脫殼穿甲彈毀傷效應(yīng)試驗(yàn)研究

陳桂榮，歐陽(yáng)稠，彭 安，焦延博

(宜春先鋒軍工機(jī)械有限公司，江西 宜春 336000)

1 引言

脫殼穿甲彈是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來(lái)的一種性能優(yōu)良的穿甲彈，具有初速高、彈道低伸、飛行時(shí)間短、命中精度高、侵徹威力大等特點(diǎn)，是目前最主要的反甲彈藥[1]。依穩(wěn)定方式分為旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定和尾翼穩(wěn)定兩大類，其主要是依靠動(dòng)能以碰擊方式來(lái)攔截毀傷武裝直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈等空中目標(biāo)以及地面輕型裝甲車輛等有生力量。脫殼彈穿甲主要由飛行彈體(彈芯和風(fēng)帽)和彈托兩大部分組成，飛行過(guò)程中，彈托會(huì)自動(dòng)脫落，使彈芯獲得良好的外彈道性能，彈芯在擊中目標(biāo)時(shí)，可以依靠動(dòng)能擊穿裝甲造成損壞或者引爆戰(zhàn)斗部[2]。目前世界上脫殼穿甲彈大多采用分離卡瓣式，在連發(fā)射擊過(guò)程中，彈托分離會(huì)對(duì)后續(xù)彈藥造成干涉，我國(guó)新研制的氣推式整體脫殼穿甲彈，在彈丸出炮口的極短距離內(nèi)，彈芯借助高壓火藥氣體自動(dòng)高速推出彈托，達(dá)到整體脫殼的效果，具有其特殊的優(yōu)越性。

基于35 mm高炮試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)氣推式整體脫殼穿甲彈，開(kāi)展了穿甲威力、有效防護(hù)駕駛艙毀傷、燃油箱引燃、戰(zhàn)斗部模擬靶引爆等試驗(yàn)，分析了其毀傷效應(yīng)，得到了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品的研制設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

2 試驗(yàn)方法

采用35 mm高炮，水平射擊，分別在距離炮口50 m處布置40 mm/60°均質(zhì)裝甲鋼板威力靶、有防護(hù)駕駛艙模擬靶、燃油箱模擬靶，100 m處布置戰(zhàn)斗部模擬靶。選用試驗(yàn)彈模擬1 000 m著速，依次對(duì)上述模擬靶板進(jìn)行射擊試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 穿甲威力

對(duì)于坦克、輕型裝甲車輛等目標(biāo)，目標(biāo)靶的穿透率是考核其穿甲威力的主要手段之一，目前我國(guó)對(duì)穿甲彈威力的評(píng)價(jià)指標(biāo)為90%穿透率的速度v90，對(duì)一定的裝甲目標(biāo)，彈芯穿透目標(biāo)的速度越小其穿甲效能越好，速度的標(biāo)準(zhǔn)方差越小表示其穿甲效能的穩(wěn)定性越好[3]。彈芯的穿甲威力以1 000 mm著速，對(duì)40 mm/60°均質(zhì)裝甲鋼板的穿透率為考核依據(jù)，根據(jù)De Marre極限穿甲深度(L)公式、極限穿透速度(vl)公式[4]可知該彈芯對(duì)均質(zhì)裝甲的穿透能力：

(1)

(2)

式中:vt為彈芯侵徹靶板時(shí)的著靶速度；ρ、l、d、m為彈芯的密度、長(zhǎng)度、直徑、質(zhì)量；σs、T為均質(zhì)裝甲鋼板的屈服極限和厚度；A、k為靶板的修正系數(shù)(2 000～2 600)、符合系數(shù)；均質(zhì)裝甲鋼的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 裝甲鋼性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of armour steel

當(dāng)彈芯對(duì)裝甲鋼板非垂直命中時(shí)，彈芯與鋼板表面法線方向成一法向角θ，實(shí)際上，vl和θ之間存在著較復(fù)雜的關(guān)系，對(duì)于均質(zhì)裝甲De Marre公式可作如下修正[5]:

(3)

式中:λ、N為修正角度值和修正系數(shù)，修正系數(shù)N和θ的關(guān)系值如表2所示。

表2 系數(shù)N和θ的關(guān)系值Table 2 Relationship value of coefficient N and θ

飛行彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖見(jiàn)圖1，材料性能參數(shù)見(jiàn)表3.將彈芯直徑0.168 dm，重量0.26 kg參數(shù)代入式(2)中，根據(jù)修正公式可知40 mm/60°均質(zhì)裝甲鋼板的極限穿透速度為1 147.2 m/s。

