王可慧,段　建,李　明,王金海,周　剛

(西北核技術(shù)研究所,西安　710024)

降低終點(diǎn)彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

王可慧,段建,李明,王金海,周剛

(西北核技術(shù)研究所,西安710024)

摘要:針對(duì)彈體侵徹過程中彈道偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,開展了降低彈體彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)研究。設(shè)計(jì)了一種錐形結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)彈體,對(duì)其侵徹混凝土靶板過程中受力情況進(jìn)行了分析,錐形結(jié)構(gòu)彈體側(cè)壁力矩有助于降低彈體侵徹過程的彈道偏轉(zhuǎn)程度;采用130 mm輕氣炮開展了錐形實(shí)驗(yàn)彈體侵徹混凝土靶板實(shí)驗(yàn),并與普通直桿形彈體侵徹結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,錐形彈體侵徹彈道的偏轉(zhuǎn)程度小于普通直桿形彈體,錐形彈體在斜侵徹以及高速侵徹厚目標(biāo)情況下,將有更好的侵徹性能。

關(guān)鍵詞:彈藥工程;彈道偏轉(zhuǎn);實(shí)驗(yàn)研究;輕氣炮;混凝土靶板

0引言

由于載體作用方式、目標(biāo)表層特性、彈體的氣動(dòng)性能和末端制導(dǎo)等因素,會(huì)導(dǎo)致鉆地彈攻擊目標(biāo)時(shí)帶有一定的攻角(速度方向與彈體軸線的夾角)和傾角(速度方向與目標(biāo)表面法線的夾角),造成彈體在侵徹目標(biāo)過程中彈道發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)站(WES)D.J.Forrestal等人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傾角導(dǎo)致鉆地彈的彈道偏轉(zhuǎn)[1]。西北核技術(shù)研究所在彈體侵徹混凝土實(shí)驗(yàn)過程中,也發(fā)現(xiàn)了傾角導(dǎo)致彈道明顯偏轉(zhuǎn)的情況。在某次小尺寸縮比實(shí)驗(yàn)中,彈體以850 m/s的速度、20°的傾角撞擊強(qiáng)度30 MPa的混凝土靶,侵徹彈道橫向偏移超過30 mm[2]。

鉆地彈在打擊地下目標(biāo)時(shí)的侵徹彈道偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象難以避免。文中開展了降低彈道偏轉(zhuǎn)彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究,得到了降低侵徹彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的方法,這對(duì)于改進(jìn)鉆地彈終點(diǎn)彈道的性能有一定的參考意義。

1實(shí)驗(yàn)彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及侵徹過程原理分析

1.1　實(shí)驗(yàn)彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為降低侵徹彈道的偏轉(zhuǎn)效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種變截面錐形結(jié)構(gòu)彈體。彈體頭部為尖卵形(CRH為4.17),殼體段為3°斜度的變截面錐形結(jié)構(gòu)。殼體段設(shè)計(jì)了六道槽“花瓣”形結(jié)構(gòu),彈體內(nèi)部為空心,內(nèi)裝模擬裝填物,圖1為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1　錐形彈體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

設(shè)計(jì)加工了錐形結(jié)構(gòu)彈體和普通結(jié)構(gòu)彈體兩種,

用來進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),分別見圖2和圖3。錐形彈體的尾部直徑大于普通彈體,采用不改變頭部情況,減小彈體前部壁厚,增加彈體后部壁厚的方式,使得二者的總質(zhì)量、頭部形狀及彈體長(zhǎng)度相同。彈體材料為35CrMnSiA,典型性能參數(shù)見表1。

圖2　錐形彈體實(shí)物圖

圖3　普通彈體實(shí)物圖

硬度/HB抗拉強(qiáng)度/MPa夏比V-缺口沖擊功/J斷裂韌性/(MPa·m1/2)5502040195343015203075380129042110

2.2　彈體侵徹過程原理分析

變截面結(jié)構(gòu)是一種新型的彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。根據(jù)文獻(xiàn)[3],當(dāng)彈體以中等速度沖擊混凝土靶或硬介質(zhì)靶時(shí),彈體基本不變形,因此假定在本節(jié)中的彈體為剛體。

