动能弹侵彻机理及其防护研究进展

李　争,刘元雪,张　裕

(后勤工程学院　重庆市岩土力学与地质环境保护重点实验室，重庆　401311)



动能弹侵彻机理及其防护研究进展

李争,刘元雪,张裕

(后勤工程学院重庆市岩土力学与地质环境保护重点实验室，重庆401311)

摘要：动能弹是一种打击地下深层战略目标的重要武器装备，研究其侵彻机理及防护技术意义重大。综述了近年来动能弹侵彻机理的相关研究进展，指出国内外动能弹侵彻机理的实验研究多集中在v<1 300 m/s的中低速范围内，经验公式多考虑弹体为刚性弹或变形非消蚀弹，相关的理论模型和数值模拟研究已初成体系，而动能弹高速/超高速侵彻技术的研究仍处于起步阶段，其破坏机制尚不清晰；从增大遮弹层强度、优化遮弹层结构和设计偏航层3个方面总结了新型抗侵彻防护技术的研究成果；对未来的研究工作提出了建议。

关键词：动能弹；侵彻机理；防护技术

Citation format:LI Zheng, LIU Yuan-xue, ZHANG Yu.Research Progress of Kinetic Energy Projectile Penetration Mechanism and Protection[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):9-14.

随着信息技术的迅猛发展，现代战场透明度增加，重要战略目标大量转入地下深层掩体内，一般武器装备难以发挥作用。

动能弹，也称侵彻弹，是20世纪80年代由欧洲人率先提出的，依靠高空坠落形成的巨大动能钻入地下掩体后引爆装药毁伤目标的精确制导武器。早期的动能弹受到技术水平的限制，侵彻效果不佳，并未受到各国的关注。90年代初的海湾战争中，多国军队“地毯”式轰炸伊拉克深层地下军事目标却收效甚微，而美国应急研制的激光制导钻地动能弹—GBU-28[1]，成功穿透阿里米亚防空洞厚2.15m的钢筋混凝土层以及覆盖层，防空洞内400多名避难者当场被炸死，其前所未有的侵彻深度和破坏效果引起世界的关注，掀起了动能弹的研究热潮。

1动能弹

动能弹是未来战争条件下打击地下深层战略目标武器系统的重要组成部分，依靠高空坠落的巨大动能造成侵彻效果，单位面积上的动能与侵彻效率正相关，故长杆弹成为动能弹的主要形态，而钨合金、钛合金、合金钢等高强度、高密度材料成为制作弹体的主要材料，图1为动能弹侵彻战斗部示意图。

图1　动能侵彻弹战斗部示意图

随弹体着靶速度的提高，弹体经历了从刚体侵彻到半流体侵彻，最终到流体侵彻的转变过程，其侵彻破坏机理大不相同。且弹靶材料不同，临界侵彻速度各异。根据弹体着靶速度的不同，将动能侵彻过程粗略地分为4种情况[2]：低速侵彻(v<500 m/s)、中速侵彻(500 m/s3 000 m/s)。研究动能弹的破坏机理与防护技术，一方面有助于推动我国动能侵彻武器的研究进展，另一方面也有助于抗侵彻新型遮弹技术的发展，对于日后及时应对国际战争局势变化，掌握战争主导权尤为重要。

2动能弹侵彻机理研究现状

2.1实验研究与经验公式

实验研究法是基于大量的弹道实验数据，结合一定的假设，归纳出弹靶侵彻深度的经验公式或半经验公式。目前，国际上广泛应用的动能弹侵彻岩石、混凝土等材料的经验公式有法国的Pencelet公式、Petry经验公式、俄国的别列赞经验公式、美国国防委员会的 NDRC 公式、SNL 的Young公式、Forrestal的半经验公式等。

表1　不同着靶速度下回收弹体形态统计

近年来，动能弹侵彻的实验研究也取得了一定的研究成果。将文献[3-10]的侵彻实验数据归纳总结，如图2～图6和表1所示。其中，表1[7]为不同侵彻速度下，30CrMnSi动能弹侵彻 C35混凝土靶板的回收弹体形态。图2～图5为不同弹靶强度、长径比、弹头形状时，侵彻深度随弹体着靶速度的变化关系图[3,6,8,10]。其中，P为最终侵彻深度，L为弹体长度，d为弹体直径。

