爆炸反应装甲对爆炸成型弹丸侵彻效应影响的实验研究

2018-08-29聂源蒋建伟王树有刘瀚

兵工学报 2018年8期

聂源，蒋建伟，王树有，刘瀚

(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

随着战场环境的改变，装甲与反装甲在相互考量彼此能力的同时，也在寻求着自身突破。爆炸反应装甲(ERA)作为一种被动防护装置，已广泛应用于装甲车辆前部和侧面的防护，大大削弱了破甲弹、穿甲弹的侵彻能力[1]。近年来，随着ERA向全车覆盖，以攻顶著称的爆炸成型弹丸(EFP)将受到严峻威胁。因此，开展ERA与EFP相互作用规律的研究是非常有必要的。

目前，对于射流和长杆弹与ERA相互作用的研究较为系统[2-6]，而对EFP与ERA相互作用的研究主要集中在数值模拟[7-9]及少量实验[10-11]，如针对ERA为面板/炸药层/背板三明治结构的相关研究：Lidén等[10]研究发现1.5 mm/1.5 mm/1.5 mm结构的ERA斜置角为60°时，装药口径D为80 mm的EFP相对侵彻深度下降百分比高达77%；蒋建伟等[11]在研究中发现3.0 mm/3.0 mm/3.0 mm结构的ERA斜置角为45°时，D为88 mm的EFP相对侵彻深度下降百分比约67%[11]. 但目前缺乏ERA与EFP相互作用的系统研究。

本文设计了形成铜质杆式EFP的装药，对不同斜置角的ERA进行了侵彻效应实验，通过对实验结果数据进行处理，得到了EFP剩余侵彻深度(RDOP)和相对侵彻深度下降百分比在不同ERA斜置角下的变化规律，研究结果对工程应用和机理研究具有参考价值。

1 实验设计

根据相似性设计理论，EFP成型及侵彻效应满足几何相似性[12-13]。为了便于开展实验、降低实验成本，选取D为56 mm的EFP、1.0 mm/1.0 mm/1.0 mm和1.0 mm/1.5 mm/1.0 mm结构的ERA进行实验。

图1所示为实验所用EFP装药零部件照片[7]。其中：主装药采用密度1.72 g/cm3的JH-2炸药，装药长径比为0.8；药型罩采用等壁厚结构的球缺形紫铜罩，质量为58 g，壁厚为0.045 5D；壳体为45号钢，厚度为0.044 6D；EFP装药由8号电雷管起爆。

图2所示为采用脉冲X光摄影机拍摄的EFP图像[7]及采用有限元分析AUTODYN软件数值模拟的EFP形态图像。

由图2可见，EFP装药形成头部密实、尾部中空的杆式EFP，经测量其长度和直径分别为41.5 mm和12.8 mm，平均速度为2 150 m/s，在12.5D炸高下对45号钢的平均侵彻深度为47 mm(0.84D).

三明治结构的ERA长和宽分别为210 mm和145 mm. 面板和背板材料均为Q235钢，厚度均为1 mm，在面板上冲压出一定厚度，装填炸药后在四周用螺纹与背板连接。炸药层厚度分别为1.0 mm和1.5 mm. 将1.0 mm/1.0 mm/1.0 mm的结构称为ERA-1，1.0 mm/1.5 mm/1.0 mm的结构称为ERA-2.

图3所示为EFP与ERA相互作用的脉冲X光摄影实验装置示意图。ERA以斜置角θ放置于有机玻璃板粘接的托架上；EFP装药放置在托架正上方，弹轴线与ERA平面法线方向呈θ角；托架正下方放置45号钢主靶板，尺寸为350 mm×200 mm×40 mm.

装有ERA和EFP装药的托架放置于2台X光射线管与电子感光底片之间，2台射线管并排放置，接瑞典Scandiflash公司生产的450 kV高压脉冲发生器。在雷管底部放置触发探针，预先设置2个延期时间(t1和t2)，雷管起爆(t=0 μs)EFP装药后，2台射线管依次在t1和t2时刻释放X射线，从而将EFP与ERA相互作用图像记录在感光底片上。

2 实验结果

通过对ERA斜置角θ分别为0°、30°、45°、60°时EFP侵彻的脉冲X光摄影实验，获得了ERA与EFP相互作用图像及剩余EFP对主靶板的RDOP.

图4所示为EFP与ERA相互作用的脉冲X光照片。由图4可见，ERA均能被EFP起爆，其面板和背板在爆轰产物的驱动下沿面板法向飞散。通过计算得到ERA-1面板和背板平均飞散速度分别为806 m/s和824 m/s，ERA-2面板和背板平均飞散速度分别为1 028 m/s和962 m/s.

观察图4脉冲X光照片中的剩余EFP，可以看出，EFP穿过ERA后，头部由于与金属板撞击出现墩粗现象，呈现靴子形，圆柱部受面板侧向切割出现明显的内凹现象。ERA-1中，θ=45°时EFP头部变形较θ=30°时更严重，弯曲的部分断裂形成碎片。当EFP穿过θ=45°的ERA-2后，圆柱部整体受飞板切割，被剪切破坏的部分堆积在尾部，剩余EFP整体形状变为Z字形，使其在主靶板上的穿甲深度大幅降低。如表1所示为EFP穿过ERA后的特征参数表。

由表1可知，随着θ增大，剩余EFP呈轴向长度减小、径向长度增大的趋势，速度略微减小。

表1 剩余EFP特征参数表Tab.1 Characteristic parameters of residual EFPs

图5和图6所示分别为剩余EFP侵彻主靶板后的照片和RDOP随θ变化曲线。θ分别为0°、30°、45°、60°时，EFP穿过ERA-1的RDOP分别为0.56D、0.53D、0.52D和0.27D，穿过ERA-2的RDOP分别为0.52D、0.50D、0.43D和0.19D.

