超空泡模型对固态介质侵彻及影响因素实验研究

陈诚，袁绪龙，刘传龙

（西北工业大学航海学院，陕西西安710072）

超空泡模型对固态介质侵彻及影响因素实验研究

陈诚，袁绪龙，刘传龙

（西北工业大学航海学院，陕西西安710072）

为了获得超空泡模型对固态介质侵彻现象及相关力学特性的影响因素，采用实验方法对侵彻速度、弹头形状、通气等因素进行了研究。实验采用空气炮获得模型侵彻固体介质的初速，利用高速摄像系统获得直观的超空泡生成过程图像，通过图像处理获得侵彻过程运动参数。实验首先在匀质固体中成功获得超空泡模型侵彻现象，在此基础上进行了侵彻速度与不同头形的系列侵彻实验，获得了空泡形态、减速特性以及各影响因素的影响规律。借鉴水下通气超空泡的概念，设计了通气头形，并进行了不同通气量下的侵彻实验，验证了弹头通气有助于空泡生成的结论。

兵器科学与技术；超空泡；钻地弹；侵彻

0　引言

钻地弹依靠其强大的动能实现钻进地下深处进而爆炸摧毁目标的效果，受到各国的高度重视，由此，钻地弹钻地深度不够的问题日渐突出。钻地弹在侵彻过程中由于直接与土壤、混凝土等接触受到较大阻力，因此减小阻力成为提高弹体侵彻深度的有效途径。在水下航行器运动速度足够大时，在自然空化作用下形成包裹航行体的超空泡，由于空气密度小，故航行体的摩擦阻力大大减小，利用超空泡效应可达到很好的减阻效果。目前国内外对水下超空泡减阻机理、钻地武器动能侵彻机理等研究均相当成熟，通过二者有机结合，利用超空泡减阻效应提高钻地武器的侵彻效能。开展不同弹头形状，不同侵彻速度与弹头通气的侵彻实验，了解弹头参数对生成超空泡的影响，为研发高性能钻地武器提供基本条件。

为了更清楚地了解侵彻现象，许多学者利用空腔膨胀理论和不同的材料响应模型，分析了混凝土、岩石、土壤和金属材料的侵彻问题，提出了诸多的侵彻模型［1-4］。在数值模拟和实验方面，孙传杰等［5］针对不同强度混凝土靶开展侵彻实验，观察不同头形弹体侵彻混凝土靶的侵彻效应，探索弹体头形的侵彻机理及侵彻性能。

徐英等［6］采用数值计算的方法研究了弹丸头部形状和长径比对侵彻深度的影响，结果发现，相比圆锥形头部的弹丸，半球形头部的弹丸在侵彻半无限厚靶板时具有更大的侵彻深度，同时长径比较大的弹丸虽然具有较强的穿透能力，但随着长径比的增大，对侵彻效果的影响逐渐减弱。高光发等［7］以长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板为研究对象，分析了弹体最大侵彻深度与入射速度的关系，研究了弹体入射速度对侵彻最大深度的影响规律。Mayersak［8］在水箱和沙箱中针对不同的介质进行了侵彻实验，提出了土壤动力学空泡的概念，证实了超空泡效应在沙土中的可行性。

本文在透明匀质固体中进行实验，利用高速摄像机拍摄，不但可以观测弹头模型的侵彻效应，同时也可以更为直观地得到弹头参数对固体介质中空泡形态的影响，结合水中超空泡减阻机理进一步提高固体中弹头的侵彻效能。以模型实验为基本研究手段，进行变弹体发射速度，弹体头形，通气与否的实验，对比分析弹体空泡形态与力学特性，给出弹头参数对空泡形态的影响以及其力学特性变化。实验所得结果可用来校验模拟方法的可行性以及为研发高性能钻地弹提供研究基础。

1　实验方法与装置

1.1实验方法

实验采用空气炮把模型射入透明的匀质固态介质内，用激光测速仪获得模型射入固态介质前的速度，使用高速摄像观测固态介质内是否生成超空泡，同时保持空气炮发射与高速摄影的同步性，事后分析固态超空泡形态及模型钻入固态介质的减速特性。模型入射速度80～200 m/s.实验示意图如图1所示。