图2　不同弹体强度时，侵彻深度随弹体着靶速度变化

图3　不同靶体强度时，侵彻深度随弹体着靶速度变化

图4　不同长径比时，侵彻深度随弹体着靶速度变化

图5　不同弹头形状时，侵彻深度随弹体着靶速度变化

分析图表可知，随弹体着靶速度的增加，弹体逐渐由刚性弹转变为变形消蚀弹，且质量损失越来越大。弹材强度与侵彻深度正相关，靶材强度与侵彻深度负相关。弹靶强度相差越大，侵彻深度随弹体着靶速度变化曲线的幅值就越大。在刚体侵彻过程中，着靶速度越大，侵彻深度越大。随着靶速度的进一步增加，进入半流体侵彻过程，侵彻深度随弹体着靶速度增加出现明显下降趋势，这与下文的理论分析结果一致。随着弹体长径比的增加，单位弹长的有效侵彻深度反而降低，即长径比与弹体的侵彻效率负相关。但是长径比越大，最终侵彻深度越大。弹头形状对侵彻深度有较大影响，弹头越钝，侵彻效率越低。

此外，吴昊[11]进行了刚性弹侵彻高强钢纤维增强混凝土和高强聚丙烯纤维增强混凝土靶体的实验研究，提出了考虑弹靶摩擦阻力和弹头形状变化的钢纤维混凝土靶侵彻深度的经验公式。刘勇[12]进行了侵彻钢筋混凝土靶的实验研究，发现钢筋网使混凝土抗拉强度明显提高，将混凝土中的钢筋网等价为一定厚度的钢板，提出了钢筋混凝土靶侵彻深度的经验公式。徐文峥[13]借助实验研究尖形弹丸垂直侵彻半无限混凝土靶的冲击过载特性，考虑应力波对靶体阻力的影响，得出简化的侵彻方程。武海军[7]通过高速弹道炮侵彻石灰石、石英石骨料混凝土靶的实验，发现着靶速度越高，弹材强度越低，质量消蚀越快。且石英石骨料混凝土的抗侵彻性能优于石灰石骨料混凝土。

总的来说，动能弹侵彻领域的实验研究集中在着靶速度1 300 m/s以下的中低速范围内，经验公式多假设弹体为刚性弹或变形非消蚀弹。受到当前实验设备和技术水平的限制，高速/超高速侵彻的实验研究很少，仅有Sislby、Orphal和Forrestal等人进行过少量动能弹侵彻金属靶板的实验研究，侵彻混凝土的实验只有Gold的几组数据，且最高着靶速度还不足2 km/s[14]。可见，高速/超高速侵彻的实验研究还处于起步阶段，有待进一步完善。而且实验研究费用高，适用范围有限，只能反映弹靶侵彻始末状态之间的关系，不能反映侵彻演化中间过程，有一定的局限性。

2.2理论分析

动能弹侵彻常用理论有能量动量守恒定律理论、空腔膨胀理论、微分面力法、局部相互作用理论以及弹塑性流体力学理论，其中空腔膨胀理论应用最为广泛。Bishop、Hill和Mott等人最早提出的空腔膨胀理论。Hopkins提出了针对不可压缩弹塑性材料的空腔膨胀理论。Goodiert将 Hopkins的成果应用于动能弹高速侵彻金属靶板的问题中。Ross和Hanagud又将其推广到可压缩材料。Forrestal 等认为脆性靶体响应区分为弹性区、开裂区、塑性区，对金属材料和脆性材料的侵彻问题进行了求解[15]。Warren等[16]提出了一个考虑自由表面效应的球形空腔膨胀理论的修正函数。王明洋[17]等运用空腔膨胀理论，引入两个系数研究斜入射和钢球对侵深的影响，得到了钢球钢纤维混凝土侵深计算公式。周辉[18]提出了适用于混凝土、岩石等脆性材料的新空腔膨胀模型。赵军等[19]假设动能弹侵彻过程中，主要在弹体头部发生质量损失，考虑弹头形状因子的影响，提出能够考虑弹头损耗的侵深计算公式。闪雨等[20]应用混凝土的动态球形空腔膨胀理论，建立了头部和侧壁分别具有不同摩擦因数的动能弹侵彻阻力模型。

