劉 瀚， 任 杰， 王 偉， 徐豫新

(1. 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2. 中國兵器工業(yè)第53研究所， 山東 濟(jì)南 250031)

0 引 言

高速飛散破片是殺爆戰(zhàn)斗部中的重要?dú)?其飛散速度是衡量戰(zhàn)斗部威力效應(yīng)的重要指標(biāo)之一. 精確測量破片飛散速度是從事高效毀傷和安全防護(hù)研究者們共同關(guān)心的問題. 現(xiàn)有破片速度測試方法多基于區(qū)截測速原理， 按照破片與測速靶是否接觸進(jìn)行分類， 常見的接觸靶有銅絲靶網(wǎng)[1-2]、 錫(鋁)箔靶、 電探針法[3]， 常見的非接觸靶有聲靶、 電磁線圈靶、 天幕靶、 光幕靶[4]和高速攝影法[5-7]. 非接觸靶雖然不會影響破片的飛行速度和姿態(tài)， 對靶無損， 使用效率高， 但易受外界環(huán)境影響. 殺爆戰(zhàn)斗部爆炸破片速度測試環(huán)境極為惡劣， 存在爆炸火光、 粉塵、 強(qiáng)沖擊、 振動等多種干擾因素， 同時由于戰(zhàn)斗部破片數(shù)量多、 飛散范圍大， 很難對價格昂貴的非接觸靶進(jìn)行有效防護(hù)， 因此近年來國內(nèi)對于戰(zhàn)斗部破片速度測量大多采用接觸式測量法[8-9]. 然而銅絲靶網(wǎng)制作復(fù)雜、 制作周期長、 銅線間距和纏繞松緊度對測試結(jié)果有較大影響[10]， 因此經(jīng)常有研究者們對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn). 采用印刷電路斷靶測試裝置， 該印刷電路(PCB)測速靶因具有加工、 使用方便、 可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)， 一直被各試驗(yàn)場區(qū)大量使用. 但該類印刷電路(PCB)測速靶的測試效果卻一直未被校準(zhǔn)， 測試精度尚不確定. 本文通過實(shí)驗(yàn)測試方法， 與紅外光幕靶測試結(jié)果進(jìn)行對比， 研究了破片頭部形狀對其測試精度的影響.

1 印刷電路靶(PCB)測速原理與機(jī)械性能

如圖 1 所示， 通過在環(huán)氧玻纖布層壓板(FR-4.0)上覆著銅箔制作印刷電路靶， 銅箔以蛇形環(huán)繞的方式連續(xù)排布在玻纖板上， 銅箔寬0.5 mm， 相鄰銅箔間距1 mm， 電路靶厚度0.3 mm， 表面積為150 mm×200 mm， 其機(jī)械性能如表 1 所列， 電路靶實(shí)物如圖 2 所示.

圖 1 環(huán)氧玻纖布層壓板(FR-4.0)覆銅箔尺寸Fig.1 Dimensions of epoxy glass-cloth laminate which covered with copper foil

圖 2 印刷電路靶實(shí)物圖Fig.2 The physical photo of the PCB plate

銅箔剝離強(qiáng)度/N·mm-1翹曲度/%抗彎強(qiáng)度/MPa1.700.35565

印刷電路測速靶的測速實(shí)質(zhì)等同于靶網(wǎng)測速原理. 實(shí)驗(yàn)前在電路靶兩端引出的導(dǎo)線上通入電流， 當(dāng)破片通過電路靶時， 切斷覆著在玻纖板上的銅箔， 產(chǎn)生斷路信號[11]. 與傳統(tǒng)銅絲靶網(wǎng)破片速度測試裝置相比， 印刷電路靶克服了銅線松緊不一致、 銅線間距過大、 作用不穩(wěn)定的缺點(diǎn)， 具有簡單方便、 一致性好、 可靠性高等特點(diǎn).

2 實(shí)驗(yàn)測試

為了檢驗(yàn)印刷電路靶的測試精度， 分別通過56式自動步槍拋射Φ7.62 mm×39 mm尖頭步槍彈、 Φ14.5 mm線膛彈道槍拋射Φ12.8 mm×40 mm平頭圓柱狀破片， 兩種破片結(jié)構(gòu)如圖 3 所示， 同時利用紅外光幕靶和印刷電路靶測量破片速度. 實(shí)驗(yàn)中， 通過螺栓將印刷電路靶固定在剛性測速靶架上， 測速靶如圖 4 所示. 為了盡可能降低破片飛行過程中速度衰減造成的測試誤差， 光幕靶與印刷電路靶測點(diǎn)重合實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示， 電路靶靶距400 mm， 光幕靶靶距1 500 mm， 槍口距離測點(diǎn)3 000 mm. 破片出膛后， 依次穿過光幕靶和電路靶， 產(chǎn)生斷靶信號， 通過6通道測時儀分別記錄破片穿過光幕靶和電路靶測速區(qū)間所用時間， 計算破片速度. 實(shí)驗(yàn)用紅外光幕靶測速系統(tǒng)測試精度高達(dá)99.9%[12]， 故以光幕靶測試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)計算電路靶測速誤差， 尖頭破片與平頭破片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別列于表 2 和表 3 中.