图1　实验示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment

1.2实验装置

1.2.1实验设备

本次实验选用图2所示φ25 mm口径的空气炮，其高压室直径为φ200 mm，长2 m，最大发射压力1 MPa，发射管长4 m，发射速度范围30～300 m/s.发射小口径模型时，采用塑料弹托，管口配有脱壳器。

图2　φ25 mm口径空气炮Fig.2 φ25 mm air cannon

采用PhantomV711高速摄像机进行拍摄分析，其最大分辨率为1 280×800，帧速率为7 530帧/s.采用非接触式的激光测速系统，记录两路激光传感器的电压变化，人工分析弹头速度以避免弹托碎片引起的误差。

1.2.2实验模型

设计编号为M1～M6的长40 mm、直径为8 mm、长细比为5的6种不同头形弹头（见图3（a）所示），模型代号与参数对应关系如表1所示。

表1　弹头模型Tab.1 Warhead models

为进行弹头通气对侵彻形成超空泡的影响，借鉴水下带空化器航行器的设计概念，设计了12 mm通气模型（见图3（b）所示），在弹头前端安装撞针，当受到剧烈撞击时引燃弹体内火药，实现通气效果。

图3　不同实验模型Fig.3 Different experimental models

实验过程中采用木质弹托装载弹体，保证加速阶段弹体与空气炮管之间的气密性与弹体的稳定性。

选用透明匀质材料制作试件，材料为107#室温硫化橡胶，为了方便进行图像处理分析，在试件的背面粘贴具有固定尺度的方格纸，如图4中所示。

图4　高速摄像视频分析软件Fig.4 Analysis software for high-speed camera

1.2.3观测结果分析软件

为了对高速摄影的实验结果进行分析，专门为本次实验编写了分析软件。软件数据处理的方法如下：

1）读入视频，分解为帧序列。

2）显示首帧图像，使用鼠标选取试件像素高度，根据输入的物理高度，计算得到图像中每像素所代表的物理尺寸。

3）逐帧显示侵彻过程，使用鼠标指示弹头像素位置，换算成物理坐标，输出到数据文件中，形成侵彻弹道曲线。

4）对弹道位移曲线进行平滑处理，对时间求导后获得速度曲线。

5）同样的方法可以获得每一时刻模型尾部空泡直径和固态透明介质试件指定位置空泡截面膨胀最大直径和膨胀收缩时间，用于对比分析。

2　实验结果

2.1超空泡模型对固体侵彻效应实验验证

通过高速摄像记录模型射入固态介质的侵彻过程，弹头侵入试件，形成椭球形空泡。与水下超空泡形态类似，弹头在侵入试件任意截面的瞬间，向试件传递动量，弹头所在切片上的材料获得了法向动能向周围运动，在该切片上形成空洞，各个切片连接起来就形成了入射超空泡，如图5所示。模型尺寸为φ8 mm×40 mm，形成空泡长度为170 mm，最大截面尺寸为30 mm.此实验证实了固态介质超空泡的存在。侵彻超空泡生成过程及其形态特征另文研究。

2.2侵彻速度对超空泡模型侵彻现象的影响

在同一弹头外形和试件材料一定的情况下，通过改变空气炮的发射压力即改变弹头入侵试件的初速，观察超空泡形态，进行对比分析。采用编号为M1的圆柱体模型进行实验，不同入射速度下，封闭空泡形态对比如图6所示。结合空泡形态分析，弹头外形和试件材料一定的情况下，当发射压力为0.2 MPa、侵彻速度约130 m/s时在此固体介质中可以生成明显超空泡；随着入射速度增大，由表2可得，超空泡长度、直径逐渐变大。

图5　空泡形态Fig.5 Cavity shape

图6　不同速度下空泡的闭合形态Fig.6 Closed forms of cavitation at different velocities

表2　回转体空泡形态参数Tab.2 Cavity shape of cone-head rotary body

采用视频分析软件读取弹体移动过程中位移数值，对其求导可得速度。图7所示为弹体在侵入固体介质后其速度曲线。为定量表示弹头以不同初速侵彻固体介质产生的空泡形态的关系，对实验结果进行拟合（见表3），空泡直径拟合公式为D′= 0.159 1v-1.904 7，拟合值与实验值误差均在10%以内，可得在本文研究范围内固体侵彻过程中产生的空泡直径正比于速度v.

