超空泡模型對固態介質侵徹及影響因素實驗研究

陳誠，袁緒龍，劉傳龍

（西北工業大學航海學院，陜西西安710072）

超空泡模型對固態介質侵徹及影響因素實驗研究

陳誠，袁緒龍，劉傳龍

（西北工業大學航海學院，陜西西安710072）

為了獲得超空泡模型對固態介質侵徹現象及相關力學特性的影響因素，采用實驗方法對侵徹速度、彈頭形狀、通氣等因素進行了研究。實驗采用空氣炮獲得模型侵徹固體介質的初速，利用高速攝像系統獲得直觀的超空泡生成過程圖像，通過圖像處理獲得侵徹過程運動參數。實驗首先在勻質固體中成功獲得超空泡模型侵徹現象，在此基礎上進行了侵徹速度與不同頭形的系列侵徹實驗，獲得了空泡形態、減速特性以及各影響因素的影響規律。借鑒水下通氣超空泡的概念，設計了通氣頭形，并進行了不同通氣量下的侵徹實驗，驗證了彈頭通氣有助于空泡生成的結論。

兵器科學與技術；超空泡；鉆地彈；侵徹

0　引言

鉆地彈依靠其強大的動能實現鉆進地下深處進而爆炸摧毀目標的效果，受到各國的高度重視，由此，鉆地彈鉆地深度不夠的問題日漸突出。鉆地彈在侵徹過程中由于直接與土壤、混凝土等接觸受到較大阻力，因此減小阻力成為提高彈體侵徹深度的有效途徑。在水下航行器運動速度足夠大時，在自然空化作用下形成包裹航行體的超空泡，由于空氣密度小，故航行體的摩擦阻力大大減小，利用超空泡效應可達到很好的減阻效果。目前國內外對水下超空泡減阻機理、鉆地武器動能侵徹機理等研究均相當成熟，通過二者有機結合，利用超空泡減阻效應提高鉆地武器的侵徹效能。開展不同彈頭形狀，不同侵徹速度與彈頭通氣的侵徹實驗，了解彈頭參數對生成超空泡的影響，為研發高性能鉆地武器提供基本條件。

為了更清楚地了解侵徹現象，許多學者利用空腔膨脹理論和不同的材料響應模型，分析了混凝土、巖石、土壤和金屬材料的侵徹問題，提出了諸多的侵徹模型［1-4］。在數值模擬和實驗方面，孫傳杰等［5］針對不同強度混凝土靶開展侵徹實驗，觀察不同頭形彈體侵徹混凝土靶的侵徹效應，探索彈體頭形的侵徹機理及侵徹性能。

徐英等［6］采用數值計算的方法研究了彈丸頭部形狀和長徑比對侵徹深度的影響，結果發現，相比圓錐形頭部的彈丸，半球形頭部的彈丸在侵徹半無限厚靶板時具有更大的侵徹深度，同時長徑比較大的彈丸雖然具有較強的穿透能力，但隨著長徑比的增大，對侵徹效果的影響逐漸減弱。高光發等［7］以長桿彈垂直侵徹半無限厚靶板為研究對象，分析了彈體最大侵徹深度與入射速度的關系，研究了彈體入射速度對侵徹最大深度的影響規律。Mayersak［8］在水箱和沙箱中針對不同的介質進行了侵徹實驗，提出了土壤動力學空泡的概念，證實了超空泡效應在沙土中的可行性。

本文在透明勻質固體中進行實驗，利用高速攝像機拍攝，不但可以觀測彈頭模型的侵徹效應，同時也可以更為直觀地得到彈頭參數對固體介質中空泡形態的影響，結合水中超空泡減阻機理進一步提高固體中彈頭的侵徹效能。以模型實驗為基本研究手段，進行變彈體發射速度，彈體頭形，通氣與否的實驗，對比分析彈體空泡形態與力學特性，給出彈頭參數對空泡形態的影響以及其力學特性變化。實驗所得結果可用來校驗模擬方法的可行性以及為研發高性能鉆地彈提供研究基礎。

1　實驗方法與裝置

1.1實驗方法

實驗采用空氣炮把模型射入透明的勻質固態介質內，用激光測速儀獲得模型射入固態介質前的速度，使用高速攝像觀測固態介質內是否生成超空泡，同時保持空氣炮發射與高速攝影的同步性，事后分析固態超空泡形態及模型鉆入固態介質的減速特性。模型入射速度80～200 m/s.實驗示意圖如圖1所示。

圖1　實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment

1.2實驗裝置

1.2.1實驗設備

本次實驗選用圖2所示φ25 mm口徑的空氣炮，其高壓室直徑為φ200 mm，長2 m，最大發射壓力1 MPa，發射管長4 m，發射速度范圍30～300 m/s.發射小口徑模型時，采用塑料彈托，管口配有脫殼器。

