復合結構彈體侵徹鋼板姿態偏轉實驗

周忠彬，張 博，張立建，郭雙鋒，袁寶慧

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

1 引言

驅逐艦及航母等大中型艦船的結構防護堅固、攻擊能力強，在戰爭中發揮著十分重要的作用，也利于贏得真正意義上的制海權和制空權。對驅逐艦及航母的毀傷機理研究、且研制出能高效毀傷該類目標的戰斗部已成為當前的研究熱點。據調研，對彈體侵徹鋼板的機理研究已有較多的文獻報道[1-6]，建立的侵徹理論也比較成熟，但對鋼板的研究大多都是針對單層或雙層進行的，3層及以上的研究報道甚少。在實際需求的牽引下，侵徹鋼板層數不斷增加，彈體的侵徹歷程也隨之逐漸增大，這對彈體在侵徹多層鋼板過程中保持姿態穩定提出了較高要求。實踐表明，姿態偏轉程度已成為侵徹過程中彈體結構強度及裝藥安定性滿足使用要求的重要影響因素。

目前，對彈體侵徹混凝土的姿態穩定影響因素的研究報道較多[7-14]，在保持姿態穩定及提高侵徹能力等方面進行了大量研究工作，如實驗研究了柱形、刻槽錐形、尾錐形等不同形狀彈體侵徹混凝土的終點彈道，探索了提高侵徹穩定性的多種途徑。相比較，調研發現研究者在提高彈體侵徹鋼板姿態穩定方面的公開研究報道還比較少。

借鑒穿甲彈的研究成果，由于鎢合金材料具有密度高、硬度高、韌性好等特點，鎢合金動能穿甲彈表現出良好的穿甲威力[15-18]。本研究提出了一種頭部復合結構的彈體，開展彈體侵徹多層鋼板的實驗研究，分析彈體姿態偏轉、彈體侵蝕破壞等，并對比頭部結構材料的差異對彈體侵徹姿態偏轉的影響規律，為后續工程應用中的半穿甲戰斗部結構設計提供技術支撐。

2 彈體結構設計

復合結構彈體主要由彈體和頭部風帽兩部分組成。彈體結構如圖1所示，呈卵形頭部和后續圓柱外形，彈體長500 mm，直徑95 mm，長徑比為5.26，頭部形狀系數CRH為3.0。彈體主要由殼體、后堵蓋、惰性填充物組成，其中殼體和后堵蓋材料均為高強度G31鋼，惰性填充物為硅橡膠，彈體質量為26.5 kg。風帽結構如圖2所示，呈“碗形”，長度為50.5 mm，頂端厚度10 mm，底端外徑60 mm，通過M50×2的螺紋與彈體頭部弧段連接，螺紋有效長度為5.5 mm。風帽結構材料選擇G31鋼和鎢合金，2種材料的風帽質量分別為0.67 kg和1.46 kg。

圖1 彈體結構示意圖

圖2 風帽結構示意圖

結合火炮發射要求，需設計前定心、后定心和閉氣環裝置，與次口徑的彈體通過螺紋配合組成實驗彈。其中，前定心材料為調質后的45鋼，與彈體連接螺紋為M100×2，后定心和閉氣環壓環材料為35CrMnSiA鋼，后定心與彈體連接螺紋為M104×3，閉氣環為尼龍材料。前、后定心的直徑均為125 mm，使得彈體在膛內受力均勻，與炮膛內壁配合適當。實驗彈體如圖3所示，彈體長552 mm，鋼風帽彈體質量為34.25 kg，鎢合金風帽彈體質量為35.04 kg。

圖3 實驗彈體

3 實驗方案

選擇口徑125 mm的滑膛炮開展實驗，35 kg級實驗彈體出炮口后速度可達800～900 m/s范圍內。該速度條件下對比研究復合結構彈體侵徹多層鋼板的姿態偏轉角度。

靶標為4層921A鋼板，厚度依次為20、10、20和10 mm，第二和第三層鋼板垂直間距3 m，其余各層垂直間距1 m，鋼板板面尺寸為2 200 mm×3 000 mm。鋼板布設在125 mm火炮末端，各層鋼板板面的幾何中心在火炮發射線上，鋼板與水平地面的夾角為70°。

根據工程實踐經驗，彈體以800～900 m/s范圍內的速度穿透4層鋼板后的余速不小于700 m/s。為回收實驗彈，靠近回收山體放置靶標，125 mm口徑的火炮布設于靶標正前方約45 m處。垂直于發射方向布設1臺高速相機，主要用于彈體侵徹第1層鋼板前的初始速度測試，并實時記錄彈體侵徹靶標的全過程，獲取彈體侵徹姿態偏轉數據。

