王 鋒，董 靜，張學(xué)倫

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 402760)

隨著重要軍事目標(biāo)的堅(jiān)固化和地下化，使得侵徹彈技術(shù)成為彈藥領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，越來越引起世界各國的高度重視。侵徹彈是有效打擊地下指揮中心、地方機(jī)場、橋梁、重要軍事掩體、重要戰(zhàn)略設(shè)備、倉庫等高價(jià)值目標(biāo)的重要武器。

在侵徹彈技術(shù)研究中，沖擊波超壓常常作為評價(jià)其爆炸威力的一個(gè)重要參數(shù)。沖擊波超壓計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響到侵徹彈的方案設(shè)計(jì)和爆炸威力的評估。有學(xué)者認(rèn)為，殼體的變形破碎會(huì)消耗一部分爆炸能力，但影響幅度較小，殼體的變形和破碎所消耗的能量約占炸藥釋放總能量的1%左右(也有研究認(rèn)為在1%～3%)，基本忽略不計(jì)[1]。以上研究主要基于殼體壁厚較薄的普通彈丸，對于侵徹彈，要保證一定的侵徹能力及彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其彈體外殼較厚，相應(yīng)的裝填系數(shù)較小，因此，殼體對爆炸沖擊波超壓的影響與普通彈丸存在較大差異[2]。另外，在沖擊波超壓理論計(jì)算時(shí)，通常未考慮當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臍鈮汉蜏囟葪l件的影響[3]。因此，造成實(shí)際測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差，影響侵徹彈方案及其威力評估的準(zhǔn)確性。

本文提出了未忽略殼體變形破損消耗能量，同時(shí)考慮氣壓、溫度因素的侵徹彈自由場沖擊波超壓工程算法，旨在提供更為準(zhǔn)確的沖擊波超壓計(jì)算模型，為侵徹彈的方案設(shè)計(jì)與威力評估提供參考。

1 侵徹彈殼體變形破損消耗能量分析

研究表明，在相同裝藥形狀及裝藥量情況下，裸裝藥爆炸沖擊波超壓高于帶殼裝藥；密度低的殼體裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓高于密度高的殼體裝藥。產(chǎn)生此種差別的原因?yàn)椋焊鶕?jù)能量守恒，帶殼裝藥爆炸產(chǎn)生的能量部分消耗在殼體破裂以及對殼體的驅(qū)動(dòng)上，因此爆炸沖擊波超壓低于裸裝藥；在帶殼裝藥中，密度高的殼體質(zhì)量相對較大，爆炸用于殼體破碎和驅(qū)動(dòng)破片的能量相對較多，因此爆炸沖擊波超壓低于密度低的殼體[4-5]。另外，在殼體質(zhì)量確定情況下，裝藥量越大，則爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓越大?？梢哉f，侵徹彈殼體變形破損消耗的能量直接影響其爆炸沖擊波強(qiáng)度?；谝陨鲜聦?shí)，根據(jù)侵徹彈裝藥爆炸作用的物理過程，提出計(jì)及殼體密度和厚度的侵徹彈殼體變形破損能量消耗比因子β。理論分析結(jié)果表明，在同樣裝藥情況下，殼體厚度及密度是影響侵徹彈爆炸沖擊波強(qiáng)度的主要因素，殼體變形破損所占侵徹彈爆炸總能量的比值并非工程中常用的1%～3%，而是隨著殼體比厚度(殼體厚度與炸藥厚度之比)及比密度(殼體材料密度與炸藥密度之比)的增加而增大，即β增大。

根據(jù)侵徹彈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要和侵徹安定性要求，其殼體材料一般采用高強(qiáng)合金鋼制作，密度一般為7.85 g/cm3，其所裝炸藥一般為抗高過載的高能鈍感炸藥，其密度大部分在1.5～1.9 g/cm3，殼體和炸藥厚度根據(jù)侵徹條件和侵徹目標(biāo)的不同進(jìn)行調(diào)整確定。結(jié)合侵徹彈爆炸作用物理過程以及侵徹彈材料、結(jié)構(gòu)特征，得到侵徹彈殼體變形破損能量消耗比因子β與殼體比厚度、比密度有密切關(guān)系，如圖1所示。

