王 偉，彭 剛，馮家臣，王緒財(cái)

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán) 第五三研究所，濟(jì)南 250031)

炮彈、炸彈等爆炸物生成的破片是軍用個(gè)體和裝甲防護(hù)材料需要防御的主要高速侵徹對(duì)象之一，國(guó)內(nèi)外安全形勢(shì)的變化使得警用防護(hù)材料也要防御簡(jiǎn)易爆炸物，手榴彈等爆炸物品的破片侵徹，尤其是隨著預(yù)制、半預(yù)制破片技術(shù)在爆炸物中的廣泛使用，使得這一威脅日益嚴(yán)重。

由于在防護(hù)材料及其產(chǎn)品抗破片性能的研究、檢測(cè)過(guò)程中需要頻繁進(jìn)行破片侵徹試驗(yàn)，若直接用炮彈、手榴彈等爆炸物進(jìn)行實(shí)彈試驗(yàn)，不僅試驗(yàn)成本高昂，試驗(yàn)效率低下，也極大地威脅著試驗(yàn)人員的人身安全。因此，針對(duì)特定的破片防護(hù)對(duì)象，采用試驗(yàn)?zāi)M表征技術(shù)成為研究、檢測(cè)防護(hù)材料及其產(chǎn)品抗破片性能的首選。本文針對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外防護(hù)材料抗破片性能試驗(yàn)?zāi)M表征技術(shù)的研究進(jìn)展，從模擬破片及其發(fā)射裝置、彈托設(shè)計(jì)與分離技術(shù)及材料抗破片性能表征指標(biāo)等三個(gè)方面進(jìn)行了綜述。

1 模擬破片

為了通過(guò)彈道侵徹試驗(yàn)對(duì)爆炸物爆炸破片侵徹防護(hù)材料的效果進(jìn)行模擬，研究人員設(shè)計(jì)了多種的模擬破片，比如廣泛使用的1.1 g 北約破片模擬彈，4.5 g 球形破片模擬彈，3.3g 立方體破片模擬彈。但近年來(lái)隨著一些爆炸物爆炸破片向著小質(zhì)量化、高速化發(fā)展，如現(xiàn)在各國(guó)裝備的手榴彈實(shí)際爆炸破片質(zhì)量在0.05 ～0.4 g 之間，速度可達(dá)1 000 ～1 828 m/s，防護(hù)材料的防護(hù)對(duì)象也開(kāi)始發(fā)生變化，一些研究人員開(kāi)始在破片侵徹實(shí)驗(yàn)中使用1 g 以下的小質(zhì)量模擬破片對(duì)防護(hù)材料的抗破片性能進(jìn)行模擬表征。

例如南京航空航天大學(xué)的李琦［1］等采用0.9 g 立方體破片來(lái)模擬表征芳綸與高強(qiáng)聚乙烯纖維疊層組合對(duì)破片的防護(hù)性能。英國(guó)的Debra Carr［2］等采用0.68 g 球形破片模擬彈來(lái)模擬表征防護(hù)服抗爆炸破片的性能。日本的Shigeki Yashiro［3，4］，Keiji Ogi［5］等用1. 5 mm(0. 014 2 g)，2. 5 mm(0.062 3 g)、4 mm(0.26 g)的球形破片模擬彈對(duì)復(fù)合材料板抗破片侵徹性能進(jìn)行了研究。

