刻槽彈體旋轉侵徹混凝土效應試驗研究

龐春旭，何勇，沈曉軍，張先鋒，李文彬，郭磊，潘緒超

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

刻槽彈體旋轉侵徹混凝土效應試驗研究

龐春旭，何勇，沈曉軍，張先鋒，李文彬，郭磊，潘緒超

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

為研究刻槽彈體旋轉侵徹混凝土靶的侵徹性能，利用14.5 mm滑膛槍發射平臺，進行了非旋轉的卵形彈體與刻槽彈體侵徹砂漿混凝土靶試驗研究，同時利用14.5 mm線膛槍發射平臺，進行了旋轉的卵形彈體和刻槽彈體侵徹砂漿混凝土靶和石灰石混凝土靶試驗研究。兩種發射平臺對比試驗結果表明：采用卵形彈體頭部刻槽和旋轉侵徹的方法，使對混凝土目標的破壞從單一的擠壓破壞變為擠壓與環向剪切聯合作用的破壞模式，達到了減少軸向阻力和提高侵徹威力的作用；相比于砂漿混凝土靶，石灰石混凝土靶具有較強的抗侵徹能力。

兵器科學與技術；侵徹；旋轉；刻槽彈體；試驗研究

0　引言

長期以來，武器研發人員一直通過增加彈體質量、提高彈體末端速度等方法增加其動能，通過擠壓、膨脹效應來提高動能侵徹武器的侵徹深度，效果并不是十分理想。本文試圖采用在彈體頭部刻槽的方法，利用彈體的軸向沖擊侵徹和環向旋轉時刻槽對目標的剪切聯合作用，改變目標的受力狀態和破壞形式，在較小的動能條件下，達到提高侵徹深度的目標。

近來國內外學者對刻槽彈體的侵徹性能和彈體的旋轉侵徹作用過程開展了部分研究工作。陳小偉等［1］、梁斌等［2］提出了先進鉆地彈概念彈，該彈體采用了刻槽結構，在彈體中后段采用了變壁厚六花瓣刻槽，利用100 mm滑膛炮和次口徑發射技術，進行了直徑30 mm和45 mm的兩種刻槽彈體侵徹混凝土靶試驗研究，結果表明彈體圓柱部刻槽對提高彈體穿深方面沒有明顯的優勢，但可提高彈體侵徹彈道穩定性。張欣欣等［3］、ZHANG等［4］對上述圓柱部刻槽彈體侵徹混凝土試驗結果和物理現象進行了分析，利用混凝土材料的動態球形空腔膨脹理論，對刻槽彈體侵徹混凝土的機理進行了研究，提出了針對刻槽彈體的低速花瓣形侵徹模型和高速圓孔形侵徹模型。李曉杰等［5］對高速旋轉彈頭侵徹運動金屬薄板進行了數值模擬研究，研究表明高速旋轉可以提高侵徹金屬薄板過程的彈道穩定性。趙子龍等［6-7］對長桿彈侵徹半無限厚土的旋轉效應和侵徹混凝土靶應力波傳播特性進行了研究。潘緒超等［8-9］利用鉆頭代替彈體對旋轉助推鉆地彈侵徹混凝土靶和靜態旋轉侵徹混凝土靶進行了試驗和仿真研究。范少博等［10］在傳統彈體外表面加工了直槽和螺旋溝槽，并對這種帶溝槽彈體侵徹混凝土目標進行了仿真和試驗驗證。研究表明，帶溝槽彈體在侵徹過程中產生自轉，實現了對目標的剪切破壞，可以有效提高彈體的侵徹威力。以上研究表明，旋轉和刻槽對彈體的侵徹性能有著重要影響，但還缺乏動態系統試驗驗證。

基于此，本文首先設計滿足旋轉試驗和非旋轉試驗要求的卵形和刻槽彈體，分別利用14.5 mm線膛槍和14.5 mm滑膛槍平臺，開展旋轉和非旋轉卵形彈體和刻槽彈體侵徹混凝土靶的對比試驗，通過試驗研究旋轉和刻槽對彈體侵徹性能的影響，為刻槽彈體旋轉侵徹類戰斗部的設計提供參考。

