降低終點彈道偏轉效應彈體結構設計*

王可慧,段　建,李　明,王金海,周　剛

(西北核技術研究所,西安　710024)

降低終點彈道偏轉效應彈體結構設計*

王可慧,段建,李明,王金海,周剛

(西北核技術研究所,西安710024)

摘要:針對彈體侵徹過程中彈道偏轉現象,開展了降低彈體彈道偏轉效應研究。設計了一種錐形結構實驗彈體,對其侵徹混凝土靶板過程中受力情況進行了分析,錐形結構彈體側壁力矩有助于降低彈體侵徹過程的彈道偏轉程度;采用130 mm輕氣炮開展了錐形實驗彈體侵徹混凝土靶板實驗,并與普通直桿形彈體侵徹結果進行了對比。實驗結果表明,錐形彈體侵徹彈道的偏轉程度小于普通直桿形彈體,錐形彈體在斜侵徹以及高速侵徹厚目標情況下,將有更好的侵徹性能。

關鍵詞:彈藥工程;彈道偏轉;實驗研究;輕氣炮;混凝土靶板

0引言

由于載體作用方式、目標表層特性、彈體的氣動性能和末端制導等因素,會導致鉆地彈攻擊目標時帶有一定的攻角(速度方向與彈體軸線的夾角)和傾角(速度方向與目標表面法線的夾角),造成彈體在侵徹目標過程中彈道發生偏轉。

美國陸軍工程兵團水道實驗站(WES)D.J.Forrestal等人實驗驗證了傾角導致鉆地彈的彈道偏轉[1]。西北核技術研究所在彈體侵徹混凝土實驗過程中,也發現了傾角導致彈道明顯偏轉的情況。在某次小尺寸縮比實驗中,彈體以850 m/s的速度、20°的傾角撞擊強度30 MPa的混凝土靶,侵徹彈道橫向偏移超過30 mm[2]。

鉆地彈在打擊地下目標時的侵徹彈道偏轉現象難以避免。文中開展了降低彈道偏轉彈體結構設計及實驗研究,得到了降低侵徹彈道偏轉效應的方法,這對于改進鉆地彈終點彈道的性能有一定的參考意義。

1實驗彈體結構設計及侵徹過程原理分析

1.1　實驗彈體結構設計

為降低侵徹彈道的偏轉效應,設計了一種變截面錐形結構彈體。彈體頭部為尖卵形(CRH為4.17),殼體段為3°斜度的變截面錐形結構。殼體段設計了六道槽“花瓣”形結構,彈體內部為空心,內裝模擬裝填物,圖1為結構簡圖。

圖1　錐形彈體結構簡圖

設計加工了錐形結構彈體和普通結構彈體兩種,

用來進行對比實驗,分別見圖2和圖3。錐形彈體的尾部直徑大于普通彈體,采用不改變頭部情況,減小彈體前部壁厚,增加彈體后部壁厚的方式,使得二者的總質量、頭部形狀及彈體長度相同。彈體材料為35CrMnSiA,典型性能參數見表1。

圖2　錐形彈體實物圖

圖3　普通彈體實物圖

硬度/HB抗拉強度/MPa夏比V-缺口沖擊功/J斷裂韌性/(MPa·m1/2)5502040195343015203075380129042110

2.2　彈體侵徹過程原理分析

變截面結構是一種新型的彈體結構設計方式。根據文獻[3],當彈體以中等速度沖擊混凝土靶或硬介質靶時,彈體基本不變形,因此假定在本節中的彈體為剛體。

彈體斜撞擊目標情況下,由于受力點不通過彈體質心,會形成一個力矩M,使彈體有繞質心轉動的趨勢。各種作用力綜合作用的結果是彈體既有平動,又有繞質心的轉動[4]。從侵徹角度看,只有軸向平動是有效的,該部分動能使彈體沿彈軸方向侵入混凝土,其過程類似于正侵徹過程。橫向平動和轉動導致彈體側壁與混凝土互相擠壓,使彈體受到較大的橫向載荷。如果彈體沒有發生破壞,那么作用結果是侵徹彈道發生偏轉,侵徹彈道更容易趨向靶板相對較薄弱的一側(或者說彈體距靶板自由面較近的一側)。

普通直桿形彈體和錐形彈體以相同的初始條件撞擊混凝土靶板時,從彈尖接觸靶板到彈頭剛好進入靶板階段內,二者頭部所受力相同。在彈桿侵入靶板后,兩種彈體的桿部所受到的阻力則不同。在彈桿和靶板接觸表面,彈桿要受到靶板對它的法向阻力和切向阻力的作用。根據空腔膨脹理論,作用在彈桿身部的軸向阻力Fgz由作用在彈桿部單位接觸面上法向阻力fgn和切向阻力fgτ合成(對于直桿彈,在彈桿接觸表面上法向阻力fgn為零),如圖4所示,圖中下標“1”代表上半彈體所受的阻力,下標“2”代表下半彈體受到的阻力。從錐形彈體與直桿形彈體受力分析可以發現,直桿形彈體彈桿接觸表面法向阻力為零,而錐形彈體不僅有切向阻力還受法向阻力。由于切向阻力對抑制彈體的轉動不起作用,所以,普通直桿形彈體如果發生彈道偏轉現象,其彈道偏轉程度在力矩M的作用下會慢慢變大,直到達到穩定侵徹狀態。而對于錐形彈體,在侵徹過程中,由于其受到的法向阻力不為零,并且由于彈道的偏轉效應及混凝土的剝落,上半彈體所受到的法向阻力fgn1小于下半彈體所受到的法向阻力fgn2,所以整個彈桿所受的法向阻力必將產生一個力矩M′,M′與M方向相反,削弱了彈體偏轉的動力,從而降低彈體侵徹過程的彈道偏轉程度。

