王昕， 蔣建偉， 王樹(shù)有， 李梅

(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

爆炸成型彈丸(EFP)由于具有大炸高、侵徹孔徑大、后效作用顯著等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多種反裝甲武器系統(tǒng)中。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注如何形成飛行穩(wěn)定、高速密實(shí)的EFP，對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)更大的侵深[1-3]。而由于戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的諸多變化，使得單一侵深數(shù)據(jù)已無(wú)法滿足對(duì)復(fù)雜目標(biāo)毀傷能力的評(píng)估要求，因此EFP的后效毀傷評(píng)估逐步提上日程。

EFP穿透裝甲后會(huì)在裝甲背面形成靶后破片，包括殘余侵徹體和裝甲材料崩落的碎片，對(duì)裝甲防護(hù)下的人員和關(guān)鍵部件實(shí)施毀傷。已有很多學(xué)者對(duì)EFP靶后破片的特性進(jìn)行了描述。例如：Dalzell[4]采用AUTODYN軟件中的平滑粒子流體力學(xué)(SPH)算法，針對(duì)軟鐵材質(zhì)EFP侵徹裝甲鋼后的碎片效應(yīng)進(jìn)行了仿真算法研究。Kim[5]針對(duì)不同密實(shí)度的模擬銅、鉭桿式EFP，以2 000～3 000 m/s速度侵徹裝甲鋼板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得到碎片飛散角度、速度和質(zhì)量等信息。葉嚴(yán)等[6]將分析射流后效的方法應(yīng)用于EFP，得出單一靶板厚度條件下EFP后效破片分布場(chǎng)的函數(shù)表達(dá)式。上述文獻(xiàn)或是基于模擬，或是基于單一靶板厚度來(lái)研究EFP穿靶后破片的飛散特性和分布規(guī)律，結(jié)果可能與實(shí)際存在出入。

為了更清楚地認(rèn)識(shí)EFP穿靶后的破片及其分布特性，本文研究了EFP對(duì)不同厚度靶板的侵徹實(shí)驗(yàn)，更加清楚、直觀地獲得了靶后破片的空間、質(zhì)量分布，所得結(jié)果為EFP后效毀傷評(píng)估提供了一定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究EFP穿透不同厚度靶板產(chǎn)生的后效破片及其分布，本文設(shè)計(jì)了圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置由EFP裝藥結(jié)構(gòu)、靶板、驗(yàn)證板組成。其中EFP裝藥結(jié)構(gòu)放置于靶板前方H距離處，驗(yàn)證板置于靶后h距離處，并輔以軟回收裝置以收集后效破片。

1.1 EFP裝藥結(jié)構(gòu)

EFP裝藥結(jié)構(gòu)選用裝藥口徑D為56 mm的聚能裝藥，由藥型罩、主裝藥、傳爆藥和殼體組成，其中藥型罩為3 mm等壁厚球缺紫銅罩，裝藥為長(zhǎng)徑比為0.86的壓裝JH-2，密度為1.71 g/cm3，殼體厚度為0.045D. 該裝藥結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)可形成頭部直徑為12.8 mm、長(zhǎng)徑比為3.24的長(zhǎng)桿形EFP(見(jiàn)圖3)，平均速度為2 120 m/s[7]。

1.2 靶板

針對(duì)EFP攻擊目標(biāo)的不同并為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，靶板采用45號(hào)鋼，尺寸為200 mm×200 mm. 確定靶板厚度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，以保證靶板厚度與裝藥口徑比值約在0.17～0.72之間。

1.3 驗(yàn)證板

驗(yàn)證板為10 mm厚度的LY12鋁板。等間隔地將500 mm×500 mm的鋁板劃分為若干個(gè)區(qū)域[8]，以統(tǒng)計(jì)破片數(shù)量及其飛散角。圖4所示為驗(yàn)證板分區(qū)示意圖。通過(guò)驗(yàn)證板上飛散最遠(yuǎn)的破片至中心點(diǎn)距離R與鋼靶和驗(yàn)證板的距離h計(jì)算出飛散角θ，計(jì)算公式如下：

θ=2arctan(R/h).

(1)

1.4 脈沖X光攝影系統(tǒng)

采用瑞典Scadiflash公司產(chǎn)450 kV脈沖X光攝影系統(tǒng)，以EFP撞擊靶板時(shí)刻為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，設(shè)置2個(gè)延遲時(shí)間t1、t2，以記錄不同時(shí)刻下的破片形態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脈沖X光圖像分析

圖5所示為拍攝的EFP侵徹20 mm厚45號(hào)鋼的2個(gè)典型時(shí)刻靶后破片形態(tài)。從脈沖X光照片中可清楚看到靶板前的崩落碎片及靶板后的崩落環(huán)，靶后破片的形狀是截橢圓形的破片云。t1=80 μs時(shí)刻破片云頭部和尾部聚集破片較大(X光中顯示顏色較深)，中間破片數(shù)量相對(duì)較少且細(xì)小。隨著時(shí)間的推移，崩落環(huán)從鋼靶上脫落，碎裂成若干塊并加入破片云中；頭部的殘余EFP也剝落成若干大破片。原始破片云不斷向四周膨脹，t2=95 μs時(shí)刻形成了長(zhǎng)短軸比為1.7的截橢圓形。計(jì)算得出此工況下破片云的頭部膨脹速度為1 678 m/s，徑向膨脹速度為525 m/s，破片云飛散角約為50°.