图6　6种理论模型计算的侵彻深度变化曲线

图7　不同弹靶组合时，侵彻深度变化曲线

动能弹侵彻的理论分析主要集中在两个方面：一是对经典空腔膨胀理论的修正，二是对高速侵彻理论模型的改进。理论分析法可以得到清晰的侵彻参量的变化过程，但是如何去粗存精进行合理的假设是一大难点，还要加入修正的弹道实验数据，且弹靶材料参数的准确性受模型假设和参数好坏影响显著，使得理论分析方法存在一定的误差。

2.3数值模拟法

数值模拟借助计算机，求解动能弹侵彻的连续介质力学方程组，可得到侵彻过程中各参量的时程变化关系和具体图像，清晰地观测到弹靶材料的变形过程，弥补了实验研究和理论分析方法的不足。而且数值模拟有利于进行不同弹靶组合、边界条件、初始条件的计算，成本低，效率高，得到广泛应用。国内外动能弹侵彻领域的数值模拟研究主要集中在以下几个方面：

1) 研究网格尺寸、数值模拟算法对侵彻性能的影响。模拟结果显示[21-22]，在建立数值计算模型时，弹体半径与靶体网格尺寸的比值不宜小于2.6，取值在4～6之间计算结果比较满意。在高速侵彻模拟中，Langrang网格因严重畸变而被迅速删除，造成弹靶不可忽略的质量损失，与实际情况不符。而ALE算法在高速侵彻模拟中表现出较好性能，能够得到清晰的物质界面。

2) 分析着靶速度、弹靶强度、入射角度、弹头形状和长径比等对侵彻性能的影响，数值模拟结果与之前的实验研究和理论分析结论保持一致[23-24]。

3) 研究新的混凝土动力学本构模型，并应用到数值模拟中，考察不同本构模型对侵彻性能的影响。例如范飞林[25]在Ottosen静态本构的基础上，考虑应变率强化和损伤软化提出的混凝土冲击荷载下的动态本构；徐浩[26]考虑加载路径、多孔性和压力相关性等，修正拉伸损伤和应变率效应后提出的新动态本构；路德春[27]提出的混凝土三维动态弹塑性本构模型等。

4) 在动能弹侵彻钢筋混凝土领域，分析钢筋混凝土含筋率、弹着点等对侵彻性能的影响。模拟结果显示[28]，钢筋直径越大或编织越密集，即体积含筋率越高，抗侵彻力越强。弹着点对弹体侵彻能力影响显著，击中钢筋交叉点时弹体能量损失最大。

3地下工程新型遮弹技术

遮弹层作为一种重要的防护结构，其作用是有效拦截钻地武器，迫使其在遮弹层内爆炸，降低甚至消除钻地武器对地下工程的毁伤效应。传统遮弹层通常由具有较强抗压、抗腐蚀性能的混凝土或块石构成，现有的钻地武器侵彻效应研究多集中在弹体侵彻土、岩石、混凝土等介质方面。

现代化条件下，新型钻地武器的精确制导能力、有效射程、侵彻能力等均大幅度提高，无限制地增加传统遮弹层的厚度显然并不现实，新型遮弹技术的研究迫在眉睫。近年来，地下工程新型遮弹技术的研究主要从以下3个方面入手：

1)通过增大遮弹层材料强度(如高强度自密实混凝土、钢筋-钢纤维/钢丝网混凝土、金属混凝土等)，提高材料的动态抗压、抗拉、抗弯等力学性能，减小钻地武器侵彻深度。例如：陈英伟[29]使用固定砂石体积法和参数设计法，进行了70～100 MPa的高强自密实混凝土的配合比设计和性能实验；巫绪涛[30]对钢纤维含量分别为0%、2%、4%和6%，强度等级分别为C60、C80和C100的钢纤维混凝土进行了准静态和动态冲击压缩(5个应变率)实验，发现钢纤维对混凝土的压缩增强作用微弱，对混凝土的增韧效果随钢纤维含量的增加而显著提高；查吕应、何翔、杨建超等[31]用金属作为胶凝材料研制出了金属混凝土，测试得到金属含量15%～25%，密度为3 050～3 250 kg/m3的金属混凝土抗压强度为210～320 MPa，抗折强度为105～216 MPa，抗侵彻优势显著。

