脫殼穿甲彈毀傷效應試驗研究

陳桂榮，歐陽稠，彭 安，焦延博

(宜春先鋒軍工機械有限公司，江西 宜春 336000)

1 引言

脫殼穿甲彈是20世紀70年代以后發展起來的一種性能優良的穿甲彈，具有初速高、彈道低伸、飛行時間短、命中精度高、侵徹威力大等特點，是目前最主要的反甲彈藥[1]。依穩定方式分為旋轉穩定和尾翼穩定兩大類，其主要是依靠動能以碰擊方式來攔截毀傷武裝直升機、巡航導彈等空中目標以及地面輕型裝甲車輛等有生力量。脫殼彈穿甲主要由飛行彈體(彈芯和風帽)和彈托兩大部分組成，飛行過程中，彈托會自動脫落，使彈芯獲得良好的外彈道性能，彈芯在擊中目標時，可以依靠動能擊穿裝甲造成損壞或者引爆戰斗部[2]。目前世界上脫殼穿甲彈大多采用分離卡瓣式，在連發射擊過程中，彈托分離會對后續彈藥造成干涉，我國新研制的氣推式整體脫殼穿甲彈，在彈丸出炮口的極短距離內，彈芯借助高壓火藥氣體自動高速推出彈托，達到整體脫殼的效果，具有其特殊的優越性。

基于35 mm高炮試驗平臺，針對氣推式整體脫殼穿甲彈，開展了穿甲威力、有效防護駕駛艙毀傷、燃油箱引燃、戰斗部模擬靶引爆等試驗，分析了其毀傷效應，得到了相關試驗數據，為產品的研制設計提供試驗數據參考。

2 試驗方法

采用35 mm高炮，水平射擊，分別在距離炮口50 m處布置40 mm/60°均質裝甲鋼板威力靶、有防護駕駛艙模擬靶、燃油箱模擬靶，100 m處布置戰斗部模擬靶。選用試驗彈模擬1 000 m著速，依次對上述模擬靶板進行射擊試驗。

3 試驗結果分析

3.1 穿甲威力

對于坦克、輕型裝甲車輛等目標，目標靶的穿透率是考核其穿甲威力的主要手段之一，目前我國對穿甲彈威力的評價指標為90%穿透率的速度v90，對一定的裝甲目標，彈芯穿透目標的速度越小其穿甲效能越好，速度的標準方差越小表示其穿甲效能的穩定性越好[3]。彈芯的穿甲威力以1 000 mm著速，對40 mm/60°均質裝甲鋼板的穿透率為考核依據，根據De Marre極限穿甲深度(L)公式、極限穿透速度(vl)公式[4]可知該彈芯對均質裝甲的穿透能力：

(1)

(2)

式中:vt為彈芯侵徹靶板時的著靶速度；ρ、l、d、m為彈芯的密度、長度、直徑、質量；σs、T為均質裝甲鋼板的屈服極限和厚度；A、k為靶板的修正系數(2 000～2 600)、符合系數；均質裝甲鋼的性能參數見表1。

表1 裝甲鋼性能參數Table 1 Performance parameters of armour steel

當彈芯對裝甲鋼板非垂直命中時，彈芯與鋼板表面法線方向成一法向角θ，實際上，vl和θ之間存在著較復雜的關系，對于均質裝甲De Marre公式可作如下修正[5]:

(3)

式中:λ、N為修正角度值和修正系數，修正系數N和θ的關系值如表2所示。

表2 系數N和θ的關系值Table 2 Relationship value of coefficient N and θ

飛行彈體結構參數示意圖見圖1，材料性能參數見表3.將彈芯直徑0.168 dm，重量0.26 kg參數代入式(2)中，根據修正公式可知40 mm/60°均質裝甲鋼板的極限穿透速度為1 147.2 m/s。

圖1 飛行彈體結構參數示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural parameters of a flying projectile

