彈丸非正侵徹貫穿混凝土靶實(shí)驗(yàn)研究*

李金柱，呂中杰，張宏松，黃風(fēng)雷

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

各種地下工事目標(biāo)和地面上的建筑物目標(biāo)，其構(gòu)成結(jié)構(gòu)多是有限厚度的多層靶，而非半無(wú)限靶，針對(duì)這類目標(biāo)，主要發(fā)生貫穿效應(yīng)[1－2]。彈丸侵徹貫穿靶板后的剩余速度可以用加速度傳感器[3－5]、高速錄像[6]和多普勒雷達(dá)[7]等進(jìn)行測(cè)量，或者利用剩余能量進(jìn)行估算[8]。然而這些技術(shù)手段往往只能獲得貫穿靶板后彈丸剩余速度的大小，無(wú)法獲得剩余速度的方向和彈體姿態(tài)的改變，從而無(wú)法對(duì)混凝土介質(zhì)貫穿破壞過(guò)程中的作用力、損傷機(jī)理等進(jìn)行深入研究。文中利用建立的多層間隔箔屏靶和泡沫板彈道軌跡記錄系統(tǒng)，測(cè)量出了彈丸以一定傾角侵徹貫穿混凝土靶板后的剩余速度大小、方向以及彈丸姿態(tài)的改變，結(jié)合靶板破壞模式，為彈丸非正侵徹貫穿混凝土靶機(jī)理分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 彈丸和混凝土靶板

卵形彈丸尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1所示，彈丸后端裝載高沖擊彈載測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)加速度時(shí)間歷程進(jìn)行測(cè)量。彈丸材料選用35CrMnSiA鋼，彈托材料選用尼龍1010，彈丸和彈托之間通過(guò)撞擊 －止退技術(shù)進(jìn)行分離。

圖1 彈丸結(jié)構(gòu)和尺寸

靶板材料為C30素混凝土，形狀為圓柱體或斜截圓柱體，外層用鋼箍固定，鋼箍厚度為3mm?；炷粮擅芏葹?420kg/m3，實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為34.26MPa，骨料粒徑范圍為5～15mm，水、水泥、細(xì)骨料和粗骨料的重量配比為 0.44∶1∶1.26∶2.45。垂直侵徹貫穿實(shí)驗(yàn)的靶板厚度為0.4m，預(yù)設(shè)16°傾角實(shí)驗(yàn)的靶板厚度為0.433m，預(yù)設(shè) 21°傾角實(shí)驗(yàn)的靶板厚度 0.420m。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室152mm輕氣炮上進(jìn)行，采用電探針技術(shù)測(cè)定彈丸飛出炮管后的初始速度，加速度傳感器測(cè)試系統(tǒng)記錄彈丸在炮管內(nèi)飛行、侵徹貫穿靶板以及貫穿靶板后撞擊回收靶的加速度時(shí)間歷程，通過(guò)高速攝影記錄彈丸撞擊靶板前的姿態(tài)和著靶速度。圖2給出了高速攝影記錄的彈丸以20.7°傾角撞擊混凝土靶過(guò)程，可以看出彈丸和彈托分離良好。

圖2 高速錄像記錄的彈丸20.7°傾角侵徹混凝土靶過(guò)程

2 靶后彈丸剩余速度與彈道軌跡測(cè)量系統(tǒng)

通過(guò)彈丸中裝載的加速度傳感器測(cè)試系統(tǒng)可以獲得彈丸貫穿靶板后的剩余速度，卻無(wú)法獲得彈丸貫穿靶板后的速度方向和彈丸姿態(tài)。因此設(shè)計(jì)了一套帶有泡沫板的間隔箔屏靶測(cè)速系統(tǒng)，可同時(shí)測(cè)量彈丸穿透混凝土靶后的速度大小、方向以及彈丸的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)。

2.1 靶后箔屏靶測(cè)量裝置

圖3 傾角貫穿測(cè)試系統(tǒng)布置示意圖

圖4 靶架與靶板照片

單組箔屏靶由厚度為0.1mm的純鋁板、厚度為0.1mm的塑料膜以及厚度為3mm的木板組成，木板兩側(cè)粘接塑料膜和純鋁板，塑料?？坷?，兩側(cè)鋁板分別接脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的皮線和芯線。箔屏靶間放置有泡沫，用于固定靶間相對(duì)距離和避免信號(hào)干擾。箔屏靶后也放置有泡沫，用于記錄彈道軌跡。彈丸貫穿混凝土靶時(shí)會(huì)在靶板背面產(chǎn)生大量崩落的混凝土塊，因此設(shè)計(jì)了可固定在靶室內(nèi)的靶架，靶架前端用3塊厚度為3mm開槽的鋼板做遮擋板，阻擋混凝土塊。靶架中間依次裝有5個(gè)靶框，用于固定箔屏靶和泡沫，測(cè)試系統(tǒng)布置如圖3所示，靶架與靶板的照片見(jiàn)圖4。在靶架的后面放置舊的厚混凝土靶回收彈丸。

