聚能射流作用下模擬裝甲艙室內(nèi)沖擊波試驗研究

柯文， 陳化良， 張之暐， 馬林， 門麗娟， 王鳳丹

(1.中國兵器工業(yè)試驗測試研究院， 陜西 華陰 714200；2.中國兵器工業(yè)導航與控制技術(shù)研究所， 北京 100089)

聚能射流作用下模擬裝甲艙室內(nèi)沖擊波試驗研究

柯文1， 陳化良1， 張之暐2， 馬林1， 門麗娟1， 王鳳丹1

(1.中國兵器工業(yè)試驗測試研究院， 陜西 華陰 714200；2.中國兵器工業(yè)導航與控制技術(shù)研究所， 北京 100089)

為研究先進裝甲目標內(nèi)乘員部位沖擊波毀傷效應，建立了典型裝甲車輛乘員艙室模擬等效目標靶，開展了破甲彈靜爆射流穿透裝甲鋼艙壁及炸藥在艙內(nèi)靜爆條件下艙內(nèi)沖擊波試驗。試驗結(jié)果表明：聚能射流穿透裝甲艙室后，在艙室內(nèi)具有一定的沖擊波毀傷效應；受射流穿透艙壁時艙體振動、測試位置、壁面反射、傳感器安裝方式等因素影響，測試波形差異較大；與裸裝藥在模擬裝甲艙內(nèi)爆炸的試驗結(jié)果相比，聚能裝藥爆炸射流穿透艙壁作用下產(chǎn)生的沖擊波波形更復雜；若采取無模擬艙底鋼板的等效艙試驗方法，更加有利于獲取有效的超壓測試波形。

兵器科學與技術(shù)； 聚能射流； 模擬裝甲艙室； 沖擊波

0 引言

先進裝甲目標毀傷效應一直是反裝甲武器彈藥研究的重點，以前主要關(guān)心彈藥的侵徹穿甲能力和裝甲防護能力[1-6]，近年來更加關(guān)注坦克、裝甲艙室內(nèi)部破片、熱效應、氣體濃度以及沖擊波等毀傷效應，并由此開展了相關(guān)研究[7-9]，然而由于坦克、裝甲車輛真實目標價值昂貴，內(nèi)部空間有限，特別是在彈藥動態(tài)穿透條件下，受彈體、射流侵徹振動等惡劣測試環(huán)境影響，艙室內(nèi)部沖擊波的測試更加困難，很難獲取準確可靠的測試數(shù)據(jù)，這對裝甲目標內(nèi)部的毀傷評估帶來一定困難。

本文以某典型裝甲艙室為模擬等效目標靶，開展了聚能裝藥爆炸射流穿透裝甲鋼后，目標內(nèi)部空間乘員部位產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓測試方法研究，取得相關(guān)試驗測試數(shù)據(jù)，為今后艙室內(nèi)部沖擊波毀傷效應的精確測試和評估提供一定參考。

1 模擬裝甲艙室目標靶及試驗測試方案

1.1 模擬艙建立

由于坦克、裝甲車目標種類較多，內(nèi)外部尺寸也不一致，本次試驗以某典型裝甲車艙室為原型建立模擬等效目標靶，該原型艙室前部左側(cè)為駕駛員，右側(cè)為發(fā)動機艙，駕駛員后方是車長，車長右側(cè)是副車長，副車長后面是機槍手，機槍手兩旁是兩條長椅。副車長及機槍手座位位于裝甲車中軸線上。

由于發(fā)動機艙與乘員艙由鋼板隔離，為考核聚能裝藥爆炸射流穿透對車內(nèi)乘員等部位的沖擊波毀傷情況，同時考慮到艙室背面后半部分毀傷作用較小，實際把試驗模擬艙縮小到圖1中虛線位置。

圖1 裝甲艙室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sructure diagram of armored cabin

模擬艙高為1.4 m，模擬艙室內(nèi)部采用角鋼焊接骨架，外部受彈面裝甲板厚度為12 mm厚裝甲鋼，其余各面用12 mm厚45號鋼鋼板焊接而成。彈藥采用80 mm破甲彈聚能裝藥，裝藥量465 g，射流速度大于4 000 m/s，藥形罩材質(zhì)為紫銅，炸高為190 mm. 聚能裝藥及射流作用點考慮從裝甲車輛側(cè)面兩個位置攻擊，如圖1所示。

