殺爆榴彈自然破片終點參數試驗方法研究

王 林，高秀娟，李曉輝，曹凌宇，程 浩

(63867部隊，吉林白城 137001)

0 前言

目前裝備的中大口徑殺爆榴彈，是實施火力打擊的主要彈藥，可以實現對技術兵器、人員和輕型防護裝備的有效毀傷,破片是其殺爆戰斗部殺傷目標的重要元素。黃經偉等在“大口徑榴彈自然破片形成”過程中描述了自然破片的質量分布[1]；蔣建偉等在小口徑榴彈自然破片形成過程的數值模擬中，對榴彈殼體膨脹、碎裂過程進行了研究[2]；李其祥等在自然破片的分類研究中建立了破片模式分類器，提出了破片形狀分類方法[3]。目前，研究成果主要集中在破片質量、空間分布等性能指標，而對于自然破片的基本參數，由于質量覆蓋范圍大，形狀不規則，其平均迎風面積、破片飛行阻力系數等研究較少，沒有形成系統的研究方法。文中選取1～4 g典型自然破片，通過理論分析、試驗驗證，構建了自然破片終點參數試驗方法，并得到了相關參數，為后續其他自然破片的終點參數研究提供了支撐。

1 自然破片終點參數理論基礎

圖1為毀傷評估流程圖，為提高毀傷評估模型精度，下面對破片速度衰減、阻力系數等終點參數進行研究。

圖1 毀傷評估流程圖

1.1 自然破片存速及速度衰減

破片在空氣中的速度衰減公式為[4-5]：

(1)

式中：Vr為破片的存速；V0為破片的初始速度；R為破片飛行距離；Cx為破片的阻力系數；ρ為空氣密度；S為破片的平均迎風面積；m為破片質量。

令a為破片的速度衰減系數，其表達式為：

(2)

則式(1)可寫為：

Vr=V0exp(-aR)

(3)

1.2 自然破片迎風面積與破片形狀系數

由式(2)可知，破片的平均迎風面積越大，其速度衰減越快。規則破片迎風面積S也可用經驗公式來計算：

S=Km2/3

(4)

式中：K為各種規則類型破片的形狀系數，如球形破片的K值為3.07×10-3m2kg-2/3，長方體形破片的K值為3.8×10-3m2kg-2/3等[6-8]。對于自然破片，只能通過試驗測定或近似等效計算。

1.3 自然破片侵徹能力

破片侵徹靶板過程中，破片的動能主要轉化為剩余破片的動能、沖塞的動能和剪切靶板消耗的能量。忽略破片侵徹過程中的質量變化和變形，由能量守恒方程得[5-6]：

(5)

(6)

2 自然破片終點參數試驗設計

2.1 典型自然破片的選取

表1為典型中大口徑殺爆榴彈數質量分布表，從表中可以看出，1～4 g的破片約占了50%。所以，選取該區間段的質量作為試驗的典型破片質量。

表1 中大口徑殺爆榴彈數質量分布表

2.2 典型自然破片形狀系數

對1～4 g典型破片質量區間，隨機選取了近千塊破片進行破片迎風面積測定，按照“正二十面體方法”，用正二十面體的16個獨立方向對破片的空間姿態進行模擬，測量它在16個不同取樣方向上的投影面積，通過數據處理，得到破片的最大、最小和平均迎風面積。測量原理如圖2所示,自然破片質量與平均迎風面積關系曲線如圖3所示。

圖2 破片迎風面積測量布置圖

圖3 自然破片質量與平均迎風面積關系曲線

按照式(4)對破片形狀系數K進行計算，測定結果如圖4所示。

圖4 自然破片質量與形狀系數關系曲線

從計算結果得知，1～4 g典型自然破片形狀系數K值為4.96×10-3m2kg-2/3。

2.3 試驗方案設計

為試驗測定典型自然破片的速度衰減、侵徹能力，試驗系統由彈道槍、破片測速系統、靶板、高速錄像機等組成，試驗布置示意圖如圖5所示。

圖5 試驗布置示意圖(單位:m)

試驗用靶板為2A12T4鋁合金，密度為2.8 g/cm3，強度極限420 MPa。靶板厚度分別為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，12 mm，16 mm，20 mm。采用彈道槍裝填自然破片，對不同厚度的鋁板進行極限速度測定，并進行速度衰減等相關測試。光幕靶1測試槍口破片初速,光幕靶2、光幕靶3測試靶前靶后速度，測速靶測試靶后速度及收集靶后碎片，收彈器用于破片彈托分離，高速錄像拍攝破片穿靶過程并進行靶前靶后速度測試。

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

如圖6所示，分別為不同鋁板侵徹試驗的典型結果，表2為測試設備部分測試結果。

圖6 自然破片對不同厚度鋁板極限穿透試驗結果

表2 部分測試結果表

3.2 自然破片的速度衰減及阻力系數

試驗時，靶前破片在空氣中的飛行速度先后由光幕靶1(位置A)、光幕靶2(位置B)和高速攝影(位置C)測得，根據任意兩靶(如AB,BC,AC)之間的距離，得到破片的速度衰減情況，按照式(1)、式(3)的函數形式對試驗得到的自然破片速度衰減數據進行擬合，結果如圖7所示。擬合得到的自然破片速度衰減系數a為0.022 m-1。取所有破片質量的平均值代入式(2)可以計算得到試驗用自然破片的阻力系數為Cx=0.89。

3.3 自然破片侵徹能力

對部分破片侵徹相關的數據進行整理并剔除異常數據，得到表3。

表3 部分自然破片侵徹靶板數據表

假設破片侵徹單位面積單位厚度靶板消耗的能量為ΓE，則破片侵徹靶板過程消耗的能量可寫為：

(7)

圖8 侵徹過程中單位面積耗能與靶板厚度關系

將式(6)、式(7)代入式(5)可得自然破片侵徹靶板后的剩余速度vr為：

(8)

令式(8)中vr=0時，可得自然破片對鋁靶的極限穿透速度公式vj為：

(9)

4 結論

通過理論分析與試驗驗證，構建了典型榴彈自然破片的終點參數試驗測試方法，試驗得到了平均迎風面積、阻力系數、衰減系數及對不同鋁板的極限穿透能力，并建立了相關模型。試驗方法的建立，可指導大質量自然破片的終點參數研究，進一步提高中大口徑榴彈的終點毀傷模型精度，為彈藥威力數據庫的建立及相關毀傷手冊的編寫提供數據支撐。