動能彈侵徹機理及其防護研究進展
2016-05-06 09:09:40劉元雪
兵器裝備工程學報 2016年3期
李 爭,劉元雪,張 裕
(后勤工程學院 重慶市巖土力學與地質環境保護重點實驗室，重慶 401311)
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動能彈侵徹機理及其防護研究進展
李爭,劉元雪,張裕
(后勤工程學院重慶市巖土力學與地質環境保護重點實驗室，重慶401311)
摘要：動能彈是一種打擊地下深層戰略目標的重要武器裝備，研究其侵徹機理及防護技術意義重大。綜述了近年來動能彈侵徹機理的相關研究進展，指出國內外動能彈侵徹機理的實驗研究多集中在v<1 300 m/s的中低速范圍內，經驗公式多考慮彈體為剛性彈或變形非消蝕彈，相關的理論模型和數值模擬研究已初成體系，而動能彈高速/超高速侵徹技術的研究仍處于起步階段，其破壞機制尚不清晰；從增大遮彈層強度、優化遮彈層結構和設計偏航層3個方面總結了新型抗侵徹防護技術的研究成果；對未來的研究工作提出了建議。
關鍵詞：動能彈；侵徹機理；防護技術
Citation format:LI Zheng, LIU Yuan-xue, ZHANG Yu.Research Progress of Kinetic Energy Projectile Penetration Mechanism and Protection[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):9-14.
隨著信息技術的迅猛發展，現代戰場透明度增加，重要戰略目標大量轉入地下深層掩體內，一般武器裝備難以發揮作用。
動能彈，也稱侵徹彈，是20世紀80年代由歐洲人率先提出的，依靠高空墜落形成的巨大動能鉆入地下掩體后引爆裝藥毀傷目標的精確制導武器。早期的動能彈受到技術水平的限制，侵徹效果不佳，并未受到各國的關注。90年代初的海灣戰爭中，多國軍隊“地毯”式轟炸伊拉克深層地下軍事目標卻收效甚微，而美國應急研制的激光制導鉆地動能彈—GBU-28[1]，成功穿透阿里米亞防空洞厚2.15m的鋼筋混凝土層以及覆蓋層，防空洞內400多名避難者當場被炸死，其前所未有的侵徹深度和破壞效果引起世界的關注，掀起了動能彈的研究熱潮。
1動能彈
動能彈是未來戰爭條件下打擊地下深層戰略目標武器系統的重要組成部分，依靠高空墜落的巨大動能造成侵徹效果，單位面積上的動能與侵徹效率正相關，故長桿彈成為動能彈的主要形態，而鎢合金、鈦合金、合金鋼等高強度、高密度材料成為制作彈體的主要材料，圖1為動能彈侵徹戰斗部示意圖。
圖1 動能侵徹彈戰斗部示意圖
隨彈體著靶速度的提高，彈體經歷了從剛體侵徹到半流體侵徹，最終到流體侵徹的轉變過程，其侵徹破壞機理大不相同。且彈靶材料不同，臨界侵徹速度各異。根據彈體著靶速度的不同，將動能侵徹過程粗略地分為4種情況[2]：低速侵徹(v<500 m/s)、中速侵徹(500 m/s
2動能彈侵徹機理研究現狀
2.1實驗研究與經驗公式
實驗研究法是基于大量的彈道實驗數據，結合一定的假設，歸納出彈靶侵徹深度的經驗公式或半經驗公式。目前，國際上廣泛應用的動能彈侵徹巖石、混凝土等材料的經驗公式有法國的Pencelet公式、Petry經驗公式、俄國的別列贊經驗公式、美國國防委員會的 NDRC 公式、SNL 的Young公式、Forrestal的半經驗公式等。