表3 彈體材料性能參數Table 3 Performance parameters of the projectile material

該穿甲彈正裝藥可獲得1 350 m/s的初速，用彈道雷達監測目標彈芯，測出彈芯千米速度降為200 m/s，千米靶距著速為1 150 m/s，理論上該彈芯能夠穿透40 mm/60°均質裝甲鋼板。在炮口50 m處按40 mm/60°架設1 m×1 m的均質裝甲鋼板(GY4)，以炮口50 m處1 150 m/s彈芯速度選定發射藥裝藥量，即炮口50 m處穿甲威力可等效1 000 m著速對40 mm/60°均質裝甲鋼板的穿甲效果。按選定裝藥量依次射擊10發穿甲彈，試驗數據如表4所示，試驗結果表明：裝藥量為305 g，平均初速為1 151.58 m/s，10發彈命中裝甲鋼板且全部有效穿透，其穿透率為100%，其穿甲威力效果如圖2所示。

表4 試驗數據結果Table 4 Test data and results

圖2 穿甲威力效果圖Fig.2 Effect picture of armour piercing power

3.2 有防護駕駛艙毀傷能力系數

當該型穿甲彈攔截空中的固定翼飛機、武裝直升機時，需達到命中即擊毀的毀傷要求。以毀傷能力系數P值來判定彈藥的毀傷能力，當P值大于140時即可對飛機、直升機造成中度毀傷，使其不能正常完成作戰使命[6]。按目標部位的易損特性，將其劃分為幾個典型要害部位，固定翼飛機劃分為駕駛艙、燃油箱、發動機艙、設備艙和機翼5個部位，直升機劃分為駕駛艙、燃油箱、發動機艙、尾梁和機身下部5個部位[7]。用多層固定間隔的靶板組等效典型要害部位，形成一個等效靶板體系，用以檢測彈芯的毀傷效果。美國AH-64A“阿帕奇”直升機、俄羅斯米-24D直升機、Su-25攻擊機防護裝甲的等效裝甲鋼板厚度約為6～15 mm，軍用飛機裝甲設計與安裝要求標準中對裝甲防護材料的厚度要求為8～10 mm[8]，因此對固定翼飛機、武裝直升機上述部位的模擬靶可等效由1塊15 mm/60°均質裝甲鋼板(GY4)和1塊3 mm、1塊5 mm、5塊2 mm厚的1 m×1 m的2A12鋁板組成，各鋁板之間間隔300 mm，其示意圖如圖3所示。等效靶板如圖4所示，鋁合金性能參數見表5。

圖3 固定翼飛機、武裝直升機等效靶板示意圖Fig.3 Schematic diagram of equivalent target plates of fixed-wing aircrafts and attack helicopters

圖4 固定翼飛機、武裝直升機等效靶板Fig.4 Equivalent target plates of fixed-wing aircrafts and attack helicopters

表5 鋁合金性能參數Table 5 Performance parameters of aluminium alloy

選用試驗彈以1 000 m著速1 150 m/s對距炮口50 m處的飛機、直升機等效靶板進行射擊，統計穿甲彈彈芯穿透全部M塊后效鋁靶板后每一塊后效鋁靶板上破片穿孔的數量N，將每個穿孔近似為矩形后，測量該矩形穿孔的長度KL(mm)和寬度KW(mm)，均取整數，得到彈芯對M塊后效鋁靶的綜合毀傷能力系數P：

(4)

其中:D為彈芯直徑(mm)。當破片穿孔近似為圓形時，KL和KW均取圓形的直徑值。

按前述選定的裝藥量裝配全彈，依次射擊5發穿甲彈，5發彈在各后效靶板上穿孔面積的試驗數據如表6所示。每發彈對7塊后效鋁板的毀傷能力系數如圖5所示。試驗表明：裝藥量305 g，平均初速為1 150.62 m/s，5發穿甲彈綜合毀傷能力系數分別為408、342、415、379、399，平均值為388.6，綜合毀傷能力系數均大于140，因此彈芯命中目標后可對飛機、直升機目標造成破壞進而達到摧毀的打擊效果，單發穿甲彈毀傷鋁靶板情況如圖6所示。5發穿甲彈毀傷鋁靶板效果如圖7所示。

