破甲/殺傷多用途戰斗部結構設計及試驗研究

王利俠，袁寶慧，孫興昀，劉豐旺，唐　斌，李妍妍，董立明

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

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破甲/殺傷多用途戰斗部結構設計及試驗研究

王利俠，袁寶慧，孫興昀，劉豐旺，唐斌，李妍妍，董立明

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

摘要：為使戰斗部能夠打擊多種目標，在保持原單兵破甲戰斗部的質量、外形結構和破甲威力基本不變的條件下，利用新型薄型波形控制器、半預制殼體和精密破甲戰斗部技術，設計了破甲/殺傷多用途戰斗部。采用射流垂直穿深試驗、射流大間隔靶和破片殺傷試驗，研究了改進后單兵破甲彈的射流穿深和破片殺傷威力。結果表明，設計的多用途戰斗部在大炸高下使射流侵徹帶前掛板加厚度80mm/50°均質靶后，還可穿透不低于3塊厚度10mm的Q235靶板。周向殺傷破片能穿透距爆心5～10m處厚度1.5mm的 Q235鑒證鋼板，破片密度不小于2枚/m2，實現戰斗部多功能的打擊需求。

關鍵詞：爆炸力學；多用途戰斗部；破甲穿深；破片殺傷威力；大炸高

引 言

彈藥戰斗部不僅要求有足夠的作戰威力，而且應具有多種毀傷效應，以提高其戰場使用的靈活性和多目標打擊能力。破甲彈作為常規反裝甲武器裝備，主要用于打擊點目標(坦克)或硬目標(防護工事)[1]，而針對作戰人員所兼備的附帶殺傷功能有限。因此，為提高現有單兵或輕型破甲彈的附加殺傷能力，目前破甲/殺傷多用途戰斗部在破甲與殺傷功能的設計思路和功能分配上，大多以降低射流的部分穿深威力為條件，來滿足附帶殺傷功能的需要。如文獻[2]將爆破、殺傷和破甲3種不同功能的戰斗部結合在一起形成綜合效應戰斗部，雖能滿足一種武器攻擊多種目標的需求，但在技術上較復雜，而且其中的每一種戰斗部都無法發揮出最佳效能；徐文旭等[3]設計的破甲/殺傷多用途戰斗部，利用金屬射流擊毀坦克和預制鎢球來摧毀武裝直升機。

為使破甲/殺傷戰斗部既能夠滿足打擊多種目標，在保證單兵或輕型反裝甲戰斗部在質量、外形結構等基本不變時，又盡可能保持原破甲威力，并附加對人員的有效殺傷，實質就是解決對彈藥有效載荷的再分配和提高炸藥的能量利用率。本研究采用新型薄型波形控制器和半預制鋼殼的結構設計，利用成熟的精密戰斗部技術[4]，將縮減節余出的戰斗部質量和空間用于殺傷功能設計上，使戰斗部在保持穿深威力的基礎上，又增加了殺傷功能，實現同時打擊多目標、多用途的需求。

1戰斗部設計及原理

1.1結構設計及原理

破甲/殺傷多用途戰斗部在原單兵破甲彈基礎上增加半預制殼體設計，結構見圖1。其中采用的薄型波形控制器為硅橡膠、金屬鋁板材料復合而成；風帽用于保證戰斗部正常形成射流的炸高；半預制殼體形成殺傷破片。為了改善射流的抗干擾能力、提高射流和破片的打擊威力，結構設計中應用了精密藥型罩、精密裝藥和精密裝配的戰斗部技術[5]，提高主裝藥的內在質量及射流品質。

圖1　多用途戰斗部結構及外形圖Fig. 1　Structure and outline drawing of multi-purpose warhead

多用途戰斗部作用原理為：當前端觸及目標，向后端引信發出引爆信號，引爆裝藥，由于薄型波形控制器的存在使起始爆炸的球面波波形，改變為繞過波形控制器，并與經過它的爆轟波產生疊加，而合成為錐形起始爆轟波向前傳播[6-7]，并作用于藥型罩形成軸向高速射流，打擊坦克或穿透裝甲；同時使半預制殼體在裝藥側向爆炸產物作用下膨脹而破裂為大小、質量較為規則的破片，以動能擊穿來殺傷目標。

