电极引弧微爆轰物理模拟破甲毁伤试验方法＊

陈 威，李吉峰，2，朱 磊，田欣利

（1装甲兵工程学院，北京 100072；2 75131部队，广西贵港 537100）

0 引言

评估靶板抗弹性能或建立靶材间等效关系可以利用终点弹道实验，通过枪炮弹丸对被研究材料制成靶板的侵彻效应来实现，或是利用有限元软件对侵彻碰撞问题进行数值仿真分析。但进行实弹实验开销大、风险高，而数值仿真假设多、误差大。为此，文中创新性的提出了应用电极引弧微爆物理模拟破甲毁伤试验方法，并应用电极引弧微爆轰装置产生高能量爆轰波侵彻钢板，根据实测的靶板侵彻容积（爆轰波能量较小，开坑直径不大，也可以直接测量深度）评估靶板防护性能，建立靶板间等效关系，具有重要的军事应用价值。

1 物理模拟技术

所谓物理模拟是指缩小或放大比例，或简化条件来代替原型的试验研究，是一个内涵十分丰富的科学方法和工程手段[1]。利用现代物理模拟技术，用少量试验即可代替过去一切都需要通过大量重复性试验的方法，不但可节省大量人力、物力，还可通过物理模拟技术研究复杂问题。目前，在弹丸威力评估试验中大量采用模拟实验技术，对需要研究的实际现象按一定条件转换成专门试验条件下可以达到的相似现象进行研究，根据模拟试验结果，给出原型的效应特性及各有关量的数值[2]，既简单实用，又方便安全。

目前，对于穿甲弹的物理模拟实验研究比较成熟，国内外已经研制出气体炮、电磁炮、电热炮和电弧炮等，而破甲弹由于聚能射流的产生及拉伸过程比较复杂，物理模拟技术的研究方法单一，现阶段只能根据相似定律，将试验用弹按比例缩小尺寸加工成模型弹。但实弹毁伤试验存在成本和安全问题，迫切需要一种安全、经济的破甲毁伤物理模拟方法用于评估装甲防护性能，建立靶板等效关系。

2 电极引弧微爆轰发生及破甲机理

如图1所示，电极引弧微爆轰装置主要由空气压缩机、专用脉冲电源、爆轰波发射器三部分组成[3]，其中，爆轰波发生器安装在数控铣床与数控车床上。

图1 电极引弧微爆轰装置

如图2所示，空气压缩机1产生的压缩空气3随专用脉冲电源阴极电源导管4输入爆轰波发生器的内腔5，专用脉冲电源2工作时，高频振荡电流和工作电流同时施加在爆轰波发生器的芯极9和喷嘴6之间，形成的爆轰击波作用于工作台8上试件7表面。

如图3所示，当电源接通后，高频振荡电流传至爆轰波发生器两级，在爆轰波发生器内高频引弧，两电极间产生了大量的正离子、电子和中性粒子组成的等离子体。等离子气体受热膨胀后进入狭窄的喷嘴，由于受到挤压使气体压力急剧增大并达到临界值，随之发生微爆炸。瞬间形成一团高温、高压的气体产物，并以球形向外膨胀，以超声速剧烈的冲击压缩原来静止的空气，使其压力、密度突越升高，冲出喷嘴后形成定向爆轰波[4]。

当爆轰波与固体靶材相互作用时，对材料表面产生瞬间热冲击，在作用点周围迅速形成高压区和高温区，引起靶材的剧烈温升和塑性变形[5]；同时，微爆炸产生的高压气体如同一个巨大的活塞一样，以超声速剧烈的冲击压缩静止的空气，形成很强的冲击波，对靶板产生很强的冲击作用，凹坑进一步加深。

图2 电极引弧微爆轰装置结构示意图

图3 电极引弧微爆轰产生示意图

3 电极引弧微爆轰物理模拟破甲毁伤效能的可行性分析

下面从破甲机理、能量守恒和仿真分析三个方面理论上论证将电极引弧微爆轰物理模拟破甲弹应用到评估装甲防护性能、建立靶板等效关系的可行性。

1）破甲机理的相似性

聚能射流和爆轰波高速撞击靶板时，均瞬间在钢表面及周围迅速形成塑性变形区、高压区和高温区的“三高”区域，材料受到高温而发生熔化、气化、分解、氧化等一系列变化而产生凹坑。同时，射流的高速动能和爆轰波的强大冲击力对材料产生冲击机械作用，使凹坑进一步加深。可见，聚能射流和爆轰波作用于钢板表面时，两者毁伤机理比较相似。

2）能量守恒原则

Feldman和Murphy[6]等人经过大量的试验论证提出了“C＝E／V”的能量成坑准则。E、V分别为能量和开坑体积；C称为能量成坑比值因子或阻抗系数，表示为靶板每单位体积抗弹丸侵彻所消耗的能量。由于聚能射流和爆轰波这两种不同毁伤元毁伤机理相似，靶板每单位体积抗聚能射流和爆轰波侵彻消耗的能量也是相近的，也就是说用于开坑的有效能量相同。因此，根据能量成坑准则，当能量相同的聚能射流和爆轰波分别作用于同一靶板时，开坑容积非常接近。

3）爆轰波破甲数值仿真

虽然爆轰波破甲与带凹槽的聚能装药破甲能量源不同，但有两个方面的相似：一是爆炸气体都汇聚成高温、高压和高速的气流，形成定向聚能气流；二是聚能气流集中作用在较小的面积上，依靠气流冲击波的高温、高压对目标产生较强破坏作用。把能量源看作黑匣子，只研究爆炸后产生的聚能气流作用于目标。这样把电极引弧微爆轰侵彻靶板转化为聚能装药（无药型罩）侵彻靶板来仿真。装药结构如图4所示，仿真结果见图5。