由于本文采用的EFP初始速度較高，EFP沖擊出的靶板材料并非沖塞塊，而是形成更為細(xì)小的碎片。依據(jù)Grady[9]動(dòng)態(tài)破片理論，局部動(dòng)能驅(qū)使靶板中的破壞表面面積不斷增加，新生成的破片表面能會(huì)阻止破壞表面面積的增加。當(dāng)EFP初始能量較高時(shí)會(huì)形成更多的自由表面，因此形成的破片必將更為細(xì)小。

2.2 鋼靶孔型分析

圖6所示為EFP穿透不同厚度45號(hào)鋼的鋼靶破壞照片。從圖6中可以看出，EFP侵徹鋼靶的孔型準(zhǔn)直，穿透45號(hào)鋼時(shí)在靶板正面形成翻邊，靶板背面由于拉伸作用[10]形成崩落環(huán)并從靶體上脫落，孔壁上附著部分銅材質(zhì)。從各個(gè)鋼靶背面可以看出，EFP均能穿透10～40 mm厚鋼靶。圖7為EFP穿透30 mm厚45號(hào)鋼靶背面的局部孔型照片，從中可以明顯看出崩落環(huán)從靶體上脫落的現(xiàn)象。

依據(jù)圖8所示的孔徑參數(shù)示意圖，量取不同厚度鋼靶的入孔和出孔，歸一化尺寸如表1所示。結(jié)合實(shí)驗(yàn)照片和表1的孔徑數(shù)據(jù)可知：穿透45號(hào)鋼時(shí)正面會(huì)出現(xiàn)翻邊，侵徹孔徑呈入孔小、出孔大的趨勢(shì)；隨著鋼靶厚度減小，鋼靶入孔的孔徑逐漸減小。由于侵徹相對(duì)厚靶時(shí)貫穿靶板時(shí)間較長(zhǎng)，EFP墩粗后軸向膨脹，使得孔徑擴(kuò)大；當(dāng)侵徹相對(duì)薄靶時(shí)EFP墩粗變形較小，擴(kuò)孔現(xiàn)象也可以忽略。

表1 鋼靶孔徑表

2.3 驗(yàn)證板穿孔分析

為了獲得后效破片飛散角及侵徹威力，對(duì)實(shí)驗(yàn)后回收驗(yàn)證鋁板上的穿孔進(jìn)行分析，鋁板不同區(qū)域的破片數(shù)量和單個(gè)破孔直徑由測(cè)量工具計(jì)數(shù)量取。破片云的飛散角由(1)式進(jìn)行計(jì)算。

圖9所示為EFP穿透不同厚度鋼靶后后效破片在驗(yàn)證板上的穿孔照片。首先分析驗(yàn)證板上破片的來(lái)源。剩余EFP和鋼靶的碎片是形成靶后碎片的組成部分，鋼靶厚度為40 mm(見(jiàn)圖9(a))時(shí)在靶板上形成的均為較小碎片，僅有個(gè)別破片可穿透10 mm厚驗(yàn)證板。由此可知，侵徹40 mm厚鋼靶后EFP已消耗絕大部分，主要是周向崩落環(huán)形成的碎片對(duì)驗(yàn)證板進(jìn)行侵徹。隨著鋼靶厚度變小，EFP穿透后的剩余部分越來(lái)越多，能量相應(yīng)增加，在驗(yàn)證靶中心上的穿孔也逐漸變大。圖9(c)所示的驗(yàn)證靶中心出現(xiàn)數(shù)枚較大的破孔，而在圖9(d)所示的驗(yàn)證靶中心則形成了完整的EFP穿孔。

由此可見(jiàn)，EFP穿透10 mm厚和40 mm厚鋼靶時(shí)，在驗(yàn)證靶上破孔數(shù)量較少，穿透20 mm厚、30 mm厚鋼靶后的破片數(shù)量較多，即隨著靶板厚度的增大，靶后破片數(shù)量呈先增大、后減小的趨勢(shì)，即存在靶后破片數(shù)量最大化的最佳靶板厚度。