2 模擬破片發(fā)射裝置

破片發(fā)射裝置的作用是穩(wěn)定發(fā)射破片并使其加速到所需速度范圍。傳統(tǒng)的破片發(fā)射裝置如彈道槍、彈道炮、輕氣炮等采用發(fā)射藥燃?xì)饣驂嚎s氣體驅(qū)動(dòng)，近年來(lái)雖然出現(xiàn)了電熱炮、電熱化學(xué)炮、電磁軌道炮等靠等離子體或電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的新型發(fā)射裝置，但由于新型發(fā)射裝置技術(shù)要求高，且炮彈等爆炸物產(chǎn)生的破片初速一般在2 000 m/s 以下，傳統(tǒng)破片發(fā)射裝置基本可以滿足試驗(yàn)需求，因此將新型發(fā)射裝置用于個(gè)體及裝甲防護(hù)材料抗破片性能模擬表征試驗(yàn)的非常少。如日本的Shigeki Yashiro［3，4］，Keiji Ogi［5］等在試驗(yàn)中利用直熱式電熱槍分別模擬了直徑為1.5 mm、2.5 mm、4 mm 的鋼球在100 ～1 200 m/s 的速度范圍內(nèi)對(duì)復(fù)合材料板的侵徹。其使用的電熱槍結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要由動(dòng)力控制面板、電熱槍、彈托攔截器、速度探測(cè)器和數(shù)據(jù)記錄器組成。該裝置可以在高壓(3 ～10 kV)脈沖電流的作用下，使鋁箔(2 mm×60 mm)熔化、氣化從而獲得高溫高壓的金屬等離子體，然后利用高溫高壓的金屬等離子體對(duì)放置在彈托中的破片進(jìn)行加速，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)施加于鋁箔的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)破片發(fā)射速度的調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)破片發(fā)射裝置要求在試驗(yàn)過(guò)程中盡量減小對(duì)裝置發(fā)射能力的影響，且部件一旦損壞后不易更換，為了評(píng)價(jià)便攜式爆炸物處理器所用結(jié)構(gòu)材料的抗破片侵徹性能，日本的T.Saburi［7］等根據(jù)試驗(yàn)需要，自行設(shè)計(jì)了一種新型簡(jiǎn)易爆炸驅(qū)動(dòng)破片發(fā)射裝置，該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各組成部分毀壞后易于更換，便于保持裝置發(fā)射能力。其結(jié)構(gòu)示意圖及部件實(shí)物圖如圖2、圖3 所示。該破片發(fā)射裝置主要由槍管、爆炸室和電導(dǎo)火索固定器組成。槍管和電導(dǎo)火索固定器都與爆炸室連接在一起。爆炸室為鋁制空心圓柱，外徑50 mm，內(nèi)徑30 mm，長(zhǎng)100 mm。瞬發(fā)式電導(dǎo)火索被鋁制固定器固定，并與爆炸物接觸。爆炸物和槍管底部之間置有一塊0.5 mm 厚的PMMA 隔離板，從而將槍管中的破片和爆炸物用空氣分隔開(kāi)。槍管用不銹鋼做成，長(zhǎng)70 mm，內(nèi)徑為10 mm，為了對(duì)爆炸物產(chǎn)生的氣體進(jìn)行壓縮，槍管底部做成了錐形。所用破片為圓柱形，由特種鎳鉻鉬鋼做成，長(zhǎng)10 mm，直徑10 mm，重6 g。實(shí)驗(yàn)中破片侵徹速度范圍為200 ～1 000 m/s。

圖1 直熱式電熱槍示意圖

圖2 簡(jiǎn)易破片發(fā)射裝置示意圖

圖3 簡(jiǎn)易破片發(fā)射裝置部件實(shí)物圖

多破片聯(lián)動(dòng)侵徹試驗(yàn)的需求，也催生了新型破片發(fā)射裝置。為了研究玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料層壓板在多個(gè)位置同時(shí)進(jìn)行破片侵徹與依次進(jìn)行破片侵徹時(shí)，能量吸收、分層及失效機(jī)理的不同，美國(guó)的L. J. Deka［8］設(shè)計(jì)了一種裝有三根槍管的一級(jí)輕氣炮。這種輕氣炮3 個(gè)槍口尺寸及布局示意圖如圖4 所示。為了確保可以同時(shí)進(jìn)行多發(fā)破片侵徹試驗(yàn)，3 個(gè)槍管通過(guò)一個(gè)集合管聯(lián)接在同一個(gè)直徑為63.5 mm 的蝴蝶閥上，這保證了3 個(gè)槍管內(nèi)載有破片的彈托受到同樣的驅(qū)動(dòng)力;同時(shí)彈托的質(zhì)量和尺寸差異在加工時(shí)被控制得非常嚴(yán)格。試驗(yàn)時(shí)可以將一個(gè)或兩個(gè)槍管塞住，這樣就可以進(jìn)行兩發(fā)或單發(fā)的侵徹試驗(yàn)。在試驗(yàn)中用直徑為7.94 mm，質(zhì)量為2.039 g 的合金軸承鋼珠作為破片模擬彈，初始侵徹速度范圍在195 ～232 m/s。該裝置優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定的侵徹位置近乎同時(shí)或者依次發(fā)射最多達(dá)3 枚破片，缺點(diǎn)則是發(fā)射破片的速度偏低，對(duì)彈托加工精度要求過(guò)高。

