尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈含能金屬基材料彈芯技術(shù)研究

劉艷君，肖貴林，賈寓詞，李 航，黃仁輝

尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈含能金屬基材料彈芯技術(shù)研究

劉艷君，肖貴林，賈寓詞，李 航，黃仁輝

(湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410100)

以尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈（APFSDS）的彈芯為研究對(duì)象，開(kāi)展了含能金屬基材料特性研究和綜合毀傷能力的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：控制含能金屬基材料抗拉強(qiáng)度為900~1 000MPa，延伸率控制為7.8%~10%，既能保證在炮管內(nèi)發(fā)射強(qiáng)度要求，又具有良好的易碎性能；含能金屬基材料彈芯的綜合毀傷能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的93W合金彈芯，通過(guò)穿甲/侵徹、破片殺傷和含能材料爆炸效應(yīng)多重毀傷的聯(lián)合作用方式，可大幅度提升穿甲彈的綜合毀傷效能。

穿甲彈；含能金屬基材料；破片；抗拉強(qiáng)度；延伸率

尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈通常稱(chēng)為桿式穿甲彈，其彈芯是穿甲作用的主體，是關(guān)鍵部件，彈芯材料的性能及結(jié)構(gòu)決定了穿甲彈的穿甲能力[1]。目前彈芯材料多采用高密度、高強(qiáng)度的鎢合金或貧鈾合金材料，雖然穿甲能力大幅度提升，但穿甲后無(wú)后效毀傷效應(yīng)，即使命中目標(biāo)也容易出現(xiàn)“擊而不毀”的情況。而含能金屬基材料是將易碎鎢合金與含能材料有機(jī)地結(jié)合，它不但能夠使次口徑脫殼穿甲彈繼續(xù)保持高初速優(yōu)勢(shì)，而且由于充分利用了彈芯材料自身破碎特性，在不需炸藥或引信的情況下，還可以產(chǎn)生像榴彈那樣的破片效果[2-5]；同時(shí)，因沖擊載荷含能材料激活，發(fā)生放熱式反應(yīng)，產(chǎn)生燃燒溫度達(dá)3 000℃的縱火效應(yīng)，可形成爆炸沖擊、超壓、引燃（爆）等綜合殺傷因素[6-8]。

本文制備了4種不同配比的含能金屬基材料，通過(guò)靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，研究了適用于穿甲彈彈芯的材料性能參數(shù)；并以小口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈為研究對(duì)象，進(jìn)行了穿甲性能、破片殺傷性能、引燃性能、引爆性能等對(duì)比試驗(yàn)研究，為多功能毀傷尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈的研制提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 彈芯材料特性研究

含能金屬基材料是運(yùn)用現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)，將鎢、鎳、鐵、鈷、錳以及某稀土金屬等金屬材料按一定比例燒結(jié)而成，通過(guò)配方中鈷/鎳比的不同，調(diào)整材料的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。材料特性主要包括密度、動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度等參數(shù)，通過(guò)調(diào)整不同的配方和參數(shù)，制備出4種含能金屬基材料（分別編號(hào)為W-1，W-2，W-3，W-4），進(jìn)行靜態(tài)性能試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究。

1.1 靜態(tài)性能試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)GB 228-1987金屬壓縮、拉伸和沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行材料拉伸、壓縮試驗(yàn)。環(huán)境溫度為10℃，相對(duì)濕度為60%。試件的橫截面直徑為5mm，長(zhǎng)度為25mm。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 含能金屬基材料拉伸、壓縮試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Tensile and compression test results of reactive metal materials

1.2 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用小口徑彈道炮作為發(fā)射裝置，按GJB 3197-1998 炮彈試驗(yàn)方法方法501[9]進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。射擊時(shí)平均膛壓要求達(dá)380~400MPa。在距離彈道炮10m處豎立紙靶以觀測(cè)彈芯出炮口后的飛行姿態(tài)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

表2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 The result of structural strength experiment