1.2 測試點位確定

根據(jù)簡化的模擬裝甲艙室，在駕駛員、車長、副車長、機槍手4個乘員位置，布設自由場超壓測試傳感器，測試點距底面高度0.7 m，水平布設，頭部向前。同時為測試艙體不同壁面、拐角沖擊波，在艙體側(cè)壁、后壁、地面中心及拐角布設4個端面?zhèn)鞲衅鳎鐖D2所示。

圖2 測試點位布設示意圖Fig.2 Test position layout

1.3 試驗布設及方案

試驗系統(tǒng)包括80 mm破甲彈裝藥組件、支彈架、裝甲車模擬等效艙室、超壓測試系統(tǒng)、后效回收靶等。現(xiàn)場整體布設如圖3所示。

圖3 裝甲艙室試驗現(xiàn)場布設圖Fig.3 Test site layout

由于射流穿靶時，艙體振動劇烈，對獲取有效超壓測試信號影響較大，故采取了將模擬裝甲艙室鋼質(zhì)底部改為活動艙底結(jié)構(gòu)，觀測有無艙底鋼板兩種條件下沖擊波信號的不同。但應注意在用土壤地面代替艙底的情況下，土壤實際上會起到吸收沖擊波的作用，影響艙內(nèi)沖擊波的毀傷效應，這種影響主要是對艙底、壁面測試信號影響較大，對乘員部位自由場測點首波的影響相對較小。同時還與艙內(nèi)裸藥柱靜爆測試信號進行對比，觀測有效測試信號波形的變化，整體試驗測試方案如表1所示。

2 試驗測試結(jié)果及分析

2.1 沖擊波測試結(jié)果

根據(jù)表1試驗方案，分有艙底鋼板與無艙底鋼板兩種條件，共進行6發(fā)試驗，獲取的超壓測試結(jié)果如表2所示。

由整體測試結(jié)果可見，裸藥在艙內(nèi)靜爆，聚能裝藥爆炸射流穿透裝甲鋼壁面進入艙體內(nèi)部，都存在沖擊波超壓毀傷作用，但受艙體振動、測試位置遠近、傳感器安裝方式等因素影響測試波形及峰值超壓差異較大，測試數(shù)據(jù)變化及影響因素分析如下。

表1 試驗測試方案表

表2 超壓測試結(jié)果

注： “-”表示無有效數(shù)據(jù)。

2.2 裸藥艙體內(nèi)爆的測試結(jié)果分析

裸藥TNT當量為50 g，爆心位置選取在2號、3號、4號測點的中心附近，測試數(shù)據(jù)見表2第3發(fā)、第4發(fā)。從各點超壓測試波形看：當傳感器安裝在有鋼質(zhì)艙底的安裝桿或安裝座上時，由于爆炸引起的艙體振動影響，使測試到的波形較差；安裝在無鋼質(zhì)艙底的安裝桿或安裝座上，測試波形較好。其典型波形對比如圖4所示。

圖4 裸藥艙內(nèi)爆有無艙底波形對比Fig.4 Bilge waveform comparison about bare charge booth explosion

從離爆心最近的5號測點(端面?zhèn)鞲衅?看，不管是否有艙底鋼板，兩發(fā)波形基本相同，且波形干凈，無干擾噪聲，說明在離爆心近區(qū)沖擊波傳播較快，先于艙體振動波到達，在沖擊波脈寬內(nèi)夾雜振動信號小，其波形對比如圖5所示。

圖5 裸藥近區(qū)測試波形對比Fig.5 Test waveforms of bare charges at near region

2.3 聚能裝藥爆炸射流穿透艙體測試結(jié)果分析

從表2聚能裝藥爆炸射流穿透裝甲鋼后，4發(fā)試驗所測的沖擊波超壓結(jié)果及波形(見圖6)看，主要表現(xiàn)在：

1) 從超壓量值看，射流穿過裝甲鋼后，在射流附近0.5 m范圍內(nèi)，沖擊波超壓大于0.035 MPa；在射流附近1.0 m范圍內(nèi)，沖擊波超壓大于0.020 MPa. 依據(jù)沖擊波超壓對人員的損傷判定標準，表明聚能裝藥爆炸射流穿透后，沖擊波對車內(nèi)乘員具有一定損傷作用。沿射流運行方向兩側(cè)0.5 m范圍內(nèi)，從前向后自由場沖擊波超壓值逐漸減弱。端面沖擊波在接近彈道下方及附近拐角處較強，遠處2～3 m壁面處沖擊波作用減弱。

