陳 威，李吉峰，2，朱 磊，田欣利

（1裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2 75131部隊(duì)，廣西貴港 537100）

0 引言

評估靶板抗彈性能或建立靶材間等效關(guān)系可以利用終點(diǎn)彈道實(shí)驗(yàn)，通過槍炮彈丸對被研究材料制成靶板的侵徹效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，或是利用有限元軟件對侵徹碰撞問題進(jìn)行數(shù)值仿真分析。但進(jìn)行實(shí)彈實(shí)驗(yàn)開銷大、風(fēng)險(xiǎn)高，而數(shù)值仿真假設(shè)多、誤差大。為此，文中創(chuàng)新性的提出了應(yīng)用電極引弧微爆物理模擬破甲毀傷試驗(yàn)方法，并應(yīng)用電極引弧微爆轟裝置產(chǎn)生高能量爆轟波侵徹鋼板，根據(jù)實(shí)測的靶板侵徹容積（爆轟波能量較小，開坑直徑不大，也可以直接測量深度）評估靶板防護(hù)性能，建立靶板間等效關(guān)系，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

1 物理模擬技術(shù)

所謂物理模擬是指縮小或放大比例，或簡化條件來代替原型的試驗(yàn)研究，是一個(gè)內(nèi)涵十分豐富的科學(xué)方法和工程手段[1]。利用現(xiàn)代物理模擬技術(shù)，用少量試驗(yàn)即可代替過去一切都需要通過大量重復(fù)性試驗(yàn)的方法，不但可節(jié)省大量人力、物力，還可通過物理模擬技術(shù)研究復(fù)雜問題。目前，在彈丸威力評估試驗(yàn)中大量采用模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對需要研究的實(shí)際現(xiàn)象按一定條件轉(zhuǎn)換成專門試驗(yàn)條件下可以達(dá)到的相似現(xiàn)象進(jìn)行研究，根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，給出原型的效應(yīng)特性及各有關(guān)量的數(shù)值[2]，既簡單實(shí)用，又方便安全。

目前，對于穿甲彈的物理模擬實(shí)驗(yàn)研究比較成熟，國內(nèi)外已經(jīng)研制出氣體炮、電磁炮、電熱炮和電弧炮等，而破甲彈由于聚能射流的產(chǎn)生及拉伸過程比較復(fù)雜，物理模擬技術(shù)的研究方法單一，現(xiàn)階段只能根據(jù)相似定律，將試驗(yàn)用彈按比例縮小尺寸加工成模型彈。但實(shí)彈毀傷試驗(yàn)存在成本和安全問題，迫切需要一種安全、經(jīng)濟(jì)的破甲毀傷物理模擬方法用于評估裝甲防護(hù)性能，建立靶板等效關(guān)系。

2 電極引弧微爆轟發(fā)生及破甲機(jī)理

如圖1所示，電極引弧微爆轟裝置主要由空氣壓縮機(jī)、專用脈沖電源、爆轟波發(fā)射器三部分組成[3]，其中，爆轟波發(fā)生器安裝在數(shù)控銑床與數(shù)控車床上。

圖1 電極引弧微爆轟裝置

如圖2所示，空氣壓縮機(jī)1產(chǎn)生的壓縮空氣3隨專用脈沖電源陰極電源導(dǎo)管4輸入爆轟波發(fā)生器的內(nèi)腔5，專用脈沖電源2工作時(shí)，高頻振蕩電流和工作電流同時(shí)施加在爆轟波發(fā)生器的芯極9和噴嘴6之間，形成的爆轟擊波作用于工作臺(tái)8上試件7表面。

如圖3所示，當(dāng)電源接通后，高頻振蕩電流傳至爆轟波發(fā)生器兩級(jí)，在爆轟波發(fā)生器內(nèi)高頻引弧，兩電極間產(chǎn)生了大量的正離子、電子和中性粒子組成的等離子體。等離子氣體受熱膨脹后進(jìn)入狹窄的噴嘴，由于受到擠壓使氣體壓力急劇增大并達(dá)到臨界值，隨之發(fā)生微爆炸。瞬間形成一團(tuán)高溫、高壓的氣體產(chǎn)物，并以球形向外膨脹，以超聲速劇烈的沖擊壓縮原來靜止的空氣，使其壓力、密度突越升高，沖出噴嘴后形成定向爆轟波[4]。