圖5 每發彈對7塊后效鋁靶板的毀傷能力系數Fig.5 Damage capacity coefficient of each bullet to 7 aftereffect aluminium target plates

表6 5發彈在各后效靶板上穿透面積(mm2)Table 6 Penetration area of 5 bullets of APDS on each aftereffect target

圖6 單發穿甲彈毀傷鋁靶板情況Fig.6 Damage of aluminium target plates by single APDS

圖7 5發穿甲彈毀傷鋁靶板效果Fig.7 Damage effect of 5 bullets of APDS on aluminium target plates

3.3 裝甲燃油箱模擬靶引燃性能

統計表明軍用飛機在遭受火力攻擊后，燃油系統起火和爆炸是導致其損傷的主要原因，而燃油系統的損傷主要是由于燃油箱的燃燒、爆炸或漏油3種毀傷方式造成的，而燃燒是油箱的主要毀傷方式[9]。彈芯擊中裝甲車輛、固定翼飛機和直升機油箱時，將其燃油箱中的燃料(0#柴油、航空汽油、航空煤油)完全點燃才能有效的摧毀目標，表7給出了3種燃料的閃點溫度[10]。而輕型裝甲車輛步戰車防護鋼板厚度約5～25 mm[11～12]，固定翼飛機、武裝直升機防護裝甲的等效裝甲鋼板厚度約為6～15 mm，因此燃油箱模擬靶可等效由一塊25 mm/0°均質裝甲鋼板和2 mm厚Q235燃油箱組成，其中油箱裝滿一半0#柴油，油箱與裝甲鋼板間隔100 mm，其示意圖如圖8所示。

表7 幾種燃料的閃點Table 7 Flash point of fuels

圖8 燃油箱模擬靶示意圖Fig.8 Schematic diagram of the simulation target of a fuel tank

選用試驗彈以1 000 m著速1 150 m/s對炮口50 m處燃油箱模擬靶進行射擊，根據式(2)及穿甲后剩余速度(vs)式(5)，求出穿甲彈芯穿透25 mm均質裝甲及油箱的極限穿透速度為467.98 m/s，穿甲后的剩余速度：972.76 m/s。

(5)

式中：vt為彈芯侵徹靶板時的著靶速度；vl極限穿透速度；d、m為彈芯的直徑和質量；ρb、T為均質裝甲鋼板的密度和厚度；θ為彈芯與裝甲表面法線方向的夾角法向角。

彈芯擊穿油箱金屬外殼時，由于外殼和燃料的阻礙，彈芯的動能可轉化為塞塊、彈芯的熱能，使得油溫升高至燃點以上。彈芯擊穿靶板和油箱產生的高速飛濺的高溫顆?；鸹案邷氐娜麎K、彈芯，遇到燃油箱內的燃料時發生燃燒效應，使油箱燃燒或爆炸。根據能量守恒定律，彈芯擊穿 25 mm/0°均質裝甲鋼板和油箱后損失的動能絕大部分轉化為熱能，彈芯在侵徹過程中，由于彈芯的導熱率大，摩擦和塑性變形做功超過90%可以轉變為熱[13-14]，根據式(6)可計算出熱能E為43.97 kJ，熱能被彈芯殘骸和裝甲鋼板塞塊吸收，由溫度升高量式(7)可求出，溫度升高量為636.55 ℃，一般0#柴油的燃點為220～250 ℃，彈芯命中油箱模擬靶后，均可將0#柴油引燃或引爆。

(6)

(7)

