0 引言
破片是战斗部主要毁伤元之一,战斗部高能炸药起爆后,破片在爆轰波驱动作用下具备高速飞行能力,可用于杀伤有生力量、轻型装甲车辆以及武装直升机、无人机等目标。战斗部常见预制破片形状有球形、圆柱、长方体以及杆条破片等。球形具有良好气动外形,是战斗部常见破片形状。为有效提高战斗部空间利用率,圆柱、长方体破片也被弹药设计者所考虑。
破片的侵彻深度、靶板破坏变形方式受破片形状、质量、撞击速度、靶板材料等的影响。吕珮毅等[1-2]通过数值模拟研究了不同形状和初始动能条件下,球形、柱形、立方体形破片对靶板破坏变形、动能衰减,数值结果表明破片形状对靶后毁伤效果有明显研究。柴桥等[3]数值对比分析圆柱钢钉和钢球对某型叶片撞击损伤情况研究,发现形状对破坏影响十分明显。赵小峰等[4]通过理论计算、数值仿真试验验证相结合,进行3种不同质量立方体钨合金侵彻Q235A钢轨的侵彻能力试验研究,结果表明破片侵彻能力随着质量的增加而增加。周楠等[5]通过弹道枪试验研究了钢质球形、立方体侵彻复合靶板毁伤机理和破坏形式研究。他们的从不同角度证实了破片撞击速度、形状、质量与靶板破坏形式密切相关,但是试验数据量较少,缺乏有力佐证。
此外,学者们从破片材料、质量、形状等不同角度,揭示了破片侵彻薄靶[6]、中厚板[7]、成层靶[8-10]的破坏相应规律。但是系统分析破片速度、质量、破片形状对靶标毁伤效果试验研究较少。本文中以钢轨为研究目标,开展不同破片速度、质量、形状对目标毁伤试验,系统对比分析破片速度、质量、形状对侵彻深度、开孔面积的影响规律,为破片战斗部破片设计提供有力试验依据,为杀爆战斗部毁伤效能评估积累数据。
1 试验方案
1.1 试验原理
测速系统采用区间测速方法,测试系统由铝箔靶、多通道并行数据采集系统、靶架、导线组成。铝箔靶尺寸为25 cm×25 cm。测试铝箔靶由前后两块铝箔靶组成,两靶放置距离固定,当破片穿透第一块铝箔时,测速仪获取一个通断信号开始计时,通过第二块铝箔时终止计时,测时仪界面得到破片飞行时的平均速度,测试设备型号:LNG202G-2型六路电子测时仪,系统误差为0.5%,靶距为1.5 m。图1为测试设备及测试网靶试验现场布设情况。
图1 多通道测速仪及测速网靶
Fig 1 Multi-channel velocimeter and net
1.2 比动能理论
对于破片而言,常用毁伤判据有动能、比动能2种判据。动能判据给出破片致伤能量的临界值,是破坏、停止作用相对应的一种能量标准,比动能判据则考虑了破片与目标遭遇时着靶面积影响因素。
(1)
式(1)中: ey为破片的比动能;m为破片质量;v为破片速度;s为破片着靶面积的数学期望,对于弹道枪试验,飞行距离不远,着靶面积的数学期望可视为破片的横截面积。
1.3 测试系统及结果
试验系统由弹道枪、弹托、破片、测速仪、钢轨(目标靶)、高速摄影仪组成。试验时用胶水将破片固定到尼龙弹托,再将弹托与发射药筒紧密贴合。弹道枪击发时底火引燃发射药,火药气体对破片做功,使得破片获得飞行能力具备一定飞行速度。破片运动出枪管后,弹托在气动阻力作用下与破片分离。现场布设图如图2所示。
图2 试验现场布设图
Fig.2 Layout diagram of test site
试验利用14.5 mm弹道枪发射钢质预制不同形状预制破片。试验所用靶板为HG785D钢轨。钢轨布设距弹道枪口5 m处位置,为方便调节轨道位置,将其固定在可调节方向的靶架上。试验破片规格见表1。
表1 试验破片概况
Table 1 Overview of test fragments
序号破片形状破片质量/g破片尺寸/mm12球形5Φ10.710Φ13.5345圆柱体5Φ9.1×1010Φ11.2×1315Φ13.6×13678长方体58.0×8.0×10109.9×9.9×131510×10×19
试验破片侵彻深度用游标卡尺测量。破片开孔面积尺寸的测量,利用相机获取带有标尺的破片穿孔图像,导入到AutoCAD软件中,对图像进行1∶1尺寸还原,通过描绘破片穿孔轮廓,计算得到开孔面积。不同类型破片对靶板破坏情况如图3所示。试验结果详见表2、表3,其中H表示破片侵彻深度(单位:mm),S表示破片开孔面积(单位:cm2)。