圖1 飛行彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural parameters of a flying projectile

表3 彈體材料性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the projectile material

該穿甲彈正裝藥可獲得1 350 m/s的初速，用彈道雷達(dá)監(jiān)測(cè)目標(biāo)彈芯，測(cè)出彈芯千米速度降為200 m/s，千米靶距著速為1 150 m/s，理論上該彈芯能夠穿透40 mm/60°均質(zhì)裝甲鋼板。在炮口50 m處按40 mm/60°架設(shè)1 m×1 m的均質(zhì)裝甲鋼板(GY4)，以炮口50 m處1 150 m/s彈芯速度選定發(fā)射藥裝藥量，即炮口50 m處穿甲威力可等效1 000 m著速對(duì)40 mm/60°均質(zhì)裝甲鋼板的穿甲效果。按選定裝藥量依次射擊10發(fā)穿甲彈，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：裝藥量為305 g，平均初速為1 151.58 m/s，10發(fā)彈命中裝甲鋼板且全部有效穿透，其穿透率為100%，其穿甲威力效果如圖2所示。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Table 4 Test data and results

圖2 穿甲威力效果圖Fig.2 Effect picture of armour piercing power

3.2 有防護(hù)駕駛艙毀傷能力系數(shù)

當(dāng)該型穿甲彈攔截空中的固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)時(shí)，需達(dá)到命中即擊毀的毀傷要求。以毀傷能力系數(shù)P值來(lái)判定彈藥的毀傷能力，當(dāng)P值大于140時(shí)即可對(duì)飛機(jī)、直升機(jī)造成中度毀傷，使其不能正常完成作戰(zhàn)使命[6]。按目標(biāo)部位的易損特性，將其劃分為幾個(gè)典型要害部位，固定翼飛機(jī)劃分為駕駛艙、燃油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、設(shè)備艙和機(jī)翼5個(gè)部位，直升機(jī)劃分為駕駛艙、燃油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、尾梁和機(jī)身下部5個(gè)部位[7]。用多層固定間隔的靶板組等效典型要害部位，形成一個(gè)等效靶板體系，用以檢測(cè)彈芯的毀傷效果。美國(guó)AH-64A“阿帕奇”直升機(jī)、俄羅斯米-24D直升機(jī)、Su-25攻擊機(jī)防護(hù)裝甲的等效裝甲鋼板厚度約為6～15 mm，軍用飛機(jī)裝甲設(shè)計(jì)與安裝要求標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)裝甲防護(hù)材料的厚度要求為8～10 mm[8]，因此對(duì)固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)上述部位的模擬靶可等效由1塊15 mm/60°均質(zhì)裝甲鋼板(GY4)和1塊3 mm、1塊5 mm、5塊2 mm厚的1 m×1 m的2A12鋁板組成，各鋁板之間間隔300 mm，其示意圖如圖3所示。等效靶板如圖4所示，鋁合金性能參數(shù)見(jiàn)表5。

圖3 固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)等效靶板示意圖Fig.3 Schematic diagram of equivalent target plates of fixed-wing aircrafts and attack helicopters

圖4 固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)等效靶板Fig.4 Equivalent target plates of fixed-wing aircrafts and attack helicopters

表5 鋁合金性能參數(shù)Table 5 Performance parameters of aluminium alloy

選用試驗(yàn)彈以1 000 m著速1 150 m/s對(duì)距炮口50 m處的飛機(jī)、直升機(jī)等效靶板進(jìn)行射擊，統(tǒng)計(jì)穿甲彈彈芯穿透全部M塊后效鋁靶板后每一塊后效鋁靶板上破片穿孔的數(shù)量N，將每個(gè)穿孔近似為矩形后，測(cè)量該矩形穿孔的長(zhǎng)度KL(mm)和寬度KW(mm)，均取整數(shù)，得到彈芯對(duì)M塊后效鋁靶的綜合毀傷能力系數(shù)P：

(4)

其中:D為彈芯直徑(mm)。當(dāng)破片穿孔近似為圓形時(shí)，KL和KW均取圓形的直徑值。

按前述選定的裝藥量裝配全彈，依次射擊5發(fā)穿甲彈，5發(fā)彈在各后效靶板上穿孔面積的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。每發(fā)彈對(duì)7塊后效鋁板的毀傷能力系數(shù)如圖5所示。試驗(yàn)表明：裝藥量305 g，平均初速為1 150.62 m/s，5發(fā)穿甲彈綜合毀傷能力系數(shù)分別為408、342、415、379、399，平均值為388.6，綜合毀傷能力系數(shù)均大于140，因此彈芯命中目標(biāo)后可對(duì)飛機(jī)、直升機(jī)目標(biāo)造成破壞進(jìn)而達(dá)到摧毀的打擊效果，單發(fā)穿甲彈毀傷鋁靶板情況如圖6所示。5發(fā)穿甲彈毀傷鋁靶板效果如圖7所示。

