弹丸非正侵彻贯穿混凝土靶实验研究*

李金柱，吕中杰，张宏松，黄风雷

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

0 引言

各种地下工事目标和地面上的建筑物目标，其构成结构多是有限厚度的多层靶，而非半无限靶，针对这类目标，主要发生贯穿效应[1－2]。弹丸侵彻贯穿靶板后的剩余速度可以用加速度传感器[3－5]、高速录像[6]和多普勒雷达[7]等进行测量，或者利用剩余能量进行估算[8]。然而这些技术手段往往只能获得贯穿靶板后弹丸剩余速度的大小，无法获得剩余速度的方向和弹体姿态的改变，从而无法对混凝土介质贯穿破坏过程中的作用力、损伤机理等进行深入研究。文中利用建立的多层间隔箔屏靶和泡沫板弹道轨迹记录系统，测量出了弹丸以一定倾角侵彻贯穿混凝土靶板后的剩余速度大小、方向以及弹丸姿态的改变，结合靶板破坏模式，为弹丸非正侵彻贯穿混凝土靶机理分析提供基础数据。

1 实验设计

1.1 弹丸和混凝土靶板

卵形弹丸尺寸和结构如图1所示，弹丸后端装载高冲击弹载测试系统，对加速度时间历程进行测量。弹丸材料选用35CrMnSiA钢，弹托材料选用尼龙1010，弹丸和弹托之间通过撞击 －止退技术进行分离。

图1 弹丸结构和尺寸

靶板材料为C30素混凝土，形状为圆柱体或斜截圆柱体，外层用钢箍固定，钢箍厚度为3mm。混凝土干密度为2420kg/m3，实测抗压强度为34.26MPa，骨料粒径范围为5～15mm，水、水泥、细骨料和粗骨料的重量配比为 0.44∶1∶1.26∶2.45。垂直侵彻贯穿实验的靶板厚度为0.4m，预设16°倾角实验的靶板厚度为0.433m，预设 21°倾角实验的靶板厚度 0.420m。

1.2 实验装置

实验在北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室152mm轻气炮上进行，采用电探针技术测定弹丸飞出炮管后的初始速度，加速度传感器测试系统记录弹丸在炮管内飞行、侵彻贯穿靶板以及贯穿靶板后撞击回收靶的加速度时间历程，通过高速摄影记录弹丸撞击靶板前的姿态和着靶速度。图2给出了高速摄影记录的弹丸以20.7°倾角撞击混凝土靶过程，可以看出弹丸和弹托分离良好。

图2 高速录像记录的弹丸20.7°倾角侵彻混凝土靶过程

2 靶后弹丸剩余速度与弹道轨迹测量系统

通过弹丸中装载的加速度传感器测试系统可以获得弹丸贯穿靶板后的剩余速度，却无法获得弹丸贯穿靶板后的速度方向和弹丸姿态。因此设计了一套带有泡沫板的间隔箔屏靶测速系统，可同时测量弹丸穿透混凝土靶后的速度大小、方向以及弹丸的运动轨迹和姿态。

2.1 靶后箔屏靶测量装置

图3 倾角贯穿测试系统布置示意图

图4 靶架与靶板照片

单组箔屏靶由厚度为0.1mm的纯铝板、厚度为0.1mm的塑料膜以及厚度为3mm的木板组成，木板两侧粘接塑料膜和纯铝板，塑料模靠里，两侧铝板分别接脉冲形成网络的皮线和芯线。箔屏靶间放置有泡沫，用于固定靶间相对距离和避免信号干扰。箔屏靶后也放置有泡沫，用于记录弹道轨迹。弹丸贯穿混凝土靶时会在靶板背面产生大量崩落的混凝土块，因此设计了可固定在靶室内的靶架，靶架前端用3块厚度为3mm开槽的钢板做遮挡板，阻挡混凝土块。靶架中间依次装有5个靶框，用于固定箔屏靶和泡沫，测试系统布置如图3所示，靶架与靶板的照片见图4。在靶架的后面放置旧的厚混凝土靶回收弹丸。

2.2 弹丸速度测量

当弹丸穿过一组箔屏靶时，脉冲形成网络的皮线和芯线导通，示波器触发形成上升沿。通过每组上升沿的时间间隔和每组箔屏靶的距离，可以得出相应的速度。弹丸侵彻贯穿泡沫会留下痕迹，将弹丸贯穿靶板后与第一块箔屏靶的交点取为坐标原点，X方向为箔屏靶法向，指向靶室后方，Y方向垂直于X轴且符合右手螺旋定则，向下为正。

图5 弹丸20.7°贯穿混凝土靶测试所得时间间隔

图6 弹丸倾斜贯穿靶板后弹道轨迹

图5给出了弹丸20.7°倾角下贯穿混凝土靶所测得的时间间隔脉冲。基于4块箔屏靶间距离和箔屏靶孔中心在Y方向的距离以及时间间隔脉冲，计算出3个总速度依次为197.6m/s、167.94m/s和167.90m/s。后两个速度基本一致，第一个速度偏大。实验后观察发现，第一块箔屏靶上部受到崩落混凝土块的打击向后移动了一定距离，导致间隔变小，测出的速度偏大，通过重新量取两个穿孔的距离，计算得到速度与后两个速度值基本一致。取后两个测量速度的平均值167.9m/s作为剩余速度。定义弹丸贯穿靶板后速度方向与弹着靶时速度方向的夹角为弹速偏转角。初始速度方向为X方向，则测出靶后两个方向上的速度值后，可求出该角度的实际测量值为β=arctan(vy/vx)。

