桿式穿甲彈對多層間隔薄板橫向破壞效應的研究

焦延博, 羅文敏, 徐穎新

(宜春先鋒軍工機械有限公司, 江西 宜春 336000)

0 引言

防空、反導任務中，小口徑高射炮能夠彌補導彈對空中目標射擊的攔截死區，是低空防御必不可少的武器。桿式穿甲彈的存速能力強，著靶比動能大。與旋轉穩定脫殼穿甲彈相比，其穿甲厚度一般高出20%～30%。桿式穿甲彈可有效擊穿導彈戰斗部殼體和武裝直升機裝甲，對硬目標和半硬目標具有優異的縱向侵徹破壞特征，但由于橫向破壞特征有限，導致裝甲后毀傷效果不夠理想。

近些年，關于穿甲彈的破壞效能研究逐步從提高著靶速度、增加鎢芯長徑比向擴大終點效應發展，出現了易碎脫殼穿甲彈和含能破片。易碎鎢芯在穿過目標裝甲后產生相當于鎢芯質量30%～40%的碎塊，在離心力作用下，形成錐形碎塊束，對目標的橫向破壞起到促進作用。但因易碎鎢芯“抗壓而不抗拉”的力學特性不適應桿式穿甲彈在發射過程中的受力環境，加上桿式穿甲彈無法賦予碎塊足夠的離心力并形成大范圍碎塊束，目前服役的易碎脫殼穿甲彈多采用旋轉穩定方式。國內外大量試驗證明，含能破片能在比普通破片低得多的速度下引燃、引爆裝藥戰斗部，反應產生的能量可對目標內部結構進行毀傷，如含能破片會對電路造成嚴重退化，且其反應產生的碳化物質能使電子元器件短路，反應產生的高溫能對人員和元器件造成燒蝕損傷等。

為實現桿式穿甲彈同時具有穿甲彈縱向侵徹與爆破榴彈橫向破壞特征，提出了一種將普通鎢芯、易碎鎢芯和含能破片組合使用的復合鎢芯結構，開展了理論分析和驗證試驗，并對這種復合鎢芯的破壞效能進行了研究。

1 理論分析

1.1 含能破片釋能分析

對含能破片作用機制的研究表明，降低含能破片發生釋能反應時的能量閥值并可提高釋能反應的充分程度的措施主要有：

1)減小含能破片殼體頭部厚度有利于減小沖擊波在殼體內部的衰減；2)增加含能破片直徑有利于增加破片在目標內部的沖擊能量；3)增加含能破片的長徑比、殼體材料密度有利于降低發生反應所需的臨界沖擊速度；4)與圓頭含能破片相比，平頭破片發生釋能反應時的臨界沖擊速度較低。

對含能破片沖擊薄靶釋能時間的研究表明，通過調整殼體厚度可實現對含能破片釋能時間的控制，使其適時釋能，增加有效毀傷能力。

1.2 易碎鎢芯段PELE效應分析

由于全易碎鎢芯不適應桿式穿甲彈發射過程的高過載，因此將易碎鎢芯與普通鎢芯段通過過渡段燒結成一體，通過坯料成分配比和燒結工藝控制過渡段的力學性能呈梯狀化，令其前段具備易碎特性，中、后段保留韌性與強度。易碎段鎢芯中空,內部裝填含能破片并形成PELE結構。該段的長徑比對橫向破壞效應具有一定影響。當長徑比較大時，比動能較大，擊穿多層薄靶板后的剩余速度也較大，但當長徑比增加到一定程度后，侵徹多層薄靶板后的余速增量逐漸不明顯，充塞變形無法充分覆蓋PELE內芯，橫向效應僅發生在頭部高壓區；當長徑比較小時，整個易碎段都能發生橫向效應，但由于比動能較小，其整體侵徹能力會有所下降。綜合上述分析，易碎段的長徑比取4∶1～6∶1為宜。

1.3 復合鎢芯主要參數

根據桿式穿甲彈設計理論和易碎穿甲鎢芯破碎機理，對普通鎢芯、易碎鎢芯和含能破片的主要參數進行匹配。

1.3.1 產生碎塊束的臨界沖擊速度

易碎鎢芯發生拉伸斷裂時臨界速度應滿足：

(1)

式中:為鎢芯材料的動態斷裂極限;和分別為靶板和鎢芯材料密度;和分別為靶板和鎢芯材料的彈性波速;為相互剪切運動的靶板長度;通常取靶板材料靜態剪切強度的2～3倍；為靶板塞塊直徑。