图7　模型速度-时间历程Fig.7 Model velocity vs.time

表3　实验数据拟合Tab.3 Fitting of experimental data

2.3弹头形状对超空泡模型侵彻现象的影响

6种弹头的质量相同，因此在发射压力均为0.4 MPa时具有相近的初始侵彻速度。空泡形态对比如图8所示。

对比分析空泡形态可知，M1～M3构成一个头形系列，前端面直径分别为4 mm、2.66 mm、8 mm，比较其空泡形态可见，空泡长度接近，直径随前端面直径增大而增大。M4～M6构成另一个头形系列，空泡长度接近，半球头空泡直径最大，4 mm截头椭球次之，2.66 mm截头椭球最小。

图9给出了6种头形的速度-时间曲线。在小范围内当侵彻速度一定时，图中曲线斜率为弹体模型加速度。

式中：C为阻力系数；F为模型受力；ρ为介质密度；v为模型运动速度；S为模型最大横截面积；m为模型质量。

根据（1）式当采用不同弹体外形进行实验时，阻力系数基本与加速度呈正比。选取弹体侵彻过程中同一运动速度时的数据进行分析，发现柱体阻力系数最大，45°截头锥、截头椭球4 mm前端面和球头柱体阻力特性依次减小，30°截头锥较45°截头锥阻力系数小，截头椭球头前端面减小有利于阻力特性的减小。

图8　不同头形弹头空泡形态Fig.8 Cavity shapes of different models

2.4弹头通气对超空泡模型侵彻现象的影响

设计通气弹模型，在模型头部安装撞针，当其受到猛烈撞击后引燃火药，气体从模型头部冒出，达到通气的效果。根据装药量的不同进行不通气、小通气量、大通气量实验，空泡形态对比如图10所示。

图9　模型速度-时间曲线Fig.9 Model velocity vs.time

图10　不同通气量下空泡形态Fig.10 Cavity shapes with different ventilation

通气的作用体现在，弹头速度不能维持超空泡模型侵彻的条件下，向泡内通气可以获得较为饱满的空泡，同时延缓空泡的溃灭，进而延长超空泡模型侵彻距离。进行不通气、小通气量、大通气量下的实验。根据实验结果对比不同通气量下空泡形态的差异，得出通气的增大有助于空泡的生成。而对其更精确的描述有待进一步的研究。

水下航行器采用增加来流速度或增加空泡内压力的方法降低空化数，从而促使生成超空泡。本文采用同样研究方法进行，实验结果显示此两种方法在固体介质中均有利于空泡的生成，表明在固体侵彻研究中一定范围内可以借鉴水下超空泡航行体相关理论方法进行。

3　结论

目前国内对水下超空泡减阻机理、钻地武器动能侵彻机理等研究均相当成熟，本文旨在为二者有机融合，研发高性能钻地武器抛砖引玉。开展匀质固体超空泡模型侵彻效应实验研究，进行固体超空泡模型侵彻效应实验验证，在此基础上进一步开展侵彻速度、弹头外形、弹头通气等参数对其力学特性的影响实验，对固体中超空泡效应进一步了解。根据目前的实验结果分析，初步结论如下：

1）当速度达到某一临界值后，可以在匀质固体中生成超空泡模型侵彻现象。

2）弹头外形一定时在硅胶试件中，当侵彻速度足够高时在匀质固体中可以生成侵彻超空泡；入射速度越高生成的超空泡越长、直径越大。

3）头形系列对比实验表明，柱体阻力系数最大，45°截头锥、截头椭球4 mm前端面和球头阻力特性依次减小；减小截头锥角度，截头椭球前端面直径均有利于使模型获得更好的阻力特性。

