小尺寸破片應(yīng)用于單兵武器的適用性研究

賀金金，梁增友，任 凱，梁福地，苗春壯，劉 洋

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051； 2.晉西工業(yè)集團(tuán)有限公司防務(wù)裝備研究院，太原 030041；3 北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，南京 210000)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，步兵的作戰(zhàn)目標(biāo)不僅有敵軍有生力量，還要面對(duì)運(yùn)兵車、指揮車等一系列高價(jià)值輕型裝甲目標(biāo)，因此對(duì)兼具破甲、殺爆于一體的小口徑單兵多功能戰(zhàn)斗部的威力提出了更高的要求[1-3]。為此，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了大量的研究。王軒等[4]通過仿真模擬和槍擊試驗(yàn)，研究了不同強(qiáng)度的鋁合金靶板對(duì)不同著靶姿態(tài)下的立方體破片的防護(hù)性能；Pankaj等[5]通過數(shù)值模擬方法，研究了裝藥量和長(zhǎng)徑比對(duì)破片初速、飛散角的影響。以上研究均采用大尺寸破為研究對(duì)象，關(guān)于單兵防護(hù)裝備對(duì)小尺寸破片的防護(hù)能力，以及小尺寸破片在小口徑單兵武器上的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外少有研究。

本文通過試驗(yàn)方法，研究了φ2.6 mm、φ2.8 mm鎢球和 3 mm 立方塊鎢塊對(duì)Ⅲ級(jí)防彈衣的彈道極限。并通過數(shù)值模擬，在戰(zhàn)斗部尺寸、結(jié)構(gòu)不變的條件下，采用φ2.6 mm、φ2.8 mm鎢球和3 mm立方塊鎢塊三種預(yù)制破片，對(duì)40 mm多功能戰(zhàn)斗部進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)比了不同小尺寸破片在戰(zhàn)斗部起爆后在8 m處的上靶情況和速度衰減情況，希望對(duì)單兵武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

本次試驗(yàn)靶板采用Ⅲ級(jí)警用防彈衣，材料為凱夫拉；發(fā)射裝置使用口徑為12.7 mm的滑膛彈道槍；測(cè)速裝置為NGL202-Z型六通道測(cè)速儀。試驗(yàn)場(chǎng)地及裝置布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置及布置圖

各類型試驗(yàn)各進(jìn)行6發(fā)彈道槍試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。彈道極限[6-8]V50為最小穿透速度和最大嵌入速度的平均值，所以我們計(jì)算得出對(duì)于Ⅲ級(jí)防彈衣靶板φ2.6 mm鎢球的彈道極限為720.1 m/s，φ2.8 mm鎢球的彈道極限為703.1 m/s，3 mm鎢塊的彈道極限為499.6 m/s。

表1 侵徹防彈衣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

所設(shè)計(jì)的多功能戰(zhàn)斗部如圖2所示，由炸藥、藥型罩、預(yù)制破片、殼體組成，藥型罩采用偏心亞半球罩，戰(zhàn)斗部直徑為40 mm。使用TrueGrid軟件建立有限元模型,模型采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid164，并使用LS-DYNA軟件進(jìn)行計(jì)算[9]。

圖2 不同方案戰(zhàn)斗部仿真模型示意圖

本次仿真計(jì)算擬對(duì)比3種不同預(yù)制破片類型對(duì)破片速度和飛散角的影響，故戰(zhàn)斗部尺寸、結(jié)構(gòu)不變只改變破片類型，裝藥質(zhì)量為118 g，藥型罩質(zhì)量為21 g，戰(zhàn)斗部質(zhì)心離地高度為1.5 m。φ2.6 mm鎢球方案，每層排列40枚，共15層破片，總計(jì)600枚，鎢球總質(zhì)量為94.2 g；φ2.8 mm鎢球方案，每層排列38枚，共14層破片，總計(jì)532枚，鎢球總質(zhì)量為104.8 g；3 mm鎢塊方案，每層排列34枚，共12層破片，總計(jì)408枚，鎢塊總質(zhì)量為188.5 g。

2.2 材料參數(shù)

藥型罩材料為紫銅，狀態(tài)方程為Gruneisen形式；炸藥材料為8701，狀態(tài)方程為JWL形式；破片的材料采用93W，材料類型為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，材料參數(shù)[10]見表2～表4所示。表2～表4中R0為密度，G為剪切模量，A為靜態(tài)屈服應(yīng)力，B為應(yīng)變硬化模量，N為應(yīng)變硬化指數(shù)，C為應(yīng)變率系數(shù)，M為熱軟化指數(shù)。JWL狀態(tài)方程參數(shù)見表5。

