槍彈穿甲后效破片對(duì)典型防彈衣侵徹毀傷特性試驗(yàn)研究

閆文敏， 王光華， 金永喜， 王舒， 許嘯， 田野

(1.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202; 2.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202)

0 引言

穿甲槍彈是目前輕型裝甲車輛面臨的主要威脅之一，此類穿甲彈對(duì)輕型裝甲目標(biāo)的毀傷，除了彈頭撞擊對(duì)目標(biāo)形成的穿甲侵徹等直接殺傷作用外，更重要的是彈體穿透車輛防護(hù)裝甲后在車輛內(nèi)部形成的后效破片對(duì)目標(biāo)內(nèi)部乘員的殺傷。從戰(zhàn)場(chǎng)傷情統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，破片致傷比例明顯高于彈頭致傷[1]，而對(duì)車輛內(nèi)部乘員實(shí)施有效毀傷主要依賴于靶后破片。諸多研究表明，后效破片特性對(duì)內(nèi)部乘員特別是穿防彈衣的內(nèi)部乘員殺傷效能影響很大[1]。因此，研究后效破片或槍彈對(duì)防護(hù)材料的侵徹作用，已成為穿甲及單兵防護(hù)工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的共識(shí)，并開(kāi)展了廣泛研究。張松松等[2]和賈福慶[3]研究了穿甲后效破片對(duì)等效鋼板的作用規(guī)律；Stilp等[4]研究了高速穿甲條件下后效破片的飛散特征；Pedersen等[5]研究了鎢合金彈芯穿透防護(hù)材料后效破片的質(zhì)量及分布特征；吳成等[6]研究了榴彈非控破片質(zhì)量分布規(guī)律的算法，預(yù)測(cè)了破片質(zhì)量分布規(guī)律；付塍強(qiáng)等[7]研究建立了桿式彈穿甲后效破片特征分布模型；Chen等[8]通過(guò)不同形狀彈頭撞擊復(fù)合防護(hù)材料研究了材料的變形特性；Bandaru等[9]研究了9 mm手槍彈撞擊凱夫拉復(fù)合材料的破壞形貌及其特性；王小強(qiáng)等[10]、侯海量等[11]研究了幾種復(fù)合材料的抗侵徹作用性能；方志威等[12]通過(guò)數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究了玻璃纖維、聚氯乙烯(PVC)泡沫和高強(qiáng)聚乙烯(PE)復(fù)合結(jié)構(gòu)防護(hù)材料對(duì)高速破片的抗侵徹性能，分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)防護(hù)材料的破壞作用過(guò)程及形態(tài)；鄒渝等[1]通過(guò)仿真方法研究了穿甲后效破片對(duì)某種防護(hù)材料的侵徹性能；周捷等[13]研究了不同質(zhì)量球形破片對(duì)防彈衣、防彈頭盔等單兵防護(hù)裝備的侵徹性能，得到了質(zhì)量變化對(duì)極限穿透速度的影響規(guī)律；Guoa等[14]研究了φ12 mm的鋼球撞擊不同復(fù)合結(jié)構(gòu)芳綸織物和鋁板材料的侵徹作用過(guò)程，獲得了不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彈道極限和阻力；鄭折等[15]通過(guò)理論分析獲得了圓柱形破片侵徹復(fù)合材料剩余速度的計(jì)算模型。

上述對(duì)于后效破片的研究都是基于25 mm以上較大口徑炮用穿甲彈進(jìn)行的，其撞擊速度高，后效破片質(zhì)量大、數(shù)量多，對(duì)于防彈衣侵徹作用的研究均是基于規(guī)則的預(yù)制破片或槍彈，而對(duì)于槍彈穿甲破碎形成的小質(zhì)量不規(guī)則后效破片對(duì)防彈衣的侵徹毀傷特性研究較少。因此，本文通過(guò)選取某12.7 mm口徑多功能槍彈為侵徹體，選取目前國(guó)內(nèi)廣泛采用的超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)防彈衣(以下簡(jiǎn)稱PE防彈衣)為研究對(duì)象，進(jìn)行彈道性能試驗(yàn)，得出此種槍彈穿甲后效破片的飛散和質(zhì)量分布規(guī)律，總結(jié)了小質(zhì)量不規(guī)則破片對(duì)軟質(zhì)PE防彈衣的毀傷特性，并揭示了槍彈穿甲后效破片對(duì)防彈衣的侵徹破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 彈頭發(fā)射及測(cè)試系統(tǒng)