1.2半預制殼體設計

在保證彈體結構強度的前提下，采用薄壁鋼質殼體的外表面刻V型槽，使彈體局部強度減弱，以控制爆炸時殼體的破裂位置。依據打擊人員目標的特性和已有破片毀傷的研究基礎，計算殺傷人員的有效破片質量約1g，以此為依據設計要形成的破片大小及形狀，并由預刻的溝槽來控制破片的形狀與大小[8]。通過刻槽將殼體壁分成許多尺寸相等的菱形或方形網格小塊，當炸藥爆炸時，由于刻槽處的應力集中而沿此處破裂產生破片。戰斗部殼體外表面刻槽形狀見圖2。圖中a為棱形邊長，b為棱形短軸長，t為殼體厚度，h為刻槽深度，h取約t/3，θ為V型槽半錐角。

圖2　殼體外表面等分刻槽結構示意圖Fig.2　Sketch of equivalent notch groove on theoutside surface of shell

利用格尼(Gurney)公式，考慮端面稀疏波及藥柱錐形空穴等影響時取修正系數k為0.7～0.8，計算破片初速約1600m/s，質量約1g，對人員目標有強殺傷作用?？梢姴捎冒腩A制鋼殼加強了對裝藥的約束作用，有助于炸藥能量的充分利用和提高破片速度。

1.3波形控制器設計

為實現對起始波形的控制，加入復合結構的薄型波形控制器，其作用為：(1)減小作用于藥型罩上的波陣面與藥型罩母線的夾角，增加作用于罩上的初始壓力，以達到提高射流破甲威力的目的；(2)降低副藥柱高度以降低整體裝藥高度及質量。薄型波形控制器的波形控制部分與常規聚能裝藥副藥柱加傳統波形調整器方案相比，不僅高度可縮減約50%，其裝藥量也可減輕約50%[9]。利用SJZ-15高速相機的狹縫掃描攝影技術，以6mm/μs的掃描速度對隔板下罩頂上部炸藥斷面的爆轟波波陣面掃描照相，測試波形見圖3。

圖3　罩頂炸藥端面高速攝影爆轟波陣面形狀圖Fig.3　Picture of detonation wave front of explosive on the top of liner by high-speed photography

由圖3可見，使用薄型波形控制器在藥型罩一側的炸藥端面上形成了理想對稱的錐形收斂波，可作為起始爆轟波實現主裝藥的環形同步起爆。

2試驗

2.1試驗方案

針對具有射流和破片兩種毀傷元的多用途戰斗部的作用特點和目標特性，設計了圖4所示的多用途戰斗部的試驗布局。前掛板、側向鑒證板和后效靶[10]分別等效為厚度3.0、1.5和10.0mm的Q235鋼板；主靶板等效厚度為80mm的均質裝甲鋼板。

圖4　多用途戰斗部試驗布局Fig. 4　Experiment sketch of multi-purpose warhead

圖4所示的試驗布局除側向鑒證板外，前掛板、后效靶和主靶板均與彈軸方向50°著角，利用帶前掛板的大炸高間隔狀態主要是為了模擬射流打擊主戰坦克的側甲和輕型裝甲時，兼顧考慮到主裝甲外側的防護柵欄或履帶裙板等對射流的干擾作用；后效靶用于驗證射流穿透主靶后的剩余穿深及毀傷能力，即所能發揮的后效作用。