图3 球体-圆柱-长方体破片侵彻钢轨试验图 Fig 3 Test chart of sphere-cylinder-cuboid fragment penetration into rail
表2 破片侵彻靶板试验结果
Table 2 Test results of fragment penetration target
速度/(m·s-1)球-5 gHS速度/(m·s-1)球-10 gHS速度/(m·s-1)圆柱-5 gHS速度/(m·s-1)圆柱-10 gHS7673.021927273.442468902.441408243.622568974.062038473.582209124.101519503.602619914.822269574.903221 1805.682041 0365.483091 0885.762469776.783391 2606.212271 0706.123731 3167.042651 0606.882961 3196.262751 0856.144021 4518.002501 0897.343691 4868.502301 2187.844291 5959.083101 1268.504521 5008.623001 3249.184451 7239.223301 2699.623621 6508.583301 49211.00471
表3 破片侵彻靶板试验结果
Table 3 Test results of fragment penetration target
速度/(m·s-1)圆柱-15 gHS速度/(m·s-1)长方体-5 gHS速度/(m·s-1)长方体-10 gHS速度/(m·s-1)长方体-15 gHS7763.262568133.601796351.382508815.23248513.983009393.702158213.802969076.084158984.783221 0054.282299516.2234410668.063989214.763591 1675.782541 0226.704121 1349.064601 0466.443951 2246.442681 1477.164851 18811.064541 2028.444501 3627.403241 2228.844991 24910.284551 38610.105681 4158.343371 3069.164661 36611.705191 46411.906001 5978.743911 38210.505401 46813.64455
2 结果讨论及分析
对表1中不同形状钢质破片开展侵彻钢轨毁伤试验,得到表2、表3不同速度下破片对钢轨侵彻深度、开孔面积毁伤数据。为了研究不同速度下破片质量、形状对钢轨侵彻毁伤规律,对数据进行整理。首先理论分析试验破片比动能分布规律,结合理论研究分析不同速度下破片质量、形状侵彻钢轨对侵彻深度、开孔面积毁伤参数的影响。
2.1 破片比动能规律分析
依据比动能准则,理论分析试验破片在理论速度400～1 800 m/s,假定迎风面积为破片截面条件下,分析破片靶前存速与比动能曲线关系,破片理论存速与比动能关系如图4所示。
图4 破片存速与比动能关系
Fig 4 Relationship between fragment storage speed and specific kinetic energy
分析图4可知:对于同一破片,质量相同时存速越大,比动能越大;存速相同时,质量越大比动能越大;分析可知5、10、15 g球形、圆柱、长方体破片,发现比动能随破片存速增大而增大。在等速条件下15 g长方体破片的比动能最大;当破片质量为5 g时,长方体破片存速-比动能曲线与圆柱破片存速-比动能曲线差别不大,但均大于球形存速-比动能曲线,反映出球形破片迎风面积大于其他2种形状破片;当破片质量为10 g时,圆柱、球形破片存速-比动能曲线几乎相同,均小于长方体破片速度-比动能曲线;对于15 g破片,长方体破片速度-比动能曲线在其他破片存速-比动能曲线上方,说明相同存速下长方体破片的比动能最大。