下面對(duì)45號(hào)鋼產(chǎn)生的破片機(jī)理做定性分析。絕熱剪切帶容易在強(qiáng)度較高的鋼中形成，而在較低強(qiáng)度的45號(hào)鋼中不產(chǎn)生絕熱剪切帶[11]，這就說(shuō)明45號(hào)鋼形成的靶后破片是由拉伸斷裂破壞產(chǎn)生的。宏觀拉伸破壞與材料微觀組織結(jié)構(gòu)及其所受到的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。從應(yīng)力波傳播角度分析，由于侵徹不同厚度的鋼靶時(shí)，EFP和靶板中存在較為復(fù)雜的波系傳播、反射等，致使靶板中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響最終形成的靶后破片數(shù)量。當(dāng)EFP侵徹10 mm厚鋼靶時(shí)，應(yīng)力波還未在靶板中多次反射，此時(shí)EFP已完成侵徹過(guò)程，鋼靶并未充分層裂碎化，形成的破片較少；當(dāng)EFP侵徹40 mm厚鋼靶時(shí)，雖然復(fù)雜波系在鋼靶中充分作用，但EFP到達(dá)靶板背面所剩余的能量過(guò)少，不足以使破片飛離鋼靶；在侵徹20 mm厚和30 mm厚鋼靶時(shí)，波系作用與EFP剩余能量的良好匹配不僅使鋼靶充分碎化，而且使破片能飛離鋼靶，因此在驗(yàn)證靶上形成數(shù)量較多的穿孔。

根據(jù)靶后破片在靶板上的分布區(qū)域，靶后破片分散角約50°，與脈沖X光結(jié)果相一致。

2.4 后效破片數(shù)量分析

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證板上破片數(shù)量、尺寸，得到圖10～圖12所示的破片數(shù)量統(tǒng)計(jì)直方圖。

圖10為EFP穿透45號(hào)鋼靶后破片穿孔數(shù)直方圖，從中可以看出侵徹20 mm厚靶板形成的靶后破片較多，隨著靶板厚度的增大，靶后破片數(shù)量呈先增大、后減小的趨勢(shì)。

圖11和圖12分別為45號(hào)鋼靶后破片分布的特性。由圖11和圖12可見(jiàn)，靶后破片分布較隨機(jī)，破片在圖4所示的3～6區(qū)域分布較多，約占整體數(shù)量的71%～88%. 結(jié)合脈沖X攝影圖像進(jìn)一步分析可知，EFP形成的靶后碎片云分布在截橢圓的外部[12]，投影到驗(yàn)證靶即位于圖4所示的3～6區(qū)域。從圖12可以看出，破片穿孔直徑呈近似正態(tài)的分布規(guī)律，穿孔直徑為5～10 mm的破片數(shù)量約占整個(gè)破片數(shù)量的57%～63%.

2.5 后效破片質(zhì)量分析

為了對(duì)EFP穿透20 mm厚45號(hào)鋼的后效破片進(jìn)行回收、稱(chēng)重并分類(lèi)，本文設(shè)計(jì)了由鋸木、細(xì)沙等組成的軟回收裝置。圖13所示為回收后分離的銅質(zhì)和鋼質(zhì)破片照片。

從圖13(a)可以看出，銅質(zhì)破片多呈長(zhǎng)片狀，包括殘余的EFP和侵徹及飛行過(guò)程中從EFP基體剝離的破片，銅質(zhì)破片顯現(xiàn)出韌性材料的破壞特性，表面呈韌窩狀，有撕裂痕跡并被拉伸變長(zhǎng)，最大破片質(zhì)量為8.5 g. 而圖13(b)中的鋼質(zhì)破片呈塊狀，包括明顯的崩落環(huán)形成的大破片和若干小破片，破片表面較整齊，盡管是45號(hào)鋼，但在高速?zèng)_擊下呈現(xiàn)出一些脆性材料的破壞特性，最大破片質(zhì)量為5.8 g. 回收的兩種材質(zhì)破片的總數(shù)較圖9(c)中的穿孔數(shù)略少。

從回收的破片看，EFP穿透鋼靶的后效破片由鋼靶自身破裂和EFP破裂共同產(chǎn)生，兩種材質(zhì)破片的空間分布特征有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展裝藥口徑56 mm聚能裝藥EFP侵徹不同厚度鋼靶及后效破片侵徹驗(yàn)證板實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)論如下：

1)EFP穿靶后破片細(xì)小且呈截橢圓形的破片云，破片飛散角約50°，并與通過(guò)驗(yàn)證板上計(jì)算所得飛散角一致。

2)EFP侵徹鋼靶的靶后破片可穿透10 mm厚驗(yàn)證板，靶后破片在驗(yàn)證板上分布較隨機(jī)，驗(yàn)證板上穿孔直徑在5～10 mm之間的約占整個(gè)破片數(shù)量的57%～63%.

3)隨著靶板厚度的增大，破片云飛散角變化不大，靶后破片數(shù)量呈先增大、后減小的趨勢(shì)，即存在某一靶后破片數(shù)量最大化的靶板厚度。

4)靶后碎片由EFP和鋼靶碎片共同構(gòu)成，本文研究工況條件下二者破片數(shù)量基本相當(dāng)。

本文選用特定結(jié)構(gòu)的EFP進(jìn)行研究，對(duì)于不同形狀、材料EFP穿靶后效破片的影響研究正在進(jìn)行中。