第8章-破甲弹威力试验南京理工大学版权

为研制破甲弹性能所进行的试验，一般分为两大类，一类是研制阶段所进行破甲参数试验，如射流速度分布测定、射流破甲深度与时间（L-t）、破甲速度与时间（u-t）曲线测定、杵体射流与EFP形态X光摄影试验等来考核成型装药结构设计是否合理正确；另一类试验是样品或成品装药性能试验，如静破甲试验、动破甲试验、旋转破甲试验、破甲后效试验等来考核整体是否最终满足战技指标要求。

概述破甲弹利用聚能装药爆炸后的聚能效应由药型罩形成的高速金属射流侵彻装甲目标。现代破甲弹聚能装药的射流头部速度高达8～9km/s。它以超高速运动碰击并侵彻装甲，形成6～10倍装药直径的侵彻孔径，具有可观的破甲能力。

射流的基本特性射流自由运动过程射流的基本特性射流速度分布曲线：(a)—(30μs)(b)—(70μs)

30μs70μs

射流的基本特性典型射流侵彻靶板过程射流的基本特性射流侵彻连续靶过程射流侵彻间隔靶过程射流的基本特性侵彻过程曲线射流的基本特性射流侵彻过程中的炸高-侵深曲线

破甲弹利用聚能装药爆炸后的聚能效应由药型罩形成的高速金属射流侵彻装甲目标。因此仅以射流对装甲目标的超高速侵彻特点而言，破甲弹本身着速对侵彻的影响已经微不足道。与动能穿甲弹相比，破甲弹有无动能，在炸药装药被引爆后其聚能射流均有一定的破甲能力。因此在破甲弹的研制过程中，可通过静态破甲试验来确定其破甲能力。破甲弹威力与试验分类另一方面，破甲弹的威力与弹丸在弹道终点时状态有关系，例如由于聚能射流侵彻存在一个最佳炸高的问题，在碰击靶板过程中风帽的变形将直接影响聚能射流的侵彻性能；其次弹丸的旋转运动将会使射流产生离散而降低破甲性能；再则，在大着靶(一般指>600)弹丸的抗弹跳飞及引信的起爆灵敏度(瞬法度)都会影响破甲弹的破甲能力。三类：静破甲试验、动破甲射击试验、专门的破甲后效试验破甲弹威力与试验分类1)静破甲试验：聚能战斗部在一定炸高条件下，以静态爆炸测定破甲威力的试验成为静破甲试验。“静态”是指被试件在爆炸瞬间无轴向动能，弹有零转速或某转速两种情况。通过静破甲试验为确定装药结构、选择设计参数而测定射流与破甲过程的各种性能参数。2)动破甲试验：对指定的模拟装甲目标，在一定的着靶条件下以射击测定破甲弹威力的试验。这种试验一般都要测定动破甲穿深和靶后剩余射流等。

3)破甲后效试验：包括与动破甲相结合的后效靶试验及专门的破甲后效试验。射流速度分布测定聚能装药小维角破甲弹引爆后所形成的金属射流，其各微元的速度是不相等的，一般都是头部速度高，尾部速度低，有速度梯度存在，并按一定规律分布。计算或测定射流速度分布，亦即确定某时刻射流各微元的速度沿射流轴线方向分布规律（v–z）图，或确定各个时刻射流不同微元在空间分布情况（t–z）图。对射流形成过程进行实验研究或理论计算，其目的就是为了把装药结构与射流速度分布、质量分布联系起来，进而优化装药结构。在弹靶已确定的条件下，射流的侵彻效果（侵彻深度和各断面孔径）取决于射流的速度分布和质量分布。侵彻深度在一定的弹靶关系条件下主要取决于射流的速度分布，因为速度梯度的存在，射流在运行过程中不断被拉伸变细，甚至发生颈缩或断裂，射流的伸长与断裂直接影响射流的侵彻能力。因此，从研究射流的侵彻能力来讲，必须了解射流沿其长度的速度分布情况。射流速度分布测定射流速度分布的测定方法主要有拉断法和截割法，采用的仪器主要有脉冲x光摄影机、扫描高速摄影机、电子计时仪等。采用截割法所测数据较准确，但工作量较大，需消耗一定量的弹药和靶材；采用拉断法可减少实验量，节省物资消耗，但必须具备价格昂贵的脉冲X光摄影设备。目前国内仍采用截割法测定射流速度分布为主。用拉断法测定射流速度分布拉断法是利用脉冲X光摄影机对射流拉断后的状态进行拍摄（每发弹至少要拍两张不同时刻的X光照片），找出对应断裂射流颗粒测定其空间位置z1，z2，z3……，并根据距离差Δz和拍摄的时间差Δt，即可求各颗粒的速度值vj，从而得到vj—z坐标系中某时刻和速度分布曲线。射流速度分布测定数据处理步骤如下：1）测定图象放大系数K

