電磁炮用動能彈高速侵徹半無限鋼靶的機理研究

馮曉暉

摘 要：電磁炮是一種新型武器，能夠通過電磁力驅動彈丸高速侵徹半無限鋼靶，彈丸高速撞擊靶板形成高壓，當高壓超過彈丸和靶板的材料強度時，就會使材料產生變形，最終形成一個侵徹彈坑。文章進行了動能彈高速侵徹半無限鋼靶的實驗研究，在設計動能彈時，要考慮到絕緣性、材料強度、材料性能穩定性，并在彈丸中設計一個良好的緩沖結構，以應對高速侵徹時產生的加速度，并確保侵徹穩定性和安全性。

關鍵詞：電磁炮；動能彈；高速侵徹；半無限鋼靶

電磁炮是近年來世界各軍事強國研究的方向之一，是一種機理更新穎、殺傷力更強大的新概念武器，作為一種超高速度的動能武器，電磁軌道炮使用電磁能加速彈丸，通過電源、金屬導軌、電樞和彈丸組件形成一個大型電路，由電源產生的電流，在經導軌、電樞和導軌流轉后，形成一個大型電流回路，電流經過時產生的電磁場會形成一個強大的電磁推力即安培力，并驅動電樞對彈丸組件做推動作用，使其能夠沿著軌道急速行進。電磁軌道炮的發展，也使彈丸侵徹問題成為一個研究熱點，侵徹理論是基于試驗分析、數據仿真分析、理論計算分析等方法進行合理假設，將復雜公式化簡后，簡化復雜的問題，從而計算彈丸侵徹深度。電磁炮動能彈侵徹半無限鋼靶的機理，不僅涉及高速彈丸的設計，還需要對其加速度、電樞一體化的彈托結構、侵徹實驗等進行研究。

1 電磁炮動能彈彈丸組件結構

1.1 彈丸組件

1.1.1 彈芯設計

彈丸組件中的彈芯是完成侵徹半無限鋼靶任務的構件，這一結構是彈丸組件設計的關鍵部分，鎢合金、貧鈾合金是彈芯結構的主要材料，鎢合金因為對于人體的傷害性較小又成為首選材料。將彈芯環形齒與彈托的環形槽配合，能夠提高應力承受能力，并且不會造成破壞[1-2]。

1.1.2 風帽設計

在彈芯前部，設計錐形或拋物線形的風帽，降低彈芯飛行時承受的空氣阻力，改善彈丸頭部氣動外形，使用鋁合金或超硬鋁合金材料設計風帽，還能夠降低風帽對于侵徹任務的影響。

1.1.3 尾翼設計

尾翼設計是保證彈芯飛行穩定性和侵徹效果的因素之一，尾翼的材料選擇要避免影響彈芯的侵徹效果，因此，合金鋼、超硬鋁是主要使用的材料，還需要對尾翼進行一定的處理，如表面涂抹高溫涂料等，以避免彈丸組件飛行時不會因氣動燒蝕造成破壞。

1.2 彈托電樞結構的電磁推力研究

有限無分析軟件Ansys是研究高速彈丸侵徹問題的常用軟件，使用這一軟件建模，選擇純銅作為軌道材料，并將超硬鋁作為彈托電樞結構材料，兩種材料的電磁率分別是1.7×10-8 Ω·m，2.9×10-8 Ω·m，取0.99作為相對磁導率，導軌截面大小取30 mm×15 mm，兩導軌之間的距離則設計為60 mm，軌道長為30 mm，由于軌道長度直接影響了電流集中度數值，而純銅電流集中度是43 kA/mm，要避免電流過大導致導軌因過熱融化，可以取軌道長為30 mm.

在無限元單元中建立一個軸對稱幾何模型，選擇solid97單元作為結構模型，對電磁炮在空氣中飛行時的電磁學特性進行模擬，獲取不同時刻，導軌和彈托內部流經的電流密度具體分布情況，電流密度與電流波形呈共同變化的特點，電流表現出明顯的趨膚效應[3-5]。

電流密度主要在彈托尾部集中，使電磁力在彈托尾部集中。在電流趨膚效應下，與彈托尾部越接近，電磁力也就越大。彈托會因時間變化而承受不同的電磁力，放電時間在0.6 ms內，電流波形與電磁力增長趨勢類似于線性趨勢；放電時間在0.6 ms以上時，電流波形與電磁力增幅都會趨于平直緩慢；放電時間在5.5 ms時，彈托會承受最大的電磁力值3.1×105 N。之后，電流波形會逐漸下降，在8 ms時，放電結束，電磁力歸零，繼續充電，并積蓄下一輪彈丸組件所需的發射能量。