彈體斜撞擊目標(biāo)情況下,由于受力點(diǎn)不通過彈體質(zhì)心,會(huì)形成一個(gè)力矩M,使彈體有繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。各種作用力綜合作用的結(jié)果是彈體既有平動(dòng),又有繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。從侵徹角度看,只有軸向平動(dòng)是有效的,該部分動(dòng)能使彈體沿彈軸方向侵入混凝土,其過程類似于正侵徹過程。橫向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致彈體側(cè)壁與混凝土互相擠壓,使彈體受到較大的橫向載荷。如果彈體沒有發(fā)生破壞,那么作用結(jié)果是侵徹彈道發(fā)生偏轉(zhuǎn),侵徹彈道更容易趨向靶板相對(duì)較薄弱的一側(cè)(或者說彈體距靶板自由面較近的一側(cè))。

普通直桿形彈體和錐形彈體以相同的初始條件撞擊混凝土靶板時(shí),從彈尖接觸靶板到彈頭剛好進(jìn)入靶板階段內(nèi),二者頭部所受力相同。在彈桿侵入靶板后,兩種彈體的桿部所受到的阻力則不同。在彈桿和靶板接觸表面,彈桿要受到靶板對(duì)它的法向阻力和切向阻力的作用。根據(jù)空腔膨脹理論,作用在彈桿身部的軸向阻力Fgz由作用在彈桿部單位接觸面上法向阻力fgn和切向阻力fgτ合成(對(duì)于直桿彈,在彈桿接觸表面上法向阻力fgn為零),如圖4所示,圖中下標(biāo)“1”代表上半彈體所受的阻力,下標(biāo)“2”代表下半彈體受到的阻力。從錐形彈體與直桿形彈體受力分析可以發(fā)現(xiàn),直桿形彈體彈桿接觸表面法向阻力為零,而錐形彈體不僅有切向阻力還受法向阻力。由于切向阻力對(duì)抑制彈體的轉(zhuǎn)動(dòng)不起作用,所以,普通直桿形彈體如果發(fā)生彈道偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,其彈道偏轉(zhuǎn)程度在力矩M的作用下會(huì)慢慢變大,直到達(dá)到穩(wěn)定侵徹狀態(tài)。而對(duì)于錐形彈體,在侵徹過程中,由于其受到的法向阻力不為零,并且由于彈道的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)及混凝土的剝落,上半彈體所受到的法向阻力fgn1小于下半彈體所受到的法向阻力fgn2,所以整個(gè)彈桿所受的法向阻力必將產(chǎn)生一個(gè)力矩M′,M′與M方向相反,削弱了彈體偏轉(zhuǎn)的動(dòng)力,從而降低彈體侵徹過程的彈道偏轉(zhuǎn)程度。

圖4　彈體侵徹過程受力示意圖

2實(shí)驗(yàn)方案及靶板設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在130 mm輕氣炮上進(jìn)行?；炷涟忻嫘敝贸梢欢ń嵌?調(diào)整混凝土靶板的傾斜度,可進(jìn)行不同傾角的實(shí)驗(yàn)。高速攝像系統(tǒng)借助靶前的鏡面反射裝置,拍攝記錄彈體著靶姿態(tài)。

采用激光測(cè)試方法測(cè)量彈體著靶速度,通過遮擋激光光束形成的時(shí)間間隔計(jì)測(cè)彈速,通過增加分束片位置微調(diào)裝置,使光束空間定位更加準(zhǔn)確,測(cè)量表明,測(cè)速系統(tǒng)測(cè)速相對(duì)誤差小于1%。

實(shí)驗(yàn)用混凝土靶板設(shè)計(jì)傾角為30°,直徑800 mm,無配筋,抗壓強(qiáng)度為30 MPa。為減小邊界效應(yīng)的影響,圓柱靶板周圍固有6 mm厚的鋼圈套緊。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用130 mm輕氣炮加速彈體撞擊靶板,共進(jìn)行了4發(fā)實(shí)驗(yàn),其中錐形彈體2發(fā),速度分別為435 m/s、438 m/s;普通彈體2發(fā),速度為431 m/s、428 m/s,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　降低彈體彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為高速攝影拍攝的普通直桿形彈體飛行撞靶過程,彈體飛行姿態(tài)良好。

