防跳彈結構對彈體侵徹性能的影響

孔軍利,屈可朋,肖 瑋,周 濤

(西安近代化學研究所，西安 710065)

近年來，高速侵徹彈已經成為武器裝備研究的熱點之一。彈體在侵徹過程中，由于初始著角、攻角的存在以及速度、彈頭形狀、彈靶材料等因素的影響，使得彈體的受力不對稱，進而由靶體對彈體阻力相對于彈體的質心產生一個翻轉力矩，造成彈體在侵徹過程中偏離預定彈道，甚至發生跳彈[1-4]。彈體一旦跳彈，就失去了對目標的侵徹功能，進而無法對目標內的人員和設施形成有效打擊。

實踐證明，在彈體頭部添加爪形防跳結構，可有效避免彈體斜侵徹鋼板時的跳彈現象，然而，由于防跳彈結構的存在，會對彈體侵徹鋼板的能力產生影響，尤其是當同一種彈體需要兼顧打擊多類目標(鋼板或混凝土)時，這種影響更為顯著。因此，為確保戰斗部有效侵徹目標，需要對含防跳彈結構彈體侵徹不同目標時的侵徹能力開展研究。

國內外對侵徹過程中的跳彈現象開展了較多的研究。Segletes等[5]對長桿彈的跳彈進行了理論研究，獲取了桿體長度對跳彈的影響規律。段建等[6-7]分析了在250～430 m/s速度下彈體侵徹30 MPa和60 MPa鋼筋混凝土的臨界跳彈角度，建立了預測彈體斜侵徹目標的跳彈分析評估方法；薛建峰[8]研究了平頭、圓頭、和尖頭彈在不同速度影響下的跳彈規律和跳彈臨界角范圍，并分析了彈頭形狀、彈體材料和侵徹速度三種因素對跳彈臨界角度的影響；胡德安等[9]通過數值模擬的方法，獲取了不同頭部形狀彈體侵徹鋼靶時跳彈臨界角度范圍；陳小偉[10]提出了尖頭剛性彈斜侵徹金屬靶的分析模型，以預測跳彈發生的臨界條件。吳榮波等[11]研究了初始角度對跳彈現象的影響規律，得到了跳彈臨界角度范圍。可見，關于跳彈過程的研究目前主要集中在侵徹角度、侵徹速度及彈體頭部形狀等方面，但目前關于侵徹彈防跳彈結構及其位置對其侵徹能力的影響研究較少，導致防跳彈結構設計缺乏技術支撐。

本文采用輕氣炮為加載源，開展了帶防跳彈結構彈體侵徹鋼板和混凝土實驗，分析防跳彈結構及其位置對彈體侵徹鋼板和混凝土靶侵徹能力的影響，以期為相關侵徹類戰斗部的設計提供支撐。

1 實驗

1.1 實驗彈與靶標

實驗彈基于某型戰斗部進行縮比，試驗證明該防跳彈結構可有效避免亞音速條件下戰斗部侵徹鋼靶時的跳彈現象[12]。彈采用熱處理后的30CrMnSi加工而成，其結構如圖1所示。實驗彈直徑為φ65 mm、長度為160 mm、重量約為2.0 kg，在其尖卵形處設置4個對稱的防跳彈結構。為對比實驗結果，制備了同結構無跳彈結構的1#實驗彈，2#彈和3#彈的防跳彈結構距離彈尖處的距離L分別為17 mm和44 mm，如圖2所示。

圖1 實驗彈結構圖

圖2 實驗實物圖

實驗所用靶體分為鋼靶和素混凝土靶。鋼靶為熱軋態45號鋼，尺寸為400 mm×400 mm，厚度為14 mm；素混凝土靶為圓柱形，靶板直徑φ800 mm、厚度為400 mm。為便于安裝和成型，圓柱靶外圓周用4 mm厚的鋼筒進行約束。混凝土靶板在標準溫度、濕度條件下養護28 d，實驗前對加固的混凝土靶進行強度檢測，強度值為38 MPa。

1.2 實驗方法

實驗彈侵徹不同類型靶實驗在西安近代化學研究所的一級輕氣炮上進行，利用高壓氣體驅動實驗彈以一定速度正撞擊靶標；分別采用激光遮蔽法和斷通式梳狀靶，測量彈體撞擊速度和剩余速度，瞬態波形存儲采用Tektronix公司DPO4104型示波器。通過測量實驗彈及靶標破壞情況，獲取防跳結構對彈體侵徹性能的影響規律，實驗原理如圖3所示。

圖3 實驗原理示意圖

2 結果及分析

2.1 侵徹鋼靶實驗結果

實驗彈侵徹鋼靶的實驗結果如表1所示。由表1可知，防跳彈結構距離彈尖17 mm時(2#)，實驗彈的剩余速度與無防跳結構實驗彈(1#)相當，而當防跳彈結構與彈尖距離增大到44 mm時(3#)，實驗彈的剩余速度明顯低于1#實驗彈的剩余速度。采用游標卡尺人工測量試驗后3種彈體的剩余長度，1#和2#實驗彈剩余長度相近。3#實驗彈剩余長度明顯降低，這可能是由于3#實驗彈剩余速度低，導致侵徹時程長所致。