1　試驗方案

1.1試驗彈狀態

彈體結構對彈體的侵徹性能有著重要影響，國內外學者一直嘗試通過改變彈體頭部形狀來提高彈體的侵徹性能［2，11］，本文設計了侵徹戰斗部中比較常用的卵形彈體，在卵形彈體基礎上又設計了兩種刻槽彈體，分別為直槽彈體和U形槽彈體，試驗用彈體分為非旋轉侵徹彈體和旋轉侵徹彈體兩類。

非旋轉侵徹試驗用彈體由彈頭和彈底兩部份構成，如圖1所示。試驗采用卵形彈體和直槽彈體兩種，直槽彈體為非對稱結構，是在卵形彈體頭部加工4個切削槽，刻槽有5°前角，刻槽深度最大2 mm.彈頭和彈底材料選用30CrMnSi，硬度45～50 HRC，彈體頭部系數CRH為3.45.彈徑14.5 mm，彈頭和彈底螺紋連接，全彈長62.5 mm，彈質量約60 g.

圖1　非旋轉試驗用彈體Fig.1 Projectiles for non-rotating experiment

旋轉侵徹試驗用彈體由彈頭、彈帶和彈底三部分構成，如圖2（a）所示。彈頭與彈底材料選用30CrMnSi，硬度45～50 HRC，彈帶材料為紫銅，彈徑14.5 mm，彈體頭部系數CRH為3.45.彈帶壓到彈頭上，彈底與彈體螺紋連接。旋轉試驗用直槽彈體刻槽結構與非旋轉試驗用直槽彈體的刻槽結構一致，U形槽彈體是在卵形彈體頭部加工4個U形槽，彈體為對稱結構，兩種刻槽彈體的刻槽深度最大2 mm.圖2（b）和圖2（c）分別為試驗彈體和全備彈實物。所有彈體通過配重后，質量誤差不大于1 g.

1.2混凝土靶體

根據文獻［2］與文獻［11］描述，混凝土骨料對彈體侵徹性能影響顯著，本文試驗選用兩種混凝土靶。一種粗骨料為石灰石骨料，平均粒徑5 mm，水泥采用PO42.5級普通硅酸鹽水泥，細骨料為石英石中粗砂，水泥、砂、粗骨料和水的質量按1∶1.2∶2.2∶0.4配比。另一種不含粗骨料，細骨料為石英石中粗砂，水泥、砂和水的質量按1∶1∶0.35配比。如圖3所示，靶體有φ300 mm×250 mm和φ300 mm× 200 mm兩種尺寸，外圍用3 mm厚鋼板箍緊，靶體直徑與彈徑之比大于20，可以忽略靶體邊界的影響，靶體標準養護28 d，在澆注兩種混凝土靶時分別加工了3個抗壓試塊，尺寸為150 mm×150 mm× 150 mm，其澆注和養護均按照標準規范執行，經過混凝土靜態力學性能測試，含粗骨料混凝土靶的平均抗壓強度為45 MPa，砂漿混凝土靶的平均抗壓強度為46 MPa.

圖2　旋轉試驗用彈體Fig.2 Projectiles for rotating experiment

1.3試驗布局及方法

以14.5 mm滑膛槍作為加速平臺，進行非旋轉侵徹砂漿混凝土靶試驗，以14.5 mm線膛彈道槍作為加速平臺，進行旋轉侵徹砂漿混凝土靶和含粗骨料混凝土靶試驗。試驗現場布置如圖4所示，發射藥采用5/7火藥，通過調節發射藥量來控制彈體的著靶速度，用雙通道測試儀測量彈體著靶速度。

圖3　試驗用靶體Fig.3 Concrete targets

圖4　試驗現場布置Fig.4 Experimental layout

彈體的轉速近似用下式表示［12］：

式中：n為彈體轉速（r/s）；v為初速（m/s）；η為膛線纏度；d為口徑（m）.這里d=0.0145 m，η=29.

