周忠彬，張 博，張立建，郭雙鋒，袁寶慧

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

1 引言

驅(qū)逐艦及航母等大中型艦船的結(jié)構(gòu)防護(hù)堅固、攻擊能力強，在戰(zhàn)爭中發(fā)揮著十分重要的作用，也利于贏得真正意義上的制海權(quán)和制空權(quán)。對驅(qū)逐艦及航母的毀傷機理研究、且研制出能高效毀傷該類目標(biāo)的戰(zhàn)斗部已成為當(dāng)前的研究熱點。據(jù)調(diào)研，對彈體侵徹鋼板的機理研究已有較多的文獻(xiàn)報道[1-6]，建立的侵徹理論也比較成熟，但對鋼板的研究大多都是針對單層或雙層進(jìn)行的，3層及以上的研究報道甚少。在實際需求的牽引下，侵徹鋼板層數(shù)不斷增加，彈體的侵徹歷程也隨之逐漸增大，這對彈體在侵徹多層鋼板過程中保持姿態(tài)穩(wěn)定提出了較高要求。實踐表明，姿態(tài)偏轉(zhuǎn)程度已成為侵徹過程中彈體結(jié)構(gòu)強度及裝藥安定性滿足使用要求的重要影響因素。

目前，對彈體侵徹混凝土的姿態(tài)穩(wěn)定影響因素的研究報道較多[7-14]，在保持姿態(tài)穩(wěn)定及提高侵徹能力等方面進(jìn)行了大量研究工作，如實驗研究了柱形、刻槽錐形、尾錐形等不同形狀彈體侵徹混凝土的終點彈道，探索了提高侵徹穩(wěn)定性的多種途徑。相比較，調(diào)研發(fā)現(xiàn)研究者在提高彈體侵徹鋼板姿態(tài)穩(wěn)定方面的公開研究報道還比較少。

借鑒穿甲彈的研究成果，由于鎢合金材料具有密度高、硬度高、韌性好等特點，鎢合金動能穿甲彈表現(xiàn)出良好的穿甲威力[15-18]。本研究提出了一種頭部復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈體，開展彈體侵徹多層鋼板的實驗研究，分析彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)、彈體侵蝕破壞等，并對比頭部結(jié)構(gòu)材料的差異對彈體侵徹姿態(tài)偏轉(zhuǎn)的影響規(guī)律，為后續(xù)工程應(yīng)用中的半穿甲戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支撐。

2 彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體主要由彈體和頭部風(fēng)帽兩部分組成。彈體結(jié)構(gòu)如圖1所示，呈卵形頭部和后續(xù)圓柱外形，彈體長500 mm，直徑95 mm，長徑比為5.26，頭部形狀系數(shù)CRH為3.0。彈體主要由殼體、后堵蓋、惰性填充物組成，其中殼體和后堵蓋材料均為高強度G31鋼，惰性填充物為硅橡膠，彈體質(zhì)量為26.5 kg。風(fēng)帽結(jié)構(gòu)如圖2所示，呈“碗形”，長度為50.5 mm，頂端厚度10 mm，底端外徑60 mm，通過M50×2的螺紋與彈體頭部弧段連接，螺紋有效長度為5.5 mm。風(fēng)帽結(jié)構(gòu)材料選擇G31鋼和鎢合金，2種材料的風(fēng)帽質(zhì)量分別為0.67 kg和1.46 kg。

圖1 彈體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 風(fēng)帽結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合火炮發(fā)射要求，需設(shè)計前定心、后定心和閉氣環(huán)裝置，與次口徑的彈體通過螺紋配合組成實驗彈。其中，前定心材料為調(diào)質(zhì)后的45鋼，與彈體連接螺紋為M100×2，后定心和閉氣環(huán)壓環(huán)材料為35CrMnSiA鋼，后定心與彈體連接螺紋為M104×3，閉氣環(huán)為尼龍材料。前、后定心的直徑均為125 mm，使得彈體在膛內(nèi)受力均勻，與炮膛內(nèi)壁配合適當(dāng)。實驗彈體如圖3所示，彈體長552 mm，鋼風(fēng)帽彈體質(zhì)量為34.25 kg，鎢合金風(fēng)帽彈體質(zhì)量為35.04 kg。