由图6可见，随着θ增大，RDOP呈非线性递减趋势，其中：θ分别为0°、30°时，RDOP基本不变；θ为30°～60°时，RDOP迅速下降；当炸药层厚度增大时，EFP的RDOP更小。

3 讨论与分析

为便于分析θ对EFP侵彻效应的影响特性，对相关参量作如下标记：

1)EFP穿过ERA后相对穿靶前的轴向长度相对变化量用ηa表示：

ηa=L/L0-1，

(1)

式中：L0为EFP初始长度；L为EFP穿过ERA后长度。由于EFP被墩粗，即L

2)EFP穿过ERA后相对穿靶前的径向长度相对变化量用ηr表示：

ηr=d/d0-1，

(2)

式中：d0为EFP初始直径；d为EFP被墩粗后直径，由于d>d0，故ηr为正值。

3)EFP穿过ERA后相对穿靶前的长径比相对变化量用η表示：

η=Ld0/dL0-1，

(3)

由于穿过ERA后长度变化大于直径变化，故η也为负值。

4)相对无ERA干扰时EFP的侵彻深度下降百分比称为相对侵彻深度下降百分比：

ξ=(1-PRDOP/P)×100%，

(4)

式中：PRDOP为RDOP；P为无ERA时的侵彻深度。

前期的研究结果表明[7]，ERA与EFP相互作用分为两个阶段：

1)EFP头部与面板和背板发生碰撞挤压，该阶段ERA与EFP相互作用力决定EFP头部镦粗的程度。根据撞击与侵彻力学理论，EFP头部受正应力与金属板材料力学特性参数和1/cosθ呈正相关，因此在该阶段EFP头部镦粗变形程度随θ增大而增大，如图7所示ηa随θ变化曲线证明了这一变化关系。

2)面板和背板受爆轰产物驱动沿法线方向飞散，EFP圆柱部分别受面板和背板的切割作用， ERA与EFP相互作用力决定EFP圆柱部剪切破坏程度。面板和背板与杆式侵彻体相互作用发生剪切破坏，面板和背板对EFP圆柱部的作用力F与其切割长度Δyi、金属板厚度δi和杆体的剪切强度σ呈正比[14]：

F=2Δyiδiσ，

(5)

式中：Δyi=vittanθ；i=p，b分别表示面板、背板；vi为金属板飞散速度；t为作用时间。故在该阶段，其他条件不变时，EFP圆柱部剪切破坏程度随θ增大而增长。

EFP头部镦粗变形与圆柱部剪切破坏共同决定了ηr. 由以上分析可进一步得出，ηr随θ增大而增大。图8所示为ηr与θ的关系曲线，从中可看出，ηr满足随θ增大而呈现正相关的变化趋势。

图9所示为η随θ变化曲线。由图9可看出，随着θ增大η呈非线性减小。其中：ERA-2结构在θ分别为0°、30°、45°、60°条件下，η分别减小达52%～86%. 从以上分析结果来看，剩余EFP的轴向长度减小、径向长度增大，导致长径比的减小幅度较大。

剩余EFP对主靶板的穿甲深度与EFP长径比、质量、速度和攻角等密切相关。根据脉冲X光摄影照片，EFP穿过ERA后头部被侵蚀，与穿过ERA前相比，不仅轴向长度减小、径向长度增大，而且有效质量还有较大损失。剩余EFP的速度较初始速度平均下降仅约8%. 脉冲X光摄影照片和在主靶板上的侵彻孔表明，EFP穿过ERA后基本无偏转。综上所述可知，EFP长径比的减小和有效质量的损失是ERA降低EFP侵彻效应的主要因素。

图10所示为ξ随θ变化曲线。由图10可看出，ERA对EFP侵彻效应有巨大影响，ξ随θ的变化趋势与η的变化趋势相对应。随着θ增大，ξ近似呈指数增长；当θ较小时，ξ变化缓慢。其中，ERA-2的θ分别为0°、30°时，ξ分别为38%和41%. 当θ较大时，ERA对EFP侵深的影响急剧增大。其中，ERA-2的θ从30°增大到60°时，ξ从41%迅速增大到77%，这与参考文献[10]中得到的侵彻深度下降77%一致。

由图10可见，当ERA炸药层厚度增加时，ξ增大。0.027D炸药层厚度的ERA使ξ较0.018D的ERA平均增长8%. 这是因为较厚炸药层的ERA爆炸后，背板飞散速度提高约20%，而EFP在背板飞散方向上的速度不变，由于EFP与背板同向追赶，根据EFP与ERA金属板作用时间理论[8]可知，EFP与背板的作用时间增大，在θ不变条件下，EFP剪切破坏程度加剧，导致其在靶板上的穿甲深度下降。