馮曉暉
摘 要:電磁炮是一種新型武器,能夠通過電磁力驅(qū)動(dòng)彈丸高速侵徹半無限鋼靶,彈丸高速撞擊靶板形成高壓,當(dāng)高壓超過彈丸和靶板的材料強(qiáng)度時(shí),就會(huì)使材料產(chǎn)生變形,最終形成一個(gè)侵徹彈坑。文章進(jìn)行了動(dòng)能彈高速侵徹半無限鋼靶的實(shí)驗(yàn)研究,在設(shè)計(jì)動(dòng)能彈時(shí),要考慮到絕緣性、材料強(qiáng)度、材料性能穩(wěn)定性,并在彈丸中設(shè)計(jì)一個(gè)良好的緩沖結(jié)構(gòu),以應(yīng)對高速侵徹時(shí)產(chǎn)生的加速度,并確保侵徹穩(wěn)定性和安全性。
關(guān)鍵詞:電磁炮;動(dòng)能彈;高速侵徹;半無限鋼靶
電磁炮是近年來世界各軍事強(qiáng)國研究的方向之一,是一種機(jī)理更新穎、殺傷力更強(qiáng)大的新概念武器,作為一種超高速度的動(dòng)能武器,電磁軌道炮使用電磁能加速彈丸,通過電源、金屬導(dǎo)軌、電樞和彈丸組件形成一個(gè)大型電路,由電源產(chǎn)生的電流,在經(jīng)導(dǎo)軌、電樞和導(dǎo)軌流轉(zhuǎn)后,形成一個(gè)大型電流回路,電流經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的電磁場會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)大的電磁推力即安培力,并驅(qū)動(dòng)電樞對彈丸組件做推動(dòng)作用,使其能夠沿著軌道急速行進(jìn)。電磁軌道炮的發(fā)展,也使彈丸侵徹問題成為一個(gè)研究熱點(diǎn),侵徹理論是基于試驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)仿真分析、理論計(jì)算分析等方法進(jìn)行合理假設(shè),將復(fù)雜公式化簡后,簡化復(fù)雜的問題,從而計(jì)算彈丸侵徹深度。電磁炮動(dòng)能彈侵徹半無限鋼靶的機(jī)理,不僅涉及高速彈丸的設(shè)計(jì),還需要對其加速度、電樞一體化的彈托結(jié)構(gòu)、侵徹實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行研究。
1 電磁炮動(dòng)能彈彈丸組件結(jié)構(gòu)
1.1 彈丸組件
1.1.1 彈芯設(shè)計(jì)
彈丸組件中的彈芯是完成侵徹半無限鋼靶任務(wù)的構(gòu)件,這一結(jié)構(gòu)是彈丸組件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,鎢合金、貧鈾合金是彈芯結(jié)構(gòu)的主要材料,鎢合金因?yàn)閷τ谌梭w的傷害性較小又成為首選材料。將彈芯環(huán)形齒與彈托的環(huán)形槽配合,能夠提高應(yīng)力承受能力,并且不會(huì)造成破壞[1-2]。
1.1.2 風(fēng)帽設(shè)計(jì)
在彈芯前部,設(shè)計(jì)錐形或拋物線形的風(fēng)帽,降低彈芯飛行時(shí)承受的空氣阻力,改善彈丸頭部氣動(dòng)外形,使用鋁合金或超硬鋁合金材料設(shè)計(jì)風(fēng)帽,還能夠降低風(fēng)帽對于侵徹任務(wù)的影響。
1.1.3 尾翼設(shè)計(jì)
尾翼設(shè)計(jì)是保證彈芯飛行穩(wěn)定性和侵徹效果的因素之一,尾翼的材料選擇要避免影響彈芯的侵徹效果,因此,合金鋼、超硬鋁是主要使用的材料,還需要對尾翼進(jìn)行一定的處理,如表面涂抹高溫涂料等,以避免彈丸組件飛行時(shí)不會(huì)因氣動(dòng)燒蝕造成破壞。
1.2 彈托電樞結(jié)構(gòu)的電磁推力研究
有限無分析軟件Ansys是研究高速彈丸侵徹問題的常用軟件,使用這一軟件建模,選擇純銅作為軌道材料,并將超硬鋁作為彈托電樞結(jié)構(gòu)材料,兩種材料的電磁率分別是1.7×10-8 Ω·m,2.9×10-8 Ω·m,取0.99作為相對磁導(dǎo)率,導(dǎo)軌截面大小取30 mm×15 mm,兩導(dǎo)軌之間的距離則設(shè)計(jì)為60 mm,軌道長為30 mm,由于軌道長度直接影響了電流集中度數(shù)值,而純銅電流集中度是43 kA/mm,要避免電流過大導(dǎo)致導(dǎo)軌因過熱融化,可以取軌道長為30 mm.
