度降低越快，此時靶體的飛濺物速度隨彈丸著靶速度的降低而減小。靶體侵徹角對飛濺速度的影響作用相對比彈丸著靶速度的大。

（3）彈丸水平侵徹速度、偏轉角度與其侵徹時間有很好的相關性，其相關方程均滿足二次多行式。

以上結論是在本次室內試驗條件下得出的，對彈丸侵徹高強度混凝土的防護工程有一定的參考價值，為彈丸著靶速度和靶體侵角對彈丸在侵徹過程中的運動特征規律的研究提供了基礎數據。

[1]梁斌. 彈丸對有界混凝土靶的侵徹研究[碩士論文 D].北京: 中國工程物理研究院,2004.

[2]欒廣博,葛修潤,李春光,等. 基于Forrestal 侵徹試驗的數值模擬研究[J]. 巖土力學,2009,30(增刊): 271－275.LUAN Guang-bo,GE Xiu-run,LI Chun-guang,et al.Study of numerical simulation based on penetration experiments of Forrestal[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(Supp.): 271－275.

[3]IQM,REI S R,WEN H M,et al. Local impact effects of hard missiles on concrete targets[J]. International Journal of Impact Engineering,2005,32(1-4): 224－284.

[4]徐建波,林俊德,唐潤棣,等. 長桿射彈侵徹鋼筋混凝土實驗研究[J]. 爆炸與沖擊,2002,4(2): 174－178.XU Jian-bo,LIN Jun-de,TANG Run-di,et al. The penetration of steel bar projectiles into concrete targets[J].Chinese Journal of Explosion and Shock Waves,2002,22(2): 174－178.

[5]WESLEY D B. Taylor impact test and penetration of reinforced-concrete targets by cylindrical composite rods[D]. Blacksbury: The Faculty of the Virginia Polytechnic Institute,2004.

[6]唐孝容,高寧 郝建中,等. 高速攝影技術在常規戰斗部實驗中的應用[J]. 彈箭與制導學報,2010,30(3): 105－107.TANG Xiao-rong,GAO Ning,HAO Jian-zhong,et al.Application of high-speed photography to experiment of warhead[J]. Chinese Journal of Projectile,Rockets,Missiles and Guidance,2010,30(3): 105－107.

[7]高航,張繼春,肖正學,等. 利用輕氣炮進行侵徹試驗的高速攝影法探索[J]. 彈道學報,2011,23(1): 75－79.GAO Hang,ZHANG Ji-chun,XIAO Zheng-xue,et al.Research on projectile impacting target by means of lightgas gun with- speed photography[J]. Chinese Journal of Ballistics,2011,23(1): 75－79.

[8]馬愛娥,黃風雷. 彈丸斜侵徹鋼筋混凝土的實驗研究[J]. 北京理工大學學報,2007,27(6): 482－486.MA Ai-e,HUANG Feng-lei. Experimental research on oblique penetration into reinforced concrete[J].Transaction of Being Institute of Technology,2007,27(6): 482－486.

[9]肖定軍,郭學彬,劉凱德,等. 爆破作用下巖體層間充填土運動的高速攝影試驗[J]. 西南科技大學,2008,27(3): 33－37.XIAO Ding-jun,GUO Xue-bin,LIU Kai-de,et al. Highspeed photography test on the motion of interlayer fill soil of rock mass under the action of blasting[J]. Chinese Journal of Southwest University of Science and Technology,2008,27(3): 33－37.

[10]趙繼波,文尚剛,譚多望,等. APX-RS相機在高速攝影中的應用[J]. 爆炸與沖擊,2009,29(1): 90－94.ZHAO Ji-bo,WEN Sang-gang,TAN Duo-wang,et al.Application of APX-RS digital camera to high-speed photography[J]. Chinese Journal of Explosion and Shock Waves,2009,29(1): 90－94.

[11]譚顯詳,韓立石. 高速攝影技術[M]. 北京: 原子能出版社，1990: 2－5.

[12]PHOTRON. FASTCAM-APX RS hardware manual[M].San Diego,USA: Photons,2004.

[13]LIN M Q,XIA Y Y,XIAO Z Z,et al. Damage experiment of projectile penetration into high- strength concrete[C]//Proceedings of the 2nd ISRM International Young Scholars’ Symposium on Rock Mechanics. Beijing: [s. n.],2012.