脱壳穿甲弹毁伤效应试验研究

陈桂荣，欧阳稠，彭 安，焦延博

(宜春先锋军工机械有限公司，江西 宜春 336000)

1 引言

脱壳穿甲弹是20世纪70年代以后发展起来的一种性能优良的穿甲弹，具有初速高、弹道低伸、飞行时间短、命中精度高、侵彻威力大等特点，是目前最主要的反甲弹药[1]。依稳定方式分为旋转稳定和尾翼稳定两大类，其主要是依靠动能以碰击方式来拦截毁伤武装直升机、巡航导弹等空中目标以及地面轻型装甲车辆等有生力量。脱壳弹穿甲主要由飞行弹体(弹芯和风帽)和弹托两大部分组成，飞行过程中，弹托会自动脱落，使弹芯获得良好的外弹道性能，弹芯在击中目标时，可以依靠动能击穿装甲造成损坏或者引爆战斗部[2]。目前世界上脱壳穿甲弹大多采用分离卡瓣式，在连发射击过程中，弹托分离会对后续弹药造成干涉，我国新研制的气推式整体脱壳穿甲弹，在弹丸出炮口的极短距离内，弹芯借助高压火药气体自动高速推出弹托，达到整体脱壳的效果，具有其特殊的优越性。

基于35 mm高炮试验平台，针对气推式整体脱壳穿甲弹，开展了穿甲威力、有效防护驾驶舱毁伤、燃油箱引燃、战斗部模拟靶引爆等试验，分析了其毁伤效应，得到了相关试验数据，为产品的研制设计提供试验数据参考。

2 试验方法

采用35 mm高炮，水平射击，分别在距离炮口50 m处布置40 mm/60°均质装甲钢板威力靶、有防护驾驶舱模拟靶、燃油箱模拟靶，100 m处布置战斗部模拟靶。选用试验弹模拟1 000 m着速，依次对上述模拟靶板进行射击试验。

3 试验结果分析

3.1 穿甲威力

对于坦克、轻型装甲车辆等目标，目标靶的穿透率是考核其穿甲威力的主要手段之一，目前我国对穿甲弹威力的评价指标为90%穿透率的速度v90，对一定的装甲目标，弹芯穿透目标的速度越小其穿甲效能越好，速度的标准方差越小表示其穿甲效能的稳定性越好[3]。弹芯的穿甲威力以1 000 mm着速，对40 mm/60°均质装甲钢板的穿透率为考核依据，根据De Marre极限穿甲深度(L)公式、极限穿透速度(vl)公式[4]可知该弹芯对均质装甲的穿透能力：

(1)

(2)

式中:vt为弹芯侵彻靶板时的着靶速度；ρ、l、d、m为弹芯的密度、长度、直径、质量；σs、T为均质装甲钢板的屈服极限和厚度；A、k为靶板的修正系数(2 000～2 600)、符合系数；均质装甲钢的性能参数见表1。

表1 装甲钢性能参数Table 1 Performance parameters of armour steel

当弹芯对装甲钢板非垂直命中时，弹芯与钢板表面法线方向成一法向角θ，实际上，vl和θ之间存在着较复杂的关系，对于均质装甲De Marre公式可作如下修正[5]:

(3)

式中:λ、N为修正角度值和修正系数，修正系数N和θ的关系值如表2所示。

表2 系数N和θ的关系值Table 2 Relationship value of coefficient N and θ

飞行弹体结构参数示意图见图1，材料性能参数见表3.将弹芯直径0.168 dm，重量0.26 kg参数代入式(2)中，根据修正公式可知40 mm/60°均质装甲钢板的极限穿透速度为1 147.2 m/s。

图1 飞行弹体结构参数示意图Fig.1 Schematic diagram of structural parameters of a flying projectile

表3 弹体材料性能参数Table 3 Performance parameters of the projectile material

该穿甲弹正装药可获得1 350 m/s的初速，用弹道雷达监测目标弹芯，测出弹芯千米速度降为200 m/s，千米靶距着速为1 150 m/s，理论上该弹芯能够穿透40 mm/60°均质装甲钢板。在炮口50 m处按40 mm/60°架设1 m×1 m的均质装甲钢板(GY4)，以炮口50 m处1 150 m/s弹芯速度选定发射药装药量，即炮口50 m处穿甲威力可等效1 000 m着速对40 mm/60°均质装甲钢板的穿甲效果。按选定装药量依次射击10发穿甲弹，试验数据如表4所示，试验结果表明：装药量为305 g，平均初速为1 151.58 m/s，10发弹命中装甲钢板且全部有效穿透，其穿透率为100%，其穿甲威力效果如图2所示。

