爆炸成型弹丸侵彻钢靶的后效破片云实验研究

2018-08-07王昕蒋建伟王树有李梅

兵工学报 2018年7期

王昕，蒋建伟，王树有，李梅

(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

爆炸成型弹丸(EFP)由于具有大炸高、侵彻孔径大、后效作用显著等优点，广泛应用于多种反装甲武器系统中。近年来，国内外学者主要关注如何形成飞行稳定、高速密实的EFP，对目标实现更大的侵深[1-3]。而由于战场形势的诸多变化，使得单一侵深数据已无法满足对复杂目标毁伤能力的评估要求，因此EFP的后效毁伤评估逐步提上日程。

EFP穿透装甲后会在装甲背面形成靶后破片，包括残余侵彻体和装甲材料崩落的碎片，对装甲防护下的人员和关键部件实施毁伤。已有很多学者对EFP靶后破片的特性进行了描述。例如：Dalzell[4]采用AUTODYN软件中的平滑粒子流体力学(SPH)算法，针对软铁材质EFP侵彻装甲钢后的碎片效应进行了仿真算法研究。Kim[5]针对不同密实度的模拟铜、钽杆式EFP，以2 000～3 000 m/s速度侵彻装甲钢板进行了实验和数值模拟研究，得到碎片飞散角度、速度和质量等信息。叶严等[6]将分析射流后效的方法应用于EFP，得出单一靶板厚度条件下EFP后效破片分布场的函数表达式。上述文献或是基于模拟，或是基于单一靶板厚度来研究EFP穿靶后破片的飞散特性和分布规律，结果可能与实际存在出入。

为了更清楚地认识EFP穿靶后的破片及其分布特性，本文研究了EFP对不同厚度靶板的侵彻实验，更加清楚、直观地获得了靶后破片的空间、质量分布，所得结果为EFP后效毁伤评估提供了一定基础。

1 实验设计

为了研究EFP穿透不同厚度靶板产生的后效破片及其分布，本文设计了图1所示的实验装置，该装置由EFP装药结构、靶板、验证板组成。其中EFP装药结构放置于靶板前方H距离处，验证板置于靶后h距离处，并辅以软回收装置以收集后效破片。

1.1 EFP装药结构

EFP装药结构选用装药口径D为56 mm的聚能装药，由药型罩、主装药、传爆药和壳体组成，其中药型罩为3 mm等壁厚球缺紫铜罩，装药为长径比为0.86的压装JH-2，密度为1.71 g/cm3，壳体厚度为0.045D. 该装药结构(见图2)可形成头部直径为12.8 mm、长径比为3.24的长杆形EFP(见图3)，平均速度为2 120 m/s[7]。

1.2 靶板

针对EFP攻击目标的不同并为了节约实验成本，靶板采用45号钢，尺寸为200 mm×200 mm. 确定靶板厚度分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，以保证靶板厚度与装药口径比值约在0.17～0.72之间。

1.3 验证板

验证板为10 mm厚度的LY12铝板。等间隔地将500 mm×500 mm的铝板划分为若干个区域[8]，以统计破片数量及其飞散角。图4所示为验证板分区示意图。通过验证板上飞散最远的破片至中心点距离R与钢靶和验证板的距离h计算出飞散角θ，计算公式如下：

θ=2arctan(R/h).

(1)

1.4 脉冲X光摄影系统

采用瑞典Scadiflash公司产450 kV脉冲X光摄影系统，以EFP撞击靶板时刻为计时零点，设置2个延迟时间t1、t2，以记录不同时刻下的破片形态。

2 实验结果与分析

2.1 脉冲X光图像分析

图5所示为拍摄的EFP侵彻20 mm厚45号钢的2个典型时刻靶后破片形态。从脉冲X光照片中可清楚看到靶板前的崩落碎片及靶板后的崩落环，靶后破片的形状是截椭圆形的破片云。t1=80 μs时刻破片云头部和尾部聚集破片较大(X光中显示颜色较深)，中间破片数量相对较少且细小。随着时间的推移，崩落环从钢靶上脱落，碎裂成若干块并加入破片云中；头部的残余EFP也剥落成若干大破片。原始破片云不断向四周膨胀，t2=95 μs时刻形成了长短轴比为1.7的截椭圆形。计算得出此工况下破片云的头部膨胀速度为1 678 m/s，径向膨胀速度为525 m/s，破片云飞散角约为50°.

由于本文采用的EFP初始速度较高，EFP冲击出的靶板材料并非冲塞块，而是形成更为细小的碎片。依据Grady[9]动态破片理论，局部动能驱使靶板中的破坏表面面积不断增加，新生成的破片表面能会阻止破坏表面面积的增加。当EFP初始能量较高时会形成更多的自由表面，因此形成的破片必将更为细小。

2.2 钢靶孔型分析

图6所示为EFP穿透不同厚度45号钢的钢靶破坏照片。从图6中可以看出，EFP侵彻钢靶的孔型准直，穿透45号钢时在靶板正面形成翻边，靶板背面由于拉伸作用[10]形成崩落环并从靶体上脱落，孔壁上附着部分铜材质。从各个钢靶背面可以看出，EFP均能穿透10～40 mm厚钢靶。图7为EFP穿透30 mm厚45号钢靶背面的局部孔型照片，从中可以明显看出崩落环从靶体上脱落的现象。