4 實驗結果及分析

4.1 彈體姿態偏轉分析

鋼風帽和鎢合金風帽復合結構的實驗彈體數量分別為2發，實驗后分析處理高速相機拍攝的照片，獲取了侵徹第1層鋼板前彈體的初始著速，在彈體外形清晰可見條件下，測得了撞擊第1層、第3層鋼板前和穿透第4層鋼板后的彈體姿態偏轉角度，如表1所示。分析表1結果可知：鋼風帽復合結構的彈體侵徹4層鋼板的姿態穩定性較差，彈體姿態最大變化角度為10.5°，特別是第2和第3層鋼板的間距增大，彈體自由飛行時間增加，受重力及氣動阻力等作用彈體易產生向下的速度矢量分量，該速度矢量的作用方向未經過彈體質心，易形成彈體向下偏轉的角速度和角加速度，在自由飛行時間增加下使得彈體“低頭”飛行的姿態逐漸惡劣。相比較第2和第3層鋼板的間距，第3和第4層鋼板的間距變小，但逐漸增大的偏轉角速度促使彈體姿態偏轉進一步加快，甚至易形成失穩狀態。對比鋼風帽復合結構彈體的姿態變化，鎢合金風帽復合結構彈體的姿態最大變化角度為5°，彈體侵徹姿態偏轉角度較小，表現出較穩定的侵徹彈道。2種復合結構彈體的1#實驗彈侵徹4層鋼板典型時刻狀態分別如圖5和圖6所示。

表1 彈體姿態偏轉結果

圖4 1#鋼風帽彈體侵徹4層鋼板典型時刻狀態圖

圖5 1#鎢合金風帽彈體侵徹4層鋼板典型時刻狀態圖

4.2 彈體結構破壞分析

受實際回收條件的影響，實驗后僅回收到1#鋼風帽復合結構實驗彈和2#鎢合金風帽復合結構實驗彈，回收彈體實物如圖6所示，結果表明，鋼材料和鎢合金材料的風帽結構均與彈體頭部脫落，彈體結構基本保持完整，無明顯彎曲變形現象。

圖6 回收彈體照片

分別對實驗前、后的復合結構彈體的質量、長度和外徑進行測量，其中，實驗前彈體質量不含前定心和后定心裝置，結果詳見表2和表3。結果表明，實驗彈體質量損失6.3%～8.0%；實驗彈體長度變化9.6%～9.9%；實驗彈體外徑變化0.23%～0.35%。高速侵徹4層鋼板過程中彈體頭部的侵蝕破壞比較嚴重，如圖7所示，質量損失和彈體長度變化主要是由于風帽結構的破壞脫落及彈體頭部的侵蝕破壞共同所致的。進一步觀察回收的彈體，彈體表面沿軸線方向有劃痕，彈體側壁有一定程度的磨蝕，彈身外徑較實驗前有所減小，這都是侵徹過程中彈壁與多層鋼板之間撞擊及相對運動產生的剪力和摩擦所致。比較實驗前、后的彈體外觀，800～900 m/s速度條件下彈體侵徹4層鋼板可能發生的主要破壞形式有：復合結構破壞、彈體頭部侵蝕破壞、彈體側壁磨蝕等。

表2 回收鋼風帽彈體(1#)測量結果

表3 回收鎢合金風帽彈體(2#)測量結果

圖7 彈體頭部照片

此外，觀察回收彈體前定心位置有明顯的“徑縮”現象，如圖6中標識所示。“徑縮”區域易形成應力集中，在殼體承受高強度撞擊力時，應力集中區域會首先達到強度極限而發生斷裂破壞，直接影響彈體結構強度。初步分析“徑縮”現象的產生機理認為：鋼板受彈體高速撞擊發生“沖塞型”破壞，前定心首先受到較大的作用力而發生破壞，并脫離彈體，在前定心附近區域局部易產生塑性變形。前定心破壞后彈體繼續穿透后幾層鋼板，在與前定心連接螺紋處殼體與鋼板產生撞擊、擠壓和相互摩擦等作用，撞擊沖擊波持續傳入彈體，使得連接螺紋附近區域產生塑性變形，且塑性變形程度隨著連接螺紋處殼體與靶標持續作用時間的增長而增大，最終形成明顯的局部“徑縮”現象。

5 結論

本文從工程實際應用出發，借鑒目前穿甲彈的研究成果，提出了一種頭部復合結構的彈體，進行了35 kg級彈體在800～900 m/s速度條件下侵徹4層鋼板的實驗，重點研究了侵徹鋼板過程中彈體的姿態變化、彈體結構變形，得到如下結論：

1) 實驗結果驗證了提出的鎢合金風帽結構有利于彈體侵徹4層鋼板時保持較穩定的侵徹姿態。

2) 在彈體主體結構基本完好條件下，彈體高速侵徹多層鋼板主要產生風帽結構破壞脫落、彈體頭部頂端侵蝕破壞等模式，頭部產生明顯的質量損失。由于鎢合金良好的穿甲性能，在侵徹多層鋼板時彈體偏轉角速度較小，利于提高彈體抗姿態劣化的能力，保持較穩定的侵徹姿態。

3) 需合理設計前定心環結構，在滿足發射強度要求下，設計局部薄弱結構，使得撞擊鋼板時薄弱結構首先發生破壞，進而引發前定心環解體破壞，避免產生“徑縮”現象。