2.2 破片形状、质量对侵彻深度的影响
根据破片形状、质量不同的球形、圆柱体、长方体破片侵彻钢轨时,侵彻深度试验数据绘制成曲线图,如图5所示。
图5可知,破片形状、质量不变条件下,随着破片速度增加,侵彻深度逐渐增大,主要原因是破片质量越大,动能越大、比动能越大,侵彻孔越深,开孔面积越大。可见球形破片质量对毁伤结果影响因素明显;研究质量5 g破片侵彻的深度曲线可知,破片速度在600～1 400 m/s区间,相同速度侵彻钢轨,球形侵彻深度最大,长方体破片次之。在1 400～1 800 m/s区间,3种形状破片侵彻深度相差不明显;当破片质量为10 g时,破片存速与侵彻深度呈正相关,侵彻速度越大深度越深。随着破片存速的增大,长方体破片侵彻深度明显大于球形和柱形破片的侵彻深度;对于质量为15 g的破片,显然长方体侵彻深度大于圆柱破片侵彻深度。此外,数据表明破片质量超过一定范围,质量的增加对侵彻深度的增益并不大。
图5 破片形状对侵彻深度影响规律
Fig 5 Influence law of fragment shape on penetration depth
结合图4及图5可知,质量、存速相同时长方体破片比动能最大,当质量相同10 g、15 g破片同存速侵彻钢轨,长方体破片侵彻能力最强,试验结果与比动能规律一致,表明对于质量相同形状不同破片,一定速度下侵彻目标深度规律可依据比动能大小进行判断。对于质量较小的破片,差别不明显。因此,对于5 g以上破片,研究形状对侵彻规律的影响规律,可以比动能毁伤准则为依据。
2.3 破片形状、质量对开坑面积的影响规律
图6所示为不同质量破片对钢轨侵彻深度、开孔面积随破片存速变化规律。当破片质量相同时,对于5 g破片,当靶前侵彻速度在8 00～1 300 m/s,随着存速的增加球形破片侵彻钢轨的开孔面积大于圆柱破片,当破片存速在1 300 m/s时,球形破片开孔面积与圆柱破片侵彻开孔面积相差不大;当破片质量10 g时,存速相同时长方体破片侵彻钢轨开孔面积显著大于球形破片和圆柱破片;当形状相同质量不同破片侵彻钢轨,破片存速越大破片开孔面积越大,靶前侵彻速度与开孔面积呈正相关。对于长方体破片10 g、15 g,当靶前侵彻速度大于800 m/s,相同速度下两破片对钢轨开孔面积差别不大。
图6 破片形状对开孔面积影响规律
Fig 6 Influence law of fragment shape on hole area
分析图6(a)可知,在600～1 600 m/s速度区间,5、10 g球形和圆柱破片当破片形状、存速保持不变时,质量越大开孔面积越大;当破片形状、质量一定,存速越大开孔面积越大。对于长方体破片,破片质量相同,存速越大则破片开孔面积越大。分析图6(b)可知,在600 m/s-1 600 m/s速度区间,长方体破片随存速的增加,开孔深度逐渐增大,破片存速与开孔面积基本呈线性关系。长方体10 g破片与15 g的圆柱和长方体破片侵彻开孔面积变化不大。说明破片质量超过10 g对开孔面积的影响不明显。
综上可见,质量相同、着速不同破片侵彻钢轨,长方体破片整体毁伤效能最佳,5 g时球形比圆柱破片的开孔面积大,10 g和15 g时球形和圆柱破片开孔面积差异不明显。
3 总结
利用比动能理论分析了球形、圆柱、立方体破片质量、形状、速度对比动能的影响,并通过试验手段得到不同条件下破片侵彻钢轨深度、开孔面积毁伤规律,得到主要结论如下:
1) 破片速度、形状、质量参数的变化对钢轨深度、开孔面积有影响。破片形状一定时,一定范围内破片速度、质量增加,破片侵彻深度越深、开孔面积越大,但破片质量大于10 g时,质量的增加对侵彻深度的增益并不大。
2) 质量相同,形状不同的破片,不同速度下侵彻钢轨的开孔面积与比动能规律一致。可依据比动能大小来评定等质量不同形状破片杀伤面积大小。
3) 质量相同、着速不同破片侵彻钢轨,长方体破片整体毁伤效能最佳,球形和圆柱破片开孔面积差异不明显,破片质量超过10 g时,质量对开孔面积的影响不明显。
[1] 吕珮毅.破片形状、着靶姿态对侵彻多层靶影响的数据模拟研究[J].国外电子测量技术,2021(1):27-31.