依据图8所示的孔径参数示意图，量取不同厚度钢靶的入孔和出孔，归一化尺寸如表1所示。结合实验照片和表1的孔径数据可知：穿透45号钢时正面会出现翻边，侵彻孔径呈入孔小、出孔大的趋势；随着钢靶厚度减小，钢靶入孔的孔径逐渐减小。由于侵彻相对厚靶时贯穿靶板时间较长，EFP墩粗后轴向膨胀，使得孔径扩大；当侵彻相对薄靶时EFP墩粗变形较小，扩孔现象也可以忽略。

表1 钢靶孔径表

2.3 验证板穿孔分析

为了获得后效破片飞散角及侵彻威力，对实验后回收验证铝板上的穿孔进行分析，铝板不同区域的破片数量和单个破孔直径由测量工具计数量取。破片云的飞散角由(1)式进行计算。

图9所示为EFP穿透不同厚度钢靶后后效破片在验证板上的穿孔照片。首先分析验证板上破片的来源。剩余EFP和钢靶的碎片是形成靶后碎片的组成部分，钢靶厚度为40 mm(见图9(a))时在靶板上形成的均为较小碎片，仅有个别破片可穿透10 mm厚验证板。由此可知，侵彻40 mm厚钢靶后EFP已消耗绝大部分，主要是周向崩落环形成的碎片对验证板进行侵彻。随着钢靶厚度变小，EFP穿透后的剩余部分越来越多，能量相应增加，在验证靶中心上的穿孔也逐渐变大。图9(c)所示的验证靶中心出现数枚较大的破孔，而在图9(d)所示的验证靶中心则形成了完整的EFP穿孔。

由此可见，EFP穿透10 mm厚和40 mm厚钢靶时，在验证靶上破孔数量较少，穿透20 mm厚、30 mm厚钢靶后的破片数量较多，即随着靶板厚度的增大，靶后破片数量呈先增大、后减小的趋势，即存在靶后破片数量最大化的最佳靶板厚度。

下面对45号钢产生的破片机理做定性分析。绝热剪切带容易在强度较高的钢中形成，而在较低强度的45号钢中不产生绝热剪切带[11]，这就说明45号钢形成的靶后破片是由拉伸断裂破坏产生的。宏观拉伸破坏与材料微观组织结构及其所受到的应力状态密切相关。从应力波传播角度分析，由于侵彻不同厚度的钢靶时，EFP和靶板中存在较为复杂的波系传播、反射等，致使靶板中的应力状态发生变化，进而影响最终形成的靶后破片数量。当EFP侵彻10 mm厚钢靶时，应力波还未在靶板中多次反射，此时EFP已完成侵彻过程，钢靶并未充分层裂碎化，形成的破片较少；当EFP侵彻40 mm厚钢靶时，虽然复杂波系在钢靶中充分作用，但EFP到达靶板背面所剩余的能量过少，不足以使破片飞离钢靶；在侵彻20 mm厚和30 mm厚钢靶时，波系作用与EFP剩余能量的良好匹配不仅使钢靶充分碎化，而且使破片能飞离钢靶，因此在验证靶上形成数量较多的穿孔。

根据靶后破片在靶板上的分布区域，靶后破片分散角约50°，与脉冲X光结果相一致。

2.4 后效破片数量分析

进一步统计验证板上破片数量、尺寸，得到图10～图12所示的破片数量统计直方图。

图10为EFP穿透45号钢靶后破片穿孔数直方图，从中可以看出侵彻20 mm厚靶板形成的靶后破片较多，随着靶板厚度的增大，靶后破片数量呈先增大、后减小的趋势。

图11和图12分别为45号钢靶后破片分布的特性。由图11和图12可见，靶后破片分布较随机，破片在图4所示的3～6区域分布较多，约占整体数量的71%～88%. 结合脉冲X摄影图像进一步分析可知，EFP形成的靶后碎片云分布在截椭圆的外部[12]，投影到验证靶即位于图4所示的3～6区域。从图12可以看出，破片穿孔直径呈近似正态的分布规律，穿孔直径为5～10 mm的破片数量约占整个破片数量的57%～63%.

2.5 后效破片质量分析

为了对EFP穿透20 mm厚45号钢的后效破片进行回收、称重并分类，本文设计了由锯木、细沙等组成的软回收装置。图13所示为回收后分离的铜质和钢质破片照片。

从图13(a)可以看出，铜质破片多呈长片状，包括残余的EFP和侵彻及飞行过程中从EFP基体剥离的破片，铜质破片显现出韧性材料的破坏特性，表面呈韧窝状，有撕裂痕迹并被拉伸变长，最大破片质量为8.5 g. 而图13(b)中的钢质破片呈块状，包括明显的崩落环形成的大破片和若干小破片，破片表面较整齐，尽管是45号钢，但在高速冲击下呈现出一些脆性材料的破坏特性，最大破片质量为5.8 g. 回收的两种材质破片的总数较图9(c)中的穿孔数略少。

从回收的破片看，EFP穿透钢靶的后效破片由钢靶自身破裂和EFP破裂共同产生，两种材质破片的空间分布特征有待进一步研究。