圖2　φ25 mm口徑空氣炮Fig.2 φ25 mm air cannon

采用PhantomV711高速攝像機進行拍攝分析，其最大分辨率為1 280×800，幀速率為7 530幀/s.采用非接觸式的激光測速系統，記錄兩路激光傳感器的電壓變化，人工分析彈頭速度以避免彈托碎片引起的誤差。

1.2.2實驗模型

設計編號為M1～M6的長40 mm、直徑為8 mm、長細比為5的6種不同頭形彈頭（見圖3（a）所示），模型代號與參數對應關系如表1所示。

表1　彈頭模型Tab.1 Warhead models

為進行彈頭通氣對侵徹形成超空泡的影響，借鑒水下帶空化器航行器的設計概念，設計了12 mm通氣模型（見圖3（b）所示），在彈頭前端安裝撞針，當受到劇烈撞擊時引燃彈體內火藥，實現通氣效果。

圖3　不同實驗模型Fig.3 Different experimental models

實驗過程中采用木質彈托裝載彈體，保證加速階段彈體與空氣炮管之間的氣密性與彈體的穩定性。

選用透明勻質材料制作試件，材料為107#室溫硫化橡膠，為了方便進行圖像處理分析，在試件的背面粘貼具有固定尺度的方格紙，如圖4中所示。

圖4　高速攝像視頻分析軟件Fig.4 Analysis software for high-speed camera

1.2.3觀測結果分析軟件

為了對高速攝影的實驗結果進行分析，專門為本次實驗編寫了分析軟件。軟件數據處理的方法如下：

1）讀入視頻，分解為幀序列。

2）顯示首幀圖像，使用鼠標選取試件像素高度，根據輸入的物理高度，計算得到圖像中每像素所代表的物理尺寸。

3）逐幀顯示侵徹過程，使用鼠標指示彈頭像素位置，換算成物理坐標，輸出到數據文件中，形成侵徹彈道曲線。

4）對彈道位移曲線進行平滑處理，對時間求導后獲得速度曲線。

5）同樣的方法可以獲得每一時刻模型尾部空泡直徑和固態透明介質試件指定位置空泡截面膨脹最大直徑和膨脹收縮時間，用于對比分析。

2　實驗結果

2.1超空泡模型對固體侵徹效應實驗驗證

通過高速攝像記錄模型射入固態介質的侵徹過程，彈頭侵入試件，形成橢球形空泡。與水下超空泡形態類似，彈頭在侵入試件任意截面的瞬間，向試件傳遞動量，彈頭所在切片上的材料獲得了法向動能向周圍運動，在該切片上形成空洞，各個切片連接起來就形成了入射超空泡，如圖5所示。模型尺寸為φ8 mm×40 mm，形成空泡長度為170 mm，最大截面尺寸為30 mm.此實驗證實了固態介質超空泡的存在。侵徹超空泡生成過程及其形態特征另文研究。

2.2侵徹速度對超空泡模型侵徹現象的影響

在同一彈頭外形和試件材料一定的情況下，通過改變空氣炮的發射壓力即改變彈頭入侵試件的初速，觀察超空泡形態，進行對比分析。采用編號為M1的圓柱體模型進行實驗，不同入射速度下，封閉空泡形態對比如圖6所示。結合空泡形態分析，彈頭外形和試件材料一定的情況下，當發射壓力為0.2 MPa、侵徹速度約130 m/s時在此固體介質中可以生成明顯超空泡；隨著入射速度增大，由表2可得，超空泡長度、直徑逐漸變大。

圖5　空泡形態Fig.5 Cavity shape

圖6　不同速度下空泡的閉合形態Fig.6 Closed forms of cavitation at different velocities

表2　回轉體空泡形態參數Tab.2 Cavity shape of cone-head rotary body

采用視頻分析軟件讀取彈體移動過程中位移數值，對其求導可得速度。圖7所示為彈體在侵入固體介質后其速度曲線。為定量表示彈頭以不同初速侵徹固體介質產生的空泡形態的關系，對實驗結果進行擬合（見表3），空泡直徑擬合公式為D′= 0.159 1v-1.904 7，擬合值與實驗值誤差均在10%以內，可得在本文研究范圍內固體侵徹過程中產生的空泡直徑正比于速度v.

圖7　模型速度-時間歷程Fig.7 Model velocity vs.time

表3　實驗數據擬合Tab.3 Fitting of experimental data

2.3彈頭形狀對超空泡模型侵徹現象的影響

6種彈頭的質量相同，因此在發射壓力均為0.4 MPa時具有相近的初始侵徹速度。空泡形態對比如圖8所示。

對比分析空泡形態可知，M1～M3構成一個頭形系列，前端面直徑分別為4 mm、2.66 mm、8 mm，比較其空泡形態可見，空泡長度接近，直徑隨前端面直徑增大而增大。M4～M6構成另一個頭形系列，空泡長度接近，半球頭空泡直徑最大，4 mm截頭橢球次之，2.66 mm截頭橢球最小。

