印刷电路(PCB)靶在破片速度测试中的应用*

刘 瀚， 任 杰， 王 伟， 徐豫新

(1. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081； 2. 中国兵器工业第53研究所， 山东 济南 250031)

0 引 言

高速飞散破片是杀爆战斗部中的重要毁伤元， 其飞散速度是衡量战斗部威力效应的重要指标之一. 精确测量破片飞散速度是从事高效毁伤和安全防护研究者们共同关心的问题. 现有破片速度测试方法多基于区截测速原理， 按照破片与测速靶是否接触进行分类， 常见的接触靶有铜丝靶网[1-2]、 锡(铝)箔靶、 电探针法[3]， 常见的非接触靶有声靶、 电磁线圈靶、 天幕靶、 光幕靶[4]和高速摄影法[5-7]. 非接触靶虽然不会影响破片的飞行速度和姿态， 对靶无损， 使用效率高， 但易受外界环境影响. 杀爆战斗部爆炸破片速度测试环境极为恶劣， 存在爆炸火光、 粉尘、 强冲击、 振动等多种干扰因素， 同时由于战斗部破片数量多、 飞散范围大， 很难对价格昂贵的非接触靶进行有效防护， 因此近年来国内对于战斗部破片速度测量大多采用接触式测量法[8-9]. 然而铜丝靶网制作复杂、 制作周期长、 铜线间距和缠绕松紧度对测试结果有较大影响[10]， 因此经常有研究者们对此结构进行改进. 采用印刷电路断靶测试装置， 该印刷电路(PCB)测速靶因具有加工、 使用方便、 可批量生产等特点， 一直被各试验场区大量使用. 但该类印刷电路(PCB)测速靶的测试效果却一直未被校准， 测试精度尚不确定. 本文通过实验测试方法， 与红外光幕靶测试结果进行对比， 研究了破片头部形状对其测试精度的影响.

1 印刷电路靶(PCB)测速原理与机械性能

如图 1 所示， 通过在环氧玻纤布层压板(FR-4.0)上覆着铜箔制作印刷电路靶， 铜箔以蛇形环绕的方式连续排布在玻纤板上， 铜箔宽0.5 mm， 相邻铜箔间距1 mm， 电路靶厚度0.3 mm， 表面积为150 mm×200 mm， 其机械性能如表 1 所列， 电路靶实物如图 2 所示.

图 1 环氧玻纤布层压板(FR-4.0)覆铜箔尺寸Fig.1 Dimensions of epoxy glass-cloth laminate which covered with copper foil

图 2 印刷电路靶实物图Fig.2 The physical photo of the PCB plate

铜箔剥离强度/N·mm-1翘曲度/%抗弯强度/MPa1.700.35565

印刷电路测速靶的测速实质等同于靶网测速原理. 实验前在电路靶两端引出的导线上通入电流， 当破片通过电路靶时， 切断覆着在玻纤板上的铜箔， 产生断路信号[11]. 与传统铜丝靶网破片速度测试装置相比， 印刷电路靶克服了铜线松紧不一致、 铜线间距过大、 作用不稳定的缺点， 具有简单方便、 一致性好、 可靠性高等特点.

2 实验测试

为了检验印刷电路靶的测试精度， 分别通过56式自动步枪抛射Φ7.62 mm×39 mm尖头步枪弹、 Φ14.5 mm线膛弹道枪抛射Φ12.8 mm×40 mm平头圆柱状破片， 两种破片结构如图 3 所示， 同时利用红外光幕靶和印刷电路靶测量破片速度. 实验中， 通过螺栓将印刷电路靶固定在刚性测速靶架上， 测速靶如图 4 所示. 为了尽可能降低破片飞行过程中速度衰减造成的测试误差， 光幕靶与印刷电路靶测点重合实验布置如图5所示， 电路靶靶距400 mm， 光幕靶靶距1 500 mm， 枪口距离测点3 000 mm. 破片出膛后， 依次穿过光幕靶和电路靶， 产生断靶信号， 通过6通道测时仪分别记录破片穿过光幕靶和电路靶测速区间所用时间， 计算破片速度. 实验用红外光幕靶测速系统测试精度高达99.9%[12]， 故以光幕靶测试结果为标准计算电路靶测速误差， 尖头破片与平头破片的实验结果分别列于表 2 和表 3 中.