當(dāng)爆轟波與固體靶材相互作用時(shí)，對材料表面產(chǎn)生瞬間熱沖擊，在作用點(diǎn)周圍迅速形成高壓區(qū)和高溫區(qū)，引起靶材的劇烈溫升和塑性變形[5]；同時(shí)，微爆炸產(chǎn)生的高壓氣體如同一個(gè)巨大的活塞一樣，以超聲速劇烈的沖擊壓縮靜止的空氣，形成很強(qiáng)的沖擊波，對靶板產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊作用，凹坑進(jìn)一步加深。

圖2 電極引弧微爆轟裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電極引弧微爆轟產(chǎn)生示意圖

3 電極引弧微爆轟物理模擬破甲毀傷效能的可行性分析

下面從破甲機(jī)理、能量守恒和仿真分析三個(gè)方面理論上論證將電極引弧微爆轟物理模擬破甲彈應(yīng)用到評估裝甲防護(hù)性能、建立靶板等效關(guān)系的可行性。

1）破甲機(jī)理的相似性

聚能射流和爆轟波高速撞擊靶板時(shí)，均瞬間在鋼表面及周圍迅速形成塑性變形區(qū)、高壓區(qū)和高溫區(qū)的“三高”區(qū)域，材料受到高溫而發(fā)生熔化、氣化、分解、氧化等一系列變化而產(chǎn)生凹坑。同時(shí)，射流的高速動(dòng)能和爆轟波的強(qiáng)大沖擊力對材料產(chǎn)生沖擊機(jī)械作用，使凹坑進(jìn)一步加深?？梢?，聚能射流和爆轟波作用于鋼板表面時(shí)，兩者毀傷機(jī)理比較相似。

2）能量守恒原則

Feldman和Murphy[6]等人經(jīng)過大量的試驗(yàn)論證提出了“C＝E／V”的能量成坑準(zhǔn)則。E、V分別為能量和開坑體積；C稱為能量成坑比值因子或阻抗系數(shù)，表示為靶板每單位體積抗彈丸侵徹所消耗的能量。由于聚能射流和爆轟波這兩種不同毀傷元?dú)麢C(jī)理相似，靶板每單位體積抗聚能射流和爆轟波侵徹消耗的能量也是相近的，也就是說用于開坑的有效能量相同。因此，根據(jù)能量成坑準(zhǔn)則，當(dāng)能量相同的聚能射流和爆轟波分別作用于同一靶板時(shí)，開坑容積非常接近。

3）爆轟波破甲數(shù)值仿真

雖然爆轟波破甲與帶凹槽的聚能裝藥破甲能量源不同，但有兩個(gè)方面的相似：一是爆炸氣體都匯聚成高溫、高壓和高速的氣流，形成定向聚能氣流；二是聚能氣流集中作用在較小的面積上，依靠氣流沖擊波的高溫、高壓對目標(biāo)產(chǎn)生較強(qiáng)破壞作用。把能量源看作黑匣子，只研究爆炸后產(chǎn)生的聚能氣流作用于目標(biāo)。這樣把電極引弧微爆轟侵徹靶板轉(zhuǎn)化為聚能裝藥（無藥型罩）侵徹靶板來仿真。裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示，仿真結(jié)果見圖5。

圖4 無藥型罩的聚能裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖5 爆轟波侵徹靶板仿真圖

爆轟波侵徹深度值列于表1，假設(shè)HSLA－100鋼為目標(biāo)靶，921鋼、603鋼和45＃鋼為等效靶，K1表示爆轟波侵徹等效靶與目標(biāo)靶的深度比值，而K2表示射流侵徹下等效靶與目標(biāo)靶的深度比值。

表1 爆轟波侵徹鋼板數(shù)值仿真結(jié)果

從表1中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)爆轟波和聚能射流侵徹同一靶板時(shí)，靶板防護(hù)效能的優(yōu)劣性一致，且抗彈效能的等效關(guān)系也非常接近。由上述理論分析和數(shù)值仿真可知，在評估靶材對破甲彈的防護(hù)能力時(shí)，可應(yīng)用電極引弧微爆轟物理模擬聚能射流侵徹靶板。假設(shè)目標(biāo)靶板和等效靶板在同一能量的爆轟波侵徹下，比較彈坑容積（深度）大小，獲知靶板抗彈性能的優(yōu)劣；或根據(jù)量綱理論，計(jì)算得到兩種靶材抗彈性能的等效關(guān)系。

4 電極引弧微爆轟破甲毀傷試驗(yàn)研究

采用圖1所示的引弧微爆轟加工裝置。靶板為HSLA－100鋼、921鋼、603鋼和45＃鋼，尺寸均為100mm×100mm×20mm。參數(shù)設(shè)置為[7]：I＝80A，P＝0.10MPa，T＝0.61s，L＝4mm。將靶板置于引弧微爆轟裝置的噴嘴下方，按試驗(yàn)方案設(shè)好引弧參數(shù)，連續(xù)引弧5次。操作結(jié)束后，用游標(biāo)卡尺測得的凹坑深度列于表2。