2) 通过优化遮弹层结构(钢管混凝土、钢板混凝土等)，提高结构整体的抗侵彻能力，减小钻地武器侵彻深度。例如：甄明[32]进行了12.7 mm穿甲枪弹侵彻钢管混凝土的实验研究，发现弹体高速侵彻作用下，钢管混凝土靶与无侧限约束混凝土靶的破坏模式差别很大，前者核心混凝土的侧面出现环向裂纹，抗侵彻性能优越，且抗多发打击能力突出；蒋志刚[33]借助LS-DYNA有限元软件，进行了与实验相对应的数值模拟，模拟结果与侵彻实验吻合较好，同时指出钢管约束混凝土的环向裂纹是入射压缩波与反射拉伸波及钢管约束效应共同作用的结果；吴鹏[34]研究了弹体侵彻钢板混凝土的变形和破坏过程，发现侵彻过程中薄层钢板提供的是一种膜力，可使最终侵彻深度明显减小。

3) 在遮弹层中设置偏航层(钢棒偏航、空心三棱柱偏航、刚玉球偏航、陶瓷球或其他硬质岩石球偏航等)，使弹体运动方向发生偏转，减小钻地武器侵彻深度。例如：孙岩[35]进行了杆式弹侵彻含刚玉球遮弹层的实验和数值模拟研究，发现刚玉球直径与遮弹层抗侵彻性能正相关，含刚玉球层的埋深与抗侵彻性能负相关，且刚玉球的表面曲率对侵彻深度有较大影响；王起帆[36]进行了弹体侵彻含高强RPC球柱偏航层的钢纤维混凝土遮弹层的实验研究，实验结果显示此遮弹层偏航效果显著，应用前景广阔；高光发[37]指出，表面偏航层必须保持水平方向的较大梯度，设置功能斜面(斜面两侧介质的强度和硬度相差极大)或功能弧面是行之有效的方法。

4结束语

综上所述，国内外动能弹侵彻领域的研究多集中在弹体着靶速度1 300 m/s以下的中低速范围内，相关的实验研究及经验公式、理论模型和数值模拟等已初成体系，而动能弹高速/超高速侵彻的研究仍然处于起步阶段，其侵彻破坏机理尚不清晰。现阶段的研究仍然存在诸多不足，下一步值得解决的问题有：① 发展高速/超高速撞击实验技术和检测手段，开展大量半流体、流体侵彻实验研究，记录弹体侵蚀演变规律和靶体破坏形态，为高速/超高速侵彻的理论研究和数值模拟提供支撑。② 混凝土材料超高应变率下动态损伤本构模型的不断改进和数值实现。③ 现阶段新型遮弹材料和结构(如PRC混凝土、钢管混凝土、金属混凝土等)的破坏准则和本构模型的研究与改进，并将其应用于理论分析和数值模拟。④ 研制具有更好抗侵彻性能的新型遮弹材料，并将其推广到工程实践中。

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(责任编辑周江川)

Research Progress of Kinetic Energy Projectile Penetration Mechanism and Protection

LI Zheng, LIU Yuan-xue, ZHANG Yu

(Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geological Environmental Protection,Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Abstract:Kinetic energy projectile plays an important role in attacking deep underground targets. It is very important to study its penetration mechanism and protection technology. Firstly, the paper reviewed the recent progress of the kinetic energy projectile penetration mechanism, and pointed that experimental study were more concentrated in the low-speed range(v<1 300 m/s), and the existing empirical formulas more considerate rigid projectile or deformed non-eroded projectile, and relevant theoretical models and numerical simulation studies had formed into early system. But the research of high-speed/ultra high-speed kinetic energy projectile penetration technology is still in its infancy and its failure mechanism is not yet clear. Secondly, the paper summarized the research results of new anti-penetration protection technology from the view of increasing the strength of bursting layer, optimizing layer structure and designing yaw. Finally, some research proposals were given for the future study.

Key words:kinetic energy projectile; penetration mechanism; protection technology

文章编号：1006-0707(2016)03-0009-06

中图分类号：O347.3；TJ2

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.003

作者简介：李争(1992—)，女，硕士研究生，主要从事岩土本构关系及其军事地下工程稳定性研究。

基金项目：重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2015jcyjA30007)重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA30011,cstc2014jcyjA30015)

收稿日期：2015-09-29；修回日期：2015-10-15

本文引用格式：李争,刘元雪,张裕.动能弹侵彻机理及其防护研究进展[J].兵器装备工程学报，2016(3):9-14.

【装备理论与装备技术】