2　試驗結果

分別進行了非旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶、旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶和旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶等3種試驗。

2.1非旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶試驗

非旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶試驗采用口徑14.5 mm滑膛槍發射卵形彈體和直槽彈體，考察刻槽彈體的侵徹深度、靶體和彈體的破壞情況。在著靶速度540～670 m/s范圍內，共進行了6發試驗，試驗結果如表1所示。

表1　非旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶試驗結果Tab.1 Experimental results of penetration of non-rotating projectiles into mortar concrete

2.2旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶試驗

旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶試驗采用口徑14.5 mm線膛槍，在著靶速度430～730 m/s范圍內，進行卵形彈體、直槽彈體和U形槽彈體旋轉侵徹砂漿混凝土靶對比試驗，通過試驗考核不同頭形彈體的侵徹性能。共進行了18發試驗，按照發射藥量不同分別進行了6組試驗，每組包括1發卵形彈體、1發直槽彈體和1發U形槽彈體，試驗結果如表2所示。

表2　旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶試驗結果Tab.2 Experimental results of penetration of rotatingprojectiles into mortar concrete

2.3旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶試驗

旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶試驗彈體選用卵形彈體和直槽彈體兩種彈體，采用14.5 mm線膛槍發射，共進行17發試驗，通過試驗考察旋轉的刻槽彈體和卵形彈體的侵徹深度、靶體和彈體的破壞情況。表3給出了試驗得到的速度和侵徹深度的測試結果。其中第16發和17發采用的是250 mm和200 mm兩個靶體合在一起的分層靶，2發試驗均穿透了第1層靶，侵徹深度為兩個靶上侵徹深度之和。

表3　旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶試驗結果Tab.3 Experimental results of penetration of rotating projectiles into concrete with coarse aggregate

3　試驗結果分析

3.1靶體破壞

圖5為試驗后靶體破壞情況，彈體撞擊靶體后，靶體正面具有典型的高速撞擊表面漏斗開坑形狀，如圖5（a）所示，形成了相對于彈著點基本對稱的彈坑區和分布均勻的徑向裂紋，裂紋一直延伸到靶體邊界。圖5（b）為剝掉鋼箍后的靶體破壞情況，可以觀察到彈體撞擊靶體有環向和與軸向平行的裂紋。

圖5 靶體破壞情況Fig.5 Damage effects of targets

圖6為旋轉侵徹砂漿混凝土靶時的形成隧道，通過觀察發現，隧道內壁有4條螺旋形分布的刻痕，表明刻槽彈體在旋轉侵徹時對靶體材料產生擠壓和切削聯合作用，通過對混凝土擠壓和切削聯合作用，改變了靶體材料的受力方向，從而減小了彈體的阻力，達到了提高侵徹能力的效果。

圖6　靶體剖開后隧道形態Fig.6 Tunnel morphology of cleaved target

3.2彈體破壞

圖7為解剖靶體后回收到的彈體，由于在侵徹過程中彈靶接觸面上劇烈的相互作用，產生很大慣性力和強烈的摩擦效應，引起彈體升溫，高溫使彈道周圍粉碎的混凝土粉末在彈體表面形成包裹層。進一步觀察回收到的彈體，試驗后的彈體保持完整，彈體沒有明顯的變形，彈帶上有膛線刻痕，刻槽彈體刻槽結構的棱角處磨蝕較明顯，基本變成光滑的圓角。侵徹含粗骨料的混凝土靶彈體磨蝕較大，彈體上和彈帶上有螺旋形的刮痕，表明彈體對靶體產生了旋轉侵徹作用。

3.3侵徹深度

圖8為非旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶侵徹深度的對比。從圖8可以看出，著靶速度在540～670 m/s范圍內，直槽彈體的侵深高于卵形彈體的侵深，在發射藥量為13 g、16 g和19 g時，侵深分別提高為6.8%、5.1%和7.9%.非旋轉彈體侵徹砂漿靶試驗表明，由于彈體頭部的刻槽結構相當于增大了彈體頭部的CRH，使得彈體在侵徹過程中保持更大的比動能，更有利于粉碎混凝土，減小彈體侵徹過程的侵徹阻力，因此起到了增加侵深的作用。

圖7　試驗回收彈體Fig.7 Recovered projectiles

圖8 非旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶侵深隨速度變化Fig.8 Penetration depth vs velocity of non-rotating projectiles against mortar concrete

圖9為旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶侵徹深度對比，U形槽彈體和直槽彈體的侵深都高于卵形彈體的侵深，在速度相同條件下，U形槽彈體和直槽彈體比卵形彈體侵深的提高量平均提高15.8%和6.8%.