采用某12.7 mm槍彈為穿甲體，其彈芯材料為易碎鎢合金，穿甲后可形成大量小質(zhì)量破片。采用12.7 mm測(cè)速?gòu)椀罉尮潭馨l(fā)射，速度由裝藥量進(jìn)行控制。

圖1 彈道試驗(yàn)示意圖Fig.1 Sketch of ballistic impact experiment

試驗(yàn)在距離槍口25 m處放置西安工業(yè)大學(xué)研制的JYJ-90A水平天幕靶測(cè)量彈頭速度，距離槍口100 m處放置10 mm厚均質(zhì)鋼板，分別在鋼板后0.6 m和1.4 m處放置Ⅰ靶和Ⅱ靶。在進(jìn)行破片飛散試驗(yàn)時(shí)，Ⅰ靶和Ⅱ靶均為紙靶，用以觀察破片飛散情況。在進(jìn)行破片侵徹試驗(yàn)時(shí)，在I靶處放置防彈衣，將PE防彈衣固定在25 mm厚松木板上，撤掉Ⅱ靶。在防彈衣側(cè)面放置美國(guó)VRI公司產(chǎn)的Phantom V710型高速攝影機(jī)和火光濾除設(shè)備，用于拍攝彈道侵徹及后效破片飛散的全過(guò)程，觀察防護(hù)鋼板后防彈衣的侵徹破壞情況，收集后效破片。彈道試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

1.2 典型防彈衣選取

選用國(guó)內(nèi)廣泛采用的PE防彈衣為典型防彈衣，寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)，防護(hù)級(jí)別符合美國(guó)執(zhí)法人員用防彈背心防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)NIJ Ⅱ級(jí)，靶片大小為300 mm×300 mm，由46層UHMWPE纖維層組成，每層由4層交叉角度分別為0°、90°、0°、90°的UHMWPE纖維疊合組成。每層標(biāo)稱厚度為0.2 mm，層與層之間沒(méi)有粘合。采用同一批次防彈衣。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 穿甲后效破片質(zhì)量分布

所選用的12.7 mm槍彈彈芯由易碎鎢合金制成，其后效破片包括彈芯破碎形成的破片、鋼板沖塞破碎形成的破片以及彈頭其他零部件破碎形成的破片等，上述所有破片均由穿甲撞擊過(guò)程中隨機(jī)形成，因此其破片形狀不規(guī)則、破片質(zhì)量不統(tǒng)一。

圖2所示為槍彈以860 m/s的速度穿透10 mm厚均質(zhì)鋼板后回收的后效破片，破片形狀不規(guī)則，質(zhì)量分布范圍較大。將回收獲得的破片逐個(gè)稱重后得出各個(gè)破片質(zhì)量，獲得的破片總質(zhì)量為19.349 g；根據(jù)破片質(zhì)量分布，將破片質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，獲得不同質(zhì)量范圍的破片數(shù)如表1所示。

圖2 試驗(yàn)回收的穿甲后效破片F(xiàn)ig.2 After-effect fragments recovered after penetration experiments

表1 不同質(zhì)量范圍破片數(shù)統(tǒng)計(jì)

本文使用的穿甲槍彈穿甲后效破片主要由兩種作用形成：一是彈靶相互作用過(guò)程中鋼板充塞破碎、彈芯及彈頭其他零部件破碎形成；二是易碎鎢合金彈芯在擊中目標(biāo)后，彈芯內(nèi)部裝填的含能材料被擠壓在彈芯殼體和彈坑底部之間，易碎鎢合金殼體內(nèi)部填充物發(fā)生釋能反應(yīng)，使得內(nèi)部壓力不斷升高，進(jìn)而使易碎鎢合金殼體膨脹破碎、形成破片。

