大質量高速動能彈侵徹鋼筋混凝土的實驗研究＊

汪 斌，曹仁義，譚多望

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621900）

高速侵徹戰斗部憑借高速度的優勢能夠對地下深埋、加固的重要軍事目標進行毀傷打擊。隨著高超聲速飛行器的迅速發展，高速侵徹戰斗部已經成為重要的發展方向［1］。由于高速飛行器的飛行速度很高，戰斗部對混凝土等典型地質材料進行侵徹時，彈靶之間的碰靶壓力很高，已經超出了目前常用金屬材料的強度極限，彈頭部分會發生失效、磨蝕現象。另一方面，由于混凝土的失效壓力很低，相對金屬失效壓力的吉帕量級，混凝土的失效壓力為幾十兆帕，因此需深入研究彈靶相互作用過程。開展高速侵徹實驗，利用實驗結果來綜合判定彈體和混凝土之間的相互作用過程，是研究金屬彈體侵徹混凝土的侵徹能力以及侵徹體可能產生的頭部磨蝕甚至彈體折斷、失效等高速侵徹現象最直接和有效的方法。

對高速彈體侵徹混凝土的機理，已開展了一定的實驗研究，M.J.Forrestal等［2－3］開展了彈頭形狀因子為3.00和4.25的2種頭部為卵形的彈體以1 300～1700m／s的速度侵徹強度為19.5MPa的混凝土的實驗。梁斌等［4］開展了先進鉆地彈概念彈的高速深侵徹縮比實驗，最高撞擊速度接近1 200m／s。武海軍等［5］開展了高速非正侵徹混凝土實驗，撞擊速度為800～1100m／s，獲得了一些高速侵徹的實驗數據。何翔等［6］開展了不同速度下，不同彈體結構高速侵徹混凝土實驗，探討了高速撞擊條件下彈體的侵徹能力、彈體侵徹穩定性、彈體變形和破壞等問題，揭示了混凝土中半流體侵徹階段的典型特征。

目前高速侵徹實驗的加載設備主要是高速火炮，采用次口徑加載技術，能夠將千克級彈丸加速到約1500m／s。由于縮比實驗存在尺度效應，通過縮比實驗只能發現和解決高速侵徹過程中的部分問題，特別是千克級彈丸的侵徹實驗，與實際戰斗部數百千克甚至上千千克質量相比，尺寸縮比達到1／10量級。Sandia國家實驗室在對數百次全尺寸戰斗部侵徹實驗和縮比侵徹實驗的結果進行分析的基礎上，提出侵徹類戰斗部的縮比實驗尺寸必須大于真實尺寸的1／3～1／4，才能得到較可信的實驗結果［7］。

本文中利用口徑為320mm的平衡炮，采用次口徑加載技術，將直徑為136mm、長度為680mm、質量為52kg的金屬彈體，加速到1 300m／s，實現正常高速侵徹，回收彈體，分析其結構變形情況。

1 實 驗

1.1 彈體設計

圖1 高速侵徹彈體Fig.1 High－velocity penetrator

圖2 鋼筋混凝土靶Fig.2 Reinforced concrete target

圖3 口徑為320mm的平衡炮Fig.3 The 320－mm－caliber Davis gun

圖4 侵徹實驗布局Fig.4 Layout of penetration experiment

高速侵徹彈主要由殼體、炸藥模擬件和后端蓋構成。實驗件長度為680mm，中段直徑為136mm，彈體長徑比為5，距尾部端面50mm長度內的直徑為144mm，頭部曲徑比為3，彈體裝填比為0.1。實驗件總質量約為52kg，質心距頭部端面約350mm，加工后的彈體實物見圖1。

1.2 靶 標

實驗靶標由6塊尺寸為3.0m×3.0m×1.0m的C35鋼筋混凝土組合而成，鋼筋混凝土的截面配筋率為0.5%。在1300m／s的侵徹速度條件下，根據 C.W.Young公式［7］計算得到的侵徹深度為5.8m，實驗靶標如圖2所示。