為使結果方便表述和理解，驗證實驗的考查內容分兩部分:內容Ⅰ和內容Ⅱ。

考查內容Ⅰ要求試驗既驗證多用途戰斗部的射流穿深威力，又能觀察射流的大炸高抗干擾和穩定性性能。

考查內容Ⅱ主要利用周向鑒證板檢驗戰斗部側向半預制破片的殺傷效能[11-12]，將Q235鋼板放置于周向距爆心5～10m處，參照GJB140-86有關后效靶及文獻[12]對扇形靶試驗布置部分規定，模擬實驗時把尺寸1000mm×500mm鑒證板在戰斗部爆心周圍的不同距離上圍成扇形，戰斗部爆炸后，求出靶板每一單位面積上命中的破片數，用有效穿孔數來綜合評價破片殺傷威力。

2.2試驗裝置

試驗彈彈徑均為80mm,裝藥為壓裝JH-16塑性黏結炸藥，密度約1.71g/cm3；采用紫銅藥型罩、罩錐角約50°。

2.3射流垂直穿深試驗

射流垂直破甲穿深試驗布置見圖5。試驗裝置由試驗彈、炸高架及45號鋼靶多塊層疊而成，試驗炸高分別為有利炸高及14倍裝藥直徑大炸高。

試驗原理為戰斗部起爆形成射流后，不同炸高下侵徹一定厚度的45號鋼層疊靶，通過實際測量穿透鋼靶的總深度、穿孔直徑及靶面入孔狀態等參數判斷射流在不同炸高下的穿深威力。

圖5　射流垂直破甲穿深試驗布置圖Fig.5　Test layout of vertical static penetrating depth test by shaped charge jet

2.4射流大間隔靶和破片殺傷試驗

(1)射流大間隔靶威力判據

考慮坦克側甲及輕型裝甲的防護厚度、防護環境等因素，多用途戰斗部模擬試驗中讓射流首先穿透厚度3mm前掛板加80mm /50°均質鋼板后，對多塊后效靶產生作用。根據主靶和后效靶穿透情況以及后效靶穿透塊數判斷射流在對大間隔靶作用時的打擊威力。

(2)破片殺傷威力判據

根據破片穿透距爆心一定距離處厚度1.5mm Q235鑒證板上穿孔數目計算得到破片密度，判斷破片的殺傷威力。按照破片能穿透1.5mm低碳鋼板和破片密度不小于2枚/ m2形成對人員有效殺傷[11-12]的標準對試驗結果作出判斷。

按照圖4所示進行試驗布局，主靶為厚度80mm均質鋼板；數塊鑒證板呈扇形分別布設于距爆心5、7、8和10m處。射流大間隔靶穿透和殺傷威力試驗靶前、靶后的現場布置見圖6。

圖6　射流大間隔靶和破片殺傷試驗布置圖Fig.6　Test layout of jet penetration depth and fragments lethality

3結果與討論

3.1不同炸高的射流穿深威力

在有利炸高和14倍裝藥直徑大炸高的射流垂直靜破甲穿深試驗結果分別如圖7所示。

圖7　射流垂直靜破甲穿深試驗結果Fig.7　The results of vertical static penetrating depth test by shaped charge jet

由圖7(a)和(b)可以看出，有利炸高時射流對45號鋼層疊靶的垂直穿深分別為625mm和650mm，已達到原單兵破甲彈結構的威力，因此，采用薄型波形控制器、精密破甲戰斗部設計，可使研究的多用途戰斗部實現戰斗部的穿深基本不變。

由圖7(c)和(d)可知， 在14倍裝藥直徑大炸高時，3發試驗射流對45號鋼的垂直穿深分別為210、245和245mm，滿足實際要求的打擊厚度80mm/50°裝甲鋼、大炸高下的垂直等效穿深厚度。

以上射流穿深試驗結果與采用李金銘等[13]推導的射流對靶板侵徹深度的炸高計算公式計算結果一致，可見，新設計的多用途戰斗部在不同炸高條件下射流穿深威力均得到了較好發揮。

