杆式穿甲弹对多层间隔薄板横向破坏效应的研究

2022-04-01焦延博罗文敏徐颖新

弹箭与制导学报 2022年1期

焦延博, 罗文敏, 徐颖新

(宜春先锋军工机械有限公司, 江西宜春 336000)

0 引言

防空、反导任务中，小口径高射炮能够弥补导弹对空中目标射击的拦截死区，是低空防御必不可少的武器。杆式穿甲弹的存速能力强，着靶比动能大。与旋转稳定脱壳穿甲弹相比，其穿甲厚度一般高出20%～30%。杆式穿甲弹可有效击穿导弹战斗部壳体和武装直升机装甲，对硬目标和半硬目标具有优异的纵向侵彻破坏特征，但由于横向破坏特征有限，导致装甲后毁伤效果不够理想。

近些年，关于穿甲弹的破坏效能研究逐步从提高着靶速度、增加钨芯长径比向扩大终点效应发展，出现了易碎脱壳穿甲弹和含能破片。易碎钨芯在穿过目标装甲后产生相当于钨芯质量30%～40%的碎块，在离心力作用下，形成锥形碎块束，对目标的横向破坏起到促进作用。但因易碎钨芯“抗压而不抗拉”的力学特性不适应杆式穿甲弹在发射过程中的受力环境，加上杆式穿甲弹无法赋予碎块足够的离心力并形成大范围碎块束，目前服役的易碎脱壳穿甲弹多采用旋转稳定方式。国内外大量试验证明，含能破片能在比普通破片低得多的速度下引燃、引爆装药战斗部，反应产生的能量可对目标内部结构进行毁伤，如含能破片会对电路造成严重退化，且其反应产生的碳化物质能使电子元器件短路，反应产生的高温能对人员和元器件造成烧蚀损伤等。

为实现杆式穿甲弹同时具有穿甲弹纵向侵彻与爆破榴弹横向破坏特征，提出了一种将普通钨芯、易碎钨芯和含能破片组合使用的复合钨芯结构，开展了理论分析和验证试验，并对这种复合钨芯的破坏效能进行了研究。

1 理论分析

1.1 含能破片释能分析

对含能破片作用机制的研究表明，降低含能破片发生释能反应时的能量阀值并可提高释能反应的充分程度的措施主要有：

1)减小含能破片壳体头部厚度有利于减小冲击波在壳体内部的衰减；2)增加含能破片直径有利于增加破片在目标内部的冲击能量；3)增加含能破片的长径比、壳体材料密度有利于降低发生反应所需的临界冲击速度；4)与圆头含能破片相比，平头破片发生释能反应时的临界冲击速度较低。

对含能破片冲击薄靶释能时间的研究表明，通过调整壳体厚度可实现对含能破片释能时间的控制，使其适时释能，增加有效毁伤能力。

1.2 易碎钨芯段PELE效应分析

由于全易碎钨芯不适应杆式穿甲弹发射过程的高过载，因此将易碎钨芯与普通钨芯段通过过渡段烧结成一体，通过坯料成分配比和烧结工艺控制过渡段的力学性能呈梯状化，令其前段具备易碎特性，中、后段保留韧性与强度。易碎段钨芯中空,内部装填含能破片并形成PELE结构。该段的长径比对横向破坏效应具有一定影响。当长径比较大时，比动能较大，击穿多层薄靶板后的剩余速度也较大，但当长径比增加到一定程度后，侵彻多层薄靶板后的余速增量逐渐不明显，充塞变形无法充分覆盖PELE内芯，横向效应仅发生在头部高压区；当长径比较小时，整个易碎段都能发生横向效应，但由于比动能较小，其整体侵彻能力会有所下降。综合上述分析，易碎段的长径比取4∶1～6∶1为宜。

1.3 复合钨芯主要参数

根据杆式穿甲弹设计理论和易碎穿甲钨芯破碎机理，对普通钨芯、易碎钨芯和含能破片的主要参数进行匹配。

1.3.1 产生碎块束的临界冲击速度

易碎钨芯发生拉伸断裂时临界速度应满足：

(1)

式中:为钨芯材料的动态断裂极限;和分别为靶板和钨芯材料密度;和分别为靶板和钨芯材料的弹性波速;为相互剪切运动的靶板长度;通常取靶板材料静态剪切强度的2～3倍；为靶板塞块直径。

132 含能破片发生释能反应的临界冲击速度

根据驻点起爆理论和射弹冲击裸装炸药引爆临界条件，忽略粒子速度与能量在含能破片壳体(易碎钨合金壳体)中的衰减，含能破片释能反应临界冲击速度可表示为：

(2)

(3)

(4)

式中：为冲击引爆常数；为钨芯直径；为含能破片粒子速度；为含能破片密度；为弹靶撞击时的相对速度。

常见炸药冲击引爆常数见表1。

表1 常见炸药冲击引爆常数

133 含能破片释能量

含能破片释能反应时作用于密闭空间中的化学反应能为：

(5)

式中:为含能破片释放化学能的作用空间体积;为含能破片各组分质量;为各组分化学反应释放的能量。常见含能破片的质量密度、能量密度见表2。

表2 含能破片化学能量密度

134 钨芯易碎段长度

复合钨芯的易碎段长度由以下关系确定：

(6)

--≥0

(7)

≤min(,p)

(8)

式中:为钨芯材料弹性模量;为钨芯直径;为弹头部长度;为钨芯易碎段截面上的最大应力;为钨芯承受的压杆临界应力；p为钨芯材料比例极限。

2 验证试验

2.1 试验方法

使钨芯(见图1)以1 000 m/s速度撞击靶标(见图2)。靶标1(见图3)由多层铝板和装甲靶板组成,模拟迎头击中导弹战斗部，用于检验复合钨芯的破片束破坏效果。靶标2(见图4)由钢制圆筒、铝板和低碳钢板组成，模拟设备舱，内置压力传感器，用于测量筒内相对大气压的压力差值。