2.2 彈丸速度測(cè)量

當(dāng)彈丸穿過(guò)一組箔屏靶時(shí)，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的皮線和芯線導(dǎo)通，示波器觸發(fā)形成上升沿。通過(guò)每組上升沿的時(shí)間間隔和每組箔屏靶的距離，可以得出相應(yīng)的速度。彈丸侵徹貫穿泡沫會(huì)留下痕跡，將彈丸貫穿靶板后與第一塊箔屏靶的交點(diǎn)取為坐標(biāo)原點(diǎn)，X方向?yàn)椴涟蟹ㄏ?，指向靶室后方，Y方向垂直于X軸且符合右手螺旋定則，向下為正。

圖5 彈丸20.7°貫穿混凝土靶測(cè)試所得時(shí)間間隔

圖6 彈丸傾斜貫穿靶板后彈道軌跡

圖5給出了彈丸20.7°傾角下貫穿混凝土靶所測(cè)得的時(shí)間間隔脈沖?；?塊箔屏靶間距離和箔屏靶孔中心在Y方向的距離以及時(shí)間間隔脈沖，計(jì)算出3個(gè)總速度依次為197.6m/s、167.94m/s和167.90m/s。后兩個(gè)速度基本一致，第一個(gè)速度偏大。實(shí)驗(yàn)后觀察發(fā)現(xiàn)，第一塊箔屏靶上部受到崩落混凝土塊的打擊向后移動(dòng)了一定距離，導(dǎo)致間隔變小，測(cè)出的速度偏大，通過(guò)重新量取兩個(gè)穿孔的距離，計(jì)算得到速度與后兩個(gè)速度值基本一致。取后兩個(gè)測(cè)量速度的平均值167.9m/s作為剩余速度。定義彈丸貫穿靶板后速度方向與彈著靶時(shí)速度方向的夾角為彈速偏轉(zhuǎn)角。初始速度方向?yàn)閄方向，則測(cè)出靶后兩個(gè)方向上的速度值后，可求出該角度的實(shí)際測(cè)量值為β=arctan(vy/vx)。

量取箔屏靶上孔中心的坐標(biāo)以及泡沫上孔中心的坐標(biāo)，繪制出彈丸貫穿混凝土靶后的運(yùn)行軌跡如圖6所示。彈速偏轉(zhuǎn)角度的另一種實(shí)際測(cè)量求值為β=arctan(y/x)。由圖6可以看出，彈丸貫穿靶板后的運(yùn)動(dòng)軌跡基本上在一條直線上，可以近似將β視作常值。如果已知彈丸與泡沫板間的姿態(tài)角 γ，則彈丸速度與彈丸軸線之間的夾角，即彈丸攻角為:

正負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)正負(fù)攻角情況，式(1)中δ的值為正。

2.3 彈丸姿態(tài)角和攻角測(cè)量方法與原理

彈丸垂直穿過(guò)箔屏靶時(shí)，形成一個(gè)直徑與彈徑相同的圓孔，如圖7所示。當(dāng)彈丸以一定角度貫穿靶箔屏?xí)r，形成一個(gè)橢圓孔，如圖8所示。橢圓的短軸長(zhǎng)度a近似于彈丸直徑，長(zhǎng)軸則由兩部分形成，一部分是彈丸和箔屏靶法向的夾角，即姿態(tài)角γ導(dǎo)致的彈孔傾斜，其值為a/cosγ，如圖9所示;另一部分則是攻角的作用。當(dāng)攻角存在時(shí)，彈速在彈丸軸線方向的分量產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)對(duì)孔的擴(kuò)展沒(méi)有影響，彈速在徑向的分量產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致孔的擴(kuò)大，所擴(kuò)張的孔徑d為:

其中，L為彈丸圓柱體部分長(zhǎng)度，則所測(cè)量的橢圓孔的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度b為:

將式(1)代入式(3)得:

圖7 垂直侵徹時(shí)箔屏靶中穿孔和泡沫中穿孔

圖8 20.7°傾角撞擊時(shí)箔屏靶中穿孔和泡沫中穿孔

對(duì)方程(4)變換后迭代求解可以獲得攻角。求出攻角后，由式(1)可以求出相對(duì)于箔屏靶的姿態(tài)角，進(jìn)一步考慮彈丸初始傾角，可以獲得彈丸貫穿后相對(duì)于混凝土靶的姿態(tài)角。

