尾锥角对弹体斜侵彻过程中姿态的影响研究

张 博，张丁山，吕永柱，周忠彬，赵晨钟

(西安近代化学研究所， 西安 710065)

1 引言

地面建筑物目标是钻地弹的重点打击目标，其结构一般为多层钢筋混凝土靶。李江涛等研究了不同着角和速度对弹丸侵彻多层钢混靶的弹道特性；吴普磊等研究了攻角对弹体斜侵彻多层混凝土靶的弹道偏转影响；李鹏飞等研究了2种不同弹体头部结构对斜侵彻多层混凝土靶的弹体偏转角度影响；刘宗伟等建立了弹丸斜侵彻多层混凝土靶的弹道姿态计算模型；朱战飞等研究了钢混靶间距及层数对弹体斜侵彻弹道性能的影响；其他许多学者对弹体斜侵彻混凝土的机理及模型进行了深入研究。弹丸侵彻多层靶过程中，弹体尾锥角对弹体所承受力矩有重要影响，从而改变弹体姿态，但是关于弹体尾锥角对斜侵彻多层混凝土靶的姿态偏转影响研究的文献较少。

为此，本文针对弹体尾锥角对斜侵彻多层混凝土靶的姿态偏转影响的问题，利用侵彻试验研究了不同尾锥角弹体在710 m/s初速、10°着角的情况下侵彻5层混凝土靶的弹体姿态偏转规律，为钻地弹的结构设计提供参考。

2 试验研究

2.1 试验弹体结构参数

弹体结构由壳体、装药及后盖组成。壳体及后盖材料为35CrMnSiA钢，内部装药为HMX基PBX炸药，弹体结构示意图如图1所示。3种方案弹体结构参数如表1所示，为弹体长度，mm，为弹体质心到弹体前端面长度，mm，为弹体外径，mm，为弹体头部弧段半径，mm，为弹体尾部锥段锥角，(°)，为弹体质心比，为弹体曲径比；在方案设计中弹体通过调整内部结构保证3种弹体结构质心比相同。

图1 弹体结构示意图

表1 3种方案弹体结构参数

2.2 试验方案

根据表1弹体参数,加工试验用弹体，如图2所示。弹体发射采用125 mm滑膛炮，利用高速摄影对弹体侵彻混凝土靶全过程进行追踪记录，试验后分析弹体的速度及偏转情况。5层混凝土靶如图3所示，试验前实测混凝土靶抗压强度为40.6 MPa；第1层厚度100 mm，其余层厚度为60 mm，靶面垂直间距1 mm，靶面与水平夹角80°；第1～3层靶迎弹面尺寸为1.5 m×1.5 m，第4～5层靶迎弹面尺寸为2 m×2 m；试验现场布局如图4所示。

图2 试验弹体图

图3 试验用混凝土靶图

图4 试验现场布局图

2.3 试验结果

弹体侵彻5层混凝土靶后完整回收，弹体未出现弯折或断裂，回收弹体如图5所示。3种尾锥角弹体侵彻过程如图6～图8所示，弹体偏转角度为弹体轴线与水平方向夹角。统计试验着靶速度、出靶速度和侵彻过程中弹体偏转角如表2所示。

图5 回收弹体图

图6 弹体尾锥角0°时弹体侵彻过程图

图7 弹体尾锥角1.5°时弹体侵彻过程图

图8 弹体尾锥角2.5°时弹体侵彻过程图

表2 试验结果

3种尾锥角弹体试验偏转角度如图9所示，随着弹体尾锥角的增大，弹体偏转角度逐渐减小；尾锥角从0°增加至2.5°时，弹体出靶偏转角度从6.2°减小至0.1°，减小98.4%；弹体出靶速度基本保持一致。

图9 3种尾锥角弹体试验偏转角度曲线

3 试验结果分析

结合试验及数值仿真结果，弹体侵彻混凝土靶受力情况如图10所示，图10中，为战斗部质心、为等效阻力中心、为战斗部速度、为靶对战斗部的等效作用力；在弹体前半段进入靶板时，弹体头部受到靶板的反作用力，对弹体产生偏转力矩，导致弹体发生偏转；随着弹体继续侵彻，弹体尾部穿过靶板时由于弹体头部穿靶时偏转力矩导致弹体存在偏转角速度，此时作用于弹体尾部的力矩将与弹体头部穿靶时力矩方向相反，为修正弹体偏转角度的修正力矩。

图10 弹体侵彻混凝土靶受力过程示意图

弹体在侵彻后续混凝土靶时受力状态与首层类似，主要区别为力矩方向的不同，可归结为偏转力矩及修正力矩对弹体作用。

弹体初始动能一定时，随着弹体尾锥角的增大，弹体穿靶过程中所承受的修正力矩均增大。结合试验及仿真结果得出，所设计的3种尾锥角弹体方案，在侵彻5层混凝土靶过程中偏转力矩对弹体的作用大于修正力矩；随着尾锥角的增大，修正力矩增大，偏转力矩未变化，因此弹体偏转角度降低。弹体偏转角度随尾锥角的增加近似为指数性降低，如图11所示。

图11 弹体偏转角度随尾锥角变化曲线

由于多层靶板厚度较小(100 mm，60 mm)，弹体在侵彻过程中第1阶段弹体头部在靶板上开孔，靶板由于冲塞破坏形成大于弹体直径的孔洞，第2阶段及第3阶段弹体顺着第1阶段的开孔随进，第2、第3阶段靶板对弹体的阻力作用小于第1阶段，因此弹体斜侵彻多层靶出靶速度基本不受弹体尾锥角变化的影响。

4 结论

利用侵彻试验，研究了钻地弹不同弹体尾锥角对侵彻5层混凝土靶弹体偏转的规律，得到以下结论：

1) 在弹体初始动能相同条件下，随着弹体尾锥角的增大，弹体穿靶过程中所承受的修正力矩增大，减小偏转力矩的作用，从而使侵彻弹体偏转角度减小；

2) 弹体尾锥角从0°增加至2.5°时，偏转角度从6.2°减小至0.1°，减小98.4%，弹体出靶速度基本保持一致。