表1 不同著靶速度下回收彈體形態統計
近年來，動能彈侵徹的實驗研究也取得了一定的研究成果。將文獻[3-10]的侵徹實驗數據歸納總結，如圖2～圖6和表1所示。其中，表1[7]為不同侵徹速度下，30CrMnSi動能彈侵徹 C35混凝土靶板的回收彈體形態。圖2～圖5為不同彈靶強度、長徑比、彈頭形狀時，侵徹深度隨彈體著靶速度的變化關系圖[3,6,8,10]。其中，P為最終侵徹深度，L為彈體長度，d為彈體直徑。
圖2 不同彈體強度時，侵徹深度隨彈體著靶速度變化
圖3 不同靶體強度時，侵徹深度隨彈體著靶速度變化
圖4 不同長徑比時，侵徹深度隨彈體著靶速度變化
圖5 不同彈頭形狀時，侵徹深度隨彈體著靶速度變化
分析圖表可知，隨彈體著靶速度的增加，彈體逐漸由剛性彈轉變為變形消蝕彈，且質量損失越來越大。彈材強度與侵徹深度正相關，靶材強度與侵徹深度負相關。彈靶強度相差越大，侵徹深度隨彈體著靶速度變化曲線的幅值就越大。在剛體侵徹過程中，著靶速度越大，侵徹深度越大。隨著靶速度的進一步增加，進入半流體侵徹過程，侵徹深度隨彈體著靶速度增加出現明顯下降趨勢，這與下文的理論分析結果一致。隨著彈體長徑比的增加，單位彈長的有效侵徹深度反而降低，即長徑比與彈體的侵徹效率負相關。但是長徑比越大，最終侵徹深度越大。彈頭形狀對侵徹深度有較大影響，彈頭越鈍，侵徹效率越低。
此外，吳昊[11]進行了剛性彈侵徹高強鋼纖維增強混凝土和高強聚丙烯纖維增強混凝土靶體的實驗研究，提出了考慮彈靶摩擦阻力和彈頭形狀變化的鋼纖維混凝土靶侵徹深度的經驗公式。劉勇[12]進行了侵徹鋼筋混凝土靶的實驗研究，發現鋼筋網使混凝土抗拉強度明顯提高，將混凝土中的鋼筋網等價為一定厚度的鋼板，提出了鋼筋混凝土靶侵徹深度的經驗公式。徐文崢[13]借助實驗研究尖形彈丸垂直侵徹半無限混凝土靶的沖擊過載特性，考慮應力波對靶體阻力的影響，得出簡化的侵徹方程。武海軍[7]通過高速彈道炮侵徹石灰石、石英石骨料混凝土靶的實驗，發現著靶速度越高，彈材強度越低，質量消蝕越快。且石英石骨料混凝土的抗侵徹性能優于石灰石骨料混凝土。
總的來說，動能彈侵徹領域的實驗研究集中在著靶速度1 300 m/s以下的中低速范圍內，經驗公式多假設彈體為剛性彈或變形非消蝕彈。受到當前實驗設備和技術水平的限制，高速/超高速侵徹的實驗研究很少，僅有Sislby、Orphal和Forrestal等人進行過少量動能彈侵徹金屬靶板的實驗研究，侵徹混凝土的實驗只有Gold的幾組數據，且最高著靶速度還不足2 km/s[14]。可見，高速/超高速侵徹的實驗研究還處于起步階段，有待進一步完善。而且實驗研究費用高，適用范圍有限，只能反映彈靶侵徹始末狀態之間的關系，不能反映侵徹演化中間過程，有一定的局限性。
2.2理論分析
動能彈侵徹常用理論有能量動量守恒定律理論、空腔膨脹理論、微分面力法、局部相互作用理論以及彈塑性流體力學理論，其中空腔膨脹理論應用最為廣泛。Bishop、Hill和Mott等人最早提出的空腔膨脹理論。Hopkins提出了針對不可壓縮彈塑性材料的空腔膨脹理論。Goodiert將 Hopkins的成果應用于動能彈高速侵徹金屬靶板的問題中。Ross和Hanagud又將其推廣到可壓縮材料。