圖9給出了6種頭形的速度-時間曲線。在小范圍內當侵徹速度一定時，圖中曲線斜率為彈體模型加速度。

式中：C為阻力系數；F為模型受力；ρ為介質密度；v為模型運動速度；S為模型最大橫截面積；m為模型質量。

根據（1）式當采用不同彈體外形進行實驗時，阻力系數基本與加速度呈正比。選取彈體侵徹過程中同一運動速度時的數據進行分析，發現柱體阻力系數最大，45°截頭錐、截頭橢球4 mm前端面和球頭柱體阻力特性依次減小，30°截頭錐較45°截頭錐阻力系數小，截頭橢球頭前端面減小有利于阻力特性的減小。

圖8　不同頭形彈頭空泡形態Fig.8 Cavity shapes of different models

2.4彈頭通氣對超空泡模型侵徹現象的影響

設計通氣彈模型，在模型頭部安裝撞針，當其受到猛烈撞擊后引燃火藥，氣體從模型頭部冒出，達到通氣的效果。根據裝藥量的不同進行不通氣、小通氣量、大通氣量實驗，空泡形態對比如圖10所示。

圖9　模型速度-時間曲線Fig.9 Model velocity vs.time

圖10　不同通氣量下空泡形態Fig.10 Cavity shapes with different ventilation

通氣的作用體現在，彈頭速度不能維持超空泡模型侵徹的條件下，向泡內通氣可以獲得較為飽滿的空泡，同時延緩空泡的潰滅，進而延長超空泡模型侵徹距離。進行不通氣、小通氣量、大通氣量下的實驗。根據實驗結果對比不同通氣量下空泡形態的差異，得出通氣的增大有助于空泡的生成。而對其更精確的描述有待進一步的研究。

水下航行器采用增加來流速度或增加空泡內壓力的方法降低空化數，從而促使生成超空泡。本文采用同樣研究方法進行，實驗結果顯示此兩種方法在固體介質中均有利于空泡的生成，表明在固體侵徹研究中一定范圍內可以借鑒水下超空泡航行體相關理論方法進行。

3　結論

目前國內對水下超空泡減阻機理、鉆地武器動能侵徹機理等研究均相當成熟，本文旨在為二者有機融合，研發高性能鉆地武器拋磚引玉。開展勻質固體超空泡模型侵徹效應實驗研究，進行固體超空泡模型侵徹效應實驗驗證，在此基礎上進一步開展侵徹速度、彈頭外形、彈頭通氣等參數對其力學特性的影響實驗，對固體中超空泡效應進一步了解。根據目前的實驗結果分析，初步結論如下：

1）當速度達到某一臨界值后，可以在勻質固體中生成超空泡模型侵徹現象。

2）彈頭外形一定時在硅膠試件中，當侵徹速度足夠高時在勻質固體中可以生成侵徹超空泡；入射速度越高生成的超空泡越長、直徑越大。

3）頭形系列對比實驗表明，柱體阻力系數最大，45°截頭錐、截頭橢球4 mm前端面和球頭阻力特性依次減小；減小截頭錐角度，截頭橢球前端面直徑均有利于使模型獲得更好的阻力特性。

4）彈頭外形、侵徹速度和試件材料一定的情況下，彈頭通氣有助于空泡的生成，通氣量越大空泡越飽滿，同時驗證了通氣可以延遲空泡的閉合。

國內針對固態介質超空泡問題的研究較少，本文的研究在固態介質中成功獲得超空泡生成與演化過程的清晰圖像。這些結果可為相關研究提供參考，同時這些成果也可為后續深入開展土壤等固體介質中超空泡生成問題的研究提供基礎。

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Experimental Investigation on the Supercavitation models Penetrating into Solid Medium and the Influence Factors

CHEN Cheng，YUAN Xu-long，LIU Chuan-long
（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，Shaanxi，China）

To obtain the supercavitation models penetrating into solid medium and the influence factors of mechanical properties，including the penetration velocity，penerator shape and ventilation，a series of experiments are carried out using a transparent silicone box.The penetrators are launched by air cannon，and the penetration processes are recorded by a high speed camera.The penetration velocity is obtained through image processing and analysis.In the first experiment，the penetration phenomenon of supercavitation models was successfully obtained.And then a series of experiments for different head-shapes of penetrators were carried out at different penetration speed.The effects of the influence factors on the supercavity profiles and the deceleration characteristics are analyzed.Referring to underwater ventilation supercavitation concept，a new penetrator whith ventilation is designed to test the supercavitating penetration under ventilation，which finally confirms that ventilation is benefit for the generation of supercavity and helps to prolong the penetration depth.

ordnance science and technology；supercavitation；earth penetrator；penetration

TJ630

A

1000-1093（2015）02-0299-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.016

2014-04-16

2013屆西北工業大學本科畢業設計（論文）重點扶持項目（2013年）

陳誠（1990—），男，碩士研究生。E-mail：840680497@qq.com；袁緒龍（1977—），男，副教授，碩士生導師。E-mail：yuanxulong@nwpu.edu.cn