LYU Peiyi.Numerical simulation research on the influence of fragment shape and posture on penetrating multi-layer target[J].Foreign Electronic Measurement Technology,2021(1):27-31.
[2] 王祝波,赵锋,谢金,等.钨破片形状对穿甲速度影响的数值模拟研究[J].兵工自动化,2015(2):53-55.
WANG Zhubo,ZHAO Feng,XIE Jin,et al.Numerical simulation on effect of velocity of different shape tungsten fragments penetrating armor plate[J].Ordnance Industry Automation,2015(2):53-55.
[3] 柴桥,李均盛,杨百愚,等.外物形状对航空发动机压气机转子叶片撞击损伤的影响[J].应用力学学报,2014(6):825- 829.
CHAI Qiao,LI Junsheng,YANG Baiyu,et al.Effects of foreign object shape on the aero-engine compressor blade impacted damage[J].Chinese Journal of Applied Mechanics,2014(6):825-829.
[4] 赵小峰.破片质量对钨合金破片侵彻威力的影响[J].科学技术与工程,2020(10):3967-3971.
Zhao Xiaofeng.Impact of fragment mass on the penetration capacity of tungsten alloy fragment[J].Science Technology and Engineering,2020(10):3967-3971.
[5] 周楠.破片形状对复合靶抗侵彻性能影响的实验研究[J].弹道学报,2014(2):95-99.
ZHOU Nan.Experimental study on influence of fragment shape on the anti-penetration performance of composite plates[J].Journal of Ballistics,2014(2):95-99.
[6] 张钰龙,郑宾,郭华玲,等.球形钨破片侵彻钢轨毁伤效应研究[J].兵器装备工程学报,2020,41(5):32-36.
ZHANG Yulong,ZHENG Bin,GUO Hualing,et al.Study on damage effect of spherical tungsten fragments penetrating steel targets[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2020,41(5):32-36.
[7] 周卿,黄松,赵鹏铎,等.平头破片侵彻中厚Q235靶板的破坏模式研究[J].兵器装备工程学报,2020,41(7):69-74.
ZHOU Qing,HUANG Song,ZHAO Pengduo,et al.Study on failure mode of flat-headed projectile penetrating medium-thick Q235 target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2020,41(7):69-74.
[8] 王雪,智小琦,徐锦波,等.球形破片侵彻多层板弹道极限的量纲分析[J].高压物理学报,2019,33(6):157-165.
WANG Xue,ZHI Xiaoqi,XU Jinbo,et al.Dimensional analysis of ballistic limit of spherical fragments penetrating multi-layer plate[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2019,33(6):157-165.
[9] 李金福,智小琦,郝春杰,等.Q235钢轨分层结构抗异形破片侵彻性能研究[J].弹箭与制导学报,2020,40(4):55-60.
LI Jinfu,ZHI Xiaoqi,HAO Chunjie,et al.Study on penetration performance of layered structure of q235 steel target against special fragments[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2020,40(4):55-60.
[10] 屈科佛,姚勇,邓勇军,等.多层靶板抗不同形状高速破片侵彻性能研究[J].兵器装备工程学报,2020,41(2):6-9.
QU Kefu,YAO Yong,DENG Yongjun,et al.Numerical study on effect of fragment shape on penetration resistance of multi-layered target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2020,41(2):6-9.