弹丸侵彻高强度混凝土的高速摄影试验研究

吝曼卿，夏元友，肖正学，王智德，陈少炎，李复庭

（1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430070；2. 西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010；3. 武汉建工股份有限公司，武汉 430023）

1 引 言

受现代战争的影响，大多数具有战略价值的目标均修筑有坚固的高强度混凝土的防护工事[1]，如何提高混凝土防护工事在钻地武器侵彻作用下的抗侵彻能力，是安全防护工程领域中重点研究的方向[2]。目前，国内外已对弹丸侵彻混凝土靶体方面的研究作了很多工作[3－5]，但都着重对弹丸侵彻深度和靶体破坏程度进行研究，而对弹丸侵彻靶体的运动特征研究甚少，尤其是弹丸在空中飞行过程中，因受到重力、空气阻力或靶资不稳定等现象，不可避免地会形成斜着靶状态。因此，清楚地了解弹丸在不同侵彻角度下的侵彻运动过程，对合理设计防护工事有着重要的参考价值。

在侵彻试验过程中，各个观测对象的运动速度是十分重要的参数。高速摄影是研究高速运动过程的一种行之有效的方法，它与一般摄影最根本的区别在于具有很高的时间分辨本领，能跟踪快速变化过程的发生和发展，并记录下来，从而为高速动态实验提供丰富的试验信息[6－7]，不仅能测量出弹丸着靶前的飞行速度，还能测量出弹丸在侵彻过程中的速度变化、弹丸在侵彻过程中发生的偏转角度和靶体飞溅物速度的变化过程。马爱娥等[8]利用轻气炮进行弹丸斜侵彻钢筋混凝土的实验时，通过高速摄影系统及靶前镜面反射装置记录弹丸着靶前飞行姿态，得到了弹丸对钢筋混凝土靶体的斜侵彻破坏效应、弹道轨迹、弹丸侵彻深度、开坑直径等参数。

本次采用高速摄影仪拍摄在一级轻气炮中弹丸对侵彻面不同侵角的高强度混凝土靶体的侵彻过程，通过捕捉弹丸在侵彻过程中的速度变化、姿态变化和靶体的飞溅物情况，结合靶体在侵彻后的破坏状态，对比分析靶体侵彻面的侵角、弹丸着靶速度不同情况下弹丸在靶体中的运动特征规律，对研究弹丸侵彻高强度混凝土有很大的现实和军事意义。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

弹丸头部呈卵形（弹形系数 CRH = 3），弹长120 mm，直径φ20 mm，其材料选用45#钢，热处理后屈服强度不小于355 MPa，重约0.250 kg。为保证弹丸在轻气炮内射弹定心和闭气效果，将弹丸安放在弹托上。弹托为高压聚乙稀材料制成的圆柱体，弹托长70 mm，外径φ57 mm。弹托中心有一深度50 mm，内径约φ22 mm的圆形孔洞，如图1所示。

图1 弹丸与弹托Fig.1 Projectile and sabot

靶体选用混凝土材料，原材料配合比表 1，试件在实验室经标准养护28 d后，测试平均单轴抗压强度为76.6 MPa。由于弹丸在轻气炮中的加载运动轨迹恒定，试验通过改变靶体侵彻面的不同倾角以达到弹丸对靶体进行斜侵彻的效果。靶体侵彻面有0°、10°和20°三种不同倾角，具体尺寸见表2。

表1 混凝土试件配合比Table1 Mix proportion of concrete specimen（kg/m3）

表2 6次侵彻试验相关参数Table2 Parameters of the six penetration experiments

采用Ultima APX－RS型数字式高速彩色摄相机拍摄弹丸的侵彻过程。该机运用 Photron领先的CMOS传感器技术，感光度高、分辨率高[9]，且具有“重点关注区域”的功能；采用电子快门，最快可达1 μs，有利于消除动态像移，获得清晰的图像，且该机具有适应性强的同步装置，能方便地与轻气炮的电测系统同步，在常用幅频条件下有2～6 s的时间记录范围，适应于冲击实验需要记录时间较长的特点，能方便地观测弹丸着靶前的飞行姿态、着靶后的侵彻过程以及靶体的飞溅情况[10]。