在無限元單元中建立一個(gè)軸對稱幾何模型,選擇solid97單元作為結(jié)構(gòu)模型,對電磁炮在空氣中飛行時(shí)的電磁學(xué)特性進(jìn)行模擬,獲取不同時(shí)刻,導(dǎo)軌和彈托內(nèi)部流經(jīng)的電流密度具體分布情況,電流密度與電流波形呈共同變化的特點(diǎn),電流表現(xiàn)出明顯的趨膚效應(yīng)[3-5]。
電流密度主要在彈托尾部集中,使電磁力在彈托尾部集中。在電流趨膚效應(yīng)下,與彈托尾部越接近,電磁力也就越大。彈托會(huì)因時(shí)間變化而承受不同的電磁力,放電時(shí)間在0.6 ms內(nèi),電流波形與電磁力增長趨勢類似于線性趨勢;放電時(shí)間在0.6 ms以上時(shí),電流波形與電磁力增幅都會(huì)趨于平直緩慢;放電時(shí)間在5.5 ms時(shí),彈托會(huì)承受最大的電磁力值3.1×105 N。之后,電流波形會(huì)逐漸下降,在8 ms時(shí),放電結(jié)束,電磁力歸零,繼續(xù)充電,并積蓄下一輪彈丸組件所需的發(fā)射能量。
在導(dǎo)軌發(fā)射時(shí),導(dǎo)軌發(fā)射器可以視為電源負(fù)載之一,沿邊導(dǎo)軌長度分布有電阻與電感。
其中,a表示彈托上承載的加速度,m表示彈丸組件的總質(zhì)量,F(xiàn)則表示彈托所承受的電磁力;a1表示彈托尾部所承受的加速度,m1則表示彈托尾部近似于電樞結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。
利用軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算后,可以得知彈頭在放電后,從第1齒開始到第10齒,應(yīng)力逐漸降低,因此,彈芯上的環(huán)形齒會(huì)逐漸的承載接觸應(yīng)力,在0.6 ms時(shí),第1齒承受的應(yīng)力達(dá)到了460 MPa。放電時(shí)間逐漸增加,彈芯和彈托之間會(huì)逐漸產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力,放電時(shí)間在5.5 ms時(shí),接觸應(yīng)力會(huì)達(dá)到最大值,是587 MPa,這一數(shù)值已經(jīng)對彈芯中所使用的鎢合金材料產(chǎn)生了較大的威脅,必須改善應(yīng)力分布的均勻性。出現(xiàn)這種狀況的原因在于由于沖擊載荷的變化,彈體內(nèi)部各個(gè)環(huán)形齒所承受的加速度是有差別的,放電持續(xù)時(shí)間不同,對于加速度 和電流波形也會(huì)有強(qiáng)烈的影響,持續(xù)時(shí)間越短,載荷的上升時(shí)間也越短,因而會(huì)使應(yīng)力波前的應(yīng)力梯度越大,進(jìn)而產(chǎn)生更高的加速度,這也是第1齒受力最大的原因,為避免應(yīng)力過高,對彈體造成破壞,需要優(yōu)化結(jié)構(gòu),設(shè)置一個(gè)緩沖結(jié)構(gòu)。
2 侵徹試驗(yàn)及結(jié)果
運(yùn)用Anasys/Ls-dyna軟件可以模擬進(jìn)行侵徹試驗(yàn),使用Largrange網(wǎng)格劃分侵徹模型,并計(jì)算仿真數(shù)值,彈芯則選擇Shock強(qiáng)度模型,靶板材料是38CrMoAl,選擇Von-Mises模型[6-7]。當(dāng)彈丸高速侵徹靶板時(shí),會(huì)形成開坑和準(zhǔn)穩(wěn)定侵徹兩個(gè)階段,彈芯高速撞擊到靶板上,接觸瞬間會(huì)形成高壓,并且這一壓力值會(huì)超過彈丸和靶板材料的強(qiáng)度,材料就會(huì)形成局部變形和破壞。靶板由于徑向應(yīng)力出現(xiàn)塑性變形,并沿著徑向進(jìn)行塑性流動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生了孔洞。靶板上表面則由于稀疏波作用,出現(xiàn)了翻邊現(xiàn)象。開坑階段后,彈丸頭部開關(guān)會(huì)發(fā)生改變,成為蘑菇頭狀,并不斷消耗彈芯質(zhì)量,這些被消耗掉的彈芯材料會(huì)在彈坑壁面均勻分布。隨著彈芯和慣性力作用,不斷擴(kuò)張,最終形成彈坑。當(dāng)侵徹速度不同時(shí),對于侵徹過程會(huì)產(chǎn)生不同的影響,如同樣的桿體以不同速率的高速度進(jìn)行侵徹時(shí),其持續(xù)時(shí)間會(huì)有所不同,在高速侵徹時(shí),彈丸總侵徹時(shí)間要少于速度更低的情況[8]。endprint
