刻槽弹体旋转侵彻混凝土效应试验研究

庞春旭，何勇，沈晓军，张先锋，李文彬，郭磊，潘绪超

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

刻槽弹体旋转侵彻混凝土效应试验研究

庞春旭，何勇，沈晓军，张先锋，李文彬，郭磊，潘绪超

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

为研究刻槽弹体旋转侵彻混凝土靶的侵彻性能，利用14.5 mm滑膛枪发射平台，进行了非旋转的卵形弹体与刻槽弹体侵彻砂浆混凝土靶试验研究，同时利用14.5 mm线膛枪发射平台，进行了旋转的卵形弹体和刻槽弹体侵彻砂浆混凝土靶和石灰石混凝土靶试验研究。两种发射平台对比试验结果表明：采用卵形弹体头部刻槽和旋转侵彻的方法，使对混凝土目标的破坏从单一的挤压破坏变为挤压与环向剪切联合作用的破坏模式，达到了减少轴向阻力和提高侵彻威力的作用；相比于砂浆混凝土靶，石灰石混凝土靶具有较强的抗侵彻能力。

兵器科学与技术；侵彻；旋转；刻槽弹体；试验研究

0　引言

长期以来，武器研发人员一直通过增加弹体质量、提高弹体末端速度等方法增加其动能，通过挤压、膨胀效应来提高动能侵彻武器的侵彻深度，效果并不是十分理想。本文试图采用在弹体头部刻槽的方法，利用弹体的轴向冲击侵彻和环向旋转时刻槽对目标的剪切联合作用，改变目标的受力状态和破坏形式，在较小的动能条件下，达到提高侵彻深度的目标。

近来国内外学者对刻槽弹体的侵彻性能和弹体的旋转侵彻作用过程开展了部分研究工作。陈小伟等［1］、梁斌等［2］提出了先进钻地弹概念弹，该弹体采用了刻槽结构，在弹体中后段采用了变壁厚六花瓣刻槽，利用100 mm滑膛炮和次口径发射技术，进行了直径30 mm和45 mm的两种刻槽弹体侵彻混凝土靶试验研究，结果表明弹体圆柱部刻槽对提高弹体穿深方面没有明显的优势，但可提高弹体侵彻弹道稳定性。张欣欣等［3］、ZHANG等［4］对上述圆柱部刻槽弹体侵彻混凝土试验结果和物理现象进行了分析，利用混凝土材料的动态球形空腔膨胀理论，对刻槽弹体侵彻混凝土的机理进行了研究，提出了针对刻槽弹体的低速花瓣形侵彻模型和高速圆孔形侵彻模型。李晓杰等［5］对高速旋转弹头侵彻运动金属薄板进行了数值模拟研究，研究表明高速旋转可以提高侵彻金属薄板过程的弹道稳定性。赵子龙等［6-7］对长杆弹侵彻半无限厚土的旋转效应和侵彻混凝土靶应力波传播特性进行了研究。潘绪超等［8-9］利用钻头代替弹体对旋转助推钻地弹侵彻混凝土靶和静态旋转侵彻混凝土靶进行了试验和仿真研究。范少博等［10］在传统弹体外表面加工了直槽和螺旋沟槽，并对这种带沟槽弹体侵彻混凝土目标进行了仿真和试验验证。研究表明，带沟槽弹体在侵彻过程中产生自转，实现了对目标的剪切破坏，可以有效提高弹体的侵彻威力。以上研究表明，旋转和刻槽对弹体的侵彻性能有着重要影响，但还缺乏动态系统试验验证。

基于此，本文首先设计满足旋转试验和非旋转试验要求的卵形和刻槽弹体，分别利用14.5 mm线膛枪和14.5 mm滑膛枪平台，开展旋转和非旋转卵形弹体和刻槽弹体侵彻混凝土靶的对比试验，通过试验研究旋转和刻槽对弹体侵彻性能的影响，为刻槽弹体旋转侵彻类战斗部的设计提供参考。