Forrestal 等認為脆性靶體響應區分為彈性區、開裂區、塑性區，對金屬材料和脆性材料的侵徹問題進行了求解[15]。Warren等[16]提出了一個考慮自由表面效應的球形空腔膨脹理論的修正函數。王明洋[17]等運用空腔膨脹理論，引入兩個系數研究斜入射和鋼球對侵深的影響，得到了鋼球鋼纖維混凝土侵深計算公式。周輝[18]提出了適用于混凝土、巖石等脆性材料的新空腔膨脹模型。趙軍等[19]假設動能彈侵徹過程中，主要在彈體頭部發生質量損失，考慮彈頭形狀因子的影響，提出能夠考慮彈頭損耗的侵深計算公式。閃雨等[20]應用混凝土的動態球形空腔膨脹理論，建立了頭部和側壁分別具有不同摩擦因數的動能彈侵徹阻力模型。
圖6 6種理論模型計算的侵徹深度變化曲線
圖7 不同彈靶組合時，侵徹深度變化曲線
動能彈侵徹的理論分析主要集中在兩個方面：一是對經典空腔膨脹理論的修正，二是對高速侵徹理論模型的改進。理論分析法可以得到清晰的侵徹參量的變化過程，但是如何去粗存精進行合理的假設是一大難點，還要加入修正的彈道實驗數據，且彈靶材料參數的準確性受模型假設和參數好壞影響顯著，使得理論分析方法存在一定的誤差。
2.3數值模擬法
數值模擬借助計算機，求解動能彈侵徹的連續介質力學方程組，可得到侵徹過程中各參量的時程變化關系和具體圖像，清晰地觀測到彈靶材料的變形過程，彌補了實驗研究和理論分析方法的不足。而且數值模擬有利于進行不同彈靶組合、邊界條件、初始條件的計算，成本低，效率高，得到廣泛應用。國內外動能彈侵徹領域的數值模擬研究主要集中在以下幾個方面：
1) 研究網格尺寸、數值模擬算法對侵徹性能的影響。模擬結果顯示[21-22]，在建立數值計算模型時，彈體半徑與靶體網格尺寸的比值不宜小于2.6，取值在4～6之間計算結果比較滿意。在高速侵徹模擬中，Langrang網格因嚴重畸變而被迅速刪除，造成彈靶不可忽略的質量損失，與實際情況不符。而ALE算法在高速侵徹模擬中表現出較好性能，能夠得到清晰的物質界面。
2) 分析著靶速度、彈靶強度、入射角度、彈頭形狀和長徑比等對侵徹性能的影響，數值模擬結果與之前的實驗研究和理論分析結論保持一致[23-24]。
3) 研究新的混凝土動力學本構模型，并應用到數值模擬中，考察不同本構模型對侵徹性能的影響。例如范飛林[25]在Ottosen靜態本構的基礎上，考慮應變率強化和損傷軟化提出的混凝土沖擊荷載下的動態本構；徐浩[26]考慮加載路徑、多孔性和壓力相關性等，修正拉伸損傷和應變率效應后提出的新動態本構；路德春[27]提出的混凝土三維動態彈塑性本構模型等。
4) 在動能彈侵徹鋼筋混凝土領域，分析鋼筋混凝土含筋率、彈著點等對侵徹性能的影響。模擬結果顯示[28]，鋼筋直徑越大或編織越密集，即體積含筋率越高，抗侵徹力越強。彈著點對彈體侵徹能力影響顯著，擊中鋼筋交叉點時彈體能量損失最大。
3地下工程新型遮彈技術
遮彈層作為一種重要的防護結構，其作用是有效攔截鉆地武器，迫使其在遮彈層內爆炸，降低甚至消除鉆地武器對地下工程的毀傷效應。傳統遮彈層通常由具有較強抗壓、抗腐蝕性能的混凝土或塊石構成，現有的鉆地武器侵徹效應研究多集中在彈體侵徹土、巖石、混凝土等介質方面。
現代化條件下，新型鉆地武器的精確制導能力、有效射程、侵徹能力等均大幅度提高，無限制地增加傳統遮彈層的厚度顯然并不現實，新型遮彈技術的研究迫在眉睫。近年來，地下工程新型遮彈技術的研究主要從以下3個方面入手：