圖3 實驗彈體

3 實驗方案

選擇口徑125 mm的滑膛炮開展實驗，35 kg級實驗彈體出炮口后速度可達(dá)800～900 m/s范圍內(nèi)。該速度條件下對比研究復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體侵徹多層鋼板的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角度。

靶標(biāo)為4層921A鋼板，厚度依次為20、10、20和10 mm，第二和第三層鋼板垂直間距3 m，其余各層垂直間距1 m，鋼板板面尺寸為2 200 mm×3 000 mm。鋼板布設(shè)在125 mm火炮末端，各層鋼板板面的幾何中心在火炮發(fā)射線上，鋼板與水平地面的夾角為70°。

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，彈體以800～900 m/s范圍內(nèi)的速度穿透4層鋼板后的余速不小于700 m/s。為回收實驗彈，靠近回收山體放置靶標(biāo)，125 mm口徑的火炮布設(shè)于靶標(biāo)正前方約45 m處。垂直于發(fā)射方向布設(shè)1臺高速相機，主要用于彈體侵徹第1層鋼板前的初始速度測試，并實時記錄彈體侵徹靶標(biāo)的全過程，獲取彈體侵徹姿態(tài)偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)分析

鋼風(fēng)帽和鎢合金風(fēng)帽復(fù)合結(jié)構(gòu)的實驗彈體數(shù)量分別為2發(fā)，實驗后分析處理高速相機拍攝的照片，獲取了侵徹第1層鋼板前彈體的初始著速，在彈體外形清晰可見條件下，測得了撞擊第1層、第3層鋼板前和穿透第4層鋼板后的彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角度，如表1所示。分析表1結(jié)果可知：鋼風(fēng)帽復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈體侵徹4層鋼板的姿態(tài)穩(wěn)定性較差，彈體姿態(tài)最大變化角度為10.5°，特別是第2和第3層鋼板的間距增大，彈體自由飛行時間增加，受重力及氣動阻力等作用彈體易產(chǎn)生向下的速度矢量分量，該速度矢量的作用方向未經(jīng)過彈體質(zhì)心，易形成彈體向下偏轉(zhuǎn)的角速度和角加速度，在自由飛行時間增加下使得彈體“低頭”飛行的姿態(tài)逐漸惡劣。相比較第2和第3層鋼板的間距，第3和第4層鋼板的間距變小，但逐漸增大的偏轉(zhuǎn)角速度促使彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)進(jìn)一步加快，甚至易形成失穩(wěn)狀態(tài)。對比鋼風(fēng)帽復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體的姿態(tài)變化，鎢合金風(fēng)帽復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體的姿態(tài)最大變化角度為5°，彈體侵徹姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角度較小，表現(xiàn)出較穩(wěn)定的侵徹彈道。2種復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體的1#實驗彈侵徹4層鋼板典型時刻狀態(tài)分別如圖5和圖6所示。

表1 彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)結(jié)果

圖4 1#鋼風(fēng)帽彈體侵徹4層鋼板典型時刻狀態(tài)圖

圖5 1#鎢合金風(fēng)帽彈體侵徹4層鋼板典型時刻狀態(tài)圖

4.2 彈體結(jié)構(gòu)破壞分析

受實際回收條件的影響，實驗后僅回收到1#鋼風(fēng)帽復(fù)合結(jié)構(gòu)實驗彈和2#鎢合金風(fēng)帽復(fù)合結(jié)構(gòu)實驗彈，回收彈體實物如圖6所示，結(jié)果表明，鋼材料和鎢合金材料的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)均與彈體頭部脫落，彈體結(jié)構(gòu)基本保持完整，無明顯彎曲變形現(xiàn)象。