3 結(jié)語
電磁炮作為一種新型武器,通過電磁力驅(qū)動(dòng)彈丸高速侵徹半無限鋼靶,彈丸高速撞擊到靶板時(shí),就會(huì)形成一個(gè)高壓,這一高壓超過彈丸和靶板的材料強(qiáng)度,進(jìn)而使材料產(chǎn)生變形和破壞,經(jīng)過開坑和穩(wěn)定侵徹兩個(gè)階段后,形成一個(gè)侵徹彈坑。由于這一侵徹過程以電磁力作為驅(qū)動(dòng)力,在選擇材料、設(shè)計(jì)彈丸時(shí)要考慮到絕緣材料的應(yīng)用,并考慮到侵徹加速度時(shí)材料性能的穩(wěn)定性,在彈丸中設(shè)計(jì)一個(gè)良好的緩沖結(jié)構(gòu),以確保侵徹穩(wěn)定性和安全性。要提高彈丸的侵徹效果,采取提速和增加彈丸直徑的方法能夠獲得更好的效果,但同時(shí)也要考慮到加速度對于材料的破壞性,選擇更為適宜的材料,設(shè)計(jì)長徑比更合理的彈丸。
[參考文獻(xiàn)]
[1]史梁,沈培輝,薛建鋒.彈體高速侵徹半無限鋼靶的研究[J].兵工自動(dòng)化,2016(1):34-36.
[2]田振國,白象忠,楊陽.電磁軌道發(fā)射狀態(tài)下導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J].振動(dòng)與沖擊,2012(2):10-14.
[3]楊博瀚,井晶,申海峰,等.動(dòng)能彈對金屬靶板侵徹的數(shù)值模擬分析[J].群文天地,2011(12):246-247.
[4]范錦彪,徐鵬,王燕,等.高速動(dòng)能彈侵徹鋼板加速度測試技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2008(2):123-126.
[5]李軍.電磁軌道炮中的電流線密度與膛壓[J].高電壓技術(shù),2014(4):1104-1109.
[6]吳群彪,沈培輝,劉榮忠.碳化鎢長桿體侵徹半無限鋼靶的特性研究[J].彈道學(xué)報(bào),2013(4):75-78.
[7]吳群彪,沈培輝,劉榮忠.組合桿式穿甲彈的侵徹能力仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2013(2):367-370.
[8]史梁.電磁炮用動(dòng)能彈高速侵徹半無限鋼靶的機(jī)理研究[D].南京:南京理工大學(xué),2016.
Abstract:The electromagnetic gun is a new type of weapon capable of driving the projectile to penetrate the semi-infinite steel target at high speed by electromagnetic force. The projectile hits the target plate at high speed to form a high pressure. When the high pressure exceeds the material strength of the projectile and the target plate, the material will deform, eventually forming a crater. In this paper, experimental study on penetration of semi-infinite steel target with kinetic bomb at a high speed was conducted. When design the kinetic bomb, the insulation, the material strength and the stability of the material properties need to be taken into account. A good buffer structure need to be designed in the projectile to cope with high speed acceleration generated when penetration, and to ensure the stability and security of penetration.
Key words:electromagnetic gun; kinetic bomb; high-speed penetration; semi-infinite steel targetendprint