弹体高速侵彻混凝土的效应实验*

何 翔,徐翔云,2,孙桂娟,沈 俊,杨建超,金栋梁

（1.洛阳水利工程技术研究所,河南 洛阳 471023;

2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081）

1 引 言

目前钻地武器的撞地速度通常在（1～2）Ma范围内,一般不超出3Ma。为了有效打击各种深埋的地下坚固目标,又加紧了对高速钻地武器（（4～6）Ma）的研制。高速钻地武器的使用对深埋地下坚固目标构成了严重威胁,也对钻地武器战斗部设计提出了更严格的要求。弹体对混凝土类硬目标的高速侵彻效应的研究对战斗部研制和防护结构设计都极具意义,已成为相关领域共同关注的热点问题。混凝土侵彻的实验和理论研究主要集中在撞击速度小于800 m/s的不变形弹体侵彻[1],而高速侵彻实验[2]有限,M.J.Forrestal等[3]完成了弹头形状因子为3和4.25的2种卵型头部弹体以1 300～1 700 m/s速度侵彻强度为19.5 MPa的混凝土实验。近年来,梁斌等[4]开展了先进钻地弹概念弹的高速深侵彻缩比实验,最高撞击速度接近1 200 m/s,武海军等[5]开展了高速非正侵彻混凝士实验,撞击速度为800～1 100 m/s,均获得了一些高速侵彻的实验数据。提高高速侵彻实验的成功率需要解决一些关键的实验技术,如:提高火炮发射速度、高速侵彻实验的次口径发射技术、确保弹体按预定实验条件撞击靶体及精确测量弹体着靶姿态等。

已有研究表明,在常规速度范围（小于800 m/s）内对混凝土类目标侵彻弹体可视为刚体,随着侵彻速度的增加,侵彻机理逐渐由刚体侵彻向半流体侵彻转变,弹体不能单纯地作为刚体处理,随着速度进一步提升,弹体的力学行为可按流体处理。弹体的半流体侵彻机理比刚体和流体侵彻机理复杂得多,目前已完成的实验和研究结论主要针对金属靶侵彻[6-7],对于混凝土高速侵彻需要进一步研究,如:上述不同侵彻阶段的临界速度、弹体侵蚀和变形（破坏）的力学机理等。

实验仍然是高速侵彻效应研究最直观最可靠的研究手段。本文中,通过提高火炮发射能力,采用更为合理的次口径发射技术,进行不同材料（强度在450～1 890 MPa范围内）、不同头部长细比（0～3）的弹体以不同速度（800～1 500 m/s）侵彻不同强度标号（C30～C80）的混凝土实验,完成3批次实验,共取得51组有效数据,研究高速撞击条件下弹体的侵彻能力、侵彻稳定性和高速情况下的弹体变形等问题,结合实验结果进行定性分析。

2 实验方案

2.1 实验方法

实验系统包括发射、回收及测试系统3个部分。以∅35 mm高速弹道炮作为发射设备,采用光电测速仪测量弹体速度,利用高速摄像机和X光机拍摄弹体飞行姿态。实验现场布置如图1所示。

∅35 mm高速弹道炮发射能力为:满口径发射弹体质量为0.55 kg时,弹体初速≥1 255 m/s;次口径发射弹体质量为0.15 kg时,弹体初速≥1 400 m/s。

图1 实验现场布置Fig.1 Test arrangement

2.2 弹体、次口径装置及弹托分离装置

弹体材料包括20钢、45钢、60Si2Mn、35CrM nSi、TC4、40CrNiMo共6种,除20钢外,其他材料都经过热处理,主要物理力学参数见表1。全弹长细比L/D=10,头部形状分平头和卵形2种,其中卵形头部长细比Ln/D=3,2。

