彈體高速侵徹鋼筋混凝土靶試驗研究*

王可慧，周 剛，李 明，鄒慧輝，吳海軍，耿寶剛，段 建，戴湘暉，沈子楷，李鵬杰，古仁紅

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

為了增加對堅固化目標的快速打擊能力，美國、英國和俄羅斯等國家均開展了新一代高超音速和超高速動能武器的研制工作，彈體侵徹速度也逐漸由中低速（300～1 000 m/s）向高速（1 000～1 500 m/s）發(fā)展[1-2]。研究表明[3]，在常規(guī)速度范圍(小于800 m/s)內(nèi)對混凝土類目標侵徹彈體可視為剛體，隨著侵徹速度的增加，侵徹機理逐漸由剛體侵徹向半流體侵徹轉(zhuǎn)變，彈體不能單純地作為剛體處理。動能彈高速侵徹鋼筋混凝土靶體的終點彈道效應(yīng)研究十分復(fù)雜，涉及到中低速剛性侵徹、中高速變形非侵蝕侵徹以及高速和超高速侵蝕侵徹等多個階段，是國防戰(zhàn)略技術(shù)儲備和交叉學(xué)科前沿探索的迫切需求。

美國在混凝土目標的超高速侵徹研究方面起步較早，Gold 等[4]進行了1 500～1 900 m/s 速度下脫氧高導(dǎo)(oxygen-free high conductance, OFHC)銅和鉭長桿彈侵徹半無限混凝土靶和半無限等效鋼筋混凝土靶之間的實驗研究和簡化理論分析。Lundegren 等[5]將整個高速侵徹過程分為三個區(qū)域（剛性彈體區(qū)、變形/侵蝕區(qū)及超高速流體區(qū)）的假設(shè)，當(dāng)彈體速度超過一定的速度限，彈體由剛體階段進入流體階段，彈體的侵徹深度隨速度的增加反而減小。Forrestal 等[6]隨后進行了64 g 彈體在400～1 400 m/s 速度下侵徹混凝土靶的實驗，對高速侵徹條件下的彈體侵蝕進行了分析。Chen 等[7]研究了處于不同速度范圍的彈體侵徹機理，發(fā)現(xiàn)隨著侵徹速度增加，侵徹機理由剛性彈體侵徹向半流體動力學(xué)侵徹的轉(zhuǎn)變。隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)在彈體高速侵徹混凝土實驗研究方面逐漸增多。何翔等[8]進行了150 g 實心彈丸在800～1 470 m/s 速度下侵徹素混凝土靶的實驗，以及不同條件下彈體高速侵徹混凝土系列實驗，揭示了混凝土中半流體侵徹階段的典型特征：剛體侵徹深度上限和對應(yīng)的剛體侵徹初速、彈道彎曲、彈體嚴重侵蝕且伴隨彎曲/斷裂等。梁斌等[9]進行了1 200 m/s 的彈體侵徹素混凝土靶的縮比實驗研究，對高速條件下彈體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及質(zhì)量侵蝕進行了討論。楊建超等[10]進行了800～1 500 m/s 速度侵徹不同強度混凝土實驗，根據(jù)試驗結(jié)果擬合出了既定材料彈體質(zhì)量侵蝕同侵徹速度之間的對應(yīng)關(guān)系。

上述研究大多數(shù)是針對實心彈丸開展的，而針對結(jié)構(gòu)彈體的高速侵徹鋼筋混凝土機理研究相對較少。為此，本文設(shè)計一種新型鉆地彈結(jié)構(gòu)，利用口徑35 mm 的彈道炮開展1 030～1 520 m/s 速度范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)彈體對鋼筋混凝土靶的高速侵徹試驗研究，分析彈體質(zhì)量磨蝕、靶體成坑尺寸以及侵徹深度和侵徹機理隨速度的變化規(guī)律，以期為彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計和高速侵徹試驗提供參考。