表4 试验数据结果Table 4 Test data and results

图2 穿甲威力效果图Fig.2 Effect picture of armour piercing power

3.2 有防护驾驶舱毁伤能力系数

当该型穿甲弹拦截空中的固定翼飞机、武装直升机时，需达到命中即击毁的毁伤要求。以毁伤能力系数P值来判定弹药的毁伤能力，当P值大于140时即可对飞机、直升机造成中度毁伤，使其不能正常完成作战使命[6]。按目标部位的易损特性，将其划分为几个典型要害部位，固定翼飞机划分为驾驶舱、燃油箱、发动机舱、设备舱和机翼5个部位，直升机划分为驾驶舱、燃油箱、发动机舱、尾梁和机身下部5个部位[7]。用多层固定间隔的靶板组等效典型要害部位，形成一个等效靶板体系，用以检测弹芯的毁伤效果。美国AH-64A“阿帕奇”直升机、俄罗斯米-24D直升机、Su-25攻击机防护装甲的等效装甲钢板厚度约为6～15 mm，军用飞机装甲设计与安装要求标准中对装甲防护材料的厚度要求为8～10 mm[8]，因此对固定翼飞机、武装直升机上述部位的模拟靶可等效由1块15 mm/60°均质装甲钢板(GY4)和1块3 mm、1块5 mm、5块2 mm厚的1 m×1 m的2A12铝板组成，各铝板之间间隔300 mm，其示意图如图3所示。等效靶板如图4所示，铝合金性能参数见表5。

图3 固定翼飞机、武装直升机等效靶板示意图Fig.3 Schematic diagram of equivalent target plates of fixed-wing aircrafts and attack helicopters

图4 固定翼飞机、武装直升机等效靶板Fig.4 Equivalent target plates of fixed-wing aircrafts and attack helicopters

表5 铝合金性能参数Table 5 Performance parameters of aluminium alloy

选用试验弹以1 000 m着速1 150 m/s对距炮口50 m处的飞机、直升机等效靶板进行射击，统计穿甲弹弹芯穿透全部M块后效铝靶板后每一块后效铝靶板上破片穿孔的数量N，将每个穿孔近似为矩形后，测量该矩形穿孔的长度KL(mm)和宽度KW(mm)，均取整数，得到弹芯对M块后效铝靶的综合毁伤能力系数P：

(4)

其中:D为弹芯直径(mm)。当破片穿孔近似为圆形时，KL和KW均取圆形的直径值。

按前述选定的装药量装配全弹，依次射击5发穿甲弹，5发弹在各后效靶板上穿孔面积的试验数据如表6所示。每发弹对7块后效铝板的毁伤能力系数如图5所示。试验表明：装药量305 g，平均初速为1 150.62 m/s，5发穿甲弹综合毁伤能力系数分别为408、342、415、379、399，平均值为388.6，综合毁伤能力系数均大于140，因此弹芯命中目标后可对飞机、直升机目标造成破坏进而达到摧毁的打击效果，单发穿甲弹毁伤铝靶板情况如图6所示。5发穿甲弹毁伤铝靶板效果如图7所示。

图5 每发弹对7块后效铝靶板的毁伤能力系数Fig.5 Damage capacity coefficient of each bullet to 7 aftereffect aluminium target plates

表6 5发弹在各后效靶板上穿透面积(mm2)Table 6 Penetration area of 5 bullets of APDS on each aftereffect target

图6 单发穿甲弹毁伤铝靶板情况Fig.6 Damage of aluminium target plates by single APDS

图7 5发穿甲弹毁伤铝靶板效果Fig.7 Damage effect of 5 bullets of APDS on aluminium target plates

3.3 装甲燃油箱模拟靶引燃性能

统计表明军用飞机在遭受火力攻击后，燃油系统起火和爆炸是导致其损伤的主要原因，而燃油系统的损伤主要是由于燃油箱的燃烧、爆炸或漏油3种毁伤方式造成的，而燃烧是油箱的主要毁伤方式[9]。弹芯击中装甲车辆、固定翼飞机和直升机油箱时，将其燃油箱中的燃料(0#柴油、航空汽油、航空煤油)完全点燃才能有效的摧毁目标，表7给出了3种燃料的闪点温度[10]。而轻型装甲车辆步战车防护钢板厚度约5～25 mm[11～12]，固定翼飞机、武装直升机防护装甲的等效装甲钢板厚度约为6～15 mm，因此燃油箱模拟靶可等效由一块25 mm/0°均质装甲钢板和2 mm厚Q235燃油箱组成，其中油箱装满一半0#柴油，油箱与装甲钢板间隔100 mm，其示意图如图8所示。

表7 几种燃料的闪点Table 7 Flash point of fuels

图8 燃油箱模拟靶示意图Fig.8 Schematic diagram of the simulation target of a fuel tank

选用试验弹以1 000 m着速1 150 m/s对炮口50 m处燃油箱模拟靶进行射击，根据式(2)及穿甲后剩余速度(vs)式(5)，求出穿甲弹芯穿透25 mm均质装甲及油箱的极限穿透速度为467.98 m/s，穿甲后的剩余速度：972.76 m/s。