1)通過增大遮彈層材料強度(如高強度自密實混凝土、鋼筋-鋼纖維/鋼絲網混凝土、金屬混凝土等)，提高材料的動態抗壓、抗拉、抗彎等力學性能，減小鉆地武器侵徹深度。例如：陳英偉[29]使用固定砂石體積法和參數設計法，進行了70～100 MPa的高強自密實混凝土的配合比設計和性能實驗；巫緒濤[30]對鋼纖維含量分別為0%、2%、4%和6%，強度等級分別為C60、C80和C100的鋼纖維混凝土進行了準靜態和動態沖擊壓縮(5個應變率)實驗，發現鋼纖維對混凝土的壓縮增強作用微弱，對混凝土的增韌效果隨鋼纖維含量的增加而顯著提高；查呂應、何翔、楊建超等[31]用金屬作為膠凝材料研制出了金屬混凝土，測試得到金屬含量15%～25%，密度為3 050～3 250 kg/m3的金屬混凝土抗壓強度為210～320 MPa，抗折強度為105～216 MPa，抗侵徹優勢顯著。
2) 通過優化遮彈層結構(鋼管混凝土、鋼板混凝土等)，提高結構整體的抗侵徹能力，減小鉆地武器侵徹深度。例如：甄明[32]進行了12.7 mm穿甲槍彈侵徹鋼管混凝土的實驗研究，發現彈體高速侵徹作用下，鋼管混凝土靶與無側限約束混凝土靶的破壞模式差別很大，前者核心混凝土的側面出現環向裂紋，抗侵徹性能優越，且抗多發打擊能力突出；蔣志剛[33]借助LS-DYNA有限元軟件，進行了與實驗相對應的數值模擬，模擬結果與侵徹實驗吻合較好，同時指出鋼管約束混凝土的環向裂紋是入射壓縮波與反射拉伸波及鋼管約束效應共同作用的結果；吳鵬[34]研究了彈體侵徹鋼板混凝土的變形和破壞過程，發現侵徹過程中薄層鋼板提供的是一種膜力，可使最終侵徹深度明顯減小。
3) 在遮彈層中設置偏航層(鋼棒偏航、空心三棱柱偏航、剛玉球偏航、陶瓷球或其他硬質巖石球偏航等)，使彈體運動方向發生偏轉，減小鉆地武器侵徹深度。例如：孫巖[35]進行了桿式彈侵徹含剛玉球遮彈層的實驗和數值模擬研究，發現剛玉球直徑與遮彈層抗侵徹性能正相關，含剛玉球層的埋深與抗侵徹性能負相關，且剛玉球的表面曲率對侵徹深度有較大影響；王起帆[36]進行了彈體侵徹含高強RPC球柱偏航層的鋼纖維混凝土遮彈層的實驗研究，實驗結果顯示此遮彈層偏航效果顯著，應用前景廣闊；高光發[37]指出，表面偏航層必須保持水平方向的較大梯度，設置功能斜面(斜面兩側介質的強度和硬度相差極大)或功能弧面是行之有效的方法。
4結束語
綜上所述，國內外動能彈侵徹領域的研究多集中在彈體著靶速度1 300 m/s以下的中低速范圍內，相關的實驗研究及經驗公式、理論模型和數值模擬等已初成體系，而動能彈高速/超高速侵徹的研究仍然處于起步階段，其侵徹破壞機理尚不清晰。現階段的研究仍然存在諸多不足，下一步值得解決的問題有：① 發展高速/超高速撞擊實驗技術和檢測手段，開展大量半流體、流體侵徹實驗研究，記錄彈體侵蝕演變規律和靶體破壞形態，為高速/超高速侵徹的理論研究和數值模擬提供支撐。② 混凝土材料超高應變率下動態損傷本構模型的不斷改進和數值實現。③ 現階段新型遮彈材料和結構(如PRC混凝土、鋼管混凝土、金屬混凝土等)的破壞準則和本構模型的研究與改進，并將其應用于理論分析和數值模擬。④ 研制具有更好抗侵徹性能的新型遮彈材料，并將其推廣到工程實踐中。
參考文獻：
[1]黨愛國,李曉軍.國外鉆地武器發展回顧及展望[J].飛航導彈,2014(06):35-39.