图1 易碎钨芯和复合钨芯示意图

图2 试验布置示意图

图3 靶标1结构示意图

图4 靶标2结构示意图

2.2 试验结果分析

2.2.1 碎块束破坏效果

试验后统计钨芯在多层铝板上的穿孔情况：普通钨芯穿孔特征单一，穿孔形状较为规则，每张板上只有一个穿孔，穿孔短轴尺寸为10～12(见图5)；易碎钨芯在第5层铝板处开始出现碎块束破坏效果，但整个过程碎块分散角较小，第7层铝板穿孔长轴尺寸为4～6(见图6)；复合钨芯的含能破片在第2层铝板处开始发生释能反应(见图7)，在第3层铝板处开始出现易碎钨芯碎块束，随着释能反应充分度的提高，碎块束的分散角相应增加，钨芯的破坏范围逐渐扩大，最大穿孔出现在第5～第6层铝板，长轴尺寸为10～16，钨芯主体击穿装甲靶板(见图8)。

图5 普通钨芯对靶标1的破坏效果

图6 易碎钨芯对靶标1的破坏效果

图7 复合钨芯释能效果

图8 复合钨芯对靶标1的破坏效果

试验结果表明，复合钨芯碎块束对该靶标的横向破坏范围大于易碎钨芯。原因主要有两个：1)复合钨芯具有PELE结构，在击穿多层薄靶板的过程中，含能破片的膨胀作用有助于降低易碎钨芯发生破碎时的临界冲击速度，因此在同样冲击速度下，复合钨芯较易碎钨芯发生破碎的部分更多且破碎更充分。2)由于通过尾翼提供稳定力矩的杆式穿甲弹不具备旋转稳定穿甲弹的高转速，杆式穿甲弹易碎钨芯产生的碎块因离心力不足在短时间内仍无法分散到较大的区域内；而复合钨芯产生的碎块在含能破片释能反应的冲击作用下能够获得较大的径向加速度速度，此时即使没有足够的离心力，碎块仍可以获得较大的分散角度。

另外横向破坏效果还受到“协同”效应的影响，“寄生”效应的存在使部分碎块保存了能量，提高了碎块束整体的侵彻能力。许多碎块同时撞击目标靶板产生的效应要比等数量碎块分别命中目标靶板产生的效果更大，这就是多重碎块的“协同”效应。“协同”效应的存在，在多层间隔目标中会产生更大的横向破坏作用。

质量相同、初始撞击速度接近的普通钨芯、易碎钨芯和复合钨芯对同一靶标的整体破坏效果如表3、图9和图10所示。

表3 横向破坏效应对比

碎块束的破坏系数定义为多层铝板的穿孔总面积与钨芯圆柱部断面面积之比，近似表示为：

(9)

式中:为铝板的层数;为每一块铝板上破片穿孔的数量;为破片穿孔近似为矩形后的长度;为破片穿孔近似为矩形后的宽度;为飞行弹体的直径。通常认为破坏系数超过140即可对军用飞行器造成中度毁伤，使其不能完成预定作战使命，当破坏系数超过300后，可对目标造成重度毁伤或摧毁的打击效果。

图9 各层穿孔面积

图10 各层穿孔数量

易碎弹芯产生碎块较晚，单层铝板最大穿孔数较少，最大穿孔面积较小，因此整体破坏系数较低。对碎块产生机制分析可知，易碎弹芯的碎块总量少于复合弹芯。靶标2的第1层与第7层铝板之间的间距约为1.5 m，复合钨芯的碎块束穿过第6层铝板后基本全部破碎、动能消耗殆尽，解决了碎块束侵彻能力有余而横向破坏作用不足的问题。在产品设计中，可通过调整易碎段的长度、力学性能实现对不同强度和间距的多层靶实现该作用效果，但是由于整体重量的限制，增加易碎段长度必然影响到普通钨芯段对装甲钢板的侵彻深度。

2.2.2 反应产物的超压破坏效果

在靶标2内部使用铝板将筒内空间分隔成4个独立舱室，在入射方向上顺序编为Ⅰ号～Ⅳ号，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ舱室分别设置压力传感器，编为1号～3号。通过高速摄像视频和压力传感器读数发现，复合钨芯击穿靶标2后，易碎段弹芯的碎块束将隔层和蒙皮撕裂，留在靶标内部的含能破片继续发生释能反应(见图11)；靶标内部气压相对大气压急剧增加了3倍～4倍，随后产生一个负压差,约为1倍大气压(见图12)。

图11 靶标2试验情况

图12 靶标2内部压力曲线

含能破片在壳体的保护下穿过前端盖，弹芯的易碎段在侵彻过程中不断破碎，含能破片释能反应被激活，钨芯主体击穿整个目标后，含能破片留在目标内部持续作用，反应产物使目标内部的压力和温度骤增。位于Ⅲ号舱室的2号传感器读数略高于位于Ⅱ号舱室的1号传感器，但压力衰减相对更快。造成这种现象的原因是含能破片在Ⅲ号舱室的释能反应更加充分，但易碎钨合金对靶标隔层和端盖造成的穿孔面积也在不断增加，因此压力峰值和衰减速度均相对较大。压力急剧变化引发的强震、释能反应造成的烧蚀、易碎钨合金破片的大面积冲击，在这些效应的综合作用下，对舱内的电子元器件、各类机构和蒙皮造成了显著的毁伤效果。