1.3 加載技術

對大質量彈丸的加載可采用口徑為320mm的平衡炮，該炮具有無后坐力、加載能力強的優點。利用平衡炮采用次口徑加載技術，可以將質量為50kg級的彈丸加速到1 300m／s，彈體飛行姿態穩定，無明顯攻角。

1.4 實驗布局

高速彈體侵徹混凝土靶標的布局示意圖如圖4所示，混凝土靶標距離平衡炮彈體出口為15.2m。在距離炮口11m的位置安裝4個斷絲靶網，用于測量彈體碰靶過程的速度。2臺數字式高速相機位于平衡炮側面，分別記錄彈體的飛行全過程圖像和彈體著靶過程圖像。

2 實驗結果及分析

2.1 彈體飛行參數

實驗中斷絲靶網測試系統測得的實驗彈飛行速度為1305m／s，從高速攝影上判讀得到的實驗彈飛行速度為1310m／s，與預估彈速1300m／s基本一致。高速侵徹實驗彈著靶狀態為正碰，由于次口徑技術采用的部分材料在彈體飛行過程中破碎霧化，不能對彈體的著靶狀態進行精確判讀，從高速錄像上分析，著靶攻角小于2°。

圖5 彈體飛行過程圖像Fig.5 Pictures of the penetrator in the process of the flight

2.2 彈體的侵徹能力

高速彈體侵徹6層混凝土靶標后，混凝土結構未發生明顯破壞，如圖6所示。在靶板正面，受到次口徑推板的撞擊影響，靶板正面產生一個較大凹坑。彈體在穿靶過程中，其穿靶位置發生明顯變化，彈體從靶板正中心進入，從后靶板較低的位置處穿出，如圖6（b）所示。高速錄像判讀的彈體穿出后飛行速度在260m／s左右，說明彈體的實際侵徹能力比用C.W.Young公式預估的更強。

圖6 混凝土靶標的破壞情況Fig.6 Damage of target

2.3 彈體的狀態

實驗后回收的彈體如圖7所示，從圖中可以看出，彈體結構保持完整，頭部存在墩粗現象。初步判斷，在1 300m／s的侵徹速度條件下，鋼筋混凝土對彈體頭部的侵蝕現象不明顯。設計的彈體結構基本能夠在1 300m／s的侵徹速度下保持完整。

圖7 回收實驗彈Fig.7 Recovered penetrator

實驗前后彈體的狀態參數分別為：侵徹速度，1300m／s；實驗前彈體質量，47.05kg；實驗后彈體質量，46.14kg；質量損失，1.1%；實驗前彈體長度，680mm；實驗后彈體長度，675mm；長度變化，0.73%。由此可知，彈體存在一定的質量損失，但質量損失不明顯，說明高速侵徹過程中彈體的侵蝕現象不明顯。彈體長度發生一定變化主要是由彈體頭部的墩粗現象造成的。總地說來，在1 300m／s的侵徹速度條件下，設計的彈體結構合理，經受住了高速侵徹過程的考驗。

2.4 實驗結果討論

C.W.Young［7］給出的侵徹深度經驗公式為

式中：k為侵徹系數，在鋼筋混凝土條件下為1.8×10－5；S是靶的可侵徹性，鋼筋混凝土條件下為0.9；N為頭部形狀系數，W／A為截面密度，v為碰靶速度，m／s。

式（1）的適用范圍為：彈體質量大于2kg，侵徹速度為61～1330m／s。本文中按照經驗公式，對彈體的侵徹能力進行了預估，計算結果為5.8m。實驗時發現，彈體侵徹6m厚的鋼筋混凝土后剩余速度為260m／s。按式（1）計算，在260m／s的侵徹速度條件下，彈體還能侵徹1m厚的鋼筋混凝土，即在1 300m／s的侵徹速度條件下，設計的動能鉆地彈能夠侵徹7m厚的鋼筋混凝土。