2 氣壓溫度對沖擊波超壓的影響

理論分析表明，當(dāng)氣壓不變時(shí)，沖擊波超壓隨著溫度降低而減?。划?dāng)溫度不變時(shí)，沖擊波超壓隨著氣壓降低而減小；隨著海拔升高，沖擊波超壓隨著對應(yīng)的溫度和氣壓下降而減小。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.33 kPa下，沖擊波超壓隨溫度降低而下降的比值關(guān)系(相對標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度15 ℃)如圖2所示。在標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度15 ℃下，沖擊波超壓隨氣壓降低而下降的比例關(guān)系(相對標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.33 kPa)如圖3所示。

3 侵徹彈爆炸的能量模型

設(shè)侵徹彈殼體變形和破碎所消耗的能量占爆炸釋放總能量的比值為β，根據(jù)能量守恒定律，質(zhì)量為m的炸藥釋放出的總能量，用于爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能、爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能、破片的動(dòng)能[6-7]以及殼體變形破碎所消耗的能量，即

mQv=E1+E2+E3+βmQv

(1)

式(1)中:E1、E2、E3、βmQv分別為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能、爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能、破片的動(dòng)能、殼體變形和破碎所消耗的能量；Qv為炸藥的爆熱。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中關(guān)于E1、E2、E3的計(jì)算公式，則有

(2)

由式(2)可得

(3)

式(3)中，r0為殼體初始半徑；r為膨脹半徑；a、b為形狀系數(shù)；up為殼體膨脹速度；q為殼體質(zhì)量。

(4)

設(shè)殼體破裂時(shí)破片初速為up0，破裂半徑為rp0，則留給爆炸產(chǎn)物的能量為

(5)

4 沖擊波超壓計(jì)算

(6)

式(6)中，R為測點(diǎn)到爆心的距離；Wbe為侵徹彈裝藥有效TNT當(dāng)量。由式(5)可得到侵徹彈有效裝藥TNT當(dāng)量Wbe為

(7)

將式(7)代入式(6)，即得

(8)

考慮氣壓溫度對超壓的影響[8]，結(jié)合薩道夫斯基公式[9-10]，得到侵徹彈自由場沖擊波超壓計(jì)算公式為：

(9)

式(9)中，λ為沖擊波超壓隨氣壓溫度降低而下降的比值。

結(jié)合式(8)、式(9)以及選取的β值、λ值計(jì)算得到不同方案侵徹彈自由場沖擊波超壓值。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

某系列圓柱形殼體裝藥侵徹彈，其殼體材料為低合金高強(qiáng)度鋼，密度為7.85 g/cm3，裝填某抗高過載高能含鋁炸藥，密度為1.7 g/cm3，根據(jù)著速及目標(biāo)強(qiáng)度的高低，殼體比厚度分別約為0.05、0.07和0.10。為保證侵徹彈為自由場爆炸，爆炸高度3 m。試驗(yàn)時(shí)當(dāng)?shù)貧鈮杭s90 kPa，溫度約9 ℃。靜爆試驗(yàn)后，測得該系列3種侵徹彈的沖擊波超壓情況以及根據(jù)不同算法得到的計(jì)算結(jié)果見表1其曲線如圖4。

表1 試驗(yàn)測試結(jié)果及計(jì)算結(jié)果

原不考慮侵徹彈殼體變形破損消耗能量及氣壓溫度的算法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差達(dá)20%左右，誤差相對較大；本文提出的工程算法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，其各距離最大誤差小于6.7%，表明上述分析與計(jì)算方法較為準(zhǔn)確。

6 結(jié)論

1) 侵徹彈殼體變形破損消耗能量所占爆炸總能量的比值隨殼體比厚度(殼體厚度與炸藥厚度之比)及比密度(殼體材料密度與炸藥密度之比)的增加而增大。

2) 侵徹彈自由場沖擊波超壓隨溫度和氣壓下降而減小。

3) 所提出的工程算法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，最大誤差小于6.7%，能夠準(zhǔn)確評估計(jì)算侵徹彈爆炸的自由場沖擊波超壓。

4) 考慮殼體變形破碎消耗能量以及氣壓溫度的自由場沖擊波超壓工程算法為侵徹彈的設(shè)計(jì)與毀傷效能評估提供了新的思路和方法。

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