圖4 三管輕氣炮布局示意圖

3 彈托的設(shè)計(jì)與分離技術(shù)

彈托是破片進(jìn)行發(fā)射時(shí)的載體，借助于彈托，大部分形狀規(guī)則、不規(guī)則和次口徑的破片都可以在很寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)射。在發(fā)射的過(guò)程中，彈托的作用主要有以下幾點(diǎn):對(duì)發(fā)射物進(jìn)行定位和支撐;將破片與發(fā)射槍管分離，保護(hù)發(fā)射槍管壁免受破片的損壞;對(duì)發(fā)射槍管內(nèi)的驅(qū)動(dòng)氣體進(jìn)行密封，密封不好的話，槍管內(nèi)的驅(qū)動(dòng)氣體會(huì)發(fā)生泄漏，從而造成彈托-破片體系的受力不均，影響彈托與發(fā)射物的分離;使由于槍膛及發(fā)射物的不對(duì)稱性、槍膛內(nèi)摩擦力的不均一性及驅(qū)動(dòng)氣體加載的不均勻性做造成的破片橫向運(yùn)動(dòng)或偏航運(yùn)動(dòng)最小化。

3.1 彈托的制作材料

彈托在與破片分離后就不再起任何作用了，因此彈托的質(zhì)量要小且能夠與破片的質(zhì)量匹配。但彈托在通過(guò)發(fā)射槍管的過(guò)程中必須能承受住所受到的驅(qū)動(dòng)力和離心力，因此彈托要有足夠的強(qiáng)度。由于金屬材料的彈托在通過(guò)發(fā)射槍管時(shí)會(huì)對(duì)槍管造成破壞，塑料材料和纖維增強(qiáng)塑料成為了制造彈托最好的材料之一，常用的材料如聚氯乙烯［11］，聚碳酸脂，尼龍等。也有人在滑膛彈道槍及輕氣炮的使用過(guò)程中，為了保證彈托的強(qiáng)度，使用鋁合金或其他輕質(zhì)合金材料做彈托［12-15］。

3.2 彈托的無(wú)差別分瓣式設(shè)計(jì)

為了使彈托與破片出膛后及時(shí)進(jìn)行分離，并且避免彈托對(duì)破片的穩(wěn)定飛行造成干擾，彈托的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從整體式到分瓣式，瓣片從機(jī)加工到注塑成型，并最終成為無(wú)差別分瓣式彈托。根據(jù)試驗(yàn)中發(fā)射破片尺寸的大小，彈托沿其長(zhǎng)度方向被設(shè)計(jì)為兩瓣［16，17］、三瓣［18，19］、四瓣、六瓣［20］、八瓣［21］甚至是九瓣［22，23］。瓣數(shù)越多，對(duì)彈托的加工精度要求越高，試驗(yàn)前將彈托與破片進(jìn)行組裝的操作越復(fù)雜。為了便于彈托在組裝的時(shí)候進(jìn)行定位，尤其是當(dāng)彈托瓣數(shù)較多時(shí)，國(guó)外試驗(yàn)中采用的彈托邊緣通常被設(shè)計(jì)成鋸齒形，如圖5 所示，但這樣增大了加工的難度。國(guó)內(nèi)彈托則通常被設(shè)計(jì)為分離式兩瓣或三瓣，例如中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第53 研究所彈道實(shí)驗(yàn)室就通過(guò)分離式彈托實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種模擬破片的穩(wěn)定、高速發(fā)射并申請(qǐng)了專利［24］。南京理工大學(xué)的王金相［17］等利用分離式兩瓣彈托進(jìn)行了球形(圖6)、方形破片侵徹防護(hù)材料試驗(yàn)的研究。