表2 紫銅藥型罩材料參數(shù)

表3 8701炸藥材料參數(shù)

表4 鎢合金的材料參數(shù)

表5 JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表5 鎢塊12 m處存速及殺傷比動(dòng)能

3 仿真結(jié)果分析

3.1 破片類型對(duì)破片飛散的影響

仿真結(jié)果如圖3～圖4所示，主裝藥起爆后，爆轟波壓垮藥型罩形成桿式射流，預(yù)制破片由于受到主裝藥爆轟產(chǎn)物的強(qiáng)烈沖擊，破片沿戰(zhàn)斗部的徑向方向向外擴(kuò)張、飛散。主裝藥的爆轟作用結(jié)束后，破片繼續(xù)沿戰(zhàn)斗部的徑向方向在空氣中飛散，隨著飛行距離增大，速度不斷衰減。

圖3 射流以及預(yù)制破片速度云圖

圖4 預(yù)制破片速度云圖

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出不同類型預(yù)制破片多功能戰(zhàn)斗在裝藥起爆后5 ms的空間分布圖和破片在8 mm處扇形靶分布圖。當(dāng)t=5 ms時(shí)，由破片空間分布圖5可知，φ=2.6 mm鎢球方案破片空間分布要優(yōu)于φ=2.8 mm鎢球和3 mm鎢塊方案，破片主要集中于0.5～1.5 m且破片速度較高，1.5～2.0 m空間范圍有少量破片且破片速度較低。由破片在8 mm處扇形靶分布圖可知，3種方案破片均主要集中于1～1.5 m扇形靶上，φ=2.6 mm鎢球方案有少量破片分布于1.5～2.75 m。

圖5 3種方案破片場(chǎng)分布和上靶情況圖

3.2 破片類型對(duì)破片存速的影響

由仿真結(jié)果得出3種破片方案的破片初速，根據(jù)破片初速衰減公式：

其中：x為破片飛行距離；ρa(bǔ)為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋籆D為氣動(dòng)阻力系數(shù)；S為破片迎風(fēng)面積。利用破片的速度衰減特性參數(shù)，對(duì)破片的速度衰減進(jìn)行了理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 φ2.6 mm鎢球方案破片速度衰減曲線

圖7 φ2.8 mm鎢球方案破片速度衰曲線

圖8 3 mm鎢塊方案破片速度衰減曲線

殺傷標(biāo)準(zhǔn)[11]指出：擊穿動(dòng)能需要78.4 J，但由于破片形狀復(fù)雜，且飛行過程旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致破片與目標(biāo)是隨機(jī)撞擊，故用比動(dòng)能來衡量其殺傷效應(yīng)更為確切。有實(shí)驗(yàn)得到，穿透皮膚的最小著速(彈道極限)為50 m/s,侵入肌體2～3 cm，所需彈道極限在70 m/s以上，在慣用的殺傷標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)人員一般取比動(dòng)能為160 J/cm2，擦傷皮膚的最小比動(dòng)能為9.8 J/cm2。根據(jù)計(jì)算得出φ2.6 mm鎢球、φ2.8 mm鎢球和3 mm鎢塊方案對(duì)穿有Ⅲ級(jí)防彈衣的人體目標(biāo)的有效殺傷速度最小值分別為791.52 m/s、771.10 m/s、585.70 m/s。

結(jié)合表5和圖6～圖7可以看出，φ2.6 mm鎢球和φ2.8 mm鎢球方案在8 m處的存速均大于穿有Ⅲ級(jí)防彈衣的人體目標(biāo)的最小有效殺傷速度，3 mm鎢塊方案有1層破片不能滿足要求。

4 結(jié)論

1) 通過彈道槍試驗(yàn)，得出了φ2.6 mm鎢球、φ2.8 mm鎢球、3 mm鎢塊對(duì)制式軍用防彈衣的彈道極限分別為720.1 m/s、703.1 m/s、499.6 m/s。

2) 通過仿真計(jì)算可以得出，φ2.6 mm鎢球和φ2.8 mm鎢球方案在8 m處的存速均大于穿有Ⅲ級(jí)防彈衣的人體目標(biāo)的有效殺傷速度最小值，3 mm鎢塊方案有1層破片不能滿足要求。

3) 根據(jù)仿真結(jié)果我們可以得出，在裝藥結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，φ2.6 mm鎢球方案戰(zhàn)斗部質(zhì)量均小于φ28 mm鎢球和3 mm鎢塊方案，破片數(shù)量、8 m處存速、破片場(chǎng)分布以及上靶情況均優(yōu)于φ28 mm鎢球和3 mm鎢塊方案。