破甲/杀伤多用途战斗部结构设计及试验研究

王利侠，袁宝慧，孙兴昀，刘丰旺，唐　斌，李妍妍，董立明

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)



破甲/杀伤多用途战斗部结构设计及试验研究

王利侠，袁宝慧，孙兴昀，刘丰旺，唐斌，李妍妍，董立明

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

摘要：为使战斗部能够打击多种目标，在保持原单兵破甲战斗部的质量、外形结构和破甲威力基本不变的条件下，利用新型薄型波形控制器、半预制壳体和精密破甲战斗部技术，设计了破甲/杀伤多用途战斗部。采用射流垂直穿深试验、射流大间隔靶和破片杀伤试验，研究了改进后单兵破甲弹的射流穿深和破片杀伤威力。结果表明，设计的多用途战斗部在大炸高下使射流侵彻带前挂板加厚度80mm/50°均质靶后，还可穿透不低于3块厚度10mm的Q235靶板。周向杀伤破片能穿透距爆心5～10m处厚度1.5mm的 Q235鉴证钢板，破片密度不小于2枚/m2，实现战斗部多功能的打击需求。

关键词：爆炸力学；多用途战斗部；破甲穿深；破片杀伤威力；大炸高

引 言

弹药战斗部不仅要求有足够的作战威力，而且应具有多种毁伤效应，以提高其战场使用的灵活性和多目标打击能力。破甲弹作为常规反装甲武器装备，主要用于打击点目标(坦克)或硬目标(防护工事)[1]，而针对作战人员所兼备的附带杀伤功能有限。因此，为提高现有单兵或轻型破甲弹的附加杀伤能力，目前破甲/杀伤多用途战斗部在破甲与杀伤功能的设计思路和功能分配上，大多以降低射流的部分穿深威力为条件，来满足附带杀伤功能的需要。如文献[2]将爆破、杀伤和破甲3种不同功能的战斗部结合在一起形成综合效应战斗部，虽能满足一种武器攻击多种目标的需求，但在技术上较复杂，而且其中的每一种战斗部都无法发挥出最佳效能；徐文旭等[3]设计的破甲/杀伤多用途战斗部，利用金属射流击毁坦克和预制钨球来摧毁武装直升机。

为使破甲/杀伤战斗部既能够满足打击多种目标，在保证单兵或轻型反装甲战斗部在质量、外形结构等基本不变时，又尽可能保持原破甲威力，并附加对人员的有效杀伤，实质就是解决对弹药有效载荷的再分配和提高炸药的能量利用率。本研究采用新型薄型波形控制器和半预制钢壳的结构设计，利用成熟的精密战斗部技术[4]，将缩减节余出的战斗部质量和空间用于杀伤功能设计上，使战斗部在保持穿深威力的基础上，又增加了杀伤功能，实现同时打击多目标、多用途的需求。

1战斗部设计及原理

1.1结构设计及原理

破甲/杀伤多用途战斗部在原单兵破甲弹基础上增加半预制壳体设计，结构见图1。其中采用的薄型波形控制器为硅橡胶、金属铝板材料复合而成；风帽用于保证战斗部正常形成射流的炸高；半预制壳体形成杀伤破片。为了改善射流的抗干扰能力、提高射流和破片的打击威力，结构设计中应用了精密药型罩、精密装药和精密装配的战斗部技术[5]，提高主装药的内在质量及射流品质。

图1　多用途战斗部结构及外形图Fig. 1　Structure and outline drawing of multi-purpose warhead

多用途战斗部作用原理为：当前端触及目标，向后端引信发出引爆信号，引爆装药，由于薄型波形控制器的存在使起始爆炸的球面波波形，改变为绕过波形控制器，并与经过它的爆轰波产生叠加，而合成为锥形起始爆轰波向前传播[6-7]，并作用于药型罩形成轴向高速射流，打击坦克或穿透装甲；同时使半预制壳体在装药侧向爆炸产物作用下膨胀而破裂为大小、质量较为规则的破片，以动能击穿来杀伤目标。

1.2半预制壳体设计

在保证弹体结构强度的前提下，采用薄壁钢质壳体的外表面刻V型槽，使弹体局部强度减弱，以控制爆炸时壳体的破裂位置。依据打击人员目标的特性和已有破片毁伤的研究基础，计算杀伤人员的有效破片质量约1g，以此为依据设计要形成的破片大小及形状，并由预刻的沟槽来控制破片的形状与大小[8]。通过刻槽将壳体壁分成许多尺寸相等的菱形或方形网格小块，当炸药爆炸时，由于刻槽处的应力集中而沿此处破裂产生破片。战斗部壳体外表面刻槽形状见图2。图中a为棱形边长，b为棱形短轴长，t为壳体厚度，h为刻槽深度，h取约t/3，θ为V型槽半锥角。

图2　壳体外表面等分刻槽结构示意图Fig.2　Sketch of equivalent notch groove on theoutside surface of shell