1 試驗概況

1.1 彈體設(shè)計

試驗設(shè)計了如圖1 所示的彈體結(jié)構(gòu)。彈體結(jié)構(gòu)采用錐形變壁厚擴尾設(shè)計，六花瓣均勻刻槽。其中，擴尾設(shè)計提高彈體彈身和尾部結(jié)構(gòu)的強度和剛度。而刻槽設(shè)計可以減輕彈體尾部重量，也便于侵徹過程中靶材排出。另外，帶錐度彈形有助于降低高速彈道的偏轉(zhuǎn)，提高侵徹彈道的穩(wěn)定性。考慮到高速侵徹過程中彈體會部分侵蝕，試驗彈體的頭部厚度和彈體壁厚較通常設(shè)計的彈體均有所增加。

圖1 彈體Fig. 1 Projectile

彈體長100 mm，最大彈徑為22 mm。彈體頭部采用實心尖卵形頭部，彈頭曲徑比（caliber radius head，CRH）值為4.5。彈體材料采用30CrMnSiNi2MoVE高強度鋼，熱處理后彈體材料屈服強度為1 356 MPa，拉伸強度為1 682 MPa，斷后伸長率為11.1%，斷面收縮率為45%，斷裂韌性為106 MPa·m1/2。彈體內(nèi)部填充由砂和石蠟配制的模擬裝藥，密度為1.65 g/cm3，彈體總質(zhì)量為150 g。

1.2 靶體設(shè)計

鋼筋混凝土靶采用直徑為800 mm、厚1 100 mm 的圓柱形靶。為了減小橫向邊界效應(yīng)，靶板外圍采用3 mm 厚的鋼圈加固；靶板厚度大于侵徹深度估算值，可視為厚靶。靶板內(nèi)鋼筋直徑為4 mm，每層鋼筋網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm，兩層鋼筋網(wǎng)格間距為200 mm。混凝土實測單軸抗壓強度為36.3 MPa。圖2給出了鋼筋混凝土靶的配筋圖和實物圖。

圖2 鋼筋混凝土靶Fig. 2 Reinforced concrete target

1.3 發(fā)射與測試

圖3 給出了試驗現(xiàn)場布置。試驗采用35 mm 口徑高速彈道炮作為發(fā)射工具。該炮在次口徑發(fā)射彈體有效質(zhì)量為0.25 kg 時，初速可達到1 600 m/s。為防止跳彈，在炮口與靶板之間布置防護倉，激光測速靶位于防護倉內(nèi)，彈體由彈道炮發(fā)射后進入防護倉，分別通過火炮后效氣體過濾裝置和激光測速靶，最后撞擊混凝土靶板。

圖3 試驗系統(tǒng)Fig. 3 Test set up

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗測量結(jié)果

試驗共進行了9 炮次，速度在1 030～1 520 m/s之間，詳細測量了彈體剩余長度和質(zhì)量、靶體中的侵徹深度和成坑尺寸等試驗數(shù)據(jù)，表1 給出了侵徹試驗的主要測量結(jié)果。

表1 侵徹試驗結(jié)果Table 1 Penetration test results

2.2 彈體破壞情況

圖4 為試驗后回收的彈體破壞形態(tài)。從圖中可以看出，在1 030～1 463 m/s 速度范圍內(nèi)，彈體主要表現(xiàn)為不同程度的頭部磨蝕，隨著侵徹速度的增加，彈體頭部磨蝕程度加劇；彈體頭部形狀隨侵徹速度的增加由尖卵形逐漸向半球形轉(zhuǎn)變，并逐漸出現(xiàn)蘑菇頭墩粗現(xiàn)象；撞擊速度超過1438 m/s 以后，彈體頭部的磨蝕顯著加劇，由于侵徹過程中非對稱作用力增大，彈身開始產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)輕微彎曲；撞擊速度達到1480 m/s 后，彈體結(jié)構(gòu)解體，僅收集到部分殘余彈體碎片。

圖4 試驗后彈體破壞情況Fig. 4 Residual projectiles after penetration

2.3 靶體破壞情況

圖5 為靶體的典型破壞形態(tài)。從圖5 中可以看出，鋼筋混凝土靶面產(chǎn)生約1/4～1/3 靶體直徑范圍的剝落面積，靶面形成淺碟形漏斗坑；隨著侵徹深度的增加，開坑區(qū)尺寸增大，開坑深度增加，在速度增加到1 520 m/s 時，靶心的鋼筋網(wǎng)外露，如圖5(c)所示；靶面布有清晰可見的貫通徑向裂紋，并隨著侵徹速度的增加，靶面裂紋數(shù)量增多，寬度增大。

