降低终点弹道偏转效应弹体结构设计*

王可慧,段　建,李　明,王金海,周　刚

(西北核技术研究所,西安　710024)

降低终点弹道偏转效应弹体结构设计*

王可慧,段建,李明,王金海,周刚

(西北核技术研究所,西安710024)

摘要:针对弹体侵彻过程中弹道偏转现象,开展了降低弹体弹道偏转效应研究。设计了一种锥形结构实验弹体,对其侵彻混凝土靶板过程中受力情况进行了分析,锥形结构弹体侧壁力矩有助于降低弹体侵彻过程的弹道偏转程度;采用130 mm轻气炮开展了锥形实验弹体侵彻混凝土靶板实验,并与普通直杆形弹体侵彻结果进行了对比。实验结果表明,锥形弹体侵彻弹道的偏转程度小于普通直杆形弹体,锥形弹体在斜侵彻以及高速侵彻厚目标情况下,将有更好的侵彻性能。

关键词:弹药工程;弹道偏转;实验研究;轻气炮;混凝土靶板

0引言

由于载体作用方式、目标表层特性、弹体的气动性能和末端制导等因素,会导致钻地弹攻击目标时带有一定的攻角(速度方向与弹体轴线的夹角)和倾角(速度方向与目标表面法线的夹角),造成弹体在侵彻目标过程中弹道发生偏转。

美国陆军工程兵团水道实验站(WES)D.J.Forrestal等人实验验证了倾角导致钻地弹的弹道偏转[1]。西北核技术研究所在弹体侵彻混凝土实验过程中,也发现了倾角导致弹道明显偏转的情况。在某次小尺寸缩比实验中,弹体以850 m/s的速度、20°的倾角撞击强度30 MPa的混凝土靶,侵彻弹道横向偏移超过30 mm[2]。

钻地弹在打击地下目标时的侵彻弹道偏转现象难以避免。文中开展了降低弹道偏转弹体结构设计及实验研究,得到了降低侵彻弹道偏转效应的方法,这对于改进钻地弹终点弹道的性能有一定的参考意义。

1实验弹体结构设计及侵彻过程原理分析

1.1　实验弹体结构设计

为降低侵彻弹道的偏转效应,设计了一种变截面锥形结构弹体。弹体头部为尖卵形(CRH为4.17),壳体段为3°斜度的变截面锥形结构。壳体段设计了六道槽“花瓣”形结构,弹体内部为空心,内装模拟装填物,图1为结构简图。

图1　锥形弹体结构简图

设计加工了锥形结构弹体和普通结构弹体两种,

用来进行对比实验,分别见图2和图3。锥形弹体的尾部直径大于普通弹体,采用不改变头部情况,减小弹体前部壁厚,增加弹体后部壁厚的方式,使得二者的总质量、头部形状及弹体长度相同。弹体材料为35CrMnSiA,典型性能参数见表1。

图2　锥形弹体实物图

图3　普通弹体实物图

硬度/HB抗拉强度/MPa夏比V-缺口冲击功/J断裂韧性/(MPa·m1/2)5502040195343015203075380129042110

2.2　弹体侵彻过程原理分析

变截面结构是一种新型的弹体结构设计方式。根据文献[3],当弹体以中等速度冲击混凝土靶或硬介质靶时,弹体基本不变形,因此假定在本节中的弹体为刚体。

弹体斜撞击目标情况下,由于受力点不通过弹体质心,会形成一个力矩M,使弹体有绕质心转动的趋势。各种作用力综合作用的结果是弹体既有平动,又有绕质心的转动[4]。从侵彻角度看,只有轴向平动是有效的,该部分动能使弹体沿弹轴方向侵入混凝土,其过程类似于正侵彻过程。横向平动和转动导致弹体侧壁与混凝土互相挤压,使弹体受到较大的横向载荷。如果弹体没有发生破坏,那么作用结果是侵彻弹道发生偏转,侵彻弹道更容易趋向靶板相对较薄弱的一侧(或者说弹体距靶板自由面较近的一侧)。

普通直杆形弹体和锥形弹体以相同的初始条件撞击混凝土靶板时,从弹尖接触靶板到弹头刚好进入靶板阶段内,二者头部所受力相同。在弹杆侵入靶板后,两种弹体的杆部所受到的阻力则不同。在弹杆和靶板接触表面,弹杆要受到靶板对它的法向阻力和切向阻力的作用。根据空腔膨胀理论,作用在弹杆身部的轴向阻力Fgz由作用在弹杆部单位接触面上法向阻力fgn和切向阻力fgτ合成(对于直杆弹,在弹杆接触表面上法向阻力fgn为零),如图4所示,图中下标“1”代表上半弹体所受的阻力,下标“2”代表下半弹体受到的阻力。从锥形弹体与直杆形弹体受力分析可以发现,直杆形弹体弹杆接触表面法向阻力为零,而锥形弹体不仅有切向阻力还受法向阻力。由于切向阻力对抑制弹体的转动不起作用,所以,普通直杆形弹体如果发生弹道偏转现象,其弹道偏转程度在力矩M的作用下会慢慢变大,直到达到稳定侵彻状态。而对于锥形弹体,在侵彻过程中,由于其受到的法向阻力不为零,并且由于弹道的偏转效应及混凝土的剥落,上半弹体所受到的法向阻力fgn1小于下半弹体所受到的法向阻力fgn2,所以整个弹杆所受的法向阻力必将产生一个力矩M′,M′与M方向相反,削弱了弹体偏转的动力,从而降低弹体侵彻过程的弹道偏转程度。