利用格尼(Gurney)公式，考虑端面稀疏波及药柱锥形空穴等影响时取修正系数k为0.7～0.8，计算破片初速约1600m/s，质量约1g，对人员目标有强杀伤作用。可见采用半预制钢壳加强了对装药的约束作用，有助于炸药能量的充分利用和提高破片速度。

1.3波形控制器设计

为实现对起始波形的控制，加入复合结构的薄型波形控制器，其作用为：(1)减小作用于药型罩上的波阵面与药型罩母线的夹角，增加作用于罩上的初始压力，以达到提高射流破甲威力的目的；(2)降低副药柱高度以降低整体装药高度及质量。薄型波形控制器的波形控制部分与常规聚能装药副药柱加传统波形调整器方案相比，不仅高度可缩减约50%，其装药量也可减轻约50%[9]。利用SJZ-15高速相机的狭缝扫描摄影技术，以6mm/μs的扫描速度对隔板下罩顶上部炸药断面的爆轰波波阵面扫描照相，测试波形见图3。

图3　罩顶炸药端面高速摄影爆轰波阵面形状图Fig.3　Picture of detonation wave front of explosive on the top of liner by high-speed photography

由图3可见，使用薄型波形控制器在药型罩一侧的炸药端面上形成了理想对称的锥形收敛波，可作为起始爆轰波实现主装药的环形同步起爆。

2试验

2.1试验方案

针对具有射流和破片两种毁伤元的多用途战斗部的作用特点和目标特性，设计了图4所示的多用途战斗部的试验布局。前挂板、侧向鉴证板和后效靶[10]分别等效为厚度3.0、1.5和10.0mm的Q235钢板；主靶板等效厚度为80mm的均质装甲钢板。

图4　多用途战斗部试验布局Fig. 4　Experiment sketch of multi-purpose warhead

图4所示的试验布局除侧向鉴证板外，前挂板、后效靶和主靶板均与弹轴方向50°着角，利用带前挂板的大炸高间隔状态主要是为了模拟射流打击主战坦克的侧甲和轻型装甲时，兼顾考虑到主装甲外侧的防护栅栏或履带裙板等对射流的干扰作用；后效靶用于验证射流穿透主靶后的剩余穿深及毁伤能力，即所能发挥的后效作用。

为使结果方便表述和理解，验证实验的考查内容分两部分:内容Ⅰ和内容Ⅱ。

考查内容Ⅰ要求试验既验证多用途战斗部的射流穿深威力，又能观察射流的大炸高抗干扰和稳定性性能。

考查内容Ⅱ主要利用周向鉴证板检验战斗部侧向半预制破片的杀伤效能[11-12]，将Q235钢板放置于周向距爆心5～10m处，参照GJB140-86有关后效靶及文献[12]对扇形靶试验布置部分规定，模拟实验时把尺寸1000mm×500mm鉴证板在战斗部爆心周围的不同距离上围成扇形，战斗部爆炸后，求出靶板每一单位面积上命中的破片数，用有效穿孔数来综合评价破片杀伤威力。

2.2试验装置

试验弹弹径均为80mm,装药为压装JH-16塑性黏结炸药，密度约1.71g/cm3；采用紫铜药型罩、罩锥角约50°。

2.3射流垂直穿深试验

射流垂直破甲穿深试验布置见图5。试验装置由试验弹、炸高架及45号钢靶多块层叠而成，试验炸高分别为有利炸高及14倍装药直径大炸高。

试验原理为战斗部起爆形成射流后，不同炸高下侵彻一定厚度的45号钢层叠靶，通过实际测量穿透钢靶的总深度、穿孔直径及靶面入孔状态等参数判断射流在不同炸高下的穿深威力。

图5　射流垂直破甲穿深试验布置图Fig.5　Test layout of vertical static penetrating depth test by shaped charge jet

2.4射流大间隔靶和破片杀伤试验

(1)射流大间隔靶威力判据

考虑坦克侧甲及轻型装甲的防护厚度、防护环境等因素，多用途战斗部模拟试验中让射流首先穿透厚度3mm前挂板加80mm /50°均质钢板后，对多块后效靶产生作用。根据主靶和后效靶穿透情况以及后效靶穿透块数判断射流在对大间隔靶作用时的打击威力。

(2)破片杀伤威力判据

根据破片穿透距爆心一定距离处厚度1.5mm Q235鉴证板上穿孔数目计算得到破片密度，判断破片的杀伤威力。按照破片能穿透1.5mm低碳钢板和破片密度不小于2枚/ m2形成对人员有效杀伤[11-12]的标准对试验结果作出判断。

按照图4所示进行试验布局，主靶为厚度80mm均质钢板；数块鉴证板呈扇形分别布设于距爆心5、7、8和10m处。射流大间隔靶穿透和杀伤威力试验靶前、靶后的现场布置见图6。

图6　射流大间隔靶和破片杀伤试验布置图Fig.6　Test layout of jet penetration depth and fragments lethality