圖10為旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶侵徹深度對比。從圖10可以看到，著靶速度在510～810 m/s范圍內，直槽彈體的侵深高于卵形彈體的侵深，而且隨著著靶速度的提高，侵深的提高量也隨之增加。試驗結果表明，旋轉侵徹作用方式存在彈體著靶速度與彈體轉速的匹配，當著靶速度與旋轉速度合理匹配時，直槽彈體侵深能夠得到最大的提高量。文中旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶時，著靶速度在510～810 m/s范圍內，直槽彈體在較高著速和轉速條件下，更有利于彈體的侵徹，得到更大的侵深。

圖9　旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶侵深隨速度變化Fig.9 Penetration depth vs velocity of rotating projectiles against mortar concrete

圖10　旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶侵深隨速度變化Fig.10 Penetration depth vs velocity of rotating projectiles against concrete with coarse aggregate

通過試驗可以發現，彈體的侵徹深度與彈體頭部結構、彈體旋轉以及靶體材料組成有關，結合本文中3種不同試驗可以得到以下規律：

1）非旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶時，在著靶速度540～670 m/s范圍內，直槽彈體侵徹深度高于卵形彈體的侵徹深度。

2）旋轉彈體侵徹砂漿混凝土靶時，在著靶速度430～730 m/s范圍內，U形槽和直槽彈體的侵徹深度高于卵形彈體的侵徹深度，其中U形槽侵徹深度最大，直槽彈體次之。

3）侵徹砂漿混凝土時，在著靶速度540～670 m/s范圍內，旋轉的直槽彈體和卵形彈體的侵深高于非旋轉的直槽彈體和卵形彈體的侵深。

4）旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶時，在著靶速度510～810 m/s范圍內，直槽彈體的侵徹深度高于卵形彈體的侵徹深度。

5）在著靶速度510～810 m/s范圍內，旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土靶侵徹深度低于侵徹砂漿混凝土靶的侵徹深度。

綜合可以得出，采用刻槽彈體可以提高彈體的侵徹能力，不同的刻槽結構對彈體侵徹能力的影響是不同的，U形槽彈體具有更好的侵徹性能。旋轉可以提高彈體的侵徹能力，靶體骨料對彈體的侵深有顯著影響，含粗骨料的靶體抗侵徹性能優于砂漿混凝土靶體。

4　結論

利用14.5 mm滑膛槍和線膛槍發射平臺，完成了非旋轉和旋轉刻槽彈體和卵形彈體侵徹混凝土靶的對比試驗，取得了著靶速度在500～800 m/s范圍內的試驗結果。研究了旋轉、刻槽結構和不同靶體骨料對彈體侵徹性能的影響。試驗表明，在試驗速度范圍內，旋轉可以提高彈體的侵徹性能，U形槽彈體的侵徹性能最佳，旋轉彈體侵徹含粗骨料混凝土侵徹深度最低。

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Experimental Investigation on Penetration of Grooved Projectiles into Concrete Targets

PANG Chun-xu，HE Yong，SHEN Xiao-jun，ZHANG Xian-feng，LI Wen-bin，GUO Lei，PAN Xu-chao
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

In order to study the performance of grooved projectiles rotarily penetrating into concrete target，the penetration experiments of non-rotating oral projectiles and non-rotating grooved projectiles against the mortar concrete targets were conducted with the use of 14.5 mm smooth-bore gun.And the penetration experiments of rotating oral projectiles and rotating grooved projectiles against the mortar and limestone concrete targets were conducted with the use of 14.5 mm rifled bore gun.The results show that the grooved projectile and rotating penetration can be used to change the concrete failure from a single axial compression to the combined effects of axial compression and circumferential shear.The axial resistance of projectile becomes lower and the penetration power of the projectile gets stronger.The anti-penetration capability of limestone concrete target is stronger than that of mortar concrete target.

ordnance science and technology；penetration；rotation；grooved projectile；experimental research

O385

A

1000-1093（2015）01-0046-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.007

2014-03-26

國家自然科學基金項目（51278250）

龐春旭（1977—），男，工程師，博士研究生。E-mail：hnet2003@21cn.com；何勇（1964—），男，教授，博士生導師。E-mail：yhe1964@mail.njust.edu.cn