4）弹头外形、侵彻速度和试件材料一定的情况下，弹头通气有助于空泡的生成，通气量越大空泡越饱满，同时验证了通气可以延迟空泡的闭合。

国内针对固态介质超空泡问题的研究较少，本文的研究在固态介质中成功获得超空泡生成与演化过程的清晰图像。这些结果可为相关研究提供参考，同时这些成果也可为后续深入开展土壤等固体介质中超空泡生成问题的研究提供基础。

（

）

［1］王明洋，谭可可，吴华杰.钻地弹侵彻岩石深度计算新原理与方法［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（9）：1863-1869. WANG Ming-yang，TAN ke-ke，WU hua-jie.New method of calculation of projectile penetration into rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（9）：1863-1869.（in Chinese）

［2］潘万庆.动能弹对靶体的侵彻特性研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013. PAN Wan-qing.Research on the characteristic of kinetic energy projectile penetrating into target［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2013.（in Chinese）

［3］Forrestal M J，Tzou D Y.A spherical cavity-expansion penetration model for concrete targets［J］.International Journal of Solids and Structures，1997，34（31/32）：4127-4146.

［4］Forrestal M J，Luk V K.Penetration into soil targets［J］.International Journal of Impacting Engineering，1992，12（5）：427-444.

［5］孙传杰，卢永刚，张方举，等.新型头形弹体对混凝土的侵彻［J］.爆炸与冲击，2010，30（3）：269-275. SUN Chuan-jie，LU Yong-gang，ZHANG Fang-ju，et al.Penetration of cylindrical-nose-tip projectiles into concrete targets［J］. Explosion and Shock Waves，2010，30（3）：269-275.（in Chinese）

［6］徐英，时家明，林志丹.弹丸头部形状和长径比对侵彻过程的影响研究［J］.弹箭与制导学报，2009，29（5）：135-138. XU Ying，SHI Jia-ming，LIN Zhi-dan.On the nose role and slenderness ratio of projectile in penetration［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2009，29（5）：135-138.（in Chinese）

［7］高光发，李永池，沈玲，等.入射速度对长杆弹垂直侵彻行为的影响规律［J］.高压物理学报，2012，26（4）：449-454. GAO Guang-fa，LI Yong-chi，SHEN Ling，et al.Effect of impact velocity on the penetration behavior for long-rod penetrator vertically penetrating semi-infinite target［J］.Chinese Journal of High Pressure Physics，2012，26（4）：449-454.（in Chinese）

［8］Mayersak J.Kinetic energy cavity penetrator weapon：US，2004/ 0231552［P］.2004-11-25.

Experimental Investigation on the Supercavitation models Penetrating into Solid Medium and the Influence Factors

CHEN Cheng，YUAN Xu-long，LIU Chuan-long
（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，Shaanxi，China）

To obtain the supercavitation models penetrating into solid medium and the influence factors of mechanical properties，including the penetration velocity，penerator shape and ventilation，a series of experiments are carried out using a transparent silicone box.The penetrators are launched by air cannon，and the penetration processes are recorded by a high speed camera.The penetration velocity is obtained through image processing and analysis.In the first experiment，the penetration phenomenon of supercavitation models was successfully obtained.And then a series of experiments for different head-shapes of penetrators were carried out at different penetration speed.The effects of the influence factors on the supercavity profiles and the deceleration characteristics are analyzed.Referring to underwater ventilation supercavitation concept，a new penetrator whith ventilation is designed to test the supercavitating penetration under ventilation，which finally confirms that ventilation is benefit for the generation of supercavity and helps to prolong the penetration depth.

ordnance science and technology；supercavitation；earth penetrator；penetration

TJ630

A

1000-1093（2015）02-0299-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.016

2014-04-16

2013届西北工业大学本科毕业设计（论文）重点扶持项目（2013年）

陈诚（1990—），男，硕士研究生。E-mail：840680497@qq.com；袁绪龙（1977—），男，副教授，硕士生导师。E-mail：yuanxulong@nwpu.edu.cn