2.2 试验方法

试验采用某炮管直径为 57 mm的一级轻气炮作为弹丸侵彻靶体的加载装置，将靶室的观测窗之一安装防弹玻璃作为高速摄影窗，为防止弹丸侵彻靶体所产生的混凝土飞溅物或弹丸对靶室造成破坏，甚至威胁到实验人员和高速摄影机的安全，将靶室内的靶体侵彻面向下，用弧形钢板紧箍靶体侧面。同时，高速摄影机通过实验室自制潜望镜进行拍摄，潜望镜由一段直径φ110 mm，长700 mm的PVC-U管和安装镜片的 2段弯头装配制成。由于摄影机镜头距靶体中心线的垂直距离仅1 m，观测范围较小，摄影机配置直径为70 mm的微距镜头，进光量调为最大；根据弹丸速度、光源强度、记录时长等条件，设置拍摄速度为3000 s-1（每秒传输3000帧），每幅时间间隔33 μs，分辨率为256×256像素，预拍摄时长为拍摄时长的1/3[11－12]。

试验光路采用后照明技术，即将1000 W无频卤钨灯紧靠在靶体表面，照射方向与靶体侵彻面平行，光路由光源经碰靶位置、摄影窗、潜望镜至摄影机镜头。实验时，轻气炮气室中的高压气体突然释放，推动弹托及装配在弹托上的弹丸在真空炮管内高速运动，直至弹丸侵彻靶体并完成侵彻过程。为提高试验的精确性，试验中使用同步设备进行控制，以保证弹丸侵彻靶体瞬间，高速摄影仪正常启动并拍摄到试验所需的全过程，并用笔记本电脑记录和显示拍摄图像信息。试验系统如图2所示。

图2 试验系统示意图Fig.2 Sketch of experimental system

3 试验结果

3.1 宏观观测结果

试验通过不同的弹丸着靶速度，对侵彻角度分别为0°、10°和20°的靶体进行侵彻，对试验后的弹丸和靶体进行宏观观测并发现，弹丸仅对靶体侵彻面形成宏观破坏，破坏呈漏斗状，靶体侵彻背面和侧面无任何变化。弹丸头部仅呈现少许摩擦痕迹，弹体未变形。用轻气炮磁探针测速系统测出试验中的着靶速度，相关参数见表 2，由表可见，当靶体侵彻角度一定时，弹丸着靶速度越大，靶体上形成的成坑直径和侵彻深度相对越大[13]。

3.2 高速摄影结果

经过6次弹丸侵彻靶体的高速摄影试验，均取得较好的高速摄影效果。根据试验分析的需要，截取了拍摄范围内弹丸在靶体中侵彻过程的部分照片，且拟定弹丸着靶瞬间的1幅照片作为弹丸侵彻靶体的0时刻。照片中的两条明亮的光线均为卤钨灯丝的亮光。由于轻气炮的炮管口距靶体侵彻面距离很短，仅1 m，使得弹丸在着靶前的初始航偏角极小，可忽略不计，故高速摄影拍摄出弹丸在着靶前的弹姿为水平状态。试验I和试验VI的部分高速摄影照片，如图3所示。由图3(1)可见，弹丸对侵彻面侵角为0°的靶体进行侵彻时，弹姿均保持水平状态。图 3(2)中，弹丸对侵彻面角度为 20°的靶体进行侵彻时，弹姿在侵彻初期保持水平状态，而在着靶后600 μs出现明显的偏转。这是因为靶体侵彻面侵角为0°时，弹丸在侵彻过程中受到靶体均匀的阻力作用，不会影响弹丸在侵彻运动中发生偏转。而靶体侵彻角度大于0°时，由于弹丸着靶速度大，弹丸在着靶瞬间的动能大，使得弹头在着靶初期受到不均匀阻力产生的偏转现象不明显，进而表现出水平侵彻状态。当弹丸侵彻速度减小到一定值时，弹丸因受到靶体的不均匀阻力影响而出现明显的偏转现象。

