空气击锤装置模拟硬目标侵彻实验方法

满晓飞，门士滢，马少杰，张　合

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)



空气击锤装置模拟硬目标侵彻实验方法

满晓飞，门士滢，马少杰，张合

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)

摘要:针对现有空气击锤实验装置所产生的冲击加速度脉宽过短的问题，提出了利用改进后的立式空气击锤模拟侵彻过程的实验方法。该方法采用了强度更高的材料作为试验弹体，在保证结构安全性的前提下，适当降低了接触硬度，提高了抗冲击综合性能。在不同气压条件下进行了冲击试验，将测得的冲击信号特征与实际侵彻过程的加速度特征进行了对比，结果表明两者具有较高的一致性，改进后的立式空气击锤可作为实验室检测硬目标侵彻引信的测试手段，用于模拟侵彻过程。

关键词:立式空气击锤;硬目标侵彻引信;模拟测试;信号特征

0引言

随着防御技术的发展，重要的战略目标多隐藏于地下以及坚固的混凝土或钢甲之后，战场环境越来越复杂。于是硬目标侵彻弹药的研究工作成为了各国军事研究的重点[1]。硬目标侵彻引信是硬目标侵彻弹药的控制中心，其作用可靠性与准确性直接决定了侵彻战斗部能否实现预期战斗目的，以及战斗效能的高低[2]。因此，硬目标侵彻引信的研制是硬目标侵彻弹药研制的重点内容。

硬目标侵彻引信研制过程中需要对侵彻引信进行测试，常规的实验室手段难以模拟出侵彻硬目标过程的高过载冲击环境，通常的测试方法是靶场试验，但靶场试验往往试验周期长、试验成本高，并且弹药的回收存在一定不确定性[3]。

空气击锤是一种实验室内对侵彻引信进行冲击检测的常用设备，具有较高的冲击加速度幅值，操作也较为简便，可对侵彻引信进行结构强度检测。但空气击锤所产生的冲击加速度脉宽较窄[4]，在200 μs左右，与实际侵彻过程的冲击过载相差较大。本文针对此问题，提出了利用改进后的立式空气击锤模拟侵彻过程的实验方法。

1侵彻过载特征提取

硬目标侵彻弹药侵彻目标过程中，引信承受到强烈的冲击作用，具有作用突然、幅值高、变化剧烈、持续时间短、电磁环境复杂等特点[5]，且冲击加速度受目标材质、结构变化影响较大[6]。典型的动能弹侵彻混凝土靶板过程的加速度曲线如图1所示。

图1　侵彻历程曲线Fig.1　Penetration acceleration curve

观察图1，侵彻过程曲线具有较明显的下降沿，加速度数值急剧攀升至最大，经历小幅振荡并持续一小段时间后回落至静态。从曲线宏观上可以提取出两个描述曲线特征的关键参数：峰值和脉宽。

判断入靶的条件为加速度幅值大于阈值并持续5个采样周期即判断弹体入靶。因此，下降沿的宽度也是描述曲线特征的关键参数。

可总结出侵彻过程曲线的特征参数主要有：下降沿(上升沿)宽度、幅值、持续时间。

2空气击锤实验方案

2.1空气击锤装置

空气击锤装置主要由架体、工作气缸、身管、释放机构和砧台等部分组成，如图2所示[7]。

空气击锤实验装置的工作过程为：将装有被试引信的试验弹体(见图3)从身管下部推至身管顶端并被控制机构的阀卡弹轴卡住，压缩气体从工作气缸的顶部的气源接头进入气缸，当工作气缸中的气压达到预定值时，控制机构工作，电磁铁通电，触发释放机构解脱阀卡弹轴，释放试验弹体，试验弹体在工作气缸内压缩气体压力作用下沿身管竖直向下作加速运动，撞击放置在砧台上的测试垫板。待测引信中的冲击加速度传感器能够检测到试验弹体撞击测试垫板的冲击加速度信号。

图2　立式空气击锤实验装置Fig.2　Vertical air hammer

图3　试验弹体Fig.3　Experiment projectile

2.2冲击特征影响因素

空气击锤所产生的冲击加速度大小及波形特征与弹体速度，测试垫板材质及厚度有关。

进行一系列的冲击试验[7]后，总结了不同的工作气压、垫片材料、垫片厚度、垫片组合以及不同孔状结构对冲击曲线的影响规律。总的来说，在一定的工作条件下，冲击加速度峰值与冲击脉宽、垫片厚度、垫片材料硬度、垫片碰撞区接触面积、工作气压的关系如表1所示。“+”表示成正比，“-”表示成反比。

表1　工作条件对冲击波形特征的影响

采用的弹体材料为T10A淬火钢，具有较高的接触硬度，工作气压为0.48 MPa时，不同材料垫片得到的冲击峰值为5.01～5.79万g，脉宽为205～243 μs，总体来讲，冲击波形脉宽基本在200 μs左右，相对较窄。

2.3改进实验

针对空气击锤冲击加速度脉宽过短的情况[8-10]，对试验弹体进行了修改，换用了强度更高的材料，在保证结构安全性的前提下，适当降低了接触硬度，提高了抗冲击综合性能。利用LS-DYNA仿真软件对改进后的结构进行了动态仿真模拟，由于接触硬度有所下降，弹体头部在冲击过程中变形量增大，结构内部拉伸应力集中，但仍处于许用应力范围内，见图4。