圖5 靶體典型破壞形態(tài)Fig. 5 Damage results of reinforced concrete targets

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

高速侵徹與中低速侵徹的顯著區(qū)別之一就是高速侵徹彈體的磨蝕程度更加嚴重，彈體頭部磨蝕將改變彈體的頭形，進而影響彈體的侵徹性能；侵蝕過程將顯著影響彈道穩(wěn)定性，或?qū)е聫楏w破壞及失效。

圖6 給出了彈體長度損失率隨侵徹速度變化的關(guān)系。從圖6 中可以看出，侵徹速度在1 030～1 463 m/s速范圍內(nèi)，彈體長度損失率隨速度增加而增加近似線性增加；侵徹速度超過1 480 m/s 后，由于彈體結(jié)構(gòu)解體破碎，可認為彈體有效長度為零，長度損失率達100%。

圖6 彈體長度損失率對比Fig. 6 Comparison of length loss ratio of projectiles

相比于彈體長度損失，研究者更關(guān)心彈體高速侵徹過程中的質(zhì)量損失。Silling 等[11]和陳小偉等[14]建立了彈體質(zhì)量侵蝕的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停J為彈體質(zhì)量損失量與初始動能存在線性關(guān)系，給出質(zhì)量損失率的表達式：

圖7 彈體質(zhì)量損失率對比Fig. 7 Comparison of mass loss ratio of projectiles

3.2 侵徹彈坑與彈道分析

圖8 和圖9 分別為無量綱彈坑深度（彈坑深度H1與彈徑D之比）和無量綱彈坑直徑（彈坑直徑D1與彈徑D之比）隨撞擊速度的變化規(guī)律。從圖8 中可以看出，無量綱彈坑深度隨撞擊速度的增加呈非線性增加，高速侵徹條件下，成坑深度為3～5 倍彈徑，大于一般彈速條件下的2 倍彈徑[1,6]。從圖9 中可以看出，無量綱彈坑直徑隨撞擊速度增加近似線性增加，成坑直徑為11～17 倍彈徑，大于Forrestal 等[6]在一般彈速條件下得出2～8 倍彈徑的結(jié)果。這表明，高速侵徹條件下的成坑范圍大于一般彈速條件下的成坑范圍。

圖8 無量綱彈坑深度（H1/D）隨撞擊速度的變化規(guī)律Fig. 8 Variation of dimensionless crater depth(H1/D) with impact velocity

圖9 無量綱彈坑直徑（D1/D）隨撞擊速度的變化規(guī)律Fig. 9 Variation of dimensionless crater diameter(D1/D) with impact velocity

3.3 侵徹深度分析

圖10 給出了試驗速度范圍內(nèi)彈體在鋼筋混凝土靶中侵徹深度隨撞擊速度的變化規(guī)律。從圖10 中可以看出，隨撞擊速度的增加，彈體侵徹深度呈現(xiàn)先近似線性增加后緩慢減小再急劇下降的變化趨勢。在撞靶速度為1050～1390 m/s的范圍內(nèi)，侵徹深度近似線性增加，撞擊速度為1390 m/s 時，侵徹深度達到最大值741 mm；在1390～1463 m/s 的撞靶速度范圍內(nèi)，隨撞擊速度的增加，侵徹深度開始減小；撞擊速度達1480 m/s后，侵徹深度急劇下降至310 mm，相比于最大侵徹深度，降低幅度達60%。

在圖10 中的上升區(qū)，彈體侵徹過程中頭部發(fā)生質(zhì)量侵蝕，彈體結(jié)構(gòu)仍保持完整，侵徹深度隨速度的增加而增加；在下降Ⅰ區(qū)，彈體頭部磨蝕嚴重，彈體結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，彈體侵徹能力下降，最終侵徹深度隨速度的增加而減小；在下降Ⅱ區(qū)，彈體結(jié)構(gòu)完全破碎，彈體侵徹能力大幅下降，最終侵徹深度隨速度的增加而急劇減小。

