聶源， 蔣建偉， 王樹有， 劉瀚

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

隨著戰(zhàn)場環(huán)境的改變，裝甲與反裝甲在相互考量彼此能力的同時，也在尋求著自身突破。爆炸反應(yīng)裝甲(ERA)作為一種被動防護(hù)裝置，已廣泛應(yīng)用于裝甲車輛前部和側(cè)面的防護(hù)，大大削弱了破甲彈、穿甲彈的侵徹能力[1]。近年來，隨著ERA向全車覆蓋，以攻頂著稱的爆炸成型彈丸(EFP)將受到嚴(yán)峻威脅。因此，開展ERA與EFP相互作用規(guī)律的研究是非常有必要的。

目前，對于射流和長桿彈與ERA相互作用的研究較為系統(tǒng)[2-6]，而對EFP與ERA相互作用的研究主要集中在數(shù)值模擬[7-9]及少量實驗[10-11]，如針對ERA為面板/炸藥層/背板三明治結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究：Lidén等[10]研究發(fā)現(xiàn)1.5 mm/1.5 mm/1.5 mm結(jié)構(gòu)的ERA斜置角為60°時，裝藥口徑D為80 mm的EFP相對侵徹深度下降百分比高達(dá)77%；蔣建偉等[11]在研究中發(fā)現(xiàn)3.0 mm/3.0 mm/3.0 mm結(jié)構(gòu)的ERA斜置角為45°時，D為88 mm的EFP相對侵徹深度下降百分比約67%[11]. 但目前缺乏ERA與EFP相互作用的系統(tǒng)研究。

本文設(shè)計了形成銅質(zhì)桿式EFP的裝藥，對不同斜置角的ERA進(jìn)行了侵徹效應(yīng)實驗，通過對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了EFP剩余侵徹深度(RDOP)和相對侵徹深度下降百分比在不同ERA斜置角下的變化規(guī)律，研究結(jié)果對工程應(yīng)用和機理研究具有參考價值。

1 實驗設(shè)計

根據(jù)相似性設(shè)計理論，EFP成型及侵徹效應(yīng)滿足幾何相似性[12-13]。為了便于開展實驗、降低實驗成本，選取D為56 mm的EFP、1.0 mm/1.0 mm/1.0 mm和1.0 mm/1.5 mm/1.0 mm結(jié)構(gòu)的ERA進(jìn)行實驗。

圖1所示為實驗所用EFP裝藥零部件照片[7]。其中：主裝藥采用密度1.72 g/cm3的JH-2炸藥，裝藥長徑比為0.8；藥型罩采用等壁厚結(jié)構(gòu)的球缺形紫銅罩，質(zhì)量為58 g，壁厚為0.045 5D；殼體為45號鋼，厚度為0.044 6D；EFP裝藥由8號電雷管起爆。

圖2所示為采用脈沖X光攝影機拍攝的EFP圖像[7]及采用有限元分析AUTODYN軟件數(shù)值模擬的EFP形態(tài)圖像。

由圖2可見，EFP裝藥形成頭部密實、尾部中空的桿式EFP，經(jīng)測量其長度和直徑分別為41.5 mm和12.8 mm，平均速度為2 150 m/s，在12.5D炸高下對45號鋼的平均侵徹深度為47 mm(0.84D).

三明治結(jié)構(gòu)的ERA長和寬分別為210 mm和145 mm. 面板和背板材料均為Q235鋼，厚度均為1 mm，在面板上沖壓出一定厚度，裝填炸藥后在四周用螺紋與背板連接。炸藥層厚度分別為1.0 mm和1.5 mm. 將1.0 mm/1.0 mm/1.0 mm的結(jié)構(gòu)稱為ERA-1，1.0 mm/1.5 mm/1.0 mm的結(jié)構(gòu)稱為ERA-2.

圖3所示為EFP與ERA相互作用的脈沖X光攝影實驗裝置示意圖。ERA以斜置角θ放置于有機玻璃板粘接的托架上；EFP裝藥放置在托架正上方，彈軸線與ERA平面法線方向呈θ角；托架正下方放置45號鋼主靶板，尺寸為350 mm×200 mm×40 mm.