2) 從獲取的超壓波形特征看，射流穿過裝甲鋼后，射流近區(qū)沖擊波作用明顯，波形干擾小，遠區(qū)受壁面反射影響，波形出現(xiàn)多峰[10]，波形復雜，甚至出現(xiàn)后續(xù)反射疊加后沖擊波峰值大于第1個峰值的情況,說明艙內(nèi)反射波效應較強，典型波形如圖6(b)所示。

圖6 射流近區(qū)、遠區(qū)波形對比Fig.6 Test waveform comparison of jets in near and far regions

3) 射流穿過裝甲鋼后，艙體振動對沖擊波的影響與裸藥相似，有鋼質(zhì)艙底時，乘員部位所測沖擊波波形受艙體振動干擾波明顯，由于射流侵徹裝甲鋼引起的振動使測試到的波形較差，典型波形如圖7所示。

圖7 聚能裝藥爆炸在有無艙底鋼板條件下波形對比Fig.7 Waveforms of shaped charge explosion with and without cabin bottom

2.4 裸藥艙內(nèi)爆炸與聚能裝藥爆炸射流穿透對比

圖8 裸藥與聚能裝藥射流對比Fig.8 Jet and bare charge

從裸藥艙內(nèi)爆炸與聚能裝藥爆炸射流穿透有艙底鋼板與無艙底鋼板同等條件下沖擊波測試波形對比看：裸藥艙內(nèi)爆炸沖擊波超壓波形較好，表明聚能裝藥爆炸射流穿透作用下艙內(nèi)沖擊波受到振動、二次破片、安裝結(jié)構(gòu)和方式等因素影響，造成測試超壓曲線毛刺多，波形更加復雜。典型波形對比如圖8所示。

從裸藥內(nèi)爆與聚能裝藥爆炸射流穿透艙壁在艙內(nèi)產(chǎn)生的沖擊波超壓量值大小看，在同等距離下，聚能裝藥爆炸射流穿透艙體產(chǎn)生的沖擊波超壓明顯比裸藥爆炸沖擊波超壓小一個量級，二者間的等效關(guān)系可采用空氣中沖擊波超壓計算經(jīng)驗公式[11]按超壓量值相等關(guān)系進行等效藥量擬合計算。

3 結(jié)論

1) 聚能裝藥爆炸射流穿透裝甲鋼進入模擬艙體內(nèi)部后，在模擬艙體內(nèi)乘員部位具有一定的沖擊波毀傷作用，但受艙體振動、測試位置遠近、傳感器安裝方式等因素影響，各點測試波形及峰值超壓差異較大。

2) 與裸藥在模擬裝甲艙內(nèi)爆炸相比，聚能裝藥爆炸射流作用產(chǎn)生的沖擊波波形復雜，影響因素更多。

3) 采取無艙底鋼板的模擬等效裝甲艙試驗方法，有利于獲取更加有效的超壓測試波形。

4) 在試驗彈靶條件下，聚能裝藥爆炸射流穿透裝甲鋼進入模擬艙體形成的沖擊波在射流附近0.5 m范圍內(nèi)，沖擊波超壓大于0.035 MPa. 其沖擊波場產(chǎn)生原因、機理及分布規(guī)律，還需在進一步開展更多理論、試驗數(shù)據(jù)量的基礎上進一步研究。

References)

[1] 楊紹卿. 靈巧彈藥工程[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，2010. YANG Shao-qing.Smart munition engineering[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010. (in Chinese)

[2] 宋振鐸. 反坦克制導兵器論證與試驗[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2003. SONG Zhen-duo. Demonstration and test for anti-tank guided weapon[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003. (in Chinese)

[3] 江增榮, 王海福, 李世才, 等. 某型破甲彈動態(tài)威力數(shù)值模擬[J]. 彈箭與制導學報, 2006, 26(2):54-56. JIANG Zeng-rong, WANG Hai-fu, LI Shi-cai, et al. Numerical simulations of dynamic power for a HEAT[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2006, 26(2):54-56. (in Chinese)