1　试验方案

1.1试验弹状态

弹体结构对弹体的侵彻性能有着重要影响，国内外学者一直尝试通过改变弹体头部形状来提高弹体的侵彻性能［2，11］，本文设计了侵彻战斗部中比较常用的卵形弹体，在卵形弹体基础上又设计了两种刻槽弹体，分别为直槽弹体和U形槽弹体，试验用弹体分为非旋转侵彻弹体和旋转侵彻弹体两类。

非旋转侵彻试验用弹体由弹头和弹底两部份构成，如图1所示。试验采用卵形弹体和直槽弹体两种，直槽弹体为非对称结构，是在卵形弹体头部加工4个切削槽，刻槽有5°前角，刻槽深度最大2 mm.弹头和弹底材料选用30CrMnSi，硬度45～50 HRC，弹体头部系数CRH为3.45.弹径14.5 mm，弹头和弹底螺纹连接，全弹长62.5 mm，弹质量约60 g.

图1　非旋转试验用弹体Fig.1 Projectiles for non-rotating experiment

旋转侵彻试验用弹体由弹头、弹带和弹底三部分构成，如图2（a）所示。弹头与弹底材料选用30CrMnSi，硬度45～50 HRC，弹带材料为紫铜，弹径14.5 mm，弹体头部系数CRH为3.45.弹带压到弹头上，弹底与弹体螺纹连接。旋转试验用直槽弹体刻槽结构与非旋转试验用直槽弹体的刻槽结构一致，U形槽弹体是在卵形弹体头部加工4个U形槽，弹体为对称结构，两种刻槽弹体的刻槽深度最大2 mm.图2（b）和图2（c）分别为试验弹体和全备弹实物。所有弹体通过配重后，质量误差不大于1 g.

1.2混凝土靶体

根据文献［2］与文献［11］描述，混凝土骨料对弹体侵彻性能影响显著，本文试验选用两种混凝土靶。一种粗骨料为石灰石骨料，平均粒径5 mm，水泥采用PO42.5级普通硅酸盐水泥，细骨料为石英石中粗砂，水泥、砂、粗骨料和水的质量按1∶1.2∶2.2∶0.4配比。另一种不含粗骨料，细骨料为石英石中粗砂，水泥、砂和水的质量按1∶1∶0.35配比。如图3所示，靶体有φ300 mm×250 mm和φ300 mm× 200 mm两种尺寸，外围用3 mm厚钢板箍紧，靶体直径与弹径之比大于20，可以忽略靶体边界的影响，靶体标准养护28 d，在浇注两种混凝土靶时分别加工了3个抗压试块，尺寸为150 mm×150 mm× 150 mm，其浇注和养护均按照标准规范执行，经过混凝土静态力学性能测试，含粗骨料混凝土靶的平均抗压强度为45 MPa，砂浆混凝土靶的平均抗压强度为46 MPa.

图2　旋转试验用弹体Fig.2 Projectiles for rotating experiment

1.3试验布局及方法

以14.5 mm滑膛枪作为加速平台，进行非旋转侵彻砂浆混凝土靶试验，以14.5 mm线膛弹道枪作为加速平台，进行旋转侵彻砂浆混凝土靶和含粗骨料混凝土靶试验。试验现场布置如图4所示，发射药采用5/7火药，通过调节发射药量来控制弹体的着靶速度，用双通道测试仪测量弹体着靶速度。

图3　试验用靶体Fig.3 Concrete targets

图4　试验现场布置Fig.4 Experimental layout

弹体的转速近似用下式表示［12］：

式中：n为弹体转速（r/s）；v为初速（m/s）；η为膛线缠度；d为口径（m）.这里d=0.0145 m，η=29.