[2]樓建鋒.侵徹半無限厚靶的理論模型與數值模擬研究[D].綿陽：中國工程物理研究院,2012.
[3]FU Z Q,HUANG J,ZHANG J Z,et al.Similarity Analysis of Chloride Penetration Experiment for Hydraulic Concrete[J].Advanced Materials Research,2012,446-449:2727-2730.
[4]陳星明,肖正學,羅堯東.剛性彈體撞擊下高強度混凝土侵徹深度經驗公式的對比驗算[J].四川兵工學報,2011(11):103-106.
[5]NIA A A,ZOLFAGHARI M,KHODARAHMI H,et al.High Velocity Penetration of Concrete Targets with Eroding Long-Rod Projectiles; an Experiment and Analysis[J].International Journal of Protective Structures,2014(5):47-63.
[6]LIU H P,GAO S Q,JIN L.Experiment and Simulation for Projectile Penetrating Concrete Target with Finite Thickness[J].Acta Armamentarii,2010,43-58.
[7]武海軍,黃風雷,王一楠,等.高速侵徹混凝土彈體頭部侵蝕終點效應實驗研究[J].兵工學報,2012(1):48-55.
[8]何翔,徐翔云,孫桂娟,等.彈體高速侵徹混凝土的效應實驗[J].爆炸與沖擊,2010,30(l):1-6.
[9]ZHAO D C,WU XIANG-HAO,CONG H U.Study of experiment of influence on durability of concrete mixed with fly ash and lime powder[J].Concrete,2011,31(7):50-52.
[10]HUANG G Y,WU G,FENG S S,et al.Theory and Experiment Study of Normal Penetration of Slender Nose Projectile into Steel Target[J].Applied Mechanics & Materials,2011,80-81:137-142.
[11]吳昊,方秦,龔自明.HSFRC靶體的彈體侵徹試驗與理論分析[J].彈道學報,2012(24):19-24.
[12]劉勇,宋春明,黃育,等.鋼筋混凝土靶體抗彈體斜侵徹試驗分析[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2013(14):64-68.
[13]徐文崢,王晶禹,陸震,等.彈性彈體侵徹混凝土靶板的過載特性研究[J].振動與沖擊,2010(29):91-95.
[14]GOLD V M,VRADIS G C,PEARSON J C.Concrete Penetration by Eroding Projectiles:Experiments and Analysis[J].American Society of Civil Engineers,2014,122(2):145-152.
[15]劉士踐.動能彈垂直侵徹混凝土的實驗研究及其數值模擬[D].成都：西南交通大學,2007.
[16]WARREN M S,ABAZAJIAN K,HOLZ D E,et al.Precision determination of the mass function of dark matter halos[J].The Astrophysical Journal,2006,646(2):881.
[17]王明洋,劉小斌,錢七虎.彈體在含鋼球的鋼纖維混凝土介質中侵徹深度工程計算模型[J].兵工學報,2002,23(1):14-18.
[18]周輝,文鶴鳴.動態柱形空穴膨脹模型及其在侵徹問題中的應用 [J].高壓物理學報,2006,20(1):67-78.
[19]趙軍,陳小偉,金豐年,等.考慮頭形磨損變化的動能彈侵徹深度研究[J].力學學報,2010,42(2):212-218.
[20]閃雨,武海軍,黃風雷,等.彈體侵徹混凝土側壁摩擦阻力研究[J].北京理工大學學報,2012,32(1):12-17.
[21]門建兵,隋樹元,蔣建偉,等.網格對混凝土侵徹數值模擬的影響[J].北京理工大學學報,2005(8):659 -662.
[22]蘭彬,文鶴鳴.鎢合金長桿彈侵徹半無限鋼靶的數值模擬及分析[J].高壓物理學報,2008(22):245-252.