圖5 每發(fā)彈對(duì)7塊后效鋁靶板的毀傷能力系數(shù)Fig.5 Damage capacity coefficient of each bullet to 7 aftereffect aluminium target plates

表6 5發(fā)彈在各后效靶板上穿透面積(mm2)Table 6 Penetration area of 5 bullets of APDS on each aftereffect target

圖6 單發(fā)穿甲彈毀傷鋁靶板情況Fig.6 Damage of aluminium target plates by single APDS

圖7 5發(fā)穿甲彈毀傷鋁靶板效果Fig.7 Damage effect of 5 bullets of APDS on aluminium target plates

3.3 裝甲燃油箱模擬靶引燃性能

統(tǒng)計(jì)表明軍用飛機(jī)在遭受火力攻擊后，燃油系統(tǒng)起火和爆炸是導(dǎo)致其損傷的主要原因，而燃油系統(tǒng)的損傷主要是由于燃油箱的燃燒、爆炸或漏油3種毀傷方式造成的，而燃燒是油箱的主要?dú)绞絒9]。彈芯擊中裝甲車輛、固定翼飛機(jī)和直升機(jī)油箱時(shí)，將其燃油箱中的燃料(0#柴油、航空汽油、航空煤油)完全點(diǎn)燃才能有效的摧毀目標(biāo)，表7給出了3種燃料的閃點(diǎn)溫度[10]。而輕型裝甲車輛步戰(zhàn)車防護(hù)鋼板厚度約5～25 mm[11～12]，固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)防護(hù)裝甲的等效裝甲鋼板厚度約為6～15 mm，因此燃油箱模擬靶可等效由一塊25 mm/0°均質(zhì)裝甲鋼板和2 mm厚Q235燃油箱組成，其中油箱裝滿一半0#柴油，油箱與裝甲鋼板間隔100 mm，其示意圖如圖8所示。

表7 幾種燃料的閃點(diǎn)Table 7 Flash point of fuels

圖8 燃油箱模擬靶示意圖Fig.8 Schematic diagram of the simulation target of a fuel tank

選用試驗(yàn)彈以1 000 m著速1 150 m/s對(duì)炮口50 m處燃油箱模擬靶進(jìn)行射擊，根據(jù)式(2)及穿甲后剩余速度(vs)式(5)，求出穿甲彈芯穿透25 mm均質(zhì)裝甲及油箱的極限穿透速度為467.98 m/s，穿甲后的剩余速度：972.76 m/s。

(5)

式中：vt為彈芯侵徹靶板時(shí)的著靶速度；vl極限穿透速度；d、m為彈芯的直徑和質(zhì)量；ρb、T為均質(zhì)裝甲鋼板的密度和厚度；θ為彈芯與裝甲表面法線方向的夾角法向角。

彈芯擊穿油箱金屬外殼時(shí)，由于外殼和燃料的阻礙，彈芯的動(dòng)能可轉(zhuǎn)化為塞塊、彈芯的熱能，使得油溫升高至燃點(diǎn)以上。彈芯擊穿靶板和油箱產(chǎn)生的高速飛濺的高溫顆粒火花及高溫的塞塊、彈芯，遇到燃油箱內(nèi)的燃料時(shí)發(fā)生燃燒效應(yīng)，使油箱燃燒或爆炸。根據(jù)能量守恒定律，彈芯擊穿 25 mm/0°均質(zhì)裝甲鋼板和油箱后損失的動(dòng)能絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，彈芯在侵徹過(guò)程中，由于彈芯的導(dǎo)熱率大，摩擦和塑性變形做功超過(guò)90%可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊醄13-14]，根據(jù)式(6)可計(jì)算出熱能E為43.97 kJ，熱能被彈芯殘骸和裝甲鋼板塞塊吸收，由溫度升高量式(7)可求出，溫度升高量為636.55 ℃，一般0#柴油的燃點(diǎn)為220～250 ℃，彈芯命中油箱模擬靶后，均可將0#柴油引燃或引爆。

(6)

(7)

式中：m為彈芯質(zhì)量；ms為鋼板塞塊的質(zhì)量；C為彈芯鎢合金的比熱容，130 J/(kg·℃)；Cs鋼的比熱容，450 J/(kg·℃)；μ為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