3结果与讨论

3.1不同炸高的射流穿深威力

在有利炸高和14倍装药直径大炸高的射流垂直静破甲穿深试验结果分别如图7所示。

图7　射流垂直静破甲穿深试验结果Fig.7　The results of vertical static penetrating depth test by shaped charge jet

由图7(a)和(b)可以看出，有利炸高时射流对45号钢层叠靶的垂直穿深分别为625mm和650mm，已达到原单兵破甲弹结构的威力，因此，采用薄型波形控制器、精密破甲战斗部设计，可使研究的多用途战斗部实现战斗部的穿深基本不变。

由图7(c)和(d)可知， 在14倍装药直径大炸高时，3发试验射流对45号钢的垂直穿深分别为210、245和245mm，满足实际要求的打击厚度80mm/50°装甲钢、大炸高下的垂直等效穿深厚度。

以上射流穿深试验结果与采用李金铭等[13]推导的射流对靶板侵彻深度的炸高计算公式计算结果一致，可见，新设计的多用途战斗部在不同炸高条件下射流穿深威力均得到了较好发挥。

3.2射流后效及破片杀伤威力

后效靶射流穿透结果和侧向鉴证板破片打击效果如图8所示。

由图8可以看出，多用途战斗部射流在大间隔靶时可穿透带前挂板加厚度80mm/50°均质钢板，并有效穿透3～6块后效靶，具有较好的大炸高穿深及抗干扰能力。因此，利用薄型波形控制器得到有利的爆轰波波形，提高了射流速度和穿深；而采用精密破甲技术改善了战斗部装药和射流质量，提高了射流抗干扰能力，有利于射流大炸高下的威力及性能稳定。

由图8也可看到，半预制破片在5、7、 8和10m处均可实现有效杀伤，在8m处较多破片可以穿透第二层鉴证钢板，甚至在10m处仍有6～7枚破片有效穿透了鉴证钢板，换算得知该战斗部在10m处的扇形靶上可穿透2～3孔/m2，破片的有效杀伤半径10m。随着杀伤半径的增加，有效破片的散布范围逐步扩大，密集度有所降低。可见，半预制壳体设计能产生威力要求半径上的有效破片密度且实现破片形状、大小和质量可控制。

图8　射流和破片对靶板的毁伤效果Fig.8　Danage effects of shaped charge jet and fragments on targets

4结论

(1)采用薄型波形控制器、半预制钢壳设计和精密破甲战斗部技术，使单兵战斗部在基本保持原有穿深威力的基础上，又增加杀伤功能，实现多用途战斗部多目标打击需求。

(2)利用对装药精密加工和精密装配技术，使多用途战斗部结构得到优化，提高了战斗部装药和射流质量，保证了射流大炸高的抗干扰能力，使多用途战斗部可用于打击大间隔靶的装甲目标，并具有显著的后效作用，即在大间隔作用距离，射流穿透带前挂板加厚度为80mm/50°均质靶板后，还能穿透厚度10mm的3块以上后效靶。

(3)在战斗部射流打击装甲目标的同时，产生周向杀伤破片能穿透距爆心5～10m处厚度1.5mm的Q235鉴证板，且密度不小于2枚/ m2，能对人员目标形成有效杀伤作用。

致谢：参加本课题研究和方案设计的还有西安近代化学研究所的孙建研究员、梁争峰研究员等，在此表示衷心感谢！

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Structural Design and Experimental Research on the Anti-armor and Anti-personnel Multi-purpose Warhead

WANG Li-xia, YUAN Bao-hui, SUN Xing-yun, LIU Feng-wang, TANG Bin, LI Yan-yan, DONG Li-ming

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To make the warhead strike a variety of targets, under the basically unchanged conditions of keeping the mass, configuration and penetration depth of original individual armor-penetrating warhead， a new type of anti-armor and anti-personnel multi-functional warhead was designed by new thin waveform controller, semi-performed fragment shell and precision penetration warhead technology. The improved jet penetrating depth and the fragments lethality of individual armor-penetrating warhead were studied by vertical jet penetration test, big disconnected target test and fragment destruction test. Results show that under the condition of high stand-off, the jet current of the designed multi-purpose warhead can penetrate no less than 3-layer 10mm Q235 after effect target plates after penetrating 80mm/50° homogeneous target plate. The circumferential antipersonnel fragments can penetrate the Q235 verifying armor plate with thickness of 1.5mm, 5-10m away from explosion center, with fragment density not less than 2 fragments per square meter. This technology can realize the demand of the warhead multi-function dampen.

Keywords:explosion mechanics；multi-purpose warhead；penetration depth；damage fragments；lethality high stand-off

中图分类号：TJ55;O38

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)02-0075-05

作者简介:王利侠(1966-)，女，高级工程师，从事聚能战斗部技术及毁伤效应研究。E-mail:wlx201311tgy@163.com通迅作者:袁宝慧(1959-)，男，研究员，从事弹药及战斗部技术研究。E-mail:ybhybh59@sina.com

基金项目:国防基础研究项目

收稿日期:2015-09-29；修回日期:2015-11-15

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.016