表1 弹体材料的主要力学参数Table 1 Parameters of projectile materials

为满足实验要求,根据弹道炮的发射能力,需采用次口径发射技术。次口径装置是保证正常发射次口径弹体的基础,合适的次口径装置可以保证弹体在炮膛内正常启动并达到理想的速度,出炮口后很快分离且不影响弹体的正常飞行。次口径发射的难点在于,次口径装置要承受膛内火药气体的高过载,保证材料不变形;又要与弹体在膛内谐调配合,保证弹体在膛内受力均匀;同时次口径装置还要与炮膛内壁配合适当,保证不漏气、不划伤炮膛。实验所使用的次口径装置为混合型次口径装置的一种,采用分离式弹体和弹托结构（见图2）。

图2 组合后的弹体和弹托Fig.2 Photograph of the projectile with a sabot

实验发现,在弹体姿态改变之前保证适配器的完全分离比较困难,因此采用强制分离的办法,在炮口前加装弹托分离装置（见图3）,把尚未完全分离的弹托挡住,只允许弹体通过,避免弹托撞击到靶面上,影响实验效果。经过多次实验调试后,能保证弹体的着靶姿态,满足高速实验的要求。

图3 弹托分离装置Fig.3 Photograph of the sabot-discarding device

2.3 实验靶体

选用∅1 000 mm素混凝土圆桶靶作为实验靶体,靶体外用5 mm厚钢板箍紧,靶径与弹径之比远大于30,可以忽略靶体边界的影响[8],同时又考虑了弹体在靶中侵彻弹道的变化,保证弹体不会从侧边飞出靶体。靶体长度根据弹体侵彻能力来确定,确保靶体背面不出现震塌。根据实验要求,共构筑了4种标号（C30、C45、C60和C80）的混凝土靶体,28 d养护后的实测平均无侧限抗压强度分别为 34.8、48.6、61.3 和 76.4 MPa。

3 实验结果

3.1 第1批实验

弹体材料和尺寸一致,材料为60Si2Mn,头部为卵形,头部长细比为2,考察侵彻速度、混凝土靶体强度的变化对侵彻效应的影响。针对4种不同强度的混凝土靶体,进行了 4组实验,每组5发,弹体速度范围为800～1 500 m/s。图4～5分别为高速摄像机和X光机拍摄到的弹体飞行姿态,可以看出,弹体的着靶姿态满足了正侵彻实验的要求。图6为实验后2种不同侵彻初速（836和1 430 m/s）下混凝土靶体正面破坏情况,可以观察到靶体表面成坑、靶体表面的径向和环向裂纹等宏观破坏现象,在靶体表面形成了相对于弹着点基本对称的弹坑区和分布均匀的径向裂纹,这也进一步证明弹体在撞击靶体时具有良好姿态。图7～8分别给出了第1批实验侵彻深度和弹体质量损失的测试结果。

图4 高速摄像机拍摄的弹体飞行姿态Fig.4 Projectile's flight attitude taken by a high-speed video camera

图5 X光机拍摄的弹体飞行姿态Fig.5 Projectile's flight attitude taken by an X-ray apparatus

图6 靶板正面破坏情况Fig.6 Frontal damage effect of targets

图7 第1批实验侵彻深度随速度的变化Fig.7 Penetration depth vs velocity of the first batch

图8 第1批实验弹体质量损失率随速度的变化Fig.8 Projectile's mass loss factor vs velocity of the first batch

3.2 第2批实验

弹体尺寸一致,头部为卵形,头部长细比为2,考察弹体材料、侵彻速度、混凝土靶体强度的变化对侵彻效应的影响。为了能够通过实验给出极限速度,根据6种弹体材料,针对4种不同强度的混凝土靶体,强度高的靶体相应选用材料强度高的弹体进行实验,每组实验次数不等,弹体速度范围为650～1 400 m/s。图9～10分别给出了第2批实验侵彻深度和弹体质量损失的测试结果。

3.3 第3批实验

弹体材料和混凝土靶体强度一致,弹体材料为60Si2Mn,混凝土强度标号为C45,考察弹形和侵彻速度的变化对侵彻效应的影响。采纳了2种弹形:平头弹和头部长细比为3的卵形弹,弹体速度范围为700～1 450 m/s。图11～12分别给出了第3批实验侵彻深度和弹体质量损失的测试结果,为便于比较,将第1批实验中的第2组实验（弹材为60Si2Mn、头部长细比为2的卵形弹侵彻C45混凝土）结果一并绘出。