132 含能破片發生釋能反應的臨界沖擊速度

根據駐點起爆理論和射彈沖擊裸裝炸藥引爆臨界條件，忽略粒子速度與能量在含能破片殼體(易碎鎢合金殼體)中的衰減，含能破片釋能反應臨界沖擊速度可表示為：

(2)

(3)

(4)

式中：為沖擊引爆常數；為鎢芯直徑；為含能破片粒子速度；為含能破片密度；為彈靶撞擊時的相對速度。

常見炸藥沖擊引爆常數見表1。

表1 常見炸藥沖擊引爆常數

133 含能破片釋能量

含能破片釋能反應時作用于密閉空間中的化學反應能為：

(5)

式中:為含能破片釋放化學能的作用空間體積;為含能破片各組分質量;為各組分化學反應釋放的能量。常見含能破片的質量密度、能量密度見表2。

表2 含能破片化學能量密度

134 鎢芯易碎段長度

復合鎢芯的易碎段長度由以下關系確定：

(6)

--≥0

(7)

≤min(,p)

(8)

式中:為鎢芯材料彈性模量;為鎢芯直徑;為彈頭部長度;為鎢芯易碎段截面上的最大應力;為鎢芯承受的壓桿臨界應力；p為鎢芯材料比例極限。

2 驗證試驗

2.1 試驗方法

使鎢芯(見圖1)以1 000 m/s速度撞擊靶標(見圖2)。靶標1(見圖3)由多層鋁板和裝甲靶板組成,模擬迎頭擊中導彈戰斗部，用于檢驗復合鎢芯的破片束破壞效果。靶標2(見圖4)由鋼制圓筒、鋁板和低碳鋼板組成，模擬設備艙，內置壓力傳感器，用于測量筒內相對大氣壓的壓力差值。

圖1 易碎鎢芯和復合鎢芯示意圖

圖2 試驗布置示意圖

圖3 靶標1結構示意圖

圖4 靶標2結構示意圖

2.2 試驗結果分析

2.2.1 碎塊束破壞效果

試驗后統計鎢芯在多層鋁板上的穿孔情況：普通鎢芯穿孔特征單一，穿孔形狀較為規則，每張板上只有一個穿孔，穿孔短軸尺寸為10～12(見圖5)；易碎鎢芯在第5層鋁板處開始出現碎塊束破壞效果，但整個過程碎塊分散角較小，第7層鋁板穿孔長軸尺寸為4～6(見圖6)；復合鎢芯的含能破片在第2層鋁板處開始發生釋能反應(見圖7)，在第3層鋁板處開始出現易碎鎢芯碎塊束，隨著釋能反應充分度的提高，碎塊束的分散角相應增加，鎢芯的破壞范圍逐漸擴大，最大穿孔出現在第5～第6層鋁板，長軸尺寸為10～16，鎢芯主體擊穿裝甲靶板(見圖8)。

圖5 普通鎢芯對靶標1的破壞效果

圖6 易碎鎢芯對靶標1的破壞效果

圖7 復合鎢芯釋能效果

圖8 復合鎢芯對靶標1的破壞效果

試驗結果表明，復合鎢芯碎塊束對該靶標的橫向破壞范圍大于易碎鎢芯。原因主要有兩個：1)復合鎢芯具有PELE結構，在擊穿多層薄靶板的過程中，含能破片的膨脹作用有助于降低易碎鎢芯發生破碎時的臨界沖擊速度，因此在同樣沖擊速度下，復合鎢芯較易碎鎢芯發生破碎的部分更多且破碎更充分。2)由于通過尾翼提供穩定力矩的桿式穿甲彈不具備旋轉穩定穿甲彈的高轉速，桿式穿甲彈易碎鎢芯產生的碎塊因離心力不足在短時間內仍無法分散到較大的區域內；而復合鎢芯產生的碎塊在含能破片釋能反應的沖擊作用下能夠獲得較大的徑向加速度速度，此時即使沒有足夠的離心力，碎塊仍可以獲得較大的分散角度。

另外橫向破壞效果還受到“協同”效應的影響，“寄生”效應的存在使部分碎塊保存了能量，提高了碎塊束整體的侵徹能力。許多碎塊同時撞擊目標靶板產生的效應要比等數量碎塊分別命中目標靶板產生的效果更大，這就是多重碎塊的“協同”效應?！皡f同”效應的存在，在多層間隔目標中會產生更大的橫向破壞作用。