[23]王東曉,馬少杰.不同材料彈體侵徹混凝土仿真分析[J].四川兵工學報,2010(5):17-18.
[24]張攀軍.動能彈高速侵徹混凝土靶的規律研究[D].南京：南京理工大學,2011.
[25]范飛林,許金余,李為民,等.沖擊載荷下混凝土動力本構模型試驗研究[J].兵工學報,2010(S1)：204-209.
[26]徐浩.混凝土動態計算本構新模型[D].合肥：中國科學技術大學,2013.
[27]路德春,杜修力,閆靜茹,等.混凝土材料三維彈塑性本構模型[J].中國科學：技術科學,2014(8):847-860.
[28]紀沖,龍源,邵魯中.鋼纖維混凝土遮彈層抗彈丸侵徹效應試驗研究與分析[J].振動與沖擊,2009,12(12):75-79.
[29]陳英偉.超高強自密實混凝土的配制及性能研究[D].北京：北京工業大學,2013.
[30]巫緒濤.鋼纖維高強混凝土動態力學性質的研究[D].合肥：中國科學技術大學,2006.
[31]查呂應,何翔,楊建超,等.金屬混凝土的抗高速侵徹性能實驗研究[C]// 第十屆全國沖擊動力學學術會議論文集.太原:[出版社不詳],2011.
[32]甄明,蔣志剛,萬帆,等.鋼管約束混凝土抗侵徹性能實驗[J].國防科技大學學報,2015(3):121-127.
[33]蔣志剛,甄明,劉飛,等.鋼管約束混凝土抗侵徹機理的數值模擬[J].振動與沖擊,2015(11):1-6.
[34]吳鵬,白曉燕,鄭凱,等.彈體對鋼板-混凝土板的侵徹計算問題[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2005(5):47-50.
[35]孫巖.含密排剛玉球鋼纖維混凝土遮彈層抗侵徹特性的初步研究[D].長沙：國防科學技術大學,2003.
[36]王起帆,郭志昆,田強，等.含高強RPC球柱的復合遮彈層偏航實驗研究[J].地下空間與工程學報,2009(5):972-975，1038.
[37]高光發.防護工程中若干規律性問題的研究和機理分析[D].合肥:中國科學技術大學,2010.
(責任編輯周江川)
Research Progress of Kinetic Energy Projectile Penetration Mechanism and Protection
LI Zheng, LIU Yuan-xue, ZHANG Yu
(Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geological Environmental Protection,Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)
Abstract:Kinetic energy projectile plays an important role in attacking deep underground targets. It is very important to study its penetration mechanism and protection technology. Firstly, the paper reviewed the recent progress of the kinetic energy projectile penetration mechanism, and pointed that experimental study were more concentrated in the low-speed range(v<1 300 m/s), and the existing empirical formulas more considerate rigid projectile or deformed non-eroded projectile, and relevant theoretical models and numerical simulation studies had formed into early system. But the research of high-speed/ultra high-speed kinetic energy projectile penetration technology is still in its infancy and its failure mechanism is not yet clear. Secondly, the paper summarized the research results of new anti-penetration protection technology from the view of increasing the strength of bursting layer, optimizing layer structure and designing yaw. Finally, some research proposals were given for the future study.
Key words:kinetic energy projectile; penetration mechanism; protection technology
文章編號：1006-0707(2016)03-0009-06
中圖分類號：O347.3；TJ2
文獻標識碼：A
doi:10.11809/scbgxb2016.03.003
作者簡介：李爭(1992—)，女，碩士研究生，主要從事巖土本構關系及其軍事地下工程穩定性研究。
基金項目：重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2015jcyjA30007)重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2014jcyjA30011,cstc2014jcyjA30015)
收稿日期：2015-09-29；修回日期：2015-10-15
本文引用格式：李爭,劉元雪,張裕.動能彈侵徹機理及其防護研究進展[J].兵器裝備工程學報，2016(3):9-14.
【裝備理論與裝備技術】