針對(duì)本文結(jié)構(gòu)槍彈的穿甲過(guò)程，彈芯撞擊靶板后，在裝填物中彈性波通過(guò)的區(qū)域內(nèi)，材料發(fā)生彈性變形且滿足胡克定律，取填充物橫截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，平行于彈軸方向?yàn)閤軸方向，可以得出：

(1)

式中：εx為軸向應(yīng)變；ux為軸向位移；σx為裝填材料撞擊靶板時(shí)受到的軸向壓應(yīng)力，負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力；E為彈芯的彈性模量。

由于泊松效應(yīng)，填充物軸向變形的同時(shí)還存在徑向變形：

(2)

式中：εy和εz為徑向應(yīng)變；uy和uz分別為y軸和z軸方向位移；μ為填充物的泊松比。

由于泊松效應(yīng)使得填充物的部分軸向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閺较驊?yīng)力σy1，而含能材料的釋能反應(yīng)造成了彈芯內(nèi)部壓力升高，產(chǎn)生徑向應(yīng)力σy2，這兩部分徑向力的合力σy使彈芯殼體內(nèi)部受壓膨脹。假設(shè)彈芯與靶板相互作用過(guò)程中的某時(shí)刻為準(zhǔn)靜態(tài)，因此侵徹過(guò)程中彈芯受到的徑向膨脹力與靶板對(duì)彈芯的約束力可近似為受力平衡。

根據(jù)廣義胡克定律，可得

(3)

因此徑向應(yīng)力σy可表示為

(4)

穿甲過(guò)程中，彈芯內(nèi)孔受到填充物的膨脹徑向應(yīng)力σy作用，可認(rèn)為彈芯殼體為受均布?jí)毫Φ膱A筒，極坐標(biāo)下彈芯殼體中r位置受到的拉應(yīng)力可表示為

(5)

式中：σθ為彈芯殼體所受到的拉應(yīng)力；a為彈芯內(nèi)孔半徑；b為彈芯外部半徑；qa為彈芯殼體內(nèi)部受到的壓力；qb為彈芯殼體外部受到的壓力。

穿透鋼板后qb迅速卸載為0，僅剩下qa的作用。

采用最大拉應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則判斷彈芯殼體材料的失效，當(dāng)拉應(yīng)力σθ>σb時(shí)即發(fā)生碎裂，產(chǎn)生破片。

2.2 穿甲后效破片飛散規(guī)律

圖3所示為試驗(yàn)過(guò)程中采用高速相機(jī)記錄的槍彈穿透鋼板后破片飛散過(guò)程。由圖3可以看出，槍彈穿透鋼板瞬間后效破片散布范圍較小，隨著穿透過(guò)程結(jié)束，后效破片不斷向彈道方向和徑向方向飛散，其徑向方向飛散的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于彈道方向的速度。通過(guò)高速相機(jī)測(cè)量獲得了后效破片沿彈道方向的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)彈頭速度為914 m/s時(shí)后效破片的剩余速度約740 m/s，當(dāng)彈頭速度為732 m/s、接近極限穿透速度時(shí)，穿透鋼板后的后效破片速度約為440 m/s. 由以上數(shù)據(jù)可知，在彈頭能有效穿透鋼板條件下，穿甲速度越高，后效破片的剩余速度越高，但當(dāng)穿甲速度接近臨界穿透速度時(shí)，后效破片同樣具有較高的運(yùn)動(dòng)速度，只要彈頭能夠有效穿透鋼板，其后效破片瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度就可達(dá)400 m/s以上。

圖3 不同時(shí)刻的穿甲后效破片飛散情況Fig.3 Dispersion of after-effect fragments at different moments

圖4所示為距離防護(hù)鋼板后0.6 m處Ⅰ靶和1.4 m處Ⅱ靶的牛皮紙靶穿透和分布情況。選取破口尺寸大于2.5 mm的孔進(jìn)行散布范圍測(cè)量，選取最外部的3個(gè)破口連線組成三角形，做該三角形的外接圓，記錄該圓的半徑，作為破片的散布圓半徑，測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，在撞擊速度接近時(shí)，穿甲后效破片在不同距離處的散布也基本接近，且隨著距離的增大，其散布范圍增大。