图4 无药型罩的聚能装药结构图

图5 爆轰波侵彻靶板仿真图

爆轰波侵彻深度值列于表1，假设HSLA－100钢为目标靶，921钢、603钢和45＃钢为等效靶，K1表示爆轰波侵彻等效靶与目标靶的深度比值，而K2表示射流侵彻下等效靶与目标靶的深度比值。

表1 爆轰波侵彻钢板数值仿真结果

从表1中的数据可知，当爆轰波和聚能射流侵彻同一靶板时，靶板防护效能的优劣性一致，且抗弹效能的等效关系也非常接近。由上述理论分析和数值仿真可知，在评估靶材对破甲弹的防护能力时，可应用电极引弧微爆轰物理模拟聚能射流侵彻靶板。假设目标靶板和等效靶板在同一能量的爆轰波侵彻下，比较弹坑容积（深度）大小，获知靶板抗弹性能的优劣；或根据量纲理论，计算得到两种靶材抗弹性能的等效关系。

4 电极引弧微爆轰破甲毁伤试验研究

采用图1所示的引弧微爆轰加工装置。靶板为HSLA－100钢、921钢、603钢和45＃钢，尺寸均为100mm×100mm×20mm。参数设置为[7]：I＝80A，P＝0.10MPa，T＝0.61s，L＝4mm。将靶板置于引弧微爆轰装置的喷嘴下方，按试验方案设好引弧参数，连续引弧5次。操作结束后，用游标卡尺测得的凹坑深度列于表2。

图6、图7为爆轰波侵彻试验图。电极引弧微爆轰产生的爆轰波作用于靶板，瞬间在钢板侵彻出一个凹坑，由于电极引弧微爆轰产生的能量较小，凹坑的深度和孔径均较小。随着深度的增加，孔径沿深度方向逐渐减小。由表2数据可知，靶板在爆轰波侵彻下，由于材料属性不同，轰击出的圆形凹坑深度存在差异，这反映出靶材抗弹能力的差异。靶板在爆轰波侵彻下，HSLA－100钢的抗弹能力最优，45＃钢最差。以921钢为例，921钢与HSLA－100钢侵彻深度比值为两靶板抗弹效能的等效关系，即爆轰波分别侵彻厚度为1的HSLA－100钢和厚度为1.105的921钢时，在后效靶的剩余穿深是相同的。由文献[8]和表2中试验数据可知，靶板抗聚能射流和爆轰波侵彻的效能优劣性一致，且防护效能的等效关系也非常接近。表明运用电极引弧微爆物理模拟破甲毁伤试验评估抗弹性能的优劣或建立等效关系是可行的。

表2 爆轰波侵彻钢板的深度 （mm）

图6 爆轰波侵彻试验过程

图7 引弧微爆侵彻钢板成坑图

5 结论

1）从破甲机理、能量守恒和仿真分析三个方面进行研究分析，从理论上论证了将电极引弧微爆轰物理模拟聚能射流应用到评估装甲防护性能、建立靶板等效关系的可行性。

2）把能量源看作黑匣子，只研究爆炸后产生的聚能气流作用于目标，把电极引弧微爆轰侵彻靶板转化为聚能装药（无药型罩）侵彻靶板来仿真，仿真结果与试验结果比较吻合，表明该方法是正确的。

3）靶板在爆轰波侵彻下，HSLA－100钢的抗弹能力最优，45＃钢最差。921钢、603钢、45＃钢与HSLA－100钢抗弹效能的等效关系分别为1.105、1.136、1.171。

4）靶板在聚能射流和爆轰波侵彻下，靶板防护效能的优劣性是一致的，且抗侵彻的效能关系也非常接近。表明运用电极引弧微爆物理模拟破甲毁伤试验评估抗弹性能的优劣或建立等效关系是可行的。在评估靶材对破甲弹的防护能力时，可应用电极引弧微爆轰替代破甲弹侵彻靶板，比较弹坑容积（深度）大小，获知靶板抗弹性能优劣；或根据量纲理论，计算得到两种靶材抗弹性能的等效关系。该方法经济简化、方便安全，获得较直观的结果，具有较好的工程应用前景和军事应用价值。

[1]张培忠.火炮物理模拟理论与试验技术研究[D].南京：南京理工大学，2002：2－4

[2]王金贵.气体炮原理及技术[M].北京：国防工业出版社，1999：9－12

[3]田欣利，杨俊飞，刘超，等.引弧微爆加工陶瓷新方法及其电源系统研制[J].装甲兵工程学院学报，2009，23（6）：71－75.

[4]田欣利，杨俊飞.利用电极引弧微爆轰加工工程陶瓷的方法及其装置：中国，200810240608.6[P].2009：2－3.

[5]田欣利，杨俊飞，刘超.高频引弧微爆炸加工工程陶瓷新方法试验研究[J].中国机械工程，2009，20（21）：2567－2570.

[6]Murphy M J.Survey of the influence of velocity and material on projectile Energy／Target hole volume relationship[C]//10th International Symposium on Ballistics，1987：573－582.

[7]刘超.高频引弧微爆炸加工工程陶瓷新方法试验研究[D].北京：装甲兵工程学院，2009：22－30.

[8]李吉峰.聚能射流侵彻下靶板抗弹能力的等效关系研究[D].北京：装甲兵工程学院，2010：43－49.