图4　弹体应力分布Fig.4　Stress distribution of projectile body

在不同的气压下，进行了一系列的冲击试验，实验曲线如图5。

提取图5中冲击曲线波形的关键参数，如表2所示。

(a)工作气压0.49 MPa

(b)工作气压0.4 MPa

(c)工作气压0.3 MPa

(d)工作气压0.2 MPa

分析表2数据可以得出，在各个工作气压值下，得到的脉宽宽度情况相对之前均有较大改善，即使在较低的0.2 MPa气压下，脉宽仍有530 μs。随着工作气压的增大，脉宽与加速度峰值均有增大的趋势。

表2　实验曲线参数

3冲击曲线与侵彻曲线对比

实际侵彻过程时间长度与弹速和靶板厚度有关，靶场试验回收数据如图6所示，实验条件为750 m/s动能弹侵彻三层C30混凝土靶板。

提取三层过靶信号的特征参数，如表3所示。

对比表2与表3，可发现，改进后的空气击锤装置所产生的加速度曲线特征，与实际的侵彻过程曲线有较大的相似程度。峰值、下降沿宽度等参数甚至大于实测侵彻曲线。对于脉宽参数，实测侵彻曲线的脉宽参数与靶板厚度及弹速有关。

图6　侵彻三层混凝土靶板加速度曲线Fig.6　Acceleration curve of penetration into a three-layer concrete target target

峰值/万g下降沿/μs脉宽/μs第一层2.61140340第二层2.64140560第三层2.49140340

4结论

本文提出了空气击锤装置模拟硬目标侵彻过程的实验方法。该方法采用了复合结构弹体，在保证结构安全性的前提下，适当降低了弹体接触硬度，提高了抗冲击综合性能。改进后的空气击锤实验装置实验数据表明，冲击脉宽得到了大幅度的拉宽，达到了原来的三倍以上。通过与靶场回收数据进行对比，发现改进后的空气击锤完全可以产生与侵彻过程加速度信号特征近似的冲击加速度，且由于空气击锤装置实验参数可调，实验简便，实验周期短，可根据要求制定不同的实验方案，达到模拟侵彻历程冲击过载的目的。

动能弹侵彻1 m厚及以上目标时，加速度波形脉宽将达到毫秒级，这种情况下，利用空气击锤装置完全再现侵彻冲击过载尚且无法实现，有待进一步的改进研究。

由于侵彻状态识别过程中，下降沿宽度如果足够即可判断为入靶，脉宽参数对应弹体在靶板中挤进过程的时间，除了计行程起爆控制方式外，其他控制策略如靶内炸、靶后延时炸等均对脉宽参数不敏感。因此，空气击锤装置也可用来验证厚靶侵彻过程的起爆控制策略。

同时，由于空气击锤装置口径较大，可以将整发完整的引信装入实验弹内，需要供电或者解保控制信号的情况下还可以通过拉线的方式在线供电或提供相应信号，结合较为逼真的冲击过载，使得对侵彻引信的测试过程极为完整、可靠。

参考文献:

[1]洪元军. 外军侵彻弹药及引信技术的最新进展[J]. 探测与控制学报, 2000, 22(2):8-13.

[2]穆军. 美军实施“外科手术”的关键武器——钻地弹[J]. 现代兵器, 1999(5)：20-22.

[3]满晓飞, 张合, 马少杰,等. 侵彻引信计层起爆炸点控制实物模拟实验方法研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(10)：1556-1561.

[4]相国麟, 彭长清. 85毫米空气炮模拟装置[J]. 探测与控制学报, 1988(2)：41-51.

[5]徐文峥, 王晶禹, 陆震,等. 弹性弹体侵彻混凝土靶板的过载特性研究[J]. 振动与冲击, 2010, 29(5)：91-95.

[6]虞青俊, 李玉龙, 金连宝,等. 侵彻多层混凝土目标弹丸过载特性研究[J]. 探测与控制学报, 2007, 29(1)：13-17.

[7]门士滢. 高过载宽脉冲空气击锤设计及试验技术研究[D].南京：南京理工大学，2014.

[8]王金贵. 气体炮及其常规测试技术(一)[J]. 爆炸与冲击, 1988(1)：89-96.

[9]刘淑华. 空气击锤碰撞规律研究[C]//中国兵工学会引信学会第四届年会论文集.西安：引信专业委员会，1985.

[10]刘卫东, 张国强. 空气击锤系统撞击规律的统计研究[J]. 弹道学报, 1998(4)：78-82.

*收稿日期:2015-11-23

基金项目:武器装备“十二五”预先研究项目(51305060203)

作者简介:满晓飞(1986—)，男，河北石家庄人，博士研究生，研究方向：硬目标侵彻引信冲击测试技术。E-mail: manxiaofei@163.com。

中图分类号:TJ430.6

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)03-0090-04

Using Air Hammer Device Simulate Hard Target Penetration Process

MAN Xiaofei，MEN Shiying，MA Shaojie，ZHANG He

(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China)

Abstract:Aiming at the the short pulse duration problem of the air hammer experimental device, the experimental method to simulate the penetration process with the improved vertical air hammer was put forward. In this method, a material of higher strength was used as the test body. To ensure the structural safety of the premise, the appropriate reduction of contact hardness was made to improve the impact resistance. Under different pressure conditions, the impact signal characteristics and the acceleration characteristics of the actual penetration process were compared.The results showed that the improved vertical air hammer could be used as a test method for the laboratory test of hard target penetration fuze.

Key words:vertical air hammer, hard target penetration fuze, simulation test, signal characteristics