小尺寸破片应用于单兵武器的适用性研究

贺金金，梁增友，任 凯，梁福地，苗春壮，刘 洋

(1.中北大学 机电工程学院，太原 030051； 2.晋西工业集团有限公司防务装备研究院，太原 030041；3 北方信息控制研究院集团有限公司，南京 210000)

现代战争中，步兵的作战目标不仅有敌军有生力量，还要面对运兵车、指挥车等一系列高价值轻型装甲目标，因此对兼具破甲、杀爆于一体的小口径单兵多功能战斗部的威力提出了更高的要求[1-3]。为此，国内外专家进行了大量的研究。王轩等[4]通过仿真模拟和枪击试验，研究了不同强度的铝合金靶板对不同着靶姿态下的立方体破片的防护性能；Pankaj等[5]通过数值模拟方法，研究了装药量和长径比对破片初速、飞散角的影响。以上研究均采用大尺寸破为研究对象，关于单兵防护装备对小尺寸破片的防护能力，以及小尺寸破片在小口径单兵武器上的应用，国内外少有研究。

本文通过试验方法，研究了φ2.6 mm、φ2.8 mm钨球和 3 mm 立方块钨块对Ⅲ级防弹衣的弹道极限。并通过数值模拟，在战斗部尺寸、结构不变的条件下，采用φ2.6 mm、φ2.8 mm钨球和3 mm立方块钨块三种预制破片，对40 mm多功能战斗部进行了仿真计算，对比了不同小尺寸破片在战斗部起爆后在8 m处的上靶情况和速度衰减情况，希望对单兵武器战斗部设计及应用提供指导。

1 试验

本次试验靶板采用Ⅲ级警用防弹衣，材料为凯夫拉；发射装置使用口径为12.7 mm的滑膛弹道枪；测速装置为NGL202-Z型六通道测速仪。试验场地及装置布置如图1所示。

图1 试验装置及布置图

各类型试验各进行6发弹道枪试验，试验数据见表1。弹道极限[6-8]V50为最小穿透速度和最大嵌入速度的平均值，所以我们计算得出对于Ⅲ级防弹衣靶板φ2.6 mm钨球的弹道极限为720.1 m/s，φ2.8 mm钨球的弹道极限为703.1 m/s，3 mm钨块的弹道极限为499.6 m/s。

表1 侵彻防弹衣试验数据

2 数值模拟

2.1 计算模型

所设计的多功能战斗部如图2所示，由炸药、药型罩、预制破片、壳体组成，药型罩采用偏心亚半球罩，战斗部直径为40 mm。使用TrueGrid软件建立有限元模型,模型采用8节点实体单元Solid164，并使用LS-DYNA软件进行计算[9]。

图2 不同方案战斗部仿真模型示意图

本次仿真计算拟对比3种不同预制破片类型对破片速度和飞散角的影响，故战斗部尺寸、结构不变只改变破片类型，装药质量为118 g，药型罩质量为21 g，战斗部质心离地高度为1.5 m。φ2.6 mm钨球方案，每层排列40枚，共15层破片，总计600枚，钨球总质量为94.2 g；φ2.8 mm钨球方案，每层排列38枚，共14层破片，总计532枚，钨球总质量为104.8 g；3 mm钨块方案，每层排列34枚，共12层破片，总计408枚，钨块总质量为188.5 g。

2.2 材料参数

药型罩材料为紫铜，状态方程为Gruneisen形式；炸药材料为8701，状态方程为JWL形式；破片的材料采用93W，材料类型为*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，材料参数[10]见表2～表4所示。表2～表4中R0为密度，G为剪切模量，A为静态屈服应力，B为应变硬化模量，N为应变硬化指数，C为应变率系数，M为热软化指数。JWL状态方程参数见表5。

表2 紫铜药型罩材料参数

表3 8701炸药材料参数

表4 钨合金的材料参数

表5 JWL状态方程参数

表5 钨块12 m处存速及杀伤比动能

3 仿真结果分析

3.1 破片类型对破片飞散的影响

仿真结果如图3～图4所示，主装药起爆后，爆轰波压垮药型罩形成杆式射流，预制破片由于受到主装药爆轰产物的强烈冲击，破片沿战斗部的径向方向向外扩张、飞散。主装药的爆轰作用结束后，破片继续沿战斗部的径向方向在空气中飞散，随着飞行距离增大，速度不断衰减。

图3 射流以及预制破片速度云图

图4 预制破片速度云图

根据仿真结果，对仿真数据进行处理，得出不同类型预制破片多功能战斗在装药起爆后5 ms的空间分布图和破片在8 mm处扇形靶分布图。当t=5 ms时，由破片空间分布图5可知，φ=2.6 mm钨球方案破片空间分布要优于φ=2.8 mm钨球和3 mm钨块方案，破片主要集中于0.5～1.5 m且破片速度较高，1.5～2.0 m空间范围有少量破片且破片速度较低。由破片在8 mm处扇形靶分布图可知，3种方案破片均主要集中于1～1.5 m扇形靶上，φ=2.6 mm钨球方案有少量破片分布于1.5～2.75 m。

图5 3种方案破片场分布和上靶情况图

3.2 破片类型对破片存速的影响

由仿真结果得出3种破片方案的破片初速，根据破片初速衰减公式：

其中：x为破片飞行距离；ρa为当地空气密度；CD为气动阻力系数；S为破片迎风面积。利用破片的速度衰减特性参数，对破片的速度衰减进行了理论计算，计算结果如图6～图8所示。

图6 φ2.6 mm钨球方案破片速度衰减曲线

图7 φ2.8 mm钨球方案破片速度衰曲线

图8 3 mm钨块方案破片速度衰减曲线

杀伤标准[11]指出：击穿动能需要78.4 J，但由于破片形状复杂，且飞行过程旋转，导致破片与目标是随机撞击，故用比动能来衡量其杀伤效应更为确切。有实验得到，穿透皮肤的最小着速(弹道极限)为50 m/s,侵入肌体2～3 cm，所需弹道极限在70 m/s以上，在惯用的杀伤标准中，对人员一般取比动能为160 J/cm2，擦伤皮肤的最小比动能为9.8 J/cm2。根据计算得出φ2.6 mm钨球、φ2.8 mm钨球和3 mm钨块方案对穿有Ⅲ级防弹衣的人体目标的有效杀伤速度最小值分别为791.52 m/s、771.10 m/s、585.70 m/s。

结合表5和图6～图7可以看出，φ2.6 mm钨球和φ2.8 mm钨球方案在8 m处的存速均大于穿有Ⅲ级防弹衣的人体目标的最小有效杀伤速度，3 mm钨块方案有1层破片不能满足要求。

4 结论

1) 通过弹道枪试验，得出了φ2.6 mm钨球、φ2.8 mm钨球、3 mm钨块对制式军用防弹衣的弹道极限分别为720.1 m/s、703.1 m/s、499.6 m/s。

2) 通过仿真计算可以得出，φ2.6 mm钨球和φ2.8 mm钨球方案在8 m处的存速均大于穿有Ⅲ级防弹衣的人体目标的有效杀伤速度最小值，3 mm钨块方案有1层破片不能满足要求。

3) 根据仿真结果我们可以得出，在装药结构基本不变的情况下，φ2.6 mm钨球方案战斗部质量均小于φ28 mm钨球和3 mm钨块方案，破片数量、8 m处存速、破片场分布以及上靶情况均优于φ28 mm钨球和3 mm钨块方案。