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，彈芯材料密度越高，則拉伸強(qiáng)度和延伸率越低，其中延伸率波動(dòng)較大，抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯變化。理論上抗拉強(qiáng)度和延伸率較低時(shí)，彈芯具備較好的易碎性能，但同時(shí)在炮管內(nèi)強(qiáng)過(guò)載沖擊下易出現(xiàn)彈芯斷裂的情況。

圖1 W-1、W-2、W-3、W-4彈芯紙靶穿孔情況

W-1、W-2彈芯均發(fā)生斷裂、橫彈現(xiàn)象，表明抗拉強(qiáng)度小于900MPa，延伸率應(yīng)小于7.8%時(shí)，彈芯無(wú)法滿足射擊強(qiáng)度要求，因此使用W-3、W-4彈芯開(kāi)展后續(xù)研究。

2 穿甲后效及毀傷威力試驗(yàn)

試驗(yàn)采用小口徑彈道炮進(jìn)行射擊，分別進(jìn)行破片、穿甲、引燃以及引爆性能試驗(yàn)，進(jìn)行毀傷威力驗(yàn)證，彈芯分為3種狀態(tài)：W-3、W-4和93鎢合金，如圖2所示。

2.1 破片殺傷試驗(yàn)

距炮口50m處設(shè)置靶標(biāo)，靶標(biāo)為8層2mm 2A12-T4后效鋁板，間距300mm，后效鋁板尺寸為1 000mm× 1 000mm。彈芯以(900±50)m/s的速度垂直撞擊靶標(biāo)。破片穿孔數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，3種狀態(tài)的彈芯分別撞擊第8塊鋁板時(shí)的破片后效對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖2 試驗(yàn)使用的彈丸及全彈

圖3 W-3、W-4、93W彈芯分別撞擊第8塊鋁板后效對(duì)比圖

表3試驗(yàn)結(jié)果表明：在（900±50）m/s著靶速度條件下，W-3彈芯產(chǎn)生的破片穿孔總數(shù)最多，易碎性能最好，平均破片穿孔總數(shù)達(dá)518個(gè)，W-4彈芯易碎性能次之，而93W彈芯穿透8層鋁板基本不形成破片，說(shuō)明抗拉強(qiáng)度和延伸率較低時(shí)，易于破片的產(chǎn)生。

表3 破片穿孔數(shù)統(tǒng)計(jì)表

Tab.3 Statistical table of perforations

2.2 穿甲性能試驗(yàn)

距炮口50m處設(shè)置靶標(biāo)為45mm 603鋼板，鋼板尺寸為1 000mm×1 000mm。彈芯以（1 200±50）m/s的速度，著角45°撞擊靶標(biāo)。對(duì)W-3、W-4、93W彈芯分別進(jìn)行了3發(fā)試驗(yàn)，穿甲效果如圖4所示。

圖4 W-3、W-4、93W彈芯分別穿透45mm/45° 603鋼板

試驗(yàn)結(jié)果表明，在著靶速度（1 200±50）m/s條件下，W-3、W-4、93W彈芯均能有效穿透45mm/45°603鋼板，表明彈芯在密度、抗壓強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，穿甲能力基本一致，與拉伸強(qiáng)度和延伸率相關(guān)度較低。

2.3 引燃性能試驗(yàn)

距炮口50m處設(shè)置靶標(biāo)，靶標(biāo)為2mm 2A12-T4鋁板，在其后放置10L盛滿航空煤的油箱，鋁板與油箱之間間隔300mm。彈芯以（950±50）m/s的速度垂直撞擊靶標(biāo)，對(duì)W-3、W-4、93W彈芯分別進(jìn)行了3發(fā)引燃性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5。表4試驗(yàn)結(jié)果表明，在著靶速度（950±50）m/s條件下，3發(fā)W-3彈芯均有效引燃了鋁板后的航空煤油，而3發(fā)W-4彈芯有1發(fā)未引燃，3發(fā)93W彈芯均未引燃。

