1 引言
驱逐舰及航母等大中型舰船的结构防护坚固、攻击能力强，在战争中发挥着十分重要的作用，也利于赢得真正意义上的制海权和制空权。对驱逐舰及航母的毁伤机理研究、且研制出能高效毁伤该类目标的战斗部已成为当前的研究热点。据调研，对弹体侵彻钢板的机理研究已有较多的文献报道[1-6]，建立的侵彻理论也比较成熟，但对钢板的研究大多都是针对单层或双层进行的，3层及以上的研究报道甚少。在实际需求的牵引下，侵彻钢板层数不断增加，弹体的侵彻历程也随之逐渐增大，这对弹体在侵彻多层钢板过程中保持姿态稳定提出了较高要求。实践表明，姿态偏转程度已成为侵彻过程中弹体结构强度及装药安定性满足使用要求的重要影响因素。
目前，对弹体侵彻混凝土的姿态稳定影响因素的研究报道较多[7-14]，在保持姿态稳定及提高侵彻能力等方面进行了大量研究工作，如实验研究了柱形、刻槽锥形、尾锥形等不同形状弹体侵彻混凝土的终点弹道，探索了提高侵彻稳定性的多种途径。相比较，调研发现研究者在提高弹体侵彻钢板姿态稳定方面的公开研究报道还比较少。
借鉴穿甲弹的研究成果，由于钨合金材料具有密度高、硬度高、韧性好等特点，钨合金动能穿甲弹表现出良好的穿甲威力[15-18]。本研究提出了一种头部复合结构的弹体，开展弹体侵彻多层钢板的实验研究，分析弹体姿态偏转、弹体侵蚀破坏等，并对比头部结构材料的差异对弹体侵彻姿态偏转的影响规律，为后续工程应用中的半穿甲战斗部结构设计提供技术支撑。
2 弹体结构设计
复合结构弹体主要由弹体和头部风帽两部分组成。弹体结构如图1所示，呈卵形头部和后续圆柱外形，弹体长500 mm，直径95 mm，长径比为5.26，头部形状系数CRH为3.0。弹体主要由壳体、后堵盖、惰性填充物组成，其中壳体和后堵盖材料均为高强度G31钢，惰性填充物为硅橡胶，弹体质量为26.5 kg。风帽结构如图2所示，呈“碗形”，长度为50.5 mm，顶端厚度10 mm，底端外径60 mm，通过M50×2的螺纹与弹体头部弧段连接，螺纹有效长度为5.5 mm。风帽结构材料选择G31钢和钨合金，2种材料的风帽质量分别为0.67 kg和1.46 kg。
图1 弹体结构示意图
Fig.1 Structure drawing of projectile
图2 风帽结构示意图
Fig.2 Structure drawing of hood
结合火炮发射要求，需设计前定心、后定心和闭气环装置，与次口径的弹体通过螺纹配合组成实验弹。其中，前定心材料为调质后的45钢，与弹体连接螺纹为M100×2，后定心和闭气环压环材料为35CrMnSiA钢，后定心与弹体连接螺纹为M104×3，闭气环为尼龙材料。前、后定心的直径均为125 mm，使得弹体在膛内受力均匀，与炮膛内壁配合适当。实验弹体如图3所示，弹体长552 mm，钢风帽弹体质量为34.25 kg，钨合金风帽弹体质量为35.04 kg。
图3 实验弹体
Fig.3 Experimental projectile
3 实验方案
选择口径125 mm的滑膛炮开展实验，35 kg级实验弹体出炮口后速度可达800～900 m/s范围内。该速度条件下对比研究复合结构弹体侵彻多层钢板的姿态偏转角度。
靶标为4层921A钢板，厚度依次为20、10、20和10 mm，第二和第三层钢板垂直间距3 m，其余各层垂直间距1 m，钢板板面尺寸为2 200 mm×3 000 mm。钢板布设在125 mm火炮末端，各层钢板板面的几何中心在火炮发射线上，钢板与水平地面的夹角为70°。
根据工程实践经验，弹体以800～900 m/s范围内的速度穿透4层钢板后的余速不小于700 m/s。为回收实验弹，靠近回收山体放置靶标，125 mm口径的火炮布设于靶标正前方约45 m处。垂直于发射方向布设1台高速相机，主要用于弹体侵彻第1层钢板前的初始速度测试，并实时记录弹体侵彻靶标的全过程，获取弹体侵彻姿态偏转数据。
4 实验结果及分析
4.1 弹体姿态偏转分析
钢风帽和钨合金风帽复合结构的实验弹体数量分别为2发，实验后分析处理高速相机拍摄的照片，获取了侵彻第1层钢板前弹体的初始着速，在弹体外形清晰可见条件下，测得了撞击第1层、第3层钢板前和穿透第4层钢板后的弹体姿态偏转角度，如表1所示。分析表1结果可知：钢风帽复合结构的弹体侵彻4层钢板的姿态稳定性较差，弹体姿态最大变化角度为10.5°，特别是第2和第3层钢板的间距增大，弹体自由飞行时间增加，受重力及气动阻力等作用弹体易产生向下的速度矢量分量，该速度矢量的作用方向未经过弹体质心，易形成弹体向下偏转的角速度和角加速度，在自由飞行时间增加下使得弹体“低头”飞行的姿态逐渐恶劣。相比较第2和第3层钢板的间距，第3和第4层钢板的间距变小，但逐渐增大的偏转角速度促使弹体姿态偏转进一步加快，甚至易形成失稳状态。对比钢风帽复合结构弹体的姿态变化，钨合金风帽复合结构弹体的姿态最大变化角度为5°，弹体侵彻姿态偏转角度较小，表现出较稳定的侵彻弹道。2种复合结构弹体的1#实验弹侵彻4层钢板典型时刻状态分别如图5和图6所示。