根據量綱分析理論［7］，公式（1）中的參數除W／A不能按照尺寸結構進行縮比外，其他均可以進行縮比。C.W.Young［7］指出，截面密度W／A沒有縮比性，如按幾何縮比，W／A比原值大，過載改變；如按W／A縮比，殼體應力改變，不能真實反映殼體強度、炸藥安定性，可能掩蓋長脈沖作用下的一些現象。另外，混凝土屬于脆性材料，沖擊響應特性復雜，混凝土材料本身存在損傷、空化、界面等現象，難以縮比。因此，C.W.Youg［7］建議彈體的縮比不能夠超過設計尺寸的1／3～1／4。

本文中利用梁斌等［4］的高速侵徹實驗結果和本文的實驗結果進行量綱分析和縮比理論驗證。2種實驗的戰斗部結構尺寸基本相同，侵徹體的幾何縮比L為3.2，截面密度W／A縮比為3.8，按照式（1）對侵徹深度D的預估，在1300m／s的速度條件下，

式中：Df為實際侵徹深度，Ds為縮比侵徹深度。

對梁斌等［4］在1200m／s的侵徹速度條件下，質量為1.5kg的彈體按1.5m的侵徹深度進行外推得到質量為50kg的彈體在1 200m／s的侵徹速度條件下的侵徹深度應為12m。本文中實驗彈體在1300m／s的速度條件下，侵徹深度約為7m，遠低于按照縮比理論給出的侵徹深度。因此，從較小尺度的縮比實驗結果，采用量綱分析原理進行外推，存在一定的不確定性，同時驗證了C.W.Young［7］提出的縮比尺寸不能過大的理論。

3 結 論

（1）采用合適的次口徑發射技術，利用口徑為320mm的平衡炮能夠將質量為50kg級的侵徹體發射速度提高到1300m／s，侵徹彈體姿態穩定，無明顯攻角。

（2）實驗回收的彈體無明顯變形和破壞，說明本文中設計的彈體結構能夠承受1300m／s的正侵徹過載。

（3）彈體在侵徹過程中無明顯的質量損失，在1300m／s的侵徹條件下，彈體的侵蝕現象不明顯。

（4）彈體頭部有一定的墩粗現象，需要進一步分析彈體頭部變形對其侵徹能力的影響。

［1］Kroshl W M，Pandolfini P P.Affordability analysis for DARPA programs［J］.Johns Hopkins APL Technical Digest，2000，21（3）：438－447.

［2］Forrestal M J，Altman B S，Cargile J D，et al.An empirical equation for penetration depth of ogive－nose projectiles into concrete targets［J］.International Journal of Impact Engineering，1994，15（4）：395－405.

［3］Forrestal M J，Frew D J，Hanchak S J，et al.Penetration of grout and concrete targets with ogive－nose steel projectiles［J］.International Journal of Impact Engineering，1996，18（5）：465－476.

［4］梁斌，陳小偉，姬永強，等.先進鉆地彈概念彈的次口徑高速深侵徹實驗研究［J］.爆炸與沖擊，2008，28（1）：1－9.Liang Bin，Chen Xiao－wei，Ji Yong－qiang，et al.Experimental study on deep penetration of reduced－scale advanced earth penetrating weapon［J］.Explosion and Shock Waves，2008，28（1）：1－9.

［5］武海軍，黃風雷，王一楠.高速彈體非正侵徹混凝土試驗研究［C］∥第八屆全國爆炸力學學術會議論文集.2007：488－494.

［6］何翔，徐翔云，孫桂娟，等.彈體高速侵徹混凝土的效應實驗［J］.爆炸與沖擊，2010，30（1）：1－6.He Xiang，Xu Xiang－yun，Sun Gui－juan，et al.Experimental investigation on projectiles’high－velocity penetration into concrete targets［J］.Explosion and Shock Waves，2010，30（1）：1－6.

［7］Young C W.Penetration equations［R］.SAND97－2426，1997.