圖10 侵徹深度隨撞擊速度的變化關(guān)系Fig. 10 Variation of penetration depth with impact velocity

3.4 侵徹速度分區(qū)

在動能侵徹中，伴隨彈體侵徹速度的增加，由于彈體變形和侵蝕將出現(xiàn)侵深逆減現(xiàn)象，表明彈體經(jīng)歷著不同的侵徹機理。根據(jù)彈體不同的侵徹機理，Chen 等[7]將速度分為剛性彈侵徹區(qū)、半流體侵徹區(qū)和流體侵徹區(qū)3 個區(qū)；李杰等[13]綜合考慮了侵徹過程中彈體和靶體的力學(xué)狀態(tài)，將速度分為剛性彈固體侵徹區(qū)、侵蝕彈固體侵徹區(qū)、擬流體侵徹區(qū)和流體動力侵徹區(qū)。但二者的侵徹速度分區(qū)均針對實心彈，未考慮鉆地彈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性。鉆地彈在高速侵徹條件下除發(fā)生彈頭磨蝕、變形外，鉆地彈內(nèi)部的薄壁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)等失效現(xiàn)象[14]，彈體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后將迅速發(fā)展為彈體結(jié)構(gòu)解體破碎，侵徹過程為破碎體侵徹。在一定速度范圍內(nèi)，彈體破碎后的侵徹機理不同于實心彈的半流體侵徹和流體侵徹；且對裝藥的結(jié)構(gòu)彈而言，彈體結(jié)構(gòu)破壞意味著彈體侵徹能力的失效。因此，將彈體破碎后的侵徹區(qū)間統(tǒng)稱為破碎體侵徹區(qū)。根據(jù)本文結(jié)構(gòu)彈的試驗結(jié)果，可將速度分為剛體侵徹區(qū)、準剛體侵徹區(qū)、侵蝕體侵徹區(qū)和破碎體侵徹區(qū)，如圖11 所示，其中H為侵徹深度，Hmax最大侵徹深度。

圖11 結(jié)構(gòu)彈的侵徹速度分區(qū)Fig. 11 Partition of penetration speed for structural projectiles

在圖11 中，當(dāng)撞擊速度低于剛性侵徹速度上限vg時，彈體在侵徹靶板過程中無明顯侵蝕鈍化，可視為剛體侵徹。當(dāng)撞靶速度超過剛體侵徹速度上限vg后，彈靶作用力增大，彈體頭部產(chǎn)生宏觀上較為明顯的侵蝕；由于撞靶速度對侵徹深度的貢獻大于頭部侵蝕對侵徹深度的消減效應(yīng)，與剛體侵徹階段類似，該階段彈體的侵徹深度隨撞靶初速的增加仍呈近似線性增加，因此，稱為準剛體侵徹區(qū)。隨著侵徹速度的繼續(xù)增加，彈體頭部材料較大區(qū)域處于塑性流動狀態(tài)，頭部產(chǎn)生明顯的侵蝕和墩粗，撞靶速度越高，侵蝕與墩粗越嚴重。此時彈頭侵蝕/墩粗對侵徹深度的消減效應(yīng)大于撞靶速度對侵徹深度的貢獻，隨撞靶速度的增加，侵徹深度開始下降，稱為侵蝕體侵徹區(qū)。該階段在整個速度區(qū)間上范圍較窄，彈體侵徹過程中能夠保持結(jié)構(gòu)的基本完整，侵徹深度-撞靶初速曲線下降趨勢相對較緩。準剛體侵徹區(qū)向半流體侵徹區(qū)的轉(zhuǎn)變速度定義為準剛體侵徹速度上限vH，撞擊速度在該速度時彈體侵徹深度達最大值Hmax。當(dāng)撞靶速度達到結(jié)構(gòu)生存極限速度vm時，侵徹過載超過彈體結(jié)構(gòu)強度承受能力，彈體結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎，侵徹深度大幅降低，侵徹深度-撞靶速度曲線在結(jié)構(gòu)生存極限速度vm后下降的趨勢更為陡峭。