裝有ERA和EFP裝藥的托架放置于2臺X光射線管與電子感光底片之間，2臺射線管并排放置，接瑞典Scandiflash公司生產(chǎn)的450 kV高壓脈沖發(fā)生器。在雷管底部放置觸發(fā)探針，預(yù)先設(shè)置2個延期時間(t1和t2)，雷管起爆(t=0 μs)EFP裝藥后，2臺射線管依次在t1和t2時刻釋放X射線，從而將EFP與ERA相互作用圖像記錄在感光底片上。

2 實驗結(jié)果

通過對ERA斜置角θ分別為0°、30°、45°、60°時EFP侵徹的脈沖X光攝影實驗，獲得了ERA與EFP相互作用圖像及剩余EFP對主靶板的RDOP.

圖4所示為EFP與ERA相互作用的脈沖X光照片。由圖4可見，ERA均能被EFP起爆，其面板和背板在爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動下沿面板法向飛散。通過計算得到ERA-1面板和背板平均飛散速度分別為806 m/s和824 m/s，ERA-2面板和背板平均飛散速度分別為1 028 m/s和962 m/s.

觀察圖4脈沖X光照片中的剩余EFP，可以看出，EFP穿過ERA后，頭部由于與金屬板撞擊出現(xiàn)墩粗現(xiàn)象，呈現(xiàn)靴子形，圓柱部受面板側(cè)向切割出現(xiàn)明顯的內(nèi)凹現(xiàn)象。ERA-1中，θ=45°時EFP頭部變形較θ=30°時更嚴(yán)重，彎曲的部分?jǐn)嗔研纬伤槠．?dāng)EFP穿過θ=45°的ERA-2后，圓柱部整體受飛板切割，被剪切破壞的部分堆積在尾部，剩余EFP整體形狀變?yōu)閆字形，使其在主靶板上的穿甲深度大幅降低。如表1所示為EFP穿過ERA后的特征參數(shù)表。

由表1可知，隨著θ增大，剩余EFP呈軸向長度減小、徑向長度增大的趨勢，速度略微減小。

表1 剩余EFP特征參數(shù)表Tab.1 Characteristic parameters of residual EFPs

圖5和圖6所示分別為剩余EFP侵徹主靶板后的照片和RDOP隨θ變化曲線。θ分別為0°、30°、45°、60°時，EFP穿過ERA-1的RDOP分別為0.56D、0.53D、0.52D和0.27D，穿過ERA-2的RDOP分別為0.52D、0.50D、0.43D和0.19D.

由圖6可見，隨著θ增大，RDOP呈非線性遞減趨勢，其中：θ分別為0°、30°時，RDOP基本不變；θ為30°～60°時，RDOP迅速下降；當(dāng)炸藥層厚度增大時，EFP的RDOP更小。

3 討論與分析

為便于分析θ對EFP侵徹效應(yīng)的影響特性，對相關(guān)參量作如下標(biāo)記：

1)EFP穿過ERA后相對穿靶前的軸向長度相對變化量用ηa表示：

ηa=L/L0-1，

(1)

式中：L0為EFP初始長度；L為EFP穿過ERA后長度。由于EFP被墩粗，即L

2)EFP穿過ERA后相對穿靶前的徑向長度相對變化量用ηr表示：

ηr=d/d0-1，

(2)

式中：d0為EFP初始直徑；d為EFP被墩粗后直徑，由于d>d0，故ηr為正值。

3)EFP穿過ERA后相對穿靶前的長徑比相對變化量用η表示：

η=Ld0/dL0-1，

(3)

由于穿過ERA后長度變化大于直徑變化，故η也為負(fù)值。

4)相對無ERA干擾時EFP的侵徹深度下降百分比稱為相對侵徹深度下降百分比：

ξ=(1-PRDOP/P)×100%，

(4)

式中：PRDOP為RDOP；P為無ERA時的侵徹深度。

前期的研究結(jié)果表明[7]，ERA與EFP相互作用分為兩個階段：

1)EFP頭部與面板和背板發(fā)生碰撞擠壓，該階段ERA與EFP相互作用力決定EFP頭部鐓粗的程度。根據(jù)撞擊與侵徹力學(xué)理論，EFP頭部受正應(yīng)力與金屬板材料力學(xué)特性參數(shù)和1/cosθ呈正相關(guān)，因此在該階段EFP頭部鐓粗變形程度隨θ增大而增大，如圖7所示ηa隨θ變化曲線證明了這一變化關(guān)系。

