杀爆榴弹自然破片终点参数试验方法研究

王 林，高秀娟，李晓辉，曹凌宇，程 浩

(63867部队，吉林白城 137001)

0 前言

目前装备的中大口径杀爆榴弹，是实施火力打击的主要弹药，可以实现对技术兵器、人员和轻型防护装备的有效毁伤,破片是其杀爆战斗部杀伤目标的重要元素。黄经伟等在“大口径榴弹自然破片形成”过程中描述了自然破片的质量分布[1]；蒋建伟等在小口径榴弹自然破片形成过程的数值模拟中，对榴弹壳体膨胀、碎裂过程进行了研究[2]；李其祥等在自然破片的分类研究中建立了破片模式分类器，提出了破片形状分类方法[3]。目前，研究成果主要集中在破片质量、空间分布等性能指标，而对于自然破片的基本参数，由于质量覆盖范围大，形状不规则，其平均迎风面积、破片飞行阻力系数等研究较少，没有形成系统的研究方法。文中选取1～4 g典型自然破片，通过理论分析、试验验证，构建了自然破片终点参数试验方法，并得到了相关参数，为后续其他自然破片的终点参数研究提供了支撑。

1 自然破片终点参数理论基础

图1为毁伤评估流程图，为提高毁伤评估模型精度，下面对破片速度衰减、阻力系数等终点参数进行研究。

图1 毁伤评估流程图

1.1 自然破片存速及速度衰减

破片在空气中的速度衰减公式为[4-5]：

(1)

式中：Vr为破片的存速；V0为破片的初始速度；R为破片飞行距离；Cx为破片的阻力系数；ρ为空气密度；S为破片的平均迎风面积；m为破片质量。

令a为破片的速度衰减系数，其表达式为：

(2)

则式(1)可写为：

Vr=V0exp(-aR)

(3)

1.2 自然破片迎风面积与破片形状系数

由式(2)可知，破片的平均迎风面积越大，其速度衰减越快。规则破片迎风面积S也可用经验公式来计算：

S=Km2/3

(4)

式中：K为各种规则类型破片的形状系数，如球形破片的K值为3.07×10-3m2kg-2/3，长方体形破片的K值为3.8×10-3m2kg-2/3等[6-8]。对于自然破片，只能通过试验测定或近似等效计算。

1.3 自然破片侵彻能力

破片侵彻靶板过程中，破片的动能主要转化为剩余破片的动能、冲塞的动能和剪切靶板消耗的能量。忽略破片侵彻过程中的质量变化和变形，由能量守恒方程得[5-6]：

(5)

(6)

2 自然破片终点参数试验设计

2.1 典型自然破片的选取

表1为典型中大口径杀爆榴弹数质量分布表，从表中可以看出，1～4 g的破片约占了50%。所以，选取该区间段的质量作为试验的典型破片质量。

表1 中大口径杀爆榴弹数质量分布表

2.2 典型自然破片形状系数

对1～4 g典型破片质量区间，随机选取了近千块破片进行破片迎风面积测定，按照“正二十面体方法”，用正二十面体的16个独立方向对破片的空间姿态进行模拟，测量它在16个不同取样方向上的投影面积，通过数据处理，得到破片的最大、最小和平均迎风面积。测量原理如图2所示,自然破片质量与平均迎风面积关系曲线如图3所示。

图2 破片迎风面积测量布置图

图3 自然破片质量与平均迎风面积关系曲线

按照式(4)对破片形状系数K进行计算，测定结果如图4所示。

图4 自然破片质量与形状系数关系曲线

从计算结果得知，1～4 g典型自然破片形状系数K值为4.96×10-3m2kg-2/3。

2.3 试验方案设计

为试验测定典型自然破片的速度衰减、侵彻能力，试验系统由弹道枪、破片测速系统、靶板、高速录像机等组成，试验布置示意图如图5所示。

图5 试验布置示意图(单位:m)

试验用靶板为2A12T4铝合金，密度为2.8 g/cm3，强度极限420 MPa。靶板厚度分别为4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，12 mm，16 mm，20 mm。采用弹道枪装填自然破片，对不同厚度的铝板进行极限速度测定，并进行速度衰减等相关测试。光幕靶1测试枪口破片初速,光幕靶2、光幕靶3测试靶前靶后速度，测速靶测试靶后速度及收集靶后碎片，收弹器用于破片弹托分离，高速录像拍摄破片穿靶过程并进行靶前靶后速度测试。

3 试验结果分析

3.1 试验结果

如图6所示，分别为不同铝板侵彻试验的典型结果，表2为测试设备部分测试结果。

图6 自然破片对不同厚度铝板极限穿透试验结果

表2 部分测试结果表

3.2 自然破片的速度衰减及阻力系数

试验时，靶前破片在空气中的飞行速度先后由光幕靶1(位置A)、光幕靶2(位置B)和高速摄影(位置C)测得，根据任意两靶(如AB,BC,AC)之间的距离，得到破片的速度衰减情况，按照式(1)、式(3)的函数形式对试验得到的自然破片速度衰减数据进行拟合，结果如图7所示。拟合得到的自然破片速度衰减系数a为0.022 m-1。取所有破片质量的平均值代入式(2)可以计算得到试验用自然破片的阻力系数为Cx=0.89。

3.3 自然破片侵彻能力

对部分破片侵彻相关的数据进行整理并剔除异常数据，得到表3。

表3 部分自然破片侵彻靶板数据表

假设破片侵彻单位面积单位厚度靶板消耗的能量为ΓE，则破片侵彻靶板过程消耗的能量可写为：

(7)

图8 侵彻过程中单位面积耗能与靶板厚度关系

将式(6)、式(7)代入式(5)可得自然破片侵彻靶板后的剩余速度vr为：

(8)

令式(8)中vr=0时，可得自然破片对铝靶的极限穿透速度公式vj为：

(9)

4 结论

通过理论分析与试验验证，构建了典型榴弹自然破片的终点参数试验测试方法，试验得到了平均迎风面积、阻力系数、衰减系数及对不同铝板的极限穿透能力，并建立了相关模型。试验方法的建立，可指导大质量自然破片的终点参数研究，进一步提高中大口径榴弹的终点毁伤模型精度，为弹药威力数据库的建立及相关毁伤手册的编写提供数据支撑。