3.5 討論

論文主要針對結(jié)構(gòu)彈體開展了高速侵徹鋼筋混凝土靶試驗，試驗結(jié)果既展現(xiàn)了與實心彈體高速侵徹試驗結(jié)果相似的規(guī)律，也有諸多不同之處。下面從侵徹速度分區(qū)、彈體極限速度和彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面討論結(jié)構(gòu)彈體高速侵徹鋼筋混凝土靶的特點。

（1）針對結(jié)構(gòu)彈體高速侵徹過程中的破壞特點，將侵徹速度劃分為剛體侵徹區(qū)、準剛體侵徹區(qū)、侵蝕體侵徹區(qū)和破碎體侵徹區(qū)（圖11）。其中，將速度上升區(qū)（圖10）細分為剛體侵徹區(qū)和準剛體侵徹區(qū)，是由于準剛體侵徹區(qū)的侵徹深度顯然不能從剛體彈的侵徹公式線性外推得到；同時，更重要的是結(jié)構(gòu)彈體往往內(nèi)部裝藥，對彈體的整體變形情況更為敏感，將速度段細分更有利于鉆地彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用“侵蝕體侵徹區(qū)”和“破碎體侵徹區(qū)”，是為了表明結(jié)構(gòu)彈體在侵深逆減后的侵徹機理將不同于實心彈體的侵徹機理，不同主要歸因于結(jié)構(gòu)彈體在高速侵徹條件下，除了會發(fā)生的彈體質(zhì)量侵蝕外，還會因彈體結(jié)構(gòu)的承載力不足而發(fā)生解體破碎。

（2）剛性侵徹速度上限vg、準剛體侵徹速度上限vH和彈體結(jié)構(gòu)生存極限速度vm的具體大小同彈體材料、彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計和靶體材料力學(xué)性能等因素相關(guān)。根據(jù)試驗結(jié)果，本文設(shè)計的30CrMnSiNi2MoVE試驗彈的剛體侵極限速度vg低于1 050 m/s，準剛性侵徹速度區(qū)間介于1 050～1 390 m/s 之間，在該速度段侵徹深度達到最大值；彈體的結(jié)構(gòu)生存極限速度vm在1 463～1 480 m/s 之間。

（3）彈體的生存極限速度大于準剛體侵徹速度上限，表明在彈體結(jié)構(gòu)在破碎前的侵蝕體侵徹階段彈體材料強度仍主導(dǎo)侵徹過程中彈體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在1 400 m/s 速度下，彈體頭部雖然發(fā)生大量磨蝕外，彈體結(jié)構(gòu)基本保持完整，表明在1 400 m/s 速度下采用鉆地彈打擊堅固目標是可行的。同時，合理進行彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選型，提高彈體結(jié)構(gòu)的承載能力，可提高彈體的準剛體侵徹速度上限和生存極限速度，從而提高彈體的侵徹能力。

4 結(jié) 論

本文利用35 mm 口徑彈道炮，開展了結(jié)構(gòu)彈體在1 050～1 520 m/s 速度范圍內(nèi)侵徹鋼筋混凝土靶的試驗，對結(jié)構(gòu)彈體侵徹鋼筋混凝土靶進行了機理性研究，得到如下結(jié)論：

（1）在試驗速度范圍內(nèi)，侵徹深度呈現(xiàn)先隨撞擊速度近似線性增大后減小再急劇下降的規(guī)律；速度在1 030～1 463m/s 的速度范圍內(nèi)，彈體頭部磨蝕，并隨侵徹速度增加磨蝕程度加劇；速度大于1 480 m/s后，彈體嚴重破碎，侵徹深度迅速下降；

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)彈體高速侵徹過程中的破壞特點，將速度分為剛體侵徹區(qū)、準剛體侵徹區(qū)、侵蝕體侵徹區(qū)和破碎體侵徹區(qū)；

（3）30CrMnSiNi2MoVE 試驗彈的準剛體侵徹速度上限vH介于1 390～1 438 m/s 之間，彈體結(jié)構(gòu)生存極限速度vm在1 463～1 480 m/s 之間，可為鉆地彈結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。