图4　弹体侵彻过程受力示意图

2实验方案及靶板设计

实验在130 mm轻气炮上进行。混凝土靶面斜置成一定角度,调整混凝土靶板的倾斜度,可进行不同倾角的实验。高速摄像系统借助靶前的镜面反射装置,拍摄记录弹体着靶姿态。

采用激光测试方法测量弹体着靶速度,通过遮挡激光光束形成的时间间隔计测弹速,通过增加分束片位置微调装置,使光束空间定位更加准确,测量表明,测速系统测速相对误差小于1%。

实验用混凝土靶板设计倾角为30°,直径800 mm,无配筋,抗压强度为30 MPa。为减小边界效应的影响,圆柱靶板周围固有6 mm厚的钢圈套紧。

3实验结果及分析

3.1　实验结果

采用130 mm轻气炮加速弹体撞击靶板,共进行了4发实验,其中锥形弹体2发,速度分别为435 m/s、438 m/s;普通弹体2发,速度为431 m/s、428 m/s,实验结果见表2。

表2　降低弹体弹道偏转效应的实验结果

图5为高速摄影拍摄的普通直杆形弹体飞行撞靶过程,弹体飞行姿态良好。

图5　普通直杆形弹体飞行撞靶过程

弹体侵彻混凝土产生的弹道情况见图6。可以明显看出,弹道都有一定的偏转,但锥形弹体产生的弹道偏转程度小于普通直杆形弹体产生的弹道偏转。

图6　弹体侵彻产生的弹道情况

图7为实验后回收的弹体。观察发现,弹体上蚀有混凝土,但弹体结构完好,除头部有小量的质量侵蚀外,其它部位无明显可见变形。

图7　实验后回收的弹体

3.2　弹道偏转效应分析

为便于分析,将侵彻弹道进行测绘,图8为锥形弹体测绘侵彻弹道与普通弹体测绘侵彻弹道对比。对比发现,在有效侵深约50 mm处,锥形弹体与普通弹体侵彻弹道几乎相同。这是由于二者的头部形状及尺寸相同,而实验弹的头部长度为42 mm,因此两种弹丸从弹尖触靶到头部完全进入靶板这一阶段,侵彻弹道基本相同;随后,当弹身段进入靶板后,直至侵彻结束,锥形弹体侵彻弹道偏转量小于普通弹体,而且减小程度逐渐增大,说明锥形结构在降低弹道偏转效应方面有一定的作用,与理论分析相符。同时,锥形弹体有效侵彻深度略大于普通弹体,说明轻微的锥形结构并不会对侵深造成较大的影响,反而会降低弹道偏转效应。此外,在高速深侵彻过程中,弹体由于受到更大轴向载荷和横向偏转载荷的共同作用,尾部往往容易发生破坏;而锥形结构弹体尾部的特殊设计,增强了尾部结构强度,提高了弹体侵彻能力。因此,相对于普通弹体,锥形弹体在斜侵彻以及高速侵彻厚目标情况下,将有更好的侵彻性能。

图8　锥形弹体与普通弹体侵彻弹道对比

4结束语

设计了锥形结构弹体,并对其降低弹道偏转效应原理进行了理论分析。

对锥形弹体的弹道偏转效应进行了实验研究,并将锥形弹体与普通直杆形弹体的弹道偏转程度进行了对比。结果表明,锥形弹体的弹道偏转程度小于普通弹体,锥形弹体的最终姿态角大于普通弹体。锥形弹体有效降低了钻地弹侵彻过程中的弹道偏转效应。

参考文献:

[1]Forrestal M J, Frew D J, Hanchak S J. Penetration experiments with limestone targets and ogive-nose steel projectiles [J]. Journal of Applied Mechanics, 2000, 67(4): 1-5.

[2]杨黔龙. 钻地子弹缩比弹实验研究 [R]. 西安: 西北核技术研究所, 2003.

[3]李建春. 高速弹体对半无限厚混凝土板的侵彻研究 [D]. 西安: 西安交通大学, 2001.

[4]赵国志. 穿甲工程力学 [M]. 北京: 兵器工业出版社, 1992: 12-13.

[5]初哲. 弹体非正侵彻混凝土研究 [D]. 北京: 北京理工大学, 2006.

[6]李晓军, 张殿臣. 靶板施工设计说明和要求 [R]. 洛阳: 工程兵科研三所, 2002.

收稿日期:2014-11-04

作者简介:王可慧(1975-),女,河南驻马店人,研究员,博士,研究方向:爆炸与冲击动力学。

中图分类号:O385

文献标志码:A

Penetrator Design to Reduce Trajectory Deflexion Effect

WANG Kehui,DUAN Jian,LI Ming,WANG Jinhai,ZHOU Gang

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

Abstract:The study of reduction of trajectory deflexion was conducted in this paper. Based on dynamic mechanics analysis of projectile and concrete target during impact, a cone-shaped projectile was designed to block trajectory deflexion of projectile by parietal moment generated in penetration. The penetration experiments of the cone-shaped and the traditional penetrators into concrete target were carried out with 130 mm light gas gun. The results show that trajectory deflexion of cone-shaped penetrators are smaller than that of traditional ones. The cone-shaped penetrator is suitable for oblique penetration and penetration into thick targets at high speed.

Keywords:ammunition engineering; trajectory deflexion; experimental study; gas gun; concrete target