PELE侵彻10mm厚均质装甲钢的极限穿透速度和后效研究

何 俊,程 春,郑绍君,王复利,王韦霞,蒋洪章

(1.安徽机电职业技术学院,安徽 芜湖 241000;2.南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094; 3.黑龙江新诺机器人自动化科技有限公司,黑龙江 哈尔滨 150060;4.黑龙江北方工具有限公司,黑龙江 牡丹江 157013)

PELE侵彻10mm厚均质装甲钢的极限穿透速度和后效研究

何 俊1,程 春2,郑绍君3,王复利4,王韦霞1,蒋洪章3

(1.安徽机电职业技术学院,安徽 芜湖 241000;2.南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094; 3.黑龙江新诺机器人自动化科技有限公司,黑龙江 哈尔滨 150060;4.黑龙江北方工具有限公司,黑龙江 牡丹江 157013)

为了研究小口径集束钨丝壳体PELE对10 mm厚均值装甲钢的极限穿透速度和穿靶后的后效情况,应用PELE垂直侵彻薄靶的理论模型对直径23 mm集束钨丝PELE侵彻10 mm厚均质装甲钢进行了理论计算,利用23 mm口径弹道炮进行了侵彻试验研究。研究结果表明:弹丸侵彻10 mm厚均质装甲钢的极限穿透速度为623.7 m/s;当着靶速度为685.2 m/s以上时,该弹丸侵彻10 mm 厚均质装甲后可产生良好的横向效应,试验结果和理论计算结果基本吻合。

横向效应弹;侵彻;均质装甲钢;极限穿透速度;后效

Abstract:In order to study the critical penetration velocity and aftereffect of small-caliber cluster tungsten-fiber penetrator with enhanced lateral efficiency(PELE) penetrating rolled homogeneous armor(RHA) with 10 mm thickness,the theoretical calculation of cluster tungsten-fiber PELE of 23 mm diameter penetrating RHA with 10 mm thickness was carried out by using the theoretical model of PELE vertically penetrating thin metallic plate.The penetration experiment by using ballistic gun with 23 mm caliber was conducted.The results show that the critical penetration velocity is 623.7 m/s,and the PELE can produce good aftereffect after penetrating RHA with 10 mm thickness while the impact velocity is more than 685.2 m/s.The experimental result accords with the theoretical calculation result.

Keywords:penetrator with enhanced lateral efficiency;penetration;rolled homogeneous armor;critical penetration velocity;aftereffect

横向效应弹(PELE)是一种无引信和炸药的新型穿甲弹药战斗部,壳体是高密度具有良好侵彻能力的金属,装填物是具有储能性能的低密度材料,穿甲过程中装填物膨胀使壳体横向扩展,穿靶后壳体由于应力卸载而破碎,形成横向破片,毁伤和破坏靶后目标[1]。近年来对PELE的研究包括应用应力波理论建立PELE侵彻薄靶的理论分析模型,进行有限元分析,研究不同装填物PELE侵彻不同厚度不同材料的靶板形成的横向破片的平均质量、最大飞行速度和破片的分布半径,并与实验数据进行对比[2-3];建立PELE撞击金属薄靶的破片横向速度理论分析模型,通过提高装填材料的声阻抗和撞击速度来增加靶后的横向效应[4]。朱建生认为在一定范围内弹丸的横向效应随速度的增大而增强,弹丸存在最佳的着速范围[5]。文献[6]研究了集束钨丝壳体PELE撞击靶板的动态响应,并与同口径钨合金壳体PELE相比,2种壳体材料PELE撞击靶板后形成的后效靶破坏情况如图1、图2所示。

研究表明,与钨合金壳体PELE相比,集束钨丝

壳体PELE侵彻过程中具有自锐能力,既能发挥钨丝高强度、大长径比、侵彻性能好的特点,又能利用黏结相抗拉强度低、易于离散的优势,在靶后产生更显著的横向毁伤效应。集束钨丝是一种以钨丝为增强相,锆基合金为黏结相的复合材料,具有高密度、良好的绝热剪切和“自锐”等特点[7-9],可应用于穿甲弹等军事领域[10-11]。

本文通过理论计算和试验研究,研究集束钨丝壳体PELE对10 mm厚均质装甲钢的极限穿透速度和产生良好横向效应的最佳穿透速度。

1 理论计算

1.1 极限穿透速度

弹丸的极限穿透速度是衡量弹丸对靶板的作用效果的重要指标,是评价弹药威力的主要参量[12]。弹丸的极限穿透速度实际工程计算中常用的经验公式有:德马尔公式,该公式将弹丸假定为刚体;贝尔金公式,该公式考虑了弹丸和靶板的机械性能;另外还有针对次口径穿甲弹和长杆式次口径穿甲弹的经验公式[13]。利用文献[14]中建立的PELE垂直侵彻薄靶的理论模型,得到集束钨丝壳体PELE侵彻靶板之后弹体的轴向剩余速度:

式中:

式中:c0,j为弹芯壳体中的波速,ρj为弹芯壳体密度,D0为弹芯壳体外径,D为弹芯壳体内径,L0为弹芯壳体长度,c0,f为装填物中的波速,ρf为装填物密度,l0为装填物长度,ρt为靶板密度,ht为靶板厚度,σYt,D为靶板的动态屈服应力,cHt为靶板内的波速。各参数的取值参见表1,表中,E为装填物杨氏模量,μ为装填物泊松比。

表1 各参数取值[4,15]