質量相同、初始撞擊速度接近的普通鎢芯、易碎鎢芯和復合鎢芯對同一靶標的整體破壞效果如表3、圖9和圖10所示。

表3 橫向破壞效應對比

碎塊束的破壞系數定義為多層鋁板的穿孔總面積與鎢芯圓柱部斷面面積之比，近似表示為：

(9)

式中:為鋁板的層數;為每一塊鋁板上破片穿孔的數量;為破片穿孔近似為矩形后的長度;為破片穿孔近似為矩形后的寬度;為飛行彈體的直徑。通常認為破壞系數超過140即可對軍用飛行器造成中度毀傷，使其不能完成預定作戰使命，當破壞系數超過300后，可對目標造成重度毀傷或摧毀的打擊效果。

圖9 各層穿孔面積

圖10 各層穿孔數量

易碎彈芯產生碎塊較晚，單層鋁板最大穿孔數較少，最大穿孔面積較小，因此整體破壞系數較低。對碎塊產生機制分析可知，易碎彈芯的碎塊總量少于復合彈芯。靶標2的第1層與第7層鋁板之間的間距約為1.5 m，復合鎢芯的碎塊束穿過第6層鋁板后基本全部破碎、動能消耗殆盡，解決了碎塊束侵徹能力有余而橫向破壞作用不足的問題。在產品設計中，可通過調整易碎段的長度、力學性能實現對不同強度和間距的多層靶實現該作用效果，但是由于整體重量的限制，增加易碎段長度必然影響到普通鎢芯段對裝甲鋼板的侵徹深度。

2.2.2 反應產物的超壓破壞效果

在靶標2內部使用鋁板將筒內空間分隔成4個獨立艙室，在入射方向上順序編為Ⅰ號～Ⅳ號，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ艙室分別設置壓力傳感器，編為1號～3號。通過高速攝像視頻和壓力傳感器讀數發現，復合鎢芯擊穿靶標2后，易碎段彈芯的碎塊束將隔層和蒙皮撕裂，留在靶標內部的含能破片繼續發生釋能反應(見圖11)；靶標內部氣壓相對大氣壓急劇增加了3倍～4倍，隨后產生一個負壓差,約為1倍大氣壓(見圖12)。

圖11 靶標2試驗情況

圖12 靶標2內部壓力曲線

含能破片在殼體的保護下穿過前端蓋，彈芯的易碎段在侵徹過程中不斷破碎，含能破片釋能反應被激活，鎢芯主體擊穿整個目標后，含能破片留在目標內部持續作用，反應產物使目標內部的壓力和溫度驟增。位于Ⅲ號艙室的2號傳感器讀數略高于位于Ⅱ號艙室的1號傳感器，但壓力衰減相對更快。造成這種現象的原因是含能破片在Ⅲ號艙室的釋能反應更加充分，但易碎鎢合金對靶標隔層和端蓋造成的穿孔面積也在不斷增加，因此壓力峰值和衰減速度均相對較大。壓力急劇變化引發的強震、釋能反應造成的燒蝕、易碎鎢合金破片的大面積沖擊，在這些效應的綜合作用下，對艙內的電子元器件、各類機構和蒙皮造成了顯著的毀傷效果。

3 結論

針對當前桿式穿甲彈缺少橫向破壞特征的現狀和不足，提出在保留一定縱向侵徹能力的基礎上，加入易碎鎢芯的碎塊束破壞效果和含能破片的爆轟破壞效果，通過試驗驗證了一種普通鎢芯、易碎鎢芯與含能破片的組合方案。結果表明：

1)使用侵徹膨脹彈結構，利用含能破片的膨脹作用和釋能作用降低易碎鎢合金發生破裂的臨界沖擊速度，同時提高鎢合金碎塊的徑向速度，增強碎塊束的整體威力，從而對薄目標造成較好的橫向破壞效果。

2)在桿式穿甲鎢芯中裝填含能破片，改善了僅靠單一物理作用攻擊目標的現狀，能夠增強對導彈儀器艙或武裝直升機等目標的毀傷效果。

3)通過工藝控制，使鎢芯的一端具有易碎特性，經過過渡使另一端保留強度和韌性，這種鎢芯結構能夠適應桿式穿甲彈的受力特點。

4)該組合方案的破壞效果達到了預期水平，能夠為桿式穿甲彈鎢芯設計提供參考和依據。