圖9 攻角對(duì)孔徑影響示意圖

2.4 測(cè)量精度分析

圖10給出了15.9°傾角侵徹貫穿時(shí)膛內(nèi)加速度時(shí)間歷程對(duì)時(shí)間積分后獲得的速度時(shí)間曲線，得到的出膛速度為408m/s，與高速攝像和探針?biāo)盟俣确浅＝咏D11給出了15.9°傾角侵徹膛內(nèi)速度時(shí)間歷程對(duì)時(shí)間積分后獲得的位移時(shí)間歷程曲線，出口時(shí)的位移和炮管長(zhǎng)度28m非常接近。

圖10 15.9°傾角侵徹膛內(nèi)速度時(shí)間歷程

圖11 15.9°傾角侵徹膛內(nèi)位移時(shí)間歷程

垂直貫穿、15.9°斜貫穿和 20.7°斜貫穿時(shí)，加速度傳感器所得3個(gè)剩余速度依次為213.5m/s、151.5 m/s和208.4m/s，箔屏靶所得3個(gè)剩余速度依次為220.6m/s、152.3m/s 和 167.9m/s。需要指出 20.7°斜貫穿實(shí)驗(yàn)中的加速度計(jì)在多次使用后，精度已經(jīng)降低，加速度信號(hào)出現(xiàn)了劇烈震蕩?？傮w上兩種測(cè)速所得剩余速度值基本吻合，可見(jiàn)箔屏靶具有較高的測(cè)量精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)行了垂直和傾角為15.9°和20.7°工況下彈丸貫穿混凝土靶實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)彈速和傾角范圍內(nèi)，靶板厚度越大，彈丸貫穿混凝土靶后的剩余速度越低，傾角對(duì)混凝土靶抗彈貫穿耗能的影響小于靶板厚度的影響。從表1中還可以看出，彈丸傾角侵徹貫穿靶板后彈丸的姿態(tài)變化較大，并出現(xiàn)了攻角，攻角的值較小。彈丸貫穿混凝土靶板后姿態(tài)角的改變和攻角的出現(xiàn)反應(yīng)了傾角侵徹貫穿過(guò)程中彈丸復(fù)雜的受力過(guò)程，同時(shí)這種變化將大大降低彈丸貫穿之后的后續(xù)侵徹能力。

表1 有限厚混凝土靶的傾角侵徹貫穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖12 傾角侵徹貫穿混凝土的破壞情況(左:靶板正面 右:靶板背面)

圖12給出了傾角侵徹貫穿后的混凝土靶板破壞正面和背面照片。傾角侵徹貫穿混凝土靶的破壞模式和垂直侵徹貫穿大致相同，也是分為正面的開坑、中間的侵徹通道以及背面的剪切破壞和層裂破壞。背面的剪切破壞和稀疏波作用下的崩落共同形成了背面的近似錐形坑。但由于傾角的存在，彈丸侵徹靶板時(shí)產(chǎn)生非對(duì)稱的沖擊，正面形成的坑呈非對(duì)稱形狀，傾角越大，正面坑的非對(duì)稱性越大。傾角的存在，使得侵徹貫穿中彈靶作用力非常復(fù)雜，彈丸發(fā)生姿態(tài)角的改變和攻角的產(chǎn)生。靶板背面的破壞由于復(fù)雜的受力狀態(tài)而規(guī)律性較差。

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)通過(guò)高沖擊彈載測(cè)試系統(tǒng)獲得了彈丸發(fā)射、非正侵徹貫穿有限厚混凝靶板過(guò)程的加速度時(shí)程曲線，測(cè)試所得加速度時(shí)程曲線具有較高的精度;

2)建立了多層間隔箔屏靶和泡沫板記錄彈道軌跡系統(tǒng)，能夠測(cè)量出彈丸以一定傾角侵徹貫穿混凝土靶板后的剩余速度的大小、方向以及彈體姿態(tài)角的改變;

3)彈丸以一定傾角侵徹貫穿混凝土靶時(shí)，混凝土靶的破壞模式和垂直侵徹貫穿大致相同，分為正面的開坑、中間的侵徹通道、以及背面的剪切破壞和層裂破壞;

4)傾角的存在，使彈丸和靶板之間產(chǎn)生非對(duì)稱性作用力，導(dǎo)致了彈丸姿態(tài)角的改變和攻角的產(chǎn)生，以及靶板正面的非對(duì)稱形狀坑。傾角越大，正面坑的非對(duì)稱性越大。

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