表1 弹体姿态偏转结果
Table1 The angle deflection results of projectiles
弹体头形结构弹体编号初始V速度/(m·s-1)入第1层靶角度/(°)入第3层靶角度/(°)出第4层靶角度/(°)钢风帽弹体1#8280-1-8.72#8160-2.5-10.5钨风帽弹体1#82100-32#82700-5
图4 1#钢风帽弹体侵彻4层钢板典型时刻状态图
Fig.4 Typical time of projectile (No.1) with steel head
hood penetrating steel target
图5 1#钨合金风帽弹体侵彻4层钢板典型时刻状态图
Fig.5 Typical time of projectile (No.1) with tungsten head
hood penetrating steel target
4.2 弹体结构破坏分析
受实际回收条件的影响，实验后仅回收到1#钢风帽复合结构实验弹和2#钨合金风帽复合结构实验弹，回收弹体实物如图6所示，结果表明，钢材料和钨合金材料的风帽结构均与弹体头部脱落，弹体结构基本保持完整，无明显弯曲变形现象。
图6 回收弹体照片
Fig.6 Photograph of recovered projectiles
分别对实验前、后的复合结构弹体的质量、长度和外径进行测量，其中，实验前弹体质量不含前定心和后定心装置，结果详见表2和表3。结果表明，实验弹体质量损失6.3%～8.0%；实验弹体长度变化9.6%～9.9%；实验弹体外径变化0.23%～0.35%。高速侵彻4层钢板过程中弹体头部的侵蚀破坏比较严重，如图7所示，质量损失和弹体长度变化主要是由于风帽结构的破坏脱落及弹体头部的侵蚀破坏共同所致的。进一步观察回收的弹体，弹体表面沿轴线方向有划痕，弹体侧壁有一定程度的磨蚀，弹身外径较实验前有所减小，这都是侵彻过程中弹壁与多层钢板之间撞击及相对运动产生的剪力和摩擦所致。比较实验前、后的弹体外观，800～900 m/s速度条件下弹体侵彻4层钢板可能发生的主要破坏形式有：复合结构破坏、弹体头部侵蚀破坏、弹体侧壁磨蚀等。
表2 回收钢风帽弹体(1#)测量结果
Table 2 Measurement results of recovered steel
hood projectile with No.1
项目实验前实验后备注质量/kg27.1725.46质量损失:6.3%长度/mm552497.6长度变化:9.9%外径/mm9594.78外径变化:0.23%
表3 回收钨合金风帽弹体(2#)测量结果
Table 3 Measurement results of recovered tungsten
alloy hood projectile with No.2
项目实验前实验后备注质量/kg27.9625.71质量损失:8.0%长度/mm552498.8长度变化:9.6%外径/mm9594.67外径变化:0.35%
图7 弹体头部照片
Fig.7 Erosion damage of projectiles head
此外，观察回收弹体前定心位置有明显的“径缩”现象，如图6中标识所示。“径缩”区域易形成应力集中，在壳体承受高强度撞击力时，应力集中区域会首先达到强度极限而发生断裂破坏，直接影响弹体结构强度。初步分析“径缩”现象的产生机理认为：钢板受弹体高速撞击发生“冲塞型”破坏，前定心首先受到较大的作用力而发生破坏，并脱离弹体，在前定心附近区域局部易产生塑性变形。前定心破坏后弹体继续穿透后几层钢板，在与前定心连接螺纹处壳体与钢板产生撞击、挤压和相互摩擦等作用，撞击冲击波持续传入弹体，使得连接螺纹附近区域产生塑性变形，且塑性变形程度随着连接螺纹处壳体与靶标持续作用时间的增长而增大，最终形成明显的局部“径缩”现象。
5 结论
本文从工程实际应用出发，借鉴目前穿甲弹的研究成果，提出了一种头部复合结构的弹体，进行了35 kg级弹体在800～900 m/s速度条件下侵彻4层钢板的实验，重点研究了侵彻钢板过程中弹体的姿态变化、弹体结构变形，得到如下结论：
1) 实验结果验证了提出的钨合金风帽结构有利于弹体侵彻4层钢板时保持较稳定的侵彻姿态。
2) 在弹体主体结构基本完好条件下，弹体高速侵彻多层钢板主要产生风帽结构破坏脱落、弹体头部顶端侵蚀破坏等模式，头部产生明显的质量损失。由于钨合金良好的穿甲性能，在侵彻多层钢板时弹体偏转角速度较小，利于提高弹体抗姿态劣化的能力，保持较稳定的侵彻姿态。
3) 需合理设计前定心环结构，在满足发射强度要求下，设计局部薄弱结构，使得撞击钢板时薄弱结构首先发生破坏，进而引发前定心环解体破坏，避免产生“径缩”现象。
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