圖5　普通直桿形彈體飛行撞靶過程

彈體侵徹混凝土產(chǎn)生的彈道情況見圖6?？梢悦黠@看出,彈道都有一定的偏轉(zhuǎn),但錐形彈體產(chǎn)生的彈道偏轉(zhuǎn)程度小于普通直桿形彈體產(chǎn)生的彈道偏轉(zhuǎn)。

圖6　彈體侵徹產(chǎn)生的彈道情況

圖7為實(shí)驗(yàn)后回收的彈體。觀察發(fā)現(xiàn),彈體上蝕有混凝土,但彈體結(jié)構(gòu)完好,除頭部有小量的質(zhì)量侵蝕外,其它部位無明顯可見變形。

圖7　實(shí)驗(yàn)后回收的彈體

3.2　彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)分析

為便于分析,將侵徹彈道進(jìn)行測(cè)繪,圖8為錐形彈體測(cè)繪侵徹彈道與普通彈體測(cè)繪侵徹彈道對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn),在有效侵深約50 mm處,錐形彈體與普通彈體侵徹彈道幾乎相同。這是由于二者的頭部形狀及尺寸相同,而實(shí)驗(yàn)彈的頭部長(zhǎng)度為42 mm,因此兩種彈丸從彈尖觸靶到頭部完全進(jìn)入靶板這一階段,侵徹彈道基本相同;隨后,當(dāng)彈身段進(jìn)入靶板后,直至侵徹結(jié)束,錐形彈體侵徹彈道偏轉(zhuǎn)量小于普通彈體,而且減小程度逐漸增大,說明錐形結(jié)構(gòu)在降低彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)方面有一定的作用,與理論分析相符。同時(shí),錐形彈體有效侵徹深度略大于普通彈體,說明輕微的錐形結(jié)構(gòu)并不會(huì)對(duì)侵深造成較大的影響,反而會(huì)降低彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)。此外,在高速深侵徹過程中,彈體由于受到更大軸向載荷和橫向偏轉(zhuǎn)載荷的共同作用,尾部往往容易發(fā)生破壞;而錐形結(jié)構(gòu)彈體尾部的特殊設(shè)計(jì),增強(qiáng)了尾部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,提高了彈體侵徹能力。因此,相對(duì)于普通彈體,錐形彈體在斜侵徹以及高速侵徹厚目標(biāo)情況下,將有更好的侵徹性能。

圖8　錐形彈體與普通彈體侵徹彈道對(duì)比

4結(jié)束語

設(shè)計(jì)了錐形結(jié)構(gòu)彈體,并對(duì)其降低彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)原理進(jìn)行了理論分析。

對(duì)錐形彈體的彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并將錐形彈體與普通直桿形彈體的彈道偏轉(zhuǎn)程度進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,錐形彈體的彈道偏轉(zhuǎn)程度小于普通彈體,錐形彈體的最終姿態(tài)角大于普通彈體。錐形彈體有效降低了鉆地彈侵徹過程中的彈道偏轉(zhuǎn)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn):

[1]Forrestal M J, Frew D J, Hanchak S J. Penetration experiments with limestone targets and ogive-nose steel projectiles [J]. Journal of Applied Mechanics, 2000, 67(4): 1-5.

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收稿日期:2014-11-04

作者簡(jiǎn)介:王可慧(1975-),女,河南駐馬店人,研究員,博士,研究方向:爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)。

中圖分類號(hào):O385

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Penetrator Design to Reduce Trajectory Deflexion Effect

WANG Kehui,DUAN Jian,LI Ming,WANG Jinhai,ZHOU Gang

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

Abstract:The study of reduction of trajectory deflexion was conducted in this paper. Based on dynamic mechanics analysis of projectile and concrete target during impact, a cone-shaped projectile was designed to block trajectory deflexion of projectile by parietal moment generated in penetration. The penetration experiments of the cone-shaped and the traditional penetrators into concrete target were carried out with 130 mm light gas gun. The results show that trajectory deflexion of cone-shaped penetrators are smaller than that of traditional ones. The cone-shaped penetrator is suitable for oblique penetration and penetration into thick targets at high speed.

Keywords:ammunition engineering; trajectory deflexion; experimental study; gas gun; concrete target