圖4 不同距離處后效破片散布情況Fig.4 Dispersion of after-effect fragments at different distance

表2 后效破片散布試驗(yàn)結(jié)果

圖5 后效破片著靶密度分布Fig.5 Density distribution of after-effect fragments

由圖5可知，面積S≤1 017.9 cm2(對(duì)應(yīng)半徑R≤18 cm)圓形區(qū)域內(nèi)破片著靶密度大于2 000片/m2，而S>1 017.9 cm2(R>18 cm)以外區(qū)域破片分布密度迅速下降。因此，認(rèn)為R≤18 cm圓形區(qū)域?yàn)槊芗謴貐^(qū)，破片著靶密度較高，對(duì)目標(biāo)造成有效殺傷的概率大大增加。

2.3 穿甲后效破片對(duì)防彈衣的毀傷特性

試驗(yàn)分別選用初速約為915 m/s和730 m/s的彈頭，射擊距離100 m處垂直于地面放置10 mm厚鋼板，該鋼板后設(shè)置Ⅱ級(jí)防彈衣加25 mm厚松木板，測(cè)量后效破片對(duì)防彈衣的穿透情況。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 后效破片穿透防彈衣的試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：當(dāng)彈頭速度分別為914 m/s、916 m/s時(shí)，由高速相機(jī)測(cè)量獲得后效破片的速度為740 m/s，可有效穿透的Ⅱ級(jí)防彈衣材料破片數(shù)達(dá)10片以上；當(dāng)彈頭速度為732 m/s時(shí)，穿透鋼板后效破片的速度約為440 m/s，可有效穿透的Ⅱ級(jí)防彈材料的破片只有2～3片。為獲得穿甲后效破片對(duì)防護(hù)材料的侵徹性能，試驗(yàn)后對(duì)不同速度條件下對(duì)穿透不同層數(shù)后效破片數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 穿透不同層數(shù)的有效破片數(shù)Fig.6 The number of after-effect fragments penetrating into different layers

由圖6可見(jiàn)：彈頭速度約為730 m/s時(shí)穿透鋼板后仍有2～3片破片能夠有效穿透Ⅱ級(jí)防彈衣；而當(dāng)彈頭速度約為915 m/s時(shí)，能夠有效穿透Ⅱ級(jí)防彈衣的破片數(shù)增加至11～16片，即隨彈頭速度提高，有效破片數(shù)逐漸增多。

圖7所示為UHMWPE材料Ⅱ級(jí)防彈衣的破壞形貌。由圖7可見(jiàn)，后效破片散布中心區(qū)域破片間距較小，防彈衣上后效破片散布中心區(qū)域的穿孔間距較小，無(wú)法區(qū)分單個(gè)破片的穿孔邊界，侵徹孔相互連通，形成一個(gè)直徑為1.6 cm的密集侵徹區(qū)，侵徹孔周圍由于應(yīng)力集中產(chǎn)生撕裂擴(kuò)展，致使防護(hù)材料破壞加劇。

圖7 后效破片對(duì)防彈衣的破壞形貌Fig.7 Damage appearance of body armor penetrated by the after-effect fragments

圖8所示為防彈衣變形情況。由圖8可看出，在后效作用過(guò)程中，部分后效破片先著靶，并開(kāi)始侵徹防護(hù)材料，在防護(hù)材料內(nèi)產(chǎn)生沿彈道方向傳播的壓縮波和與彈道方向垂直傳播的剪切波，使與破片直接接觸的纖維層和壓縮波傳播到的區(qū)域獲得較大的法向速度，產(chǎn)生較大的速度梯度，導(dǎo)致纖維層發(fā)生剪切失效。隨著后效破片不斷侵徹防護(hù)材料，破片速度大幅衰減，破片不再繼續(xù)剪切纖維層，而是推動(dòng)未被穿透的纖維層逐漸形成動(dòng)態(tài)變形錐鼓包，當(dāng)彈頭速度為914 m/s時(shí)鼓包高度尺寸為113 mm，最大錐角114°. 此時(shí)鼓包與破片接觸區(qū)的速度與破片速度大致相同，致使纖維層發(fā)生分離，同時(shí)部分纖維產(chǎn)生拉伸斷裂破壞，并出現(xiàn)了邊界褶皺現(xiàn)象。因此，防護(hù)材料各纖維層的破壞模式以剪切破壞為主。防護(hù)材料上彈孔及周圍纖維呈黑色，這是因?yàn)楹笮破謴胤雷o(hù)材料時(shí)具有較高的溫度，致使UHMWPE纖維材料發(fā)生熔融、灼燒破壞所致。