[4] 安二峰, 周聽清, 沈兆武, 等. 一種新型聚能戰(zhàn)斗部的實驗研究[J]. 實驗力學, 2004, 19(1):91-96. AN Er-feng, ZHOU Ting-qing, SHEN Zhao-wu, et al. Experimental study on a new model shaped charge warhead[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2004, 19(1):91-96.(in Chinese)

[5] 王東生. 國外反坦克導彈的發(fā)展分析[J]. 飛航導彈, 2010(5):52-57. WANG Dong-sheng. Analysis on anti-armor missile development abroad[J]. Cruise Missile, 2010(5):52-57.(in Chinese)

[6] 陳威, 李吉峰, 朱磊. 聚能射流侵徹下艦船鋼與均質(zhì)鋼的等效關(guān)系[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2010, 24(2):45-48. CHEN Wei, LI Ji-Feng, ZHU Lei. Equivalent relation of ship steel and homogeneous steel under penetration of shaped charge jet[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2010, 24(2):45-48.(in Chinese)

[7] 張明, 武勇忠, 柯文, 等. 聚能射流侵徹裝甲鋼的靶后破片試驗研究[J]. 兵工學報, 2012, 33(增刊2):361-365. ZHANG Ming, WU Yong-zhong, KE Wen, et al. Investigation of armor debris behind target of shaped charge jet attack[J]. Acta Armamentarii, 2012, 33(S2):361-365.(in Chinese)

[8] Arnold W, Paul W. Behind armor debris investigation and their application into a new vulnerability model[J]. International Journal of Impact Engineering, 2001, 26(1):21-32.

[9] 張先鋒, 陳惠武, 趙有守. EFP對有限厚靶板侵徹過程及后效研究[J]. 爆炸與沖擊, 2006, 26(4):323-327. ZHANG Xian-feng, CHEN Hui-wu, ZHAO You-shou. Investigation of process and aftereffect of EFP penetration into target of finite thickness[J]. Explosion and Shock Waves, 2006, 26(4):323-327.(in Chinese)

[10] 劉帥，顧曉輝，連赟猛. 內(nèi)爆炸沖擊波信號的最佳小波基研究[J]. 彈箭與制導學報, 2012, 32(4):119-122. LIU Shuai, GU Xiao-hui, LIAN Yun-meng, The study on optimal wavelet base of shock signal due to internal explosion[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2012, 32(4):119-122.(in Chinese)

[11] 北京工業(yè)學院八系. 爆炸及其作用[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 1979:257-262. 8th Department, Beijing Institute of Technology. Explosion and its effects[M]. Beijing:National Defense Industry Press, 1979:257-262. (in Chinese)

Experimental Study of Shock Wave in the Simulated Armored Cabin under the Action of Shaped Charge Jet

KE Wen1， CHEN Hua-liang1， ZHANG Zhi-wei2， MA Lin1, MEN Li-juan1， WANG Feng-dan1

(1.Test and Measuring Academy, China North Industries Group Corporation, Huayin 714200, Shaanxi, China；2.System Engineering Institute, China North Industries Group Corporation，Beijing 100089, China)

A simulated equivalent target of passenger compartment of the typical armored personnel carrier is built to investigate the damage effect of shock wave on the advanced armor target. The tests of shock wave in closed cabin were carried out in the conditions of SC static penetration and the static explosion of detonator in cabin. The results indicate that the shaped charge jet can produce a certain damage effect when penetrating the armored cabin; and the test waveforms differ greatly due to cabin vibration, test position, wall reflection and installation methods of sensors when the bulkhead is penetrated by shaped charge jet. Compared with the static explosion of bare charge in cabin, the shock waves produced by shaped charge explosion and jet penetration are more complex, therefore the effective waveform is beneficial to obtain by using the test method of removing the simulated cabin bottom.

ordnance science and technology； shaped charge jet； simulated armored cabin； shock wave

2015-11-04

國家“086”專項項目(00404020301)

柯文(1967—)，男，副研究員。E-mail: 051jddts@163.com

TJ410.6

A

1000-1093(2017)02-0407-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.027