圖6為射擊后回收的油箱狀態(tài)，由圖6可以看出，W-3彈芯擊中靶標(biāo)后油箱完全被撕裂，表明彈芯內(nèi)含能材料被完全激活；W-4彈芯擊中油箱后有1發(fā)未引燃，油箱部分被撕裂，說(shuō)明彈芯內(nèi)的含能材料只有部分被激活而反應(yīng)不充分；93W彈芯擊中油箱后只形成穿孔，未形成油箱撕裂。因此，含能金屬基材料彈芯的引燃性能明顯優(yōu)于93W彈芯。

表4 引燃性能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 The result of ignition experiment

圖5 W-3彈芯引燃航空煤油箱效果圖

2.4 引爆性能試驗(yàn)

距炮口50m處布置靶標(biāo)，靶標(biāo)為50mmQ235鋼板，在其后放置B炸藥靶彈，靶標(biāo)布置狀態(tài)如圖7所示。靶彈殼體厚度為7mm，裝藥為B炸藥，裝藥量2.3kg，裝藥密度1.65g/cm3。彈芯以（950±50）m/s的速度、45°著角撞擊靶標(biāo)，對(duì)W-3、W-4、93W彈芯分別進(jìn)行了3發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 引爆性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：著靶速度（950±50）m/s條件下，W-3、W-4彈芯穿透50mm/45°Q235A鋼板后，均有效引爆靶后B炸藥靶彈，而3發(fā)93W彈芯均未引爆靶后B炸藥靶彈，說(shuō)明含能金屬基材料彈芯的引爆性能完全優(yōu)于93W鎢合金彈芯。W-3彈芯引爆毀傷效果如圖8所示，W-3、93W彈芯引爆試驗(yàn)后回收的靶彈破片及殼體見(jiàn)圖9。

圖7 B炸藥靶彈布置圖

圖8 W-3彈芯引爆毀傷效果圖

3 結(jié)論

本文以尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈為應(yīng)用研究對(duì)象，開(kāi)展了含能金屬基材料特性研究，對(duì)含能金屬基材料彈芯與傳統(tǒng)93W合金彈芯的穿甲、破片、引燃、引爆等綜合毀傷能力進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）影響含能鎢材料在尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈中適應(yīng)性的主要參數(shù)為抗拉強(qiáng)度和延伸率，其抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于900MPa，延伸率應(yīng)大于7.8%。

（2）W-3彈芯的破片性能優(yōu)于W-4彈芯，因此，含能金屬基材料抗拉強(qiáng)度控制在900~1 000MPa范圍，延伸率控制在7.8%~10%范圍，既保證了在炮管內(nèi)發(fā)射強(qiáng)度要求，又具有良好的破片殺傷性能。

（3）含能金屬基材料對(duì)于燃油、炸藥的引燃引爆性能均大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)93W鎢合金彈芯。含能金屬基材料彈芯通過(guò)穿甲/侵徹、破片殺傷和含能材料爆炸效應(yīng)多重毀傷的聯(lián)合作用方式，可大幅度提升尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈的綜合毀傷效能。

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Research on Post-effect of Reactive Tungsten Alloy Material of APFSDS

LIU Yan-jun, XIAO Gui-lin, JIA Yu-ci, LI Hang, HUANG Ren-hui

(Hunan Vanguard Group Co.Ltd., Changsha, 410100)

Taking armor piercing fin-stabilized discarding sabot (APFSDS) as the main research project, the post-effect experiment and performance of the reactive tungsten alloy material were carried out. The results show that as controlling the tensile strength from 900MPa to 1 000MPa and elongation from 7.8% to10%, not only the emission intensity requirements can be ensured, but also good destructive energy can be obtained. The damage ability of this ammunition is obviously superior to the traditional 93W ammunition, which greatly improves the power of armor piercing ammunition through combining effects of armor piercing, fragmentation and explosion effect.

Armor piercing ammunition；Reactive tungsten alloy material；Fragment；Tensile strength；Elongation

TJ413.+2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.005

1003-1480（2019）05-0019-04

2019-08-03

劉艷君（1988 -），男，工程師，主要從事戰(zhàn)斗部毀傷技術(shù)研究。