圖4　彈體侵徹過程受力示意圖

2實驗方案及靶板設計

實驗在130 mm輕氣炮上進行。混凝土靶面斜置成一定角度,調整混凝土靶板的傾斜度,可進行不同傾角的實驗。高速攝像系統借助靶前的鏡面反射裝置,拍攝記錄彈體著靶姿態。

采用激光測試方法測量彈體著靶速度,通過遮擋激光光束形成的時間間隔計測彈速,通過增加分束片位置微調裝置,使光束空間定位更加準確,測量表明,測速系統測速相對誤差小于1%。

實驗用混凝土靶板設計傾角為30°,直徑800 mm,無配筋,抗壓強度為30 MPa。為減小邊界效應的影響,圓柱靶板周圍固有6 mm厚的鋼圈套緊。

3實驗結果及分析

3.1　實驗結果

采用130 mm輕氣炮加速彈體撞擊靶板,共進行了4發實驗,其中錐形彈體2發,速度分別為435 m/s、438 m/s;普通彈體2發,速度為431 m/s、428 m/s,實驗結果見表2。

表2　降低彈體彈道偏轉效應的實驗結果

圖5為高速攝影拍攝的普通直桿形彈體飛行撞靶過程,彈體飛行姿態良好。

圖5　普通直桿形彈體飛行撞靶過程

彈體侵徹混凝土產生的彈道情況見圖6。可以明顯看出,彈道都有一定的偏轉,但錐形彈體產生的彈道偏轉程度小于普通直桿形彈體產生的彈道偏轉。

圖6　彈體侵徹產生的彈道情況

圖7為實驗后回收的彈體。觀察發現,彈體上蝕有混凝土,但彈體結構完好,除頭部有小量的質量侵蝕外,其它部位無明顯可見變形。

圖7　實驗后回收的彈體

3.2　彈道偏轉效應分析

為便于分析,將侵徹彈道進行測繪,圖8為錐形彈體測繪侵徹彈道與普通彈體測繪侵徹彈道對比。對比發現,在有效侵深約50 mm處,錐形彈體與普通彈體侵徹彈道幾乎相同。這是由于二者的頭部形狀及尺寸相同,而實驗彈的頭部長度為42 mm,因此兩種彈丸從彈尖觸靶到頭部完全進入靶板這一階段,侵徹彈道基本相同;隨后,當彈身段進入靶板后,直至侵徹結束,錐形彈體侵徹彈道偏轉量小于普通彈體,而且減小程度逐漸增大,說明錐形結構在降低彈道偏轉效應方面有一定的作用,與理論分析相符。同時,錐形彈體有效侵徹深度略大于普通彈體,說明輕微的錐形結構并不會對侵深造成較大的影響,反而會降低彈道偏轉效應。此外,在高速深侵徹過程中,彈體由于受到更大軸向載荷和橫向偏轉載荷的共同作用,尾部往往容易發生破壞;而錐形結構彈體尾部的特殊設計,增強了尾部結構強度,提高了彈體侵徹能力。因此,相對于普通彈體,錐形彈體在斜侵徹以及高速侵徹厚目標情況下,將有更好的侵徹性能。

圖8　錐形彈體與普通彈體侵徹彈道對比

4結束語

設計了錐形結構彈體,并對其降低彈道偏轉效應原理進行了理論分析。

對錐形彈體的彈道偏轉效應進行了實驗研究,并將錐形彈體與普通直桿形彈體的彈道偏轉程度進行了對比。結果表明,錐形彈體的彈道偏轉程度小于普通彈體,錐形彈體的最終姿態角大于普通彈體。錐形彈體有效降低了鉆地彈侵徹過程中的彈道偏轉效應。

參考文獻:

[1]Forrestal M J, Frew D J, Hanchak S J. Penetration experiments with limestone targets and ogive-nose steel projectiles [J]. Journal of Applied Mechanics, 2000, 67(4): 1-5.

[2]楊黔龍. 鉆地子彈縮比彈實驗研究 [R]. 西安: 西北核技術研究所, 2003.

[3]李建春. 高速彈體對半無限厚混凝土板的侵徹研究 [D]. 西安: 西安交通大學, 2001.

[4]趙國志. 穿甲工程力學 [M]. 北京: 兵器工業出版社, 1992: 12-13.

[5]初哲. 彈體非正侵徹混凝土研究 [D]. 北京: 北京理工大學, 2006.

[6]李曉軍, 張殿臣. 靶板施工設計說明和要求 [R]. 洛陽: 工程兵科研三所, 2002.

收稿日期:2014-11-04

作者簡介:王可慧(1975-),女,河南駐馬店人,研究員,博士,研究方向:爆炸與沖擊動力學。

中圖分類號:O385

文獻標志碼:A

Penetrator Design to Reduce Trajectory Deflexion Effect

WANG Kehui,DUAN Jian,LI Ming,WANG Jinhai,ZHOU Gang

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

Abstract:The study of reduction of trajectory deflexion was conducted in this paper. Based on dynamic mechanics analysis of projectile and concrete target during impact, a cone-shaped projectile was designed to block trajectory deflexion of projectile by parietal moment generated in penetration. The penetration experiments of the cone-shaped and the traditional penetrators into concrete target were carried out with 130 mm light gas gun. The results show that trajectory deflexion of cone-shaped penetrators are smaller than that of traditional ones. The cone-shaped penetrator is suitable for oblique penetration and penetration into thick targets at high speed.

Keywords:ammunition engineering; trajectory deflexion; experimental study; gas gun; concrete target