图11 第3批实验侵彻深度随速度的变化Fig.11 Penetration depth vs velocity of the third batch

图12 第3批实验弹体质量损失率随速度的变化Fig.12 Projectile's mass loss factor vs velocity of the third batch

4 侵彻效应分析

4.1 侵彻深度

由图7、9和11可知,随着侵彻初速v0的增大,侵彻深度 H与v0呈抛物关系,弹体侵彻存在明显的2个阶段:刚体和半流体侵彻阶段。在刚体侵彻阶段,弹体除轻度质量侵蚀外,无明显变形,可视为刚体,同时 H随着v0的增加而近似线性增大;在半流体侵彻阶段,弹靶相互作用力超过弹体所能承受极限,弹体发生质量侵蚀、弯曲变形甚至破裂等破坏特征,从而失去侵彻能力,不可视为刚体,同时H随v0的增加而迅速减小。设弹体从刚体侵彻阶段转变为半流体侵彻阶段的临界状态对应的H与v0分别为刚体侵彻深度上限 Hm和刚体侵彻初速上限vm,则拐点对应的侵彻初速和侵彻深度分别可近似为vm和Hm。

vm与弹体材料强度和密度、靶体材料强度、弹体头部形状等因素有关,通过实验可以发现以下规律:

（1）随着混凝土标号在C30～C80范围内的逐渐提高,vm有所减低但不显著。对于60Si2Mn侵彻弹体,vm从约1 300 m/s逐渐降低至约1 200 m/s（见图7）,主要原因是弹体材料强度远大于混凝土强度,混凝土强度的改变与弹体材料强度相比是个小量。但是随混凝土强度的提高,Hm的减小较为明显。

（2）随着弹体材料的变化,vm和Hm有显著变化。图9中涉及的4种弹体材料（20钢、45钢、TC4、35CrMnSi）的强度变化范围为450～1 540 MPa,而TC4的密度比其他3种材料低得多,相应的 vm从约 800 m/s增加至约1 250 m/s。虽然4种弹体侵彻的靶体强度有所不同,但根据第（1）条,显然弹体材料的变化特别是强度的变化是导致vm和Hm显著变化的主要原因。

（3）随着弹体头部形状的变化,vm有较明显变化,Hm的变化明显。图11中的3种弹体的头部长细比分别为0、2和3时,vm分别为约1 350、1 300和1 100 m/s,头部越钝,vm越大,Hm越小。

综合可以得出初步结论:在影响 vm和Hm的各种因素中,弹体材料强度最敏感,弹体头部形状次之,而混凝土靶体强度则不太敏感。硬度为38～40（HRc）、屈服强度为1 140 MPa、弹头形状因子分别为3和4.25的4340钢卵形头部弹体以1 300～1 700 m/s速度侵彻强度为19.5 MPa混凝土的实验中,vm分别为约1 350和1 300 m/s[3],与本文实验结论基本吻合。

4.2 弹体侵蚀、变形和破坏

图13是第1批实验弹体发射前后的对比,反映了弹体发射后体貌的变化。发现随着侵彻初速的增加,在刚体和半流体侵彻阶段弹体分别表现出侵蚀、侵蚀+弯曲/断裂的变形和破坏特征。

4.2.1 侵蚀

由于高速条件下弹靶接触面上剧烈的相互作用,产生很大惯性力和强烈的摩擦效应,引起弹体升温、表面局部融化和磨损,高温使弹道周围粉碎的混凝土白色粉末与弹体表面融化了的金属材料混合并粘结一起,在弹体表面形成包裹层（见图14）,实验后除去包裹层,弹身的光泽已完全消失（见图13）。在不同侵彻初速条件下弹体均表现不同程度的侵蚀,由于侵蚀导致弹体头部质量损失变得不可忽略。在刚体侵彻阶段,质量损失率Δm/m在2%～6%（见图8、10和12）,弹体的速度越高侵蚀现象越严重。一般地,质量损失包括头部质量损失和壳体质量损失2部分,但实验后发现:

（1）除平头弹外,卵形头部弹体长度和直径均有所减小,弹体长度的相对减小ΔL/L在2%～6%,随着速度增加长度减小更明显,而直径的相对减小ΔD/D维持在1%～1.5%,由于弹体质量与D2成正比,简单计算后可说明质量损失主要发生在头部,这与文献[3]实验结果相符。

（2）平头弹与靶体撞击端面一定范围内的壳体有墩粗现象,墩粗区域与弹体速度成正比,为约（1～2）D,在此区域内弹体直径有所增大,弹体直径相对增大均为7%,与弹体速度无关;而此区域外其他部分壳体的直径则有所减小,相对减小为0.7%～1.4%。弹体全长有所减小,相对减小为1%～12%。同样可以说明对于平头弹,质量损失主要是因为从撞击端面上开始的弹体长度减小引起。

4.2.2 侵蚀+弯曲/断裂

随着侵彻初速的增加,在高速侵彻过程中由于混凝土材料的非均匀性和各向异性,弹体的非对称受力表现得比常规速度侵彻时明显,而混凝土骨料导致弹体头部不对称的侵蚀加剧了非对称受力的趋势,弹体侵彻弹道不再是一条直线,而是偏离速度方向。图15为靶体剖开后的形态,发现在约1倍弹长侵彻深度范围内,侵彻弹道近似为直线,随着弹体继续侵彻弹道开始弯曲,弹体由开始的正侵彻转变为非正侵彻,弹体的余速还非常大,随着弹体的侧向阻力明显加大,当作用在弹体上的弯矩超出弹体的可承受最大弯矩,弹体即发生弯曲,实验后发现弯曲发生从头部算起的约1/3弹长处,这与文献[9]吻合。当侵彻初速继续增高,弹靶相互作用力超过弹体所能承受极限,弹体发生破裂,失去侵彻能力。弯曲弹道和弹体弯曲甚至断裂表明弹体已进入半流体侵彻阶段,弹体长度的相对减小ΔL/L骤然增加至8%～40%,而卵形头部弹体的直径相对减小ΔD/D为1.5%～2%,平头弹墩粗区域内弹体直径相对增大为约20%,此区域外弹体直径相对减小为1%。所有弹体侵蚀比刚体侵彻阶段严重得多,达到7%～40%（见图8、10和12）。

图13 弹体侵彻前后对比Fig.13 Comparison of projectiles before and after penetration

图14 实验回收弹体Fig.14 Recovered projectiles

图15 靶体剖开后的形态Fig.15 Characteristics of the target after anatomy

4.3 需要说明的问题

在第2批实验中,出现了2个特例:

（1）采用40CrNiMo弹体以1 390 m/s速度侵彻C80混凝土,侵彻深度为84D,弹体无明显变形,弹体仍可视为刚体,表明其相应的极限速度已接近或超出炮的发射能力。

（2）20钢弹以1 231 m/s速度侵彻C45混凝土,侵彻深度为20D,实验后在弹坑中发现大量融化后又结晶的金属碎末,表明弹体已进入流体侵彻阶段,质量损失率和弹体长度的相对减小都接近70%（见图10）。

5 结 论

利用高速侵彻设备和次口径发射技术,将弹体速度发射到接近1 500 m/s,完成了不同材料、不同头部长细比的弹体以不同速度侵彻不同强度标号的混凝土实验,研究了高速撞击条件下弹体的侵彻能力、侵彻稳定性和高速情况下的弹体变形等问题。实验揭示了刚体侵彻深度上限及对应的刚体侵彻初速上限、弯曲弹道、弹体严重侵蚀、弹体弯曲/断裂等是半流体侵彻阶段的典型特征,可为进一步的高速侵彻实验和理论研究提供参考。

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