2　试验结果

分别进行了非旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶、旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶和旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶等3种试验。

2.1非旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶试验

非旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶试验采用口径14.5 mm滑膛枪发射卵形弹体和直槽弹体，考察刻槽弹体的侵彻深度、靶体和弹体的破坏情况。在着靶速度540～670 m/s范围内，共进行了6发试验，试验结果如表1所示。

表1　非旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶试验结果Tab.1 Experimental results of penetration of non-rotating projectiles into mortar concrete

2.2旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶试验

旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶试验采用口径14.5 mm线膛枪，在着靶速度430～730 m/s范围内，进行卵形弹体、直槽弹体和U形槽弹体旋转侵彻砂浆混凝土靶对比试验，通过试验考核不同头形弹体的侵彻性能。共进行了18发试验，按照发射药量不同分别进行了6组试验，每组包括1发卵形弹体、1发直槽弹体和1发U形槽弹体，试验结果如表2所示。

表2　旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶试验结果Tab.2 Experimental results of penetration of rotatingprojectiles into mortar concrete

2.3旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶试验

旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶试验弹体选用卵形弹体和直槽弹体两种弹体，采用14.5 mm线膛枪发射，共进行17发试验，通过试验考察旋转的刻槽弹体和卵形弹体的侵彻深度、靶体和弹体的破坏情况。表3给出了试验得到的速度和侵彻深度的测试结果。其中第16发和17发采用的是250 mm和200 mm两个靶体合在一起的分层靶，2发试验均穿透了第1层靶，侵彻深度为两个靶上侵彻深度之和。

表3　旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶试验结果Tab.3 Experimental results of penetration of rotating projectiles into concrete with coarse aggregate

3　试验结果分析

3.1靶体破坏

图5为试验后靶体破坏情况，弹体撞击靶体后，靶体正面具有典型的高速撞击表面漏斗开坑形状，如图5（a）所示，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，裂纹一直延伸到靶体边界。图5（b）为剥掉钢箍后的靶体破坏情况，可以观察到弹体撞击靶体有环向和与轴向平行的裂纹。

图5 靶体破坏情况Fig.5 Damage effects of targets

图6为旋转侵彻砂浆混凝土靶时的形成隧道，通过观察发现，隧道内壁有4条螺旋形分布的刻痕，表明刻槽弹体在旋转侵彻时对靶体材料产生挤压和切削联合作用，通过对混凝土挤压和切削联合作用，改变了靶体材料的受力方向，从而减小了弹体的阻力，达到了提高侵彻能力的效果。

图6　靶体剖开后隧道形态Fig.6 Tunnel morphology of cleaved target

3.2弹体破坏

图7为解剖靶体后回收到的弹体，由于在侵彻过程中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，高温使弹道周围粉碎的混凝土粉末在弹体表面形成包裹层。进一步观察回收到的弹体，试验后的弹体保持完整，弹体没有明显的变形，弹带上有膛线刻痕，刻槽弹体刻槽结构的棱角处磨蚀较明显，基本变成光滑的圆角。侵彻含粗骨料的混凝土靶弹体磨蚀较大，弹体上和弹带上有螺旋形的刮痕，表明弹体对靶体产生了旋转侵彻作用。

3.3侵彻深度

图8为非旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶侵彻深度的对比。从图8可以看出，着靶速度在540～670 m/s范围内，直槽弹体的侵深高于卵形弹体的侵深，在发射药量为13 g、16 g和19 g时，侵深分别提高为6.8%、5.1%和7.9%.非旋转弹体侵彻砂浆靶试验表明，由于弹体头部的刻槽结构相当于增大了弹体头部的CRH，使得弹体在侵彻过程中保持更大的比动能，更有利于粉碎混凝土，减小弹体侵彻过程的侵彻阻力，因此起到了增加侵深的作用。

图7　试验回收弹体Fig.7 Recovered projectiles

图8 非旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶侵深随速度变化Fig.8 Penetration depth vs velocity of non-rotating projectiles against mortar concrete

图9为旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶侵彻深度对比，U形槽弹体和直槽弹体的侵深都高于卵形弹体的侵深，在速度相同条件下，U形槽弹体和直槽弹体比卵形弹体侵深的提高量平均提高15.8%和6.8%.