2#和3#實驗彈侵徹后，回收的實驗彈及鋼靶的破壞情況如圖4所示。由圖4可知，鋼靶板的破壞均屬于典型的花瓣型穿孔，穿孔直徑相當，靶后花瓣數量相同，說明其破壞模式未發生改變。但3#實驗彈的花瓣最大張開量明顯大于2#實驗彈，這是由于不同位置的防跳彈結構在鋼靶破壞過程中所起作用不同導致的。

表1 不同類型實驗彈侵徹鋼靶實驗結果

圖4 侵徹后鋼板破壞情況

2.2 侵徹素混凝土靶實驗結果

實驗彈侵徹混凝土靶的實驗結果如表2所示。由表2可知，防跳彈結構距離彈尖17 mm時(2#)，實驗彈的剩余速度遠低于無防跳結構實驗彈(1#)，而當防跳彈結構與彈尖距離增大到44 mm時(3#)，實驗彈的剩余速度與1#實驗彈的剩余速度相當。由于靶標為素混凝土靶標，強度較低，因此彈體長度變化較小。

表2 不同類型實驗彈侵徹素混凝土靶實驗結果

1#～3#實驗彈侵徹后，靶前成坑均為近似錐形，其深度為11 ～12.5 mm，約為彈體直徑的2倍，防跳彈結構對靶前破壞形態及尺寸影響不大，也是由于本實驗中防跳彈結構尺寸較小所致。侵徹后回收的實驗彈及素混凝土靶破壞情況如圖5所示。

圖5 侵徹后的混凝土靶破壞情況

2.3 討論

防跳彈結構對彈體侵徹性能的影響隨靶板材質變化而表現出不同的規律，這是由于鋼板與混凝土靶破壞模式不同所致。

2#和3#實驗彈侵徹鋼板后防跳彈結構高度如表3所示。由表3可見，3#實驗彈防跳彈結構的侵蝕明顯大于2#實驗彈。分析認為，實驗彈侵徹薄鋼板時，首先實驗彈尖部撞擊鋼板，如圖6(a)所示，靶板材料沿著彈頭表面擴孔而被擠向四周，此時彈體的區域Ⅰ受沖擊較大；由于靶板孔徑大于區域Ⅰ的直徑，則區域Ⅱ通過孔徑時受力較小；而當區域Ⅲ通過靶板孔洞時，需要進一步增加孔洞直徑，屬于隨進擴孔過程(圖6(b))，此時實驗彈將承受高應變率的剪切、摩擦作用，其動能將進一步轉化為鋼板的破壞能。因此，若在實驗彈區域Ⅰ設置防跳彈結構(2#實驗彈)，防跳彈結構侵蝕破壞較小，對速度的影響不顯著；若在區域Ⅲ設置防跳彈結構(3#實驗彈)，則彈體隨進擴孔過程中會使其與靶板發生較顯著的剪切、摩擦作用，導致防跳彈結構破壞加劇，更多的彈體動能轉化為靶板變形能，導致其剩余速度明顯降低。

表3 實驗彈侵徹鋼靶后防跳彈結構高度變化 mm

Ⅰ—撞擊受力區；Ⅱ—隨進區域；Ⅲ—擴孔受力區域；Ⅳ—主彈體

2#和3#實驗彈侵徹素混凝土靶后防跳彈結構高度變化如表4所示。由表4可見，2#實驗彈防跳彈結構的侵蝕明顯大于3#實驗彈。分析認為：當剛性彈體侵徹素混凝土靶時，其侵徹過程可分為兩個階段：開坑階段和隧道擴孔階段。對于開坑階段，其阻力與撞擊速度、彈頭形狀、彈體尺寸等相關。高世橋等[12]將開坑分為彈性接觸階段、徑向碎裂階段、周向碎裂階段、成坑階段等4個階段。當防跳彈結構距離彈尖較近時(2#實驗彈)，其主要作用于徑向壓碎階段，而由于素混凝土靶強度較低，徑向壓碎區的破壞面積常大于此位置處的彈頭直徑，因此，小尺寸的防跳彈結構難以改變其形狀及尺寸；而3#實驗彈的防跳彈結構距離彈尖較遠，在開坑階段的影響更小，其主要作用于彈體隧道穿孔過程。

對于隧道擴孔階段，混凝土靶對彈體施加壓應力，在此應力作用下彈體不斷開孔向前運動。當防跳彈結構距離彈尖較近(2#實驗彈)時，其相當于彈體頭部鈍化，彈體外徑由19.2 mm突變為30 mm，其侵徹阻力將大幅增大；而當防跳彈結構距離彈尖較近(3#實驗彈)時，一方面彈尖對混凝土靶形成了預破壞，后續開孔阻力降低，另一方面彈體外徑由43 mm 增大至50 mm，尺寸增加約16%，阻力變化不大。因此，2#實驗彈的剩余速度明顯低于3#實驗彈。

表4 實驗彈侵徹素混凝土靶后防跳彈結構高度 mm

3 結論

1) 在實驗彈質量、外形相同的情況下，實驗彈侵徹素混凝土靶后剩余速度隨防跳彈結構與彈尖間距的減小明顯降低，而侵徹鋼靶時，該趨勢則相反。

2) 防跳彈結構及位置未改變鋼靶破壞模式，但隨著防跳彈結構與彈尖間距增大，鋼靶破壞面積增加，更多的動能轉化為靶板變形能，導致其剩余速度明顯降低。

3) 防跳彈結構及位置對素混凝土靶開坑深度及尺寸無明顯影響，隧道開孔過程是導致其出現速度差異的主要原因。