圖5 方形破片及四瓣邊緣帶鋸齒彈托

圖6 球形破片及兩瓣彈托

當(dāng)發(fā)射高密度破片(如鎢制破片)或者破片發(fā)射速度很高時(shí)，為了防止彈托在驅(qū)動(dòng)氣體的作用下被破片穿透，會(huì)在彈托和破片末端接觸的地方放置一個(gè)厚的金屬驅(qū)動(dòng)盤(pán)(圖5)，以起到均勻分布受力的作用，這種彈托稱為底推式彈托。底推式彈托在彈托與破片分離后，金屬驅(qū)動(dòng)盤(pán)會(huì)與破片沿著相同的方向前行，因此在制造金屬驅(qū)動(dòng)盤(pán)的時(shí)候，會(huì)在上面穿孔或者劃上刻痕，造成結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性，使其無(wú)法穩(wěn)定飛行，從而被彈托攔截器攔截，避免對(duì)受試樣品或儀器造成傷害。

3.3 彈托的分離技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外常用的彈托分離技術(shù)主要有兩種:空氣動(dòng)力學(xué)分離技術(shù)和攔截分離技術(shù)，彈托分離技術(shù)的選用主要受實(shí)驗(yàn)室空間條件的影響?？諝鈩?dòng)力學(xué)分離技術(shù)是利用載有破片的彈托在飛離發(fā)射槍管后所遇到的空氣阻力，使彈托的瓣與瓣之間分開(kāi)，從而使彈托與破片分離。這種技術(shù)的缺陷是破片與彈托分離之前，破片必須飛行一長(zhǎng)段距離，因而要求實(shí)驗(yàn)室必須有足夠的空間;優(yōu)點(diǎn)是分離時(shí)破片不容易受到彈托的影響［27］。但當(dāng)破片的長(zhǎng)徑比足夠大(≥10)的時(shí)候，彈托也很容易干擾破片，從而使破片偏離預(yù)定的飛行方向。為了增加彈托迎風(fēng)面的空氣阻力，加速?gòu)椡信c破片分離，彈托的迎風(fēng)面都有一定角度，如北京理工大學(xué)寧建國(guó)等人，將彈托的迎風(fēng)面角度設(shè)計(jì)為120°［26］。

攔截分離技術(shù)是利用一攔截裝置，通常為一厚鋼板，在板的中間開(kāi)有個(gè)小孔，以允許破片通過(guò)，而彈托則被攔截下來(lái)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是破片與彈托分離之前不用飛行很長(zhǎng)距離，受空間條件限制小。其缺陷也是顯而易見(jiàn)的，一是部分彈托容易附著在破片上，從而增加了破片的動(dòng)能，影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并且不利于破片飛行的穩(wěn)定性;二是因破片與彈托的分離狀態(tài)不同，導(dǎo)致破片速度不宜控制。P. J. Hazell［27］等在彈托剝離裝置后面又放置了一塊中間打孔的擋板，以防止有彈托碎片隨破片一起穿過(guò)彈托剝離裝置。

4 抗破片性能表征指標(biāo)

防護(hù)材料的抗破片性能可以用不同的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行表征，最常用的是吸能(EA)，比吸能(SEA)和彈道極限V50。

4.1 吸能

吸能是指防護(hù)材料在破片侵徹下所吸收的破片動(dòng)能。在材料未被貫穿的情況下，吸能為破片的動(dòng)能;在材料被貫穿的情況下，則為破片貫穿材料前后的動(dòng)能差值。一般情況下，該指標(biāo)越高，則材料抗破片性能越好。但由于不同質(zhì)量、不同速度、不同形狀的破片可以具有相同的動(dòng)能，但其對(duì)防護(hù)材料的侵徹機(jī)理和破壞形式則有顯著不同，同時(shí)還需考慮破片自身的形變與損傷。因此只有在用同一種破片進(jìn)行侵徹的時(shí)候，才可以用吸能來(lái)比較不同材料間的性能。