圖 3 不同頭部形狀的破片實(shí)物圖Fig.3 The physical photos of the fragments with different nose shapes

圖 4 印刷電路靶測速系統(tǒng)的應(yīng)用Fig.4 The application of PCB velocimetry

圖 5 破片速度測試布置Fig.5 The layout of the fragment velocity test

序號破片速度/m·s-1光幕靶印刷電路靶絕對誤差/m·s-1相對誤差/%1704.9704.00.90.132713.6712.80.80.113716.7715.31.40.20

表 3 Φ12.8 mm×40 mm平頭圓柱破片測試結(jié)果

由表 2 結(jié)果可見， 尖頭破片高速撞擊作用下的印刷電路靶的測試誤差均不大于0.2%， 具有較高的測試精度與可靠性. 由表3結(jié)果可見， 在平頭圓柱破片高速撞擊下， 印刷電路靶與光幕靶的絕對誤差為38.6～181.2 m/s， 相對誤差為4.59%～20.22%， 具有較大的分散性.

3 測試結(jié)果分析

為進(jìn)一步研究破片頭部形狀對印刷電路靶測試精度的影響， 分別對高速尖頭破片和平頭破片撞擊下印刷電路靶的破壞模式進(jìn)行分析. 實(shí)驗(yàn)回收印刷電路靶如圖 6 所示， 由圖6(a)可見， 高速尖頭破片撞擊下， 印刷電路靶上有近似圓形穿孔， 孔徑等于尖頭破片直徑； 由圖6(b)可見， 高速平頭破片撞擊下， 印刷電路靶上破壞區(qū)域面積大于破片底面積， 呈不規(guī)則形狀， 有撕裂狀特征.

圖 6 測試回收的印刷電路靶Fig.6 The test retrieved PCB plates

由圖6現(xiàn)象推斷， 尖頭破片高速撞擊下， 彈靶接觸面積小， 近似為點(diǎn)接觸， 存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象， 局部接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于印刷電路靶的剪切強(qiáng)度， 電路靶發(fā)生脆性剪切破壞. 在平頭破片高速撞擊下， 彈靶接觸面積較大， 初始接觸應(yīng)力小于電路靶的剪切強(qiáng)度， 電路靶發(fā)生較大的撓曲變形， 并進(jìn)一步將撞擊能量分散到撞擊點(diǎn)附近的區(qū)域， 應(yīng)力分布不均勻. 隨著電路靶變形量的不斷增加， 當(dāng)某一點(diǎn)處的局部接觸應(yīng)力大于材料的剪切強(qiáng)度時， 電路靶撞擊區(qū)域發(fā)生局部剪切破壞， 銅箔切斷產(chǎn)生斷路信號. 在平頭破片高速撞擊下， 印刷電路靶呈彈塑性特征， 伴有較大的撓曲變形， 實(shí)際靶距和時間差與測試值間存在誤差， 導(dǎo)致平頭破片速度測試出現(xiàn)較大誤差， 應(yīng)力分布不均勻進(jìn)一步加大了測試結(jié)果的隨機(jī)性與分散性.

考慮到殺爆戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的自然破片形狀不規(guī)則， 速度分布區(qū)間較大， 上述研究結(jié)果表明： 印刷電路靶僅在用于槍彈速度測試時精度較高， 因此并不適用于殺爆戰(zhàn)斗部爆炸破片飛散速度的測試.

4 結(jié) 論

基于斷靶區(qū)截測速原理， 通過對傳統(tǒng)銅絲靶網(wǎng)測速系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)， 設(shè)計出一種印刷電路斷靶測速裝置， 并通過實(shí)驗(yàn)對其測試精度和適用范圍進(jìn)行討論， 獲得結(jié)論如下：

1) 印刷電路靶對高速尖頭破片的測試誤差小于0.2%， 對高速平頭破片的測試誤差為4.59%～20.22%.

2) 在尖頭破片高速撞擊下， 印刷電路靶發(fā)生脆性剪切破壞； 在平頭破片高速撞擊下， 印刷電路板發(fā)生嚴(yán)重的撓曲變形， 實(shí)際靶距和時間差與測試值間存在誤差， 導(dǎo)致平頭破片速度測試出現(xiàn)較大誤差， 應(yīng)力分布不均勻進(jìn)一步加大了測試結(jié)果的隨機(jī)性與分散性.

3) 因印刷電路靶僅在用于槍彈速度測試時精度較高， 并不適用于殺爆戰(zhàn)斗部爆炸破片飛散速度的測試.

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