图 3 不同头部形状的破片实物图Fig.3 The physical photos of the fragments with different nose shapes

图 4 印刷电路靶测速系统的应用Fig.4 The application of PCB velocimetry

图 5 破片速度测试布置Fig.5 The layout of the fragment velocity test

序号破片速度/m·s-1光幕靶印刷电路靶绝对误差/m·s-1相对误差/%1704.9704.00.90.132713.6712.80.80.113716.7715.31.40.20

表 3 Φ12.8 mm×40 mm平头圆柱破片测试结果

由表 2 结果可见， 尖头破片高速撞击作用下的印刷电路靶的测试误差均不大于0.2%， 具有较高的测试精度与可靠性. 由表3结果可见， 在平头圆柱破片高速撞击下， 印刷电路靶与光幕靶的绝对误差为38.6～181.2 m/s， 相对误差为4.59%～20.22%， 具有较大的分散性.

3 测试结果分析

为进一步研究破片头部形状对印刷电路靶测试精度的影响， 分别对高速尖头破片和平头破片撞击下印刷电路靶的破坏模式进行分析. 实验回收印刷电路靶如图 6 所示， 由图6(a)可见， 高速尖头破片撞击下， 印刷电路靶上有近似圆形穿孔， 孔径等于尖头破片直径； 由图6(b)可见， 高速平头破片撞击下， 印刷电路靶上破坏区域面积大于破片底面积， 呈不规则形状， 有撕裂状特征.

图 6 测试回收的印刷电路靶Fig.6 The test retrieved PCB plates

由图6现象推断， 尖头破片高速撞击下， 弹靶接触面积小， 近似为点接触， 存在明显的应力集中现象， 局部接触应力远大于印刷电路靶的剪切强度， 电路靶发生脆性剪切破坏. 在平头破片高速撞击下， 弹靶接触面积较大， 初始接触应力小于电路靶的剪切强度， 电路靶发生较大的挠曲变形， 并进一步将撞击能量分散到撞击点附近的区域， 应力分布不均匀. 随着电路靶变形量的不断增加， 当某一点处的局部接触应力大于材料的剪切强度时， 电路靶撞击区域发生局部剪切破坏， 铜箔切断产生断路信号. 在平头破片高速撞击下， 印刷电路靶呈弹塑性特征， 伴有较大的挠曲变形， 实际靶距和时间差与测试值间存在误差， 导致平头破片速度测试出现较大误差， 应力分布不均匀进一步加大了测试结果的随机性与分散性.

考虑到杀爆战斗部爆炸产生的自然破片形状不规则， 速度分布区间较大， 上述研究结果表明： 印刷电路靶仅在用于枪弹速度测试时精度较高， 因此并不适用于杀爆战斗部爆炸破片飞散速度的测试.

4 结 论

基于断靶区截测速原理， 通过对传统铜丝靶网测速系统进行改进， 设计出一种印刷电路断靶测速装置， 并通过实验对其测试精度和适用范围进行讨论， 获得结论如下：

1) 印刷电路靶对高速尖头破片的测试误差小于0.2%， 对高速平头破片的测试误差为4.59%～20.22%.

2) 在尖头破片高速撞击下， 印刷电路靶发生脆性剪切破坏； 在平头破片高速撞击下， 印刷电路板发生严重的挠曲变形， 实际靶距和时间差与测试值间存在误差， 导致平头破片速度测试出现较大误差， 应力分布不均匀进一步加大了测试结果的随机性与分散性.

3) 因印刷电路靶仅在用于枪弹速度测试时精度较高， 并不适用于杀爆战斗部爆炸破片飞散速度的测试.

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