在導軌發射時，導軌發射器可以視為電源負載之一，沿邊導軌長度分布有電阻與電感。

其中，a表示彈托上承載的加速度，m表示彈丸組件的總質量，F則表示彈托所承受的電磁力；a1表示彈托尾部所承受的加速度，m1則表示彈托尾部近似于電樞結構的質量。

利用軟件進行數值仿真計算后，可以得知彈頭在放電后，從第1齒開始到第10齒，應力逐漸降低，因此，彈芯上的環形齒會逐漸的承載接觸應力，在0.6 ms時，第1齒承受的應力達到了460 MPa。放電時間逐漸增加，彈芯和彈托之間會逐漸產生較大的接觸應力，放電時間在5.5 ms時，接觸應力會達到最大值，是587 MPa，這一數值已經對彈芯中所使用的鎢合金材料產生了較大的威脅，必須改善應力分布的均勻性。出現這種狀況的原因在于由于沖擊載荷的變化，彈體內部各個環形齒所承受的加速度是有差別的，放電持續時間不同，對于加速度 和電流波形也會有強烈的影響，持續時間越短，載荷的上升時間也越短，因而會使應力波前的應力梯度越大，進而產生更高的加速度，這也是第1齒受力最大的原因，為避免應力過高，對彈體造成破壞，需要優化結構，設置一個緩沖結構。

2 侵徹試驗及結果

運用Anasys/Ls-dyna軟件可以模擬進行侵徹試驗，使用Largrange網格劃分侵徹模型，并計算仿真數值，彈芯則選擇Shock強度模型，靶板材料是38CrMoAl，選擇Von-Mises模型[6-7]。當彈丸高速侵徹靶板時，會形成開坑和準穩定侵徹兩個階段，彈芯高速撞擊到靶板上，接觸瞬間會形成高壓，并且這一壓力值會超過彈丸和靶板材料的強度，材料就會形成局部變形和破壞。靶板由于徑向應力出現塑性變形，并沿著徑向進行塑性流動，進而產生了孔洞。靶板上表面則由于稀疏波作用，出現了翻邊現象。開坑階段后，彈丸頭部開關會發生改變，成為蘑菇頭狀，并不斷消耗彈芯質量，這些被消耗掉的彈芯材料會在彈坑壁面均勻分布。隨著彈芯和慣性力作用，不斷擴張，最終形成彈坑。當侵徹速度不同時，對于侵徹過程會產生不同的影響，如同樣的桿體以不同速率的高速度進行侵徹時，其持續時間會有所不同，在高速侵徹時，彈丸總侵徹時間要少于速度更低的情況[8]。endprint

3 結語

電磁炮作為一種新型武器，通過電磁力驅動彈丸高速侵徹半無限鋼靶，彈丸高速撞擊到靶板時，就會形成一個高壓，這一高壓超過彈丸和靶板的材料強度，進而使材料產生變形和破壞，經過開坑和穩定侵徹兩個階段后，形成一個侵徹彈坑。由于這一侵徹過程以電磁力作為驅動力，在選擇材料、設計彈丸時要考慮到絕緣材料的應用，并考慮到侵徹加速度時材料性能的穩定性，在彈丸中設計一個良好的緩沖結構，以確保侵徹穩定性和安全性。要提高彈丸的侵徹效果，采取提速和增加彈丸直徑的方法能夠獲得更好的效果，但同時也要考慮到加速度對于材料的破壞性，選擇更為適宜的材料，設計長徑比更合理的彈丸。

[參考文獻]

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[7]吳群彪，沈培輝，劉榮忠.組合桿式穿甲彈的侵徹能力仿真分析[J].系統仿真學報，2013（2）：367-370.

[8]史梁.電磁炮用動能彈高速侵徹半無限鋼靶的機理研究[D].南京：南京理工大學，2016.

Abstract：The electromagnetic gun is a new type of weapon capable of driving the projectile to penetrate the semi-infinite steel target at high speed by electromagnetic force. The projectile hits the target plate at high speed to form a high pressure. When the high pressure exceeds the material strength of the projectile and the target plate， the material will deform， eventually forming a crater. In this paper， experimental study on penetration of semi-infinite steel target with kinetic bomb at a high speed was conducted. When design the kinetic bomb， the insulation， the material strength and the stability of the material properties need to be taken into account. A good buffer structure need to be designed in the projectile to cope with high speed acceleration generated when penetration， and to ensure the stability and security of penetration.

Key words：electromagnetic gun； kinetic bomb； high-speed penetration； semi-infinite steel targetendprint