(5)

式中：vt为弹芯侵彻靶板时的着靶速度；vl极限穿透速度；d、m为弹芯的直径和质量；ρb、T为均质装甲钢板的密度和厚度；θ为弹芯与装甲表面法线方向的夹角法向角。

弹芯击穿油箱金属外壳时，由于外壳和燃料的阻碍，弹芯的动能可转化为塞块、弹芯的热能，使得油温升高至燃点以上。弹芯击穿靶板和油箱产生的高速飞溅的高温颗粒火花及高温的塞块、弹芯，遇到燃油箱内的燃料时发生燃烧效应，使油箱燃烧或爆炸。根据能量守恒定律，弹芯击穿 25 mm/0°均质装甲钢板和油箱后损失的动能绝大部分转化为热能，弹芯在侵彻过程中，由于弹芯的导热率大，摩擦和塑性变形做功超过90%可以转变为热[13-14]，根据式(6)可计算出热能E为43.97 kJ，热能被弹芯残骸和装甲钢板塞块吸收，由温度升高量式(7)可求出，温度升高量为636.55 ℃，一般0#柴油的燃点为220～250 ℃，弹芯命中油箱模拟靶后，均可将0#柴油引燃或引爆。

(6)

(7)

式中：m为弹芯质量；ms为钢板塞块的质量；C为弹芯钨合金的比热容，130 J/(kg·℃)；Cs钢的比热容，450 J/(kg·℃)；μ为转换系数。

按前述选定的发射药装药量装配全弹，依次射击10发穿甲弹，试验结果如表8所示。试验表明：装药量为305 g，平均初速为1 150.33 m/s，8发引爆油箱，2发引燃油箱，引爆率80%，引燃(含引爆)率100%，其引爆效果如图9所示。引燃效果如图10所示。

表8 试验结果Table 8 Test results

图9 油箱引爆效果Fig.9 Detonation effect of a fuel tank

图10 油箱引燃效果Fig.10 Ignition effect of a fuel tank

3.4 战斗部模拟靶引爆率

穿甲弹毁伤来袭导弹战斗部，主要考虑冲击起爆因素。根据James对冲击起爆的描述，决定冲击起爆的主要有冲击波压力大小与作用时间2个因素[15]，当T=D/6c时刻，战斗部炸药达到起爆临界条件，其起爆比内能Ec可表示为：

Ec=pupD/6c

(8)

式中：p为冲击波压力，可以根据一维冲击波理论和Hugoniot参数得到；up为炸药中的质点速度；D为弹芯直径；c为炸药波后的声速。

工程上为了对临界速度进行估算，通常使用的是简化的Jacobs判据和美军皮克提尼兵工厂提出的工程判据[16]，其表达式为：

(9)

式中：V为临界速度；kf为弹药感度常数；t模拟战斗部壳体厚度；m为穿甲弹芯质量。

文献[15-16]研究了穿甲弹对模拟战斗部的引爆能力和不同弹芯参数对战斗部的临界起爆速度。在距炮口100 m处架设战斗部模拟靶，选用试验弹以1 000 m着速对模拟战斗部进行水平射击。模拟战斗部装有B炸药20 kg，壳体材料为10 mm厚Q235，其示意图如图11所示。装药后的战斗部模拟靶见图12。依次对战斗部模拟靶射击5发穿甲弹，全部5发模拟战斗部均能够有效引爆，其引爆效果如图13所示。

图11 模拟战斗部示意图Fig.11 Schematic diagram of the simulation target of a payload

图12 装药后的战斗部模拟靶Fig.12 The simulation target of payload after charging

图13 模拟战斗部引爆效果图Fig.13 Detonation effect of the simulation target of a payload

4 结论

基于35 mm高炮试验平台，以脱壳穿甲弹为研究对象，开展了穿甲威力、有效防护驾驶舱毁伤、燃油箱引燃、战斗部模拟靶引爆等试验，得出如下结论：

1) 穿甲弹以1 000 m平均着速1 151.58 m/s均能有效穿透40 mm/60°均质装甲钢板。

2) 穿甲弹以1 000 m平均着速1 150.62 m/s对有效防护驾驶舱模拟靶综合毁伤能力系数平均能达到388.6，可对飞机和直升机造成中度毁伤，进而达到摧毁的打击效果，使其不能正常完成作战使命。

3) 固定翼飞机、武装直升机及轻型装甲车辆燃油箱引燃性能试验表明，脱壳弹以1 000 m着速对0#柴油的引燃效果明显，引爆率可达到80%，击中油箱油面以下，毁伤效果显著，能引爆燃油并持续燃烧，击中油面以上，能够引燃燃油但引爆效果不明显，穿甲弹在击中目标油箱时能够做到“命中即击毁”。

4) 战斗部模拟靶试验表明，穿甲弹能够有效引爆B炸药战斗部，可以有效拦截毁伤巡航导弹、制导航弹等空中目标。