式中：m為彈芯質量；ms為鋼板塞塊的質量；C為彈芯鎢合金的比熱容，130 J/(kg·℃)；Cs鋼的比熱容，450 J/(kg·℃)；μ為轉換系數。

按前述選定的發射藥裝藥量裝配全彈，依次射擊10發穿甲彈，試驗結果如表8所示。試驗表明：裝藥量為305 g，平均初速為1 150.33 m/s，8發引爆油箱，2發引燃油箱，引爆率80%，引燃(含引爆)率100%，其引爆效果如圖9所示。引燃效果如圖10所示。

表8 試驗結果Table 8 Test results

圖9 油箱引爆效果Fig.9 Detonation effect of a fuel tank

圖10 油箱引燃效果Fig.10 Ignition effect of a fuel tank

3.4 戰斗部模擬靶引爆率

穿甲彈毀傷來襲導彈戰斗部，主要考慮沖擊起爆因素。根據James對沖擊起爆的描述，決定沖擊起爆的主要有沖擊波壓力大小與作用時間2個因素[15]，當T=D/6c時刻，戰斗部炸藥達到起爆臨界條件，其起爆比內能Ec可表示為：

Ec=pupD/6c

(8)

式中：p為沖擊波壓力，可以根據一維沖擊波理論和Hugoniot參數得到；up為炸藥中的質點速度；D為彈芯直徑；c為炸藥波后的聲速。

工程上為了對臨界速度進行估算，通常使用的是簡化的Jacobs判據和美軍皮克提尼兵工廠提出的工程判據[16]，其表達式為：

(9)

式中：V為臨界速度；kf為彈藥感度常數；t模擬戰斗部殼體厚度；m為穿甲彈芯質量。

文獻[15-16]研究了穿甲彈對模擬戰斗部的引爆能力和不同彈芯參數對戰斗部的臨界起爆速度。在距炮口100 m處架設戰斗部模擬靶，選用試驗彈以1 000 m著速對模擬戰斗部進行水平射擊。模擬戰斗部裝有B炸藥20 kg，殼體材料為10 mm厚Q235，其示意圖如圖11所示。裝藥后的戰斗部模擬靶見圖12。依次對戰斗部模擬靶射擊5發穿甲彈，全部5發模擬戰斗部均能夠有效引爆，其引爆效果如圖13所示。

圖11 模擬戰斗部示意圖Fig.11 Schematic diagram of the simulation target of a payload

圖12 裝藥后的戰斗部模擬靶Fig.12 The simulation target of payload after charging

圖13 模擬戰斗部引爆效果圖Fig.13 Detonation effect of the simulation target of a payload

4 結論

基于35 mm高炮試驗平臺，以脫殼穿甲彈為研究對象，開展了穿甲威力、有效防護駕駛艙毀傷、燃油箱引燃、戰斗部模擬靶引爆等試驗，得出如下結論：

1) 穿甲彈以1 000 m平均著速1 151.58 m/s均能有效穿透40 mm/60°均質裝甲鋼板。

2) 穿甲彈以1 000 m平均著速1 150.62 m/s對有效防護駕駛艙模擬靶綜合毀傷能力系數平均能達到388.6，可對飛機和直升機造成中度毀傷，進而達到摧毀的打擊效果，使其不能正常完成作戰使命。

3) 固定翼飛機、武裝直升機及輕型裝甲車輛燃油箱引燃性能試驗表明，脫殼彈以1 000 m著速對0#柴油的引燃效果明顯，引爆率可達到80%，擊中油箱油面以下，毀傷效果顯著，能引爆燃油并持續燃燒，擊中油面以上，能夠引燃燃油但引爆效果不明顯，穿甲彈在擊中目標油箱時能夠做到“命中即擊毀”。

4) 戰斗部模擬靶試驗表明，穿甲彈能夠有效引爆B炸藥戰斗部，可以有效攔截毀傷巡航導彈、制導航彈等空中目標。