图10为旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶侵彻深度对比。从图10可以看到，着靶速度在510～810 m/s范围内，直槽弹体的侵深高于卵形弹体的侵深，而且随着着靶速度的提高，侵深的提高量也随之增加。试验结果表明，旋转侵彻作用方式存在弹体着靶速度与弹体转速的匹配，当着靶速度与旋转速度合理匹配时，直槽弹体侵深能够得到最大的提高量。文中旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶时，着靶速度在510～810 m/s范围内，直槽弹体在较高着速和转速条件下，更有利于弹体的侵彻，得到更大的侵深。

图9　旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶侵深随速度变化Fig.9 Penetration depth vs velocity of rotating projectiles against mortar concrete

图10　旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶侵深随速度变化Fig.10 Penetration depth vs velocity of rotating projectiles against concrete with coarse aggregate

通过试验可以发现，弹体的侵彻深度与弹体头部结构、弹体旋转以及靶体材料组成有关，结合本文中3种不同试验可以得到以下规律：

1）非旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶时，在着靶速度540～670 m/s范围内，直槽弹体侵彻深度高于卵形弹体的侵彻深度。

2）旋转弹体侵彻砂浆混凝土靶时，在着靶速度430～730 m/s范围内，U形槽和直槽弹体的侵彻深度高于卵形弹体的侵彻深度，其中U形槽侵彻深度最大，直槽弹体次之。

3）侵彻砂浆混凝土时，在着靶速度540～670 m/s范围内，旋转的直槽弹体和卵形弹体的侵深高于非旋转的直槽弹体和卵形弹体的侵深。

4）旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶时，在着靶速度510～810 m/s范围内，直槽弹体的侵彻深度高于卵形弹体的侵彻深度。

5）在着靶速度510～810 m/s范围内，旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土靶侵彻深度低于侵彻砂浆混凝土靶的侵彻深度。

综合可以得出，采用刻槽弹体可以提高弹体的侵彻能力，不同的刻槽结构对弹体侵彻能力的影响是不同的，U形槽弹体具有更好的侵彻性能。旋转可以提高弹体的侵彻能力，靶体骨料对弹体的侵深有显著影响，含粗骨料的靶体抗侵彻性能优于砂浆混凝土靶体。

4　结论

利用14.5 mm滑膛枪和线膛枪发射平台，完成了非旋转和旋转刻槽弹体和卵形弹体侵彻混凝土靶的对比试验，取得了着靶速度在500～800 m/s范围内的试验结果。研究了旋转、刻槽结构和不同靶体骨料对弹体侵彻性能的影响。试验表明，在试验速度范围内，旋转可以提高弹体的侵彻性能，U形槽弹体的侵彻性能最佳，旋转弹体侵彻含粗骨料混凝土侵彻深度最低。

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Experimental Investigation on Penetration of Grooved Projectiles into Concrete Targets

PANG Chun-xu，HE Yong，SHEN Xiao-jun，ZHANG Xian-feng，LI Wen-bin，GUO Lei，PAN Xu-chao
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

In order to study the performance of grooved projectiles rotarily penetrating into concrete target，the penetration experiments of non-rotating oral projectiles and non-rotating grooved projectiles against the mortar concrete targets were conducted with the use of 14.5 mm smooth-bore gun.And the penetration experiments of rotating oral projectiles and rotating grooved projectiles against the mortar and limestone concrete targets were conducted with the use of 14.5 mm rifled bore gun.The results show that the grooved projectile and rotating penetration can be used to change the concrete failure from a single axial compression to the combined effects of axial compression and circumferential shear.The axial resistance of projectile becomes lower and the penetration power of the projectile gets stronger.The anti-penetration capability of limestone concrete target is stronger than that of mortar concrete target.

ordnance science and technology；penetration；rotation；grooved projectile；experimental research

O385

A

1000-1093（2015）01-0046-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.007

2014-03-26

国家自然科学基金项目（51278250）

庞春旭（1977—），男，工程师，博士研究生。E-mail：hnet2003@21cn.com；何勇（1964—），男，教授，博士生导师。E-mail：yhe1964@mail.njust.edu.cn