圖6 回收彈體照片

分別對實驗前、后的復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體的質(zhì)量、長度和外徑進(jìn)行測量，其中，實驗前彈體質(zhì)量不含前定心和后定心裝置，結(jié)果詳見表2和表3。結(jié)果表明，實驗彈體質(zhì)量損失6.3%～8.0%；實驗彈體長度變化9.6%～9.9%；實驗彈體外徑變化0.23%～0.35%。高速侵徹4層鋼板過程中彈體頭部的侵蝕破壞比較嚴(yán)重，如圖7所示，質(zhì)量損失和彈體長度變化主要是由于風(fēng)帽結(jié)構(gòu)的破壞脫落及彈體頭部的侵蝕破壞共同所致的。進(jìn)一步觀察回收的彈體，彈體表面沿軸線方向有劃痕，彈體側(cè)壁有一定程度的磨蝕，彈身外徑較實驗前有所減小，這都是侵徹過程中彈壁與多層鋼板之間撞擊及相對運動產(chǎn)生的剪力和摩擦所致。比較實驗前、后的彈體外觀，800～900 m/s速度條件下彈體侵徹4層鋼板可能發(fā)生的主要破壞形式有：復(fù)合結(jié)構(gòu)破壞、彈體頭部侵蝕破壞、彈體側(cè)壁磨蝕等。

表2 回收鋼風(fēng)帽彈體(1#)測量結(jié)果

表3 回收鎢合金風(fēng)帽彈體(2#)測量結(jié)果

圖7 彈體頭部照片

此外，觀察回收彈體前定心位置有明顯的“徑縮”現(xiàn)象，如圖6中標(biāo)識所示。“徑縮”區(qū)域易形成應(yīng)力集中，在殼體承受高強度撞擊力時，應(yīng)力集中區(qū)域會首先達(dá)到強度極限而發(fā)生斷裂破壞，直接影響彈體結(jié)構(gòu)強度。初步分析“徑縮”現(xiàn)象的產(chǎn)生機理認(rèn)為：鋼板受彈體高速撞擊發(fā)生“沖塞型”破壞，前定心首先受到較大的作用力而發(fā)生破壞，并脫離彈體，在前定心附近區(qū)域局部易產(chǎn)生塑性變形。前定心破壞后彈體繼續(xù)穿透后幾層鋼板，在與前定心連接螺紋處殼體與鋼板產(chǎn)生撞擊、擠壓和相互摩擦等作用，撞擊沖擊波持續(xù)傳入彈體，使得連接螺紋附近區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，且塑性變形程度隨著連接螺紋處殼體與靶標(biāo)持續(xù)作用時間的增長而增大，最終形成明顯的局部“徑縮”現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文從工程實際應(yīng)用出發(fā)，借鑒目前穿甲彈的研究成果，提出了一種頭部復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈體，進(jìn)行了35 kg級彈體在800～900 m/s速度條件下侵徹4層鋼板的實驗，重點研究了侵徹鋼板過程中彈體的姿態(tài)變化、彈體結(jié)構(gòu)變形，得到如下結(jié)論：

1) 實驗結(jié)果驗證了提出的鎢合金風(fēng)帽結(jié)構(gòu)有利于彈體侵徹4層鋼板時保持較穩(wěn)定的侵徹姿態(tài)。

2) 在彈體主體結(jié)構(gòu)基本完好條件下，彈體高速侵徹多層鋼板主要產(chǎn)生風(fēng)帽結(jié)構(gòu)破壞脫落、彈體頭部頂端侵蝕破壞等模式，頭部產(chǎn)生明顯的質(zhì)量損失。由于鎢合金良好的穿甲性能，在侵徹多層鋼板時彈體偏轉(zhuǎn)角速度較小，利于提高彈體抗姿態(tài)劣化的能力，保持較穩(wěn)定的侵徹姿態(tài)。

3) 需合理設(shè)計前定心環(huán)結(jié)構(gòu)，在滿足發(fā)射強度要求下，設(shè)計局部薄弱結(jié)構(gòu)，使得撞擊鋼板時薄弱結(jié)構(gòu)首先發(fā)生破壞，進(jìn)而引發(fā)前定心環(huán)解體破壞，避免產(chǎn)生“徑縮”現(xiàn)象。