按前述選定的發(fā)射藥裝藥量裝配全彈，依次射擊10發(fā)穿甲彈，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。試驗(yàn)表明：裝藥量為305 g，平均初速為1 150.33 m/s，8發(fā)引爆油箱，2發(fā)引燃油箱，引爆率80%，引燃(含引爆)率100%，其引爆效果如圖9所示。引燃效果如圖10所示。

表8 試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results

圖9 油箱引爆效果Fig.9 Detonation effect of a fuel tank

圖10 油箱引燃效果Fig.10 Ignition effect of a fuel tank

3.4 戰(zhàn)斗部模擬靶引爆率

穿甲彈毀傷來(lái)襲導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，主要考慮沖擊起爆因素。根據(jù)James對(duì)沖擊起爆的描述，決定沖擊起爆的主要有沖擊波壓力大小與作用時(shí)間2個(gè)因素[15]，當(dāng)T=D/6c時(shí)刻，戰(zhàn)斗部炸藥達(dá)到起爆臨界條件，其起爆比內(nèi)能Ec可表示為：

Ec=pupD/6c

(8)

式中：p為沖擊波壓力，可以根據(jù)一維沖擊波理論和Hugoniot參數(shù)得到；up為炸藥中的質(zhì)點(diǎn)速度；D為彈芯直徑；c為炸藥波后的聲速。

工程上為了對(duì)臨界速度進(jìn)行估算，通常使用的是簡(jiǎn)化的Jacobs判據(jù)和美軍皮克提尼兵工廠提出的工程判據(jù)[16]，其表達(dá)式為：

(9)

式中：V為臨界速度；kf為彈藥感度常數(shù)；t模擬戰(zhàn)斗部殼體厚度；m為穿甲彈芯質(zhì)量。

文獻(xiàn)[15-16]研究了穿甲彈對(duì)模擬戰(zhàn)斗部的引爆能力和不同彈芯參數(shù)對(duì)戰(zhàn)斗部的臨界起爆速度。在距炮口100 m處架設(shè)戰(zhàn)斗部模擬靶，選用試驗(yàn)彈以1 000 m著速對(duì)模擬戰(zhàn)斗部進(jìn)行水平射擊。模擬戰(zhàn)斗部裝有B炸藥20 kg，殼體材料為10 mm厚Q235，其示意圖如圖11所示。裝藥后的戰(zhàn)斗部模擬靶見(jiàn)圖12。依次對(duì)戰(zhàn)斗部模擬靶射擊5發(fā)穿甲彈，全部5發(fā)模擬戰(zhàn)斗部均能夠有效引爆，其引爆效果如圖13所示。

圖11 模擬戰(zhàn)斗部示意圖Fig.11 Schematic diagram of the simulation target of a payload

圖12 裝藥后的戰(zhàn)斗部模擬靶Fig.12 The simulation target of payload after charging

圖13 模擬戰(zhàn)斗部引爆效果圖Fig.13 Detonation effect of the simulation target of a payload

4 結(jié)論

基于35 mm高炮試驗(yàn)平臺(tái)，以脫殼穿甲彈為研究對(duì)象，開(kāi)展了穿甲威力、有效防護(hù)駕駛艙毀傷、燃油箱引燃、戰(zhàn)斗部模擬靶引爆等試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1) 穿甲彈以1 000 m平均著速1 151.58 m/s均能有效穿透40 mm/60°均質(zhì)裝甲鋼板。

2) 穿甲彈以1 000 m平均著速1 150.62 m/s對(duì)有效防護(hù)駕駛艙模擬靶綜合毀傷能力系數(shù)平均能達(dá)到388.6，可對(duì)飛機(jī)和直升機(jī)造成中度毀傷，進(jìn)而達(dá)到摧毀的打擊效果，使其不能正常完成作戰(zhàn)使命。

3) 固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)及輕型裝甲車輛燃油箱引燃性能試驗(yàn)表明，脫殼彈以1 000 m著速對(duì)0#柴油的引燃效果明顯，引爆率可達(dá)到80%，擊中油箱油面以下，毀傷效果顯著，能引爆燃油并持續(xù)燃燒，擊中油面以上，能夠引燃燃油但引爆效果不明顯，穿甲彈在擊中目標(biāo)油箱時(shí)能夠做到“命中即擊毀”。

4) 戰(zhàn)斗部模擬靶試驗(yàn)表明，穿甲彈能夠有效引爆B炸藥戰(zhàn)斗部，可以有效攔截毀傷巡航導(dǎo)彈、制導(dǎo)航彈等空中目標(biāo)。