圖6、圖7為爆轟波侵徹試驗(yàn)圖。電極引弧微爆轟產(chǎn)生的爆轟波作用于靶板，瞬間在鋼板侵徹出一個(gè)凹坑，由于電極引弧微爆轟產(chǎn)生的能量較小，凹坑的深度和孔徑均較小。隨著深度的增加，孔徑沿深度方向逐漸減小。由表2數(shù)據(jù)可知，靶板在爆轟波侵徹下，由于材料屬性不同，轟擊出的圓形凹坑深度存在差異，這反映出靶材抗彈能力的差異。靶板在爆轟波侵徹下，HSLA－100鋼的抗彈能力最優(yōu)，45＃鋼最差。以921鋼為例，921鋼與HSLA－100鋼侵徹深度比值為兩靶板抗彈效能的等效關(guān)系，即爆轟波分別侵徹厚度為1的HSLA－100鋼和厚度為1.105的921鋼時(shí)，在后效靶的剩余穿深是相同的。由文獻(xiàn)[8]和表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，靶板抗聚能射流和爆轟波侵徹的效能優(yōu)劣性一致，且防護(hù)效能的等效關(guān)系也非常接近。表明運(yùn)用電極引弧微爆物理模擬破甲毀傷試驗(yàn)評估抗彈性能的優(yōu)劣或建立等效關(guān)系是可行的。

表2 爆轟波侵徹鋼板的深度 （mm）

圖6 爆轟波侵徹試驗(yàn)過程

圖7 引弧微爆侵徹鋼板成坑圖

5 結(jié)論

1）從破甲機(jī)理、能量守恒和仿真分析三個(gè)方面進(jìn)行研究分析，從理論上論證了將電極引弧微爆轟物理模擬聚能射流應(yīng)用到評估裝甲防護(hù)性能、建立靶板等效關(guān)系的可行性。

2）把能量源看作黑匣子，只研究爆炸后產(chǎn)生的聚能氣流作用于目標(biāo)，把電極引弧微爆轟侵徹靶板轉(zhuǎn)化為聚能裝藥（無藥型罩）侵徹靶板來仿真，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，表明該方法是正確的。

3）靶板在爆轟波侵徹下，HSLA－100鋼的抗彈能力最優(yōu)，45＃鋼最差。921鋼、603鋼、45＃鋼與HSLA－100鋼抗彈效能的等效關(guān)系分別為1.105、1.136、1.171。

4）靶板在聚能射流和爆轟波侵徹下，靶板防護(hù)效能的優(yōu)劣性是一致的，且抗侵徹的效能關(guān)系也非常接近。表明運(yùn)用電極引弧微爆物理模擬破甲毀傷試驗(yàn)評估抗彈性能的優(yōu)劣或建立等效關(guān)系是可行的。在評估靶材對破甲彈的防護(hù)能力時(shí)，可應(yīng)用電極引弧微爆轟替代破甲彈侵徹靶板，比較彈坑容積（深度）大小，獲知靶板抗彈性能優(yōu)劣；或根據(jù)量綱理論，計(jì)算得到兩種靶材抗彈性能的等效關(guān)系。該方法經(jīng)濟(jì)簡化、方便安全，獲得較直觀的結(jié)果，具有較好的工程應(yīng)用前景和軍事應(yīng)用價(jià)值。

[1]張培忠.火炮物理模擬理論與試驗(yàn)技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2002：2－4

[2]王金貴.氣體炮原理及技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999：9－12

[3]田欣利，楊俊飛，劉超，等.引弧微爆加工陶瓷新方法及其電源系統(tǒng)研制[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23（6）：71－75.

[4]田欣利，楊俊飛.利用電極引弧微爆轟加工工程陶瓷的方法及其裝置：中國，200810240608.6[P].2009：2－3.

[5]田欣利，楊俊飛，劉超.高頻引弧微爆炸加工工程陶瓷新方法試驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程，2009，20（21）：2567－2570.

[6]Murphy M J.Survey of the influence of velocity and material on projectile Energy／Target hole volume relationship[C]//10th International Symposium on Ballistics，1987：573－582.

[7]劉超.高頻引弧微爆炸加工工程陶瓷新方法試驗(yàn)研究[D].北京：裝甲兵工程學(xué)院，2009：22－30.

[8]李吉峰.聚能射流侵徹下靶板抗彈能力的等效關(guān)系研究[D].北京：裝甲兵工程學(xué)院，2010：43－49.