图3 不同时刻的高速摄影照片Fig.3 High-speed photography in different times

图3(1)中，弹托在着靶后200 μs有明显的分离现象，图3(2)中，弹托在着靶后333 μs也有明显地弹托分离现象，且随着弹丸侵彻时间的增加，弹托分离现象越明显。从图3可见，弹丸从着靶到完成侵彻的整个过程中，弹丸着靶处会随着弹丸的侵彻不断喷射出粉状的飞溅物，最终飞溅物弥漫整个靶室，使靶室变暗，其中，当靶体侵彻角大于0°时，靶体飞溅物主要集中在弹丸下方。此外，由图可见，弹丸均在靶体侵彻面附近进行侵彻运动，这与靶体的宏观观测结果中弹丸成坑深度较浅的测试结果相吻合。产生该现象的原因可能与靶体强度过高，而弹丸的着靶速度相对较低有关。

综上，高速摄影能较清晰地捕捉到弹丸侵彻混凝土靶体的全部过程，包括靶体飞溅物的喷射情况，弹丸在侵彻靶体过程中的位移变化和姿态变化过程。

4 试验结果分析

4.1 分析方法

由前分析可知，靶体侵彻倾角为0°时，弹丸在靶体中作水平运动；靶体侵彻倾角大于0°时，弹丸在靶体中逐渐产生偏转运动。为分析着靶速度和靶体侵角对弹丸侵彻过程的影响，很有必要对弹丸在侵彻过程中的水平运动速度变化和偏转角度变化进行分析。

利用高速摄影的速度 v计算式[7]对所拍摄的 6组试验高速摄影照片进行进一步分析。

式中：n为与运动距离相对应的照片幅数；f为高速摄影拍摄频率；S为照片拍摄时间内弹丸或飞溅物运动距离。

图4为相邻照片的弹丸裁剪到一张图片上的效果，利用靶室内无频卤钨灯的灯丝位置和弹丸上的标尺作为参考点，可以计算出弹丸在一定时间内水平运动的距离ΔS。

4.2 弹丸侵彻过程中水平运动的影响分析

图4 弹丸水平运动距离的判读示意图Fig.4 Judging sketch of projectile horizontal displacement distance

表3为弹丸水平运动速度随侵彻时间的测量结果，侵彻时间为 0 μs时对应的速度为弹丸着靶速度。结合表1中的着靶速度可知，对于同一侵彻试验，通过高速摄影所测得的弹丸着靶速度与磁探针测速系统所测得的速度值存在差异，其中相差最大的是试验Ⅰ的着靶速度，表2中磁探针测出速度为224 m/s，而高速摄影测出速度为 240 m/s，相差16 m/s，存在 6.67%的相对误差，经分析，引起该误差的原因可能是试验读数时不可避免的人为误差造成。

表3 弹丸水平运动速度测量结果Table3 Measured results of level velocities of projectile in penetration process

表3显见，弹丸在靶体中的侵彻速度随侵彻时间的增加不断降低。靶体侵彻角度为0°时，弹丸着靶速度从220 m/s增加到240 m/s时，弹丸水平运动所需时间由132 μs增加到264 μs，可知靶体侵角为0°时，每增加单位着靶速度，弹丸在靶体中水平侵彻所需时间增加6.6 μs。同理，靶体侵彻角度为10°和 20°时，每增加单位着靶速度，弹丸在靶体中水平侵彻所需时间增加0.9 μs和0.47 μs，说明弹丸以200 m/s左右的低速侵彻靶体时，随着靶体侵彻角度的增加，弹丸着靶速度对其在靶体中水平运动所需时间的影响逐渐减小，即靶体侵彻角度对弹丸在侵彻过程中水平运动的影响作用越来越大。

将表3中的弹丸水平速度与侵彻时间作回归分析，如图5所示。从图可见，弹丸水平侵彻速度与其侵彻时间有很好的相关性，相关性系数均在0.93以上，即弹丸水平侵彻速度与其侵彻时间相关的基本方程关系式为