圖8 防彈衣變形情況Fig.8 Deformation of body armor

由上述分析可知，防護(hù)材料的纖維層在破片侵徹作用下產(chǎn)生剪切失效，侵徹造成的彈孔尺寸接近破片著靶姿態(tài)方向的最大尺寸，這是防護(hù)材料的典型失效破壞模式。侵徹第一階段就是破片對(duì)防護(hù)材料的剪切作用，隨著破片速度的不斷降低，其剪切作用不斷變?nèi)酰a(chǎn)生了很大拉伸作用，造成防護(hù)材料各層纖維的彎曲和各層之間分離，表明侵徹后期防護(hù)材料的高拉伸強(qiáng)度對(duì)破片侵徹性能產(chǎn)生影響，此種防護(hù)材料結(jié)構(gòu)使得纖維織物發(fā)揮其超強(qiáng)的抗拉伸性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)破片的有效阻止，獲得了較高的防護(hù)效率。

破片形狀和撞擊速度決定了纖維織物的失效模式，后效破片是侵徹過(guò)程中侵徹體隨機(jī)形成的形狀不規(guī)則破片，大部分為鈍性撞擊，非尖頭擠入。當(dāng)破片速度較高時(shí)，纖維層受到破片較強(qiáng)的剪切作用，較容易實(shí)現(xiàn)剪切斷裂，侵徹性能較好；當(dāng)破片速度較低時(shí)，其撞擊纖維織物后的運(yùn)動(dòng)阻力較大，鈍擊作用明顯，剪切作用較弱，被纖維織物的超強(qiáng)抗拉伸性能阻擋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維層的有效剪切。因此這類非金屬?gòu)?fù)合防護(hù)材料對(duì)低速形狀不規(guī)則破片的防護(hù)性能較好。

3 結(jié)論

本文采用一種易碎鎢合金彈芯材料的穿甲槍彈進(jìn)行了侵徹鋼板的穿甲后效試驗(yàn)，分析了后效破片的質(zhì)量分布和飛散規(guī)律，以及穿甲后效破片對(duì)防彈衣的侵徹毀傷效果。得出如下主要結(jié)論：

1)本文選用的含易碎鎢合金穿甲彈芯的槍彈穿甲后所回收到的后效破片中，最大破片質(zhì)量為1.097 g，最小破片質(zhì)量小于0.01 g，破片質(zhì)量分布范圍較大，最大破片質(zhì)量與最小破片質(zhì)量有數(shù)量級(jí)差異。

2)易碎鎢合金穿甲彈芯槍彈的穿甲后效破片在距離鋼板0.6 m處的散布半徑約為10.7 cm，在距離防護(hù)鋼板1.4 m處的散布半徑約為21.3 cm，在距離防護(hù)鋼板1.4 m處存在半徑為18 cm的密集散布區(qū)，該區(qū)域?qū)δ繕?biāo)造成殺傷的概率遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。

3)槍彈穿甲后形成的不規(guī)則破片對(duì)PE防彈衣各纖維層的破壞模式以剪切破壞為主，纖維材料在發(fā)生剪切破壞的同時(shí)伴有纖維材料的熔融、灼燒破壞，對(duì)于密集作用區(qū)，多個(gè)侵徹孔間的邊界會(huì)交叉而產(chǎn)生纖維斷裂，形成相互連通的大孔，大孔周圍會(huì)產(chǎn)生撕裂擴(kuò)展，加劇防護(hù)材料侵徹破壞程度。