量取箔屏靶上孔中心的坐标以及泡沫上孔中心的坐标，绘制出弹丸贯穿混凝土靶后的运行轨迹如图6所示。弹速偏转角度的另一种实际测量求值为β=arctan(y/x)。由图6可以看出，弹丸贯穿靶板后的运动轨迹基本上在一条直线上，可以近似将β视作常值。如果已知弹丸与泡沫板间的姿态角 γ，则弹丸速度与弹丸轴线之间的夹角，即弹丸攻角为:

正负号分别对应正负攻角情况，式(1)中δ的值为正。

2.3 弹丸姿态角和攻角测量方法与原理

弹丸垂直穿过箔屏靶时，形成一个直径与弹径相同的圆孔，如图7所示。当弹丸以一定角度贯穿靶箔屏时，形成一个椭圆孔，如图8所示。椭圆的短轴长度a近似于弹丸直径，长轴则由两部分形成，一部分是弹丸和箔屏靶法向的夹角，即姿态角γ导致的弹孔倾斜，其值为a/cosγ，如图9所示;另一部分则是攻角的作用。当攻角存在时，弹速在弹丸轴线方向的分量产生的运动对孔的扩展没有影响，弹速在径向的分量产生的运动导致孔的扩大，所扩张的孔径d为:

其中，L为弹丸圆柱体部分长度，则所测量的椭圆孔的长轴长度b为:

将式(1)代入式(3)得:

图7 垂直侵彻时箔屏靶中穿孔和泡沫中穿孔

图8 20.7°倾角撞击时箔屏靶中穿孔和泡沫中穿孔

对方程(4)变换后迭代求解可以获得攻角。求出攻角后，由式(1)可以求出相对于箔屏靶的姿态角，进一步考虑弹丸初始倾角，可以获得弹丸贯穿后相对于混凝土靶的姿态角。

图9 攻角对孔径影响示意图

2.4 测量精度分析

图10给出了15.9°倾角侵彻贯穿时膛内加速度时间历程对时间积分后获得的速度时间曲线，得到的出膛速度为408m/s，与高速摄像和探针所得速度非常接近。图11给出了15.9°倾角侵彻膛内速度时间历程对时间积分后获得的位移时间历程曲线，出口时的位移和炮管长度28m非常接近。

图10 15.9°倾角侵彻膛内速度时间历程

图11 15.9°倾角侵彻膛内位移时间历程

垂直贯穿、15.9°斜贯穿和 20.7°斜贯穿时，加速度传感器所得3个剩余速度依次为213.5m/s、151.5 m/s和208.4m/s，箔屏靶所得3个剩余速度依次为220.6m/s、152.3m/s 和 167.9m/s。需要指出 20.7°斜贯穿实验中的加速度计在多次使用后，精度已经降低，加速度信号出现了剧烈震荡。总体上两种测速所得剩余速度值基本吻合，可见箔屏靶具有较高的测量精度。

3 实验结果及分析

进行了垂直和倾角为15.9°和20.7°工况下弹丸贯穿混凝土靶实验。试验数据见表1。结果表明，在实验弹速和倾角范围内，靶板厚度越大，弹丸贯穿混凝土靶后的剩余速度越低，倾角对混凝土靶抗弹贯穿耗能的影响小于靶板厚度的影响。从表1中还可以看出，弹丸倾角侵彻贯穿靶板后弹丸的姿态变化较大，并出现了攻角，攻角的值较小。弹丸贯穿混凝土靶板后姿态角的改变和攻角的出现反应了倾角侵彻贯穿过程中弹丸复杂的受力过程，同时这种变化将大大降低弹丸贯穿之后的后续侵彻能力。

表1 有限厚混凝土靶的倾角侵彻贯穿试验数据

图12 倾角侵彻贯穿混凝土的破坏情况(左:靶板正面 右:靶板背面)

图12给出了倾角侵彻贯穿后的混凝土靶板破坏正面和背面照片。倾角侵彻贯穿混凝土靶的破坏模式和垂直侵彻贯穿大致相同，也是分为正面的开坑、中间的侵彻通道以及背面的剪切破坏和层裂破坏。背面的剪切破坏和稀疏波作用下的崩落共同形成了背面的近似锥形坑。但由于倾角的存在，弹丸侵彻靶板时产生非对称的冲击，正面形成的坑呈非对称形状，倾角越大，正面坑的非对称性越大。倾角的存在，使得侵彻贯穿中弹靶作用力非常复杂，弹丸发生姿态角的改变和攻角的产生。靶板背面的破坏由于复杂的受力状态而规律性较差。

4 结论

1)实验通过高冲击弹载测试系统获得了弹丸发射、非正侵彻贯穿有限厚混凝靶板过程的加速度时程曲线，测试所得加速度时程曲线具有较高的精度;

2)建立了多层间隔箔屏靶和泡沫板记录弹道轨迹系统，能够测量出弹丸以一定倾角侵彻贯穿混凝土靶板后的剩余速度的大小、方向以及弹体姿态角的改变;

3)弹丸以一定倾角侵彻贯穿混凝土靶时，混凝土靶的破坏模式和垂直侵彻贯穿大致相同，分为正面的开坑、中间的侵彻通道、以及背面的剪切破坏和层裂破坏;

4)倾角的存在，使弹丸和靶板之间产生非对称性作用力，导致了弹丸姿态角的改变和攻角的产生，以及靶板正面的非对称形状坑。倾角越大，正面坑的非对称性越大。

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