1.2 弹芯壳体中的波速计算

2 试验条件与方法

2.1 试验条件

试验采用23 mm口径弹道炮,炮口距离靶板100 m,采用天幕靶测速;试验用弹丸为23 mm全口径弹丸,弹托为直径23 mm的铝制弹托,弹托底部有铜质弹带,并配有风帽,弹芯直径15 mm,弹芯壳体材料为集束钨丝,装填物为尼龙,弹芯示意图如图4所示。

试验靶板主靶为10 mm厚均质装甲钢靶,后效靶为2 mm厚铝靶,主靶和后效靶的间距为60 mm,试验现场靶板布置如图5所示。

2.2 试验方法

试验着速调整步骤为:若首发着速700 m/s(转速1 800 r/s)发生穿透,则减少发射药量,降低1%～3%着速进行第2发试验;若第2发未穿透,实际着速差又不超过第1发着速的3%时,再取第1发和第2发的着速各试验1发,作为验证,此时最高穿透着速与最低不穿透速度之差不超过3%,则其中的最低穿透速度即为该弹的极限穿透速度,若第2发穿透,依次类推。

若首发着速不发生穿透,则提高1%～3%着速进行第2发试验,直到出现穿透。

3 试验结果与分析

3.1 集束钨丝壳体PELE对10 mm厚均质装甲钢的极限穿透速度

国军标规定弹丸的极限穿透速度是指弹丸穿透某一厚度的装甲钢所必需的最小着速,通常将穿甲弹穿透装甲目标的穿透概率为90%的着速(v90)定义为穿甲弹的极限穿透速度;将弹丸着靶,靶板背面有穿孔定义为穿透。试验中按照国军标中的极限穿透速度试验方法进行试验,试验结果见表2。表中,m为装药量,v为弹丸着靶速度,Dc为穿孔直径。

表2 试验结果

根据试验结果,当弹丸速度为664.5 m/s时,弹丸穿透靶板,弹丸的铝外壳尾部嵌在靶板中;比该速度小约5%(即v=628 m/s)时弹丸未穿透靶板。以628 m/s为基准重复试验,得到误差约为-0.8%(v=623.7 m/s)时,弹丸穿透靶板;误差约为-1.8%(v=617 m/s)时,弹丸未穿透靶板。可认为623.7 m/s为直径23 mm集束钨丝PELE侵彻10 mm厚均质装甲钢的极限穿透速度。试验值和理论值计算误差为4.4%,通过理论计算和试验验证可以确定直径23 mm集束钨丝壳体PELE侵彻10 mm厚均质装甲钢的极限穿透速度为623.7 m/s。

3.2 集束钨丝壳体PELE产生良好横向效应(后效)的最低着靶速度

文献[5]认为,在一定着速范围内破片横向速度、破片飞散角度和破片分布半径随弹丸着速的提高而增大,超出这一范围,破片横向速度开始降低,就作用效果而言,PELE存在最佳的着速范围。本文通过试验结果分析、研究最佳着速范围中的最小速度,即PELE产生良好横向效应的最低着靶速度。图6是弹丸着速分别为623.7 m/s,664.5 m/s,685.2 m/s,695.4 m/s,702.3 m/s时,后效靶板的毁伤情况。

从图6可以看出,当着靶速度为623.7 m/s时,穿靶后的剩余弹丸在后效靶板上留下一个较大穿孔和一些靶后颗粒留下的痕迹,并没有明显的横向破片留下的痕迹,说明该着速下弹丸并没有产生明显的横向效应,后效不明显;当着靶速度为664.5 m/s时,后效靶板上留有2个较大穿孔和一些小破片留下的痕迹,说明弹丸产生了少量较小的横向破片,后效一般;当着靶速度为685.2 m/s,695.4 m/s,702.3 m/s时,可以看到后效靶板产生较大的破坏,靶板上留有非常大的穿孔,穿孔面积分别约为209.73 cm2,207.18 cm2,203.37 cm2,穿孔的边缘参差不齐,有一些变形或裂纹已经扩展的齿状结构和一些小的穿孔,后效靶板的破坏情况可以说明,弹丸在穿透装甲钢板后产生了较大数量的横向破片,具有良好的横向效应。从后效靶的破坏情况可以看出,直径23 mm集束钨丝壳体PELE侵彻10 mm厚均质装甲产生良好横向效应的最佳穿透速度为685.2 m/s。可认为当着靶速度为685.2 m/s以上时,该弹丸穿透10 mm厚均质装甲后可产生良好的横向效应。

4 结论

本文通过理论计算和试验研究,得到直径23 mm集束钨丝壳体对10 mm厚均质装甲钢板的极限穿透速度为623.7 m/s,利用理论模型计算的结果是593 m/s,试验结果和理论计算的结果基本一致,误差在5%以内。通过试验结果分析可知,当着靶速度为685.2 m/s以上时,该弹丸穿透10 mm厚均质装甲后可产生良好的横向效应。本文得到的直径23 mm集束钨丝壳体PELE侵彻10 mm厚均质装甲钢板的极限穿透速度和产生良好横向效应的最低着靶速度,对于直径23 mm集束钨丝壳体PELE的进一步设计具有一定的参考价值。

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CriticalPenetrationVelocityandAftereffectofPELEPenetratingRHAWith10mmThickness

HE Jun1,CHENG Chun2,ZHENG Shao-jun3,WANG Fu-li4,WANG Wei-xia1,JIANG Hong-zhang3

(1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241000,China; 2.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China; 3.Heilongjiang Xinnuo Robot Automation Technology Co.Ltd,Harbin 150060,China; 4.Heilongjiang North Tools Co.Ltd,Mudanjiang 157013,China)

2017-04-11

安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2015A441)

何俊(1978- ),男,副教授,硕士,研究方向为弹药工程及撞击动力学。E-mail:ahjdhj@126.com。

TJ410.1

A

1004-499X(2017)03-0063-05