式中：y为弹丸水平侵彻速度(m/s)；x为弹丸在靶体中的侵彻时间(μs)；a、b分别为与靶体侵彻角及靶体强度参数相关的系数；c为弹丸着靶速度(m/s)。

从图5亦见，当靶体侵角一定时，弹丸着靶速度越小，弹丸在靶体中的侵彻速度降低的越快，弹丸水平侵彻时所需时间越短。弹丸着靶速度一定时，靶体侵彻角度越大，弹丸水平侵彻所需时间相对越短。

图5 弹丸着靶速度与侵彻时间关系曲线Fig.5 Relation curves of projectile between penetration speed and time

4.3 弹丸侵彻过程中偏转运动过程的影响分析

表4为弹丸偏转角度随侵彻时间的测量结果，根据表4绘制出弹丸偏转角度与侵彻时间的关系曲线，如图6所示。

表4 弹丸在侵彻过程中的偏转角度测量结果Table4 Measured results of deflection angles of projectile in penetration process

图6 弹丸偏转角度与侵彻时间的关系曲线Fig.6 Relation curves of projectile between deflection angles and penetrating time

从图6可见，弹丸均在着靶后150～200 μs发生偏转。弹丸偏转与其侵彻时间均有很好的相关性，弹丸偏转角度与其侵彻时间也满足二次多项式的基本方程关系。

对比图6(a)和图6(b)可知，在相同侵彻角度下，弹丸着靶速度越高，弹丸在靶体中偏转所需的时间越长，弹丸着靶速度越低，弹丸在靶体中偏转的越快。由图 6(b)可见，弹丸对侵彻面为 20°的靶体以着靶速度为180 m/s进行侵彻时，弹丸在靶体中进行极速偏转，当侵彻时间为330 μs时，弹丸偏转角已达24.4°。结合表2可知，试验VI中弹丸未在靶体侵彻面上留下残孔，仅出现一浅坑，此时弹丸已跳弹，说明当靶体侵彻角度增加到一定程度时，弹丸着靶速度越低，其在靶体中偏转的越快，发生跳弹的可能越大。

4.4 弹丸侵彻过程的飞溅物速度分析

弹丸着靶时，会在靶体着靶点附件产生一定的飞溅物，图7为6组实验条件下产生飞溅物的最大速度（简称飞溅物速度）与对应着靶速度的关系曲线图。

图7 飞溅物速度与侵彻速度的关系曲线Fig.7 Relation curves between spatter velocity and penetration velocity

从图7可见，当靶体侵彻角一定时，随着弹丸着靶速度的增加，弹丸着靶产生飞溅物速度越大。当靶体侵角为 20°，弹丸以 180 m/s侵彻靶体所产生的飞溅物速度为486 m/s，大于靶体侵角为0°和10°时产生的飞溅物速度，说明靶体侵彻角对飞溅物速度的影响因子相对比弹丸着靶速度的大，亦进一步说明在弹丸侵彻靶体的过程中，靶体侵彻角的大小是安全防护工事中不可忽视的重点问题。

5 结 论

（1）高速摄影能清晰地捕捉弹丸侵彻靶体的全部过程，包括靶体飞溅物的喷射情况，弹丸的位移变化和姿态变化过程。通过高速摄影所测得的弹丸着靶速度，与磁探针测速系统所测得速度值的相对误差不超过6.67%。

（2）弹丸以200 m/s左右的低速侵彻靶体时，弹丸在着靶后150～200 μs发生偏转，靶体侵彻角越大，对弹丸水平运动的影响作用越大。靶体侵彻角一定时，弹丸着靶速度越小，弹丸在靶体中的侵彻速度降低越快，此时靶体的飞溅物速度随弹丸着靶速度的降低而减小。靶体侵彻角对飞溅速度的影响作用相对比弹丸着靶速度的大。

（3）弹丸水平侵彻速度、偏转角度与其侵彻时间有很好的相关性，其相关方程均满足二次多行式。

以上结论是在本次室内试验条件下得出的，对弹丸侵彻高强度混凝土的防护工程有一定的参考价值，为弹丸着靶速度和靶体侵角对弹丸在侵彻过程中的运动特征规律的研究提供了基础数据。

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