2)面板和背板受爆轟產(chǎn)物驅(qū)動沿法線方向飛散，EFP圓柱部分別受面板和背板的切割作用， ERA與EFP相互作用力決定EFP圓柱部剪切破壞程度。面板和背板與桿式侵徹體相互作用發(fā)生剪切破壞，面板和背板對EFP圓柱部的作用力F與其切割長度Δyi、金屬板厚度δi和桿體的剪切強度σ呈正比[14]：

F=2Δyiδiσ，

(5)

式中：Δyi=vittanθ；i=p，b分別表示面板、背板；vi為金屬板飛散速度；t為作用時間。故在該階段，其他條件不變時，EFP圓柱部剪切破壞程度隨θ增大而增長。

EFP頭部鐓粗變形與圓柱部剪切破壞共同決定了ηr. 由以上分析可進(jìn)一步得出，ηr隨θ增大而增大。圖8所示為ηr與θ的關(guān)系曲線，從中可看出，ηr滿足隨θ增大而呈現(xiàn)正相關(guān)的變化趨勢。

圖9所示為η隨θ變化曲線。由圖9可看出，隨著θ增大η呈非線性減小。其中：ERA-2結(jié)構(gòu)在θ分別為0°、30°、45°、60°條件下，η分別減小達(dá)52%～86%. 從以上分析結(jié)果來看，剩余EFP的軸向長度減小、徑向長度增大，導(dǎo)致長徑比的減小幅度較大。

剩余EFP對主靶板的穿甲深度與EFP長徑比、質(zhì)量、速度和攻角等密切相關(guān)。根據(jù)脈沖X光攝影照片，EFP穿過ERA后頭部被侵蝕，與穿過ERA前相比，不僅軸向長度減小、徑向長度增大，而且有效質(zhì)量還有較大損失。剩余EFP的速度較初始速度平均下降僅約8%. 脈沖X光攝影照片和在主靶板上的侵徹孔表明，EFP穿過ERA后基本無偏轉(zhuǎn)。綜上所述可知，EFP長徑比的減小和有效質(zhì)量的損失是ERA降低EFP侵徹效應(yīng)的主要因素。

圖10所示為ξ隨θ變化曲線。由圖10可看出，ERA對EFP侵徹效應(yīng)有巨大影響，ξ隨θ的變化趨勢與η的變化趨勢相對應(yīng)。隨著θ增大，ξ近似呈指數(shù)增長；當(dāng)θ較小時，ξ變化緩慢。其中，ERA-2的θ分別為0°、30°時，ξ分別為38%和41%. 當(dāng)θ較大時，ERA對EFP侵深的影響急劇增大。其中，ERA-2的θ從30°增大到60°時，ξ從41%迅速增大到77%，這與參考文獻(xiàn)[10]中得到的侵徹深度下降77%一致。

由圖10可見，當(dāng)ERA炸藥層厚度增加時，ξ增大。0.027D炸藥層厚度的ERA使ξ較0.018D的ERA平均增長8%. 這是因為較厚炸藥層的ERA爆炸后，背板飛散速度提高約20%，而EFP在背板飛散方向上的速度不變，由于EFP與背板同向追趕，根據(jù)EFP與ERA金屬板作用時間理論[8]可知，EFP與背板的作用時間增大，在θ不變條件下，EFP剪切破壞程度加劇，導(dǎo)致其在靶板上的穿甲深度下降。

4 結(jié)論

1)ERA對EFP主要破壞方式為頭部與金屬板撞擊而墩粗，圓柱部受面板側(cè)向切割，ERA削減EFP侵徹效應(yīng)的主要原因是EFP的長徑比大幅降低和有效質(zhì)量損失。

2)θ對EFP的RDOP影響顯著，RDOP隨θ的增大呈非線性遞減趨勢。其中：θ分別為0°、30°時，RDOP下降緩慢；θ為30°～60°時，RDOP迅速下降。

3)ξ隨ERA斜置角的增大近似呈指數(shù)增長，其中EFP穿過0°、30°、45°和60°斜置角的ERA后ξ分別達(dá)到38%、41%、49%和77%.

4)ERA炸藥層厚度的增大使EFP破壞程度加劇，導(dǎo)致EFP的RDOP減小、ξ增大。炸藥層厚度為0.027D的ERA使ξ比0.018D的ERA平均大8%.