4.2 彈道極限V50

彈道極限V50 是指穿透概率為50%時(shí)破片的平均著靶速度，是現(xiàn)在表征防護(hù)材料抗破片性能最常用的表征指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，彈道極限V50 是根據(jù)要求取混合速度差范圍內(nèi)一定數(shù)量的最低有效完全穿透(CP)速度和相同數(shù)目的最高有效部分穿透(PP)速度的平均值。由于在測(cè)速時(shí)，并非測(cè)的破片著靶時(shí)的速度，所以還要再減去測(cè)速點(diǎn)至靶面這一段距離內(nèi)的彈速衰減才能得到著靶時(shí)的彈道極限V50。隨著彈道極限V50 表征方法應(yīng)用研究的不斷發(fā)展［28-30］，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已將彈道極限V50 表征指標(biāo)作為相關(guān)材料及產(chǎn)品的檢測(cè)指標(biāo)，并制定了防彈材料［31］、軍用防彈頭盔［32］及公安防爆服［33］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 比吸能

比吸能分為貫穿比吸能和極限比吸能。貫穿比吸能是指防護(hù)材料被穿透的情況下，單位面積質(zhì)量的防護(hù)材料吸收的破片動(dòng)能。用吸能值除以防護(hù)材料面密度即可得到比吸能。該指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)在于消除了防護(hù)材料厚度或密度的影響，在破片相同的情況下，比吸能值越高的防護(hù)材料，其抗破片性能越好。

極限比吸能也是較多采用的表征指標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中往往借助試驗(yàn)得到的彈道極限V50 速度來(lái)計(jì)算破片動(dòng)能，并除以防護(hù)材料的面密度來(lái)得到極限比吸能。極限比吸能相對(duì)于貫穿比吸能更能反映制定產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)對(duì)指定破片的防護(hù)能力，因?yàn)閷?duì)于指定的破片，材料的彈道極限V50 值是唯一的，而材料的貫穿速度卻并不唯一。

不過(guò)為了得到彈道極限V50 需要進(jìn)行多發(fā)破片侵徹試驗(yàn)，對(duì)于比較稀缺的材料或者尺寸比較小的材料，無(wú)法通過(guò)有限次數(shù)的侵徹試驗(yàn)得到材料的彈道極限V50。而此時(shí)可以在保證破片穿透材料的前提下，通過(guò)控制破片侵徹速度，使其在一定的速度范圍內(nèi)對(duì)材料進(jìn)行侵徹試驗(yàn)，從而得到材料的貫穿比吸能，這樣便可以對(duì)材料的抗破片性能進(jìn)行表征和比較。

5 研究展望

為了進(jìn)一步滿足防護(hù)材料抗破片性能研究的需要，未來(lái)防護(hù)材料抗爆炸破片性能模擬表征技術(shù)的研究工作應(yīng)主要集中在以下幾個(gè)方面:

1)拓寬破片發(fā)射速度范圍。為了滿足防護(hù)材料對(duì)破片侵徹速度的不同要求，在更寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)材料抗破片性能的研究，要在盡量不降低試驗(yàn)效率的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮現(xiàn)有破片發(fā)射裝置的發(fā)射能力，將破片發(fā)射速度范圍朝著高速和低速兩個(gè)方向拓展。

2)控制破片著靶姿態(tài)。除球形模擬破片外，其他各種破片都會(huì)有不同的著靶姿態(tài)，而這會(huì)給防護(hù)材料抗破片性能試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)很大的分散性，為了消除破片著靶姿態(tài)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，應(yīng)該努力實(shí)現(xiàn)破片著靶姿態(tài)的可控化。

3)提高破片彈道穩(wěn)定性。為了保證破片侵徹試驗(yàn)結(jié)果的有效性，相鄰破片彈著點(diǎn)應(yīng)滿足一定距離要求，為了提高實(shí)驗(yàn)材料的利用率，特別是一些珍貴稀有的材料，應(yīng)該著力于提高破片彈道的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

防護(hù)材料抗破片性能的試驗(yàn)?zāi)M表征技術(shù)相對(duì)于直接實(shí)彈試驗(yàn)具有效率高、成本低和安全性好的優(yōu)點(diǎn)，已在裝甲及個(gè)體防護(hù)材料及其產(chǎn)品抗破片性能的研究、檢測(cè)中被廣泛使用。隨著防護(hù)材料抗破片性能的試驗(yàn)?zāi)M表征技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，必將有力指導(dǎo)防護(hù)材料及其產(chǎn)品抗破片性能的研究和發(fā)展，提高裝備和人員在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力。

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