3.2射流后效及破片殺傷威力

后效靶射流穿透結果和側向鑒證板破片打擊效果如圖8所示。

由圖8可以看出，多用途戰斗部射流在大間隔靶時可穿透帶前掛板加厚度80mm/50°均質鋼板，并有效穿透3～6塊后效靶，具有較好的大炸高穿深及抗干擾能力。因此，利用薄型波形控制器得到有利的爆轟波波形，提高了射流速度和穿深；而采用精密破甲技術改善了戰斗部裝藥和射流質量，提高了射流抗干擾能力，有利于射流大炸高下的威力及性能穩定。

由圖8也可看到，半預制破片在5、7、 8和10m處均可實現有效殺傷，在8m處較多破片可以穿透第二層鑒證鋼板，甚至在10m處仍有6～7枚破片有效穿透了鑒證鋼板，換算得知該戰斗部在10m處的扇形靶上可穿透2～3孔/m2，破片的有效殺傷半徑10m。隨著殺傷半徑的增加，有效破片的散布范圍逐步擴大，密集度有所降低?？梢姡腩A制殼體設計能產生威力要求半徑上的有效破片密度且實現破片形狀、大小和質量可控制。

圖8　射流和破片對靶板的毀傷效果Fig.8　Danage effects of shaped charge jet and fragments on targets

4結論

(1)采用薄型波形控制器、半預制鋼殼設計和精密破甲戰斗部技術，使單兵戰斗部在基本保持原有穿深威力的基礎上，又增加殺傷功能，實現多用途戰斗部多目標打擊需求。

(2)利用對裝藥精密加工和精密裝配技術，使多用途戰斗部結構得到優化，提高了戰斗部裝藥和射流質量，保證了射流大炸高的抗干擾能力，使多用途戰斗部可用于打擊大間隔靶的裝甲目標，并具有顯著的后效作用，即在大間隔作用距離，射流穿透帶前掛板加厚度為80mm/50°均質靶板后，還能穿透厚度10mm的3塊以上后效靶。

(3)在戰斗部射流打擊裝甲目標的同時，產生周向殺傷破片能穿透距爆心5～10m處厚度1.5mm的Q235鑒證板，且密度不小于2枚/ m2，能對人員目標形成有效殺傷作用。

致謝：參加本課題研究和方案設計的還有西安近代化學研究所的孫建研究員、梁爭峰研究員等，在此表示衷心感謝！

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Structural Design and Experimental Research on the Anti-armor and Anti-personnel Multi-purpose Warhead

WANG Li-xia, YUAN Bao-hui, SUN Xing-yun, LIU Feng-wang, TANG Bin, LI Yan-yan, DONG Li-ming

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To make the warhead strike a variety of targets, under the basically unchanged conditions of keeping the mass, configuration and penetration depth of original individual armor-penetrating warhead， a new type of anti-armor and anti-personnel multi-functional warhead was designed by new thin waveform controller, semi-performed fragment shell and precision penetration warhead technology. The improved jet penetrating depth and the fragments lethality of individual armor-penetrating warhead were studied by vertical jet penetration test, big disconnected target test and fragment destruction test. Results show that under the condition of high stand-off, the jet current of the designed multi-purpose warhead can penetrate no less than 3-layer 10mm Q235 after effect target plates after penetrating 80mm/50° homogeneous target plate. The circumferential antipersonnel fragments can penetrate the Q235 verifying armor plate with thickness of 1.5mm, 5-10m away from explosion center, with fragment density not less than 2 fragments per square meter. This technology can realize the demand of the warhead multi-function dampen.

Keywords:explosion mechanics；multi-purpose warhead；penetration depth；damage fragments；lethality high stand-off

中圖分類號：TJ55;O38

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)02-0075-05

作者簡介:王利俠(1966-)，女，高級工程師，從事聚能戰斗部技術及毀傷效應研究。E-mail:wlx201311tgy@163.com通迅作者:袁寶慧(1959-)，男，研究員，從事彈藥及戰斗部技術研究。E-mail:ybhybh59@sina.com

基金項目:國防基礎研究項目

收稿日期:2015-09-29；修回日期:2015-11-15

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.016