2）颗粒编号

3）测定颗粒的空间位置Z4）计算颗粒速度Vj5）求某一特定时刻T各颗粒的位置ZT

6）绘出Vj—ZT图并求其方程7）求出射流头部速度Vj0和尾部速度VjL

8）从Vj—ZT坐标系向t–Z坐标系的转换

射流速度分布测定用截割法测定射流速度分布采用截割法测定射流速度的分布，就是让射流穿过一定厚度的靶板，消耗掉一段射流，剩余射流穿出靶后继续在空气中运动，测定出剩余射流的头部速度，然后找出剩余射流头部在未穿靶时的原射流中的位置。改变靶板厚度，消耗不同长度的射流，便可得到射流速度沿长度方向的分布。此法基于以下假设：1)射流微元在运动中速度不变；2)射流破甲后对后续射流无影响；3)射流微元之间互不作用，不作能量交换；4)射流保持连续，不发生断裂。高速扫描摄影法

θ–––为各扫描线的倾角up–––为相机转镜在底片上的扫描线速度；K–––为底片与实物的放大比；

射流速度分布测定射流速度分布测定计时仪测量法射流速度分布测定与上述二种测试方法一样进行坐标变换，获得t—z曲线。为计算方便，我们处理射流从罩口算起经过某一时刻（假定为100μs），则所测射流端部的速度对应的长度位置Zj为：射流速度分布测定射流速度分布测定射流破甲深度与时间、破甲速度与时间曲线的测定对某一破甲弹的威力研究，除可有用数值计算，工程计算求证外，均要用静破与动破实验进行验证。静破实验是在规定炸高条件下，静起爆装药来观测射流对靶板穿深和穿深稳定性是否满足威力指标；动破实验是在规定射距条件下，弹丸处于实战要求状态来考核射流对靶板的穿深和穿深稳定性是否满足威力指标。本节讨论的（L—t）、（u—L）曲线测定量在静破实验条件下，观测射流各微元侵彻能力和射流参数与靶板材料对侵彻过程的影响，从中得出破甲弹结构参数设计是否合理与正确，为改进破甲弹结构参数设计提供依据。可见，（L—t）、（u—L）曲线测定是破甲弹威力研究中不可缺少的测试项目。（L—t）、（u—t）曲线的测定原理与第一节述之的计时仪截割法测定射流速度分布原理相似，是在叠合的靶块之间夹以信号靶，通过射流使信号靶接通并输出脉冲信号。射流破甲深度与时间、破甲速度与时间曲线的测定旋转破甲试验破甲弹战斗部破甲深度一般随转速的增大而下降，这是因为战斗部旋转时，装药、药型罩都会以相同的转速进行旋转。射流形成过程中，由于外力作用线通过罩的对称轴，合力矩等于零，所以在药型罩全部闭合时，按动量矩定律得杵体的角速度为：由于射流在与杵体断裂之前为一体，故射流具有杵体相同的角速度。而这个角速度随罩底径的增加而增加，故大口径破甲弹随弹体转速的增加对射流的影响愈加严重。射击流在旋转角速度的影响下，它的质点就有离心力作用，使射流形成中空，径向膨胀，当离心超过射流质点结合力时，射流质点就会径向离散，这就是旋转影响射流侵彻威力的原因。破甲弹由于射击精度的要求，既使采用尾翼稳定方式，也要采用低速旋转来提高射击精度，这便使射流侵彻带来影响。为了判定弹丸转速对射流侵彻影响量级，合理的选择弹丸转速，常以旋转破甲实验来进行验证。尤其对冲压药型罩，大量实验表明，随着弹丸转速的增加破甲威力之下降，即使旋压药罩型罩其抗旋转作用也是在一定的转速范围内效果才最佳。为此，旋转破甲弹实验是破甲弹设计中不可缺少的实验项目之一。旋转破甲试验国外有关穿深随转速的变化曲线旋转破甲试验旋转破甲弹实验一般都选择立式旋转破甲试验装置，其结构和测试系统如右图所示，它是一种立式柔性轴旋转破甲试验台。由直流电机通过磨擦轮及皮带轮驱动主轴旋转，主轴中空，由起爆导线兼作柔性轴悬挂被试破甲弹。柔性轴导线一端固定在主轴上端二个螺钉上与主轴绝缘，但与集流环联通，集流环通过电刷与起爆器联系。主轴上端有转速采集装置，光电式是利用遮光盘上6个小孔通过光源与光敏元件使主轴每旋转一周输出6个脉冲，经光电放大整形输入数字频率计，用频率计来显示每秒钟脉冲数。当主轴转速为n时，则n=p/6×60=10p(r.p.n)，其中p为频率计显示的脉冲数，所以只要将频率计显示脉冲扩大10倍就是主轴转速。“EFP”形态X光摄影试验概述

理想的EFP除具有理想的气动力外形来保证其飞行稳定外，还应具有有较大的初速，较小的速度衰减，对目标有足够的侵彻能力和后效。随着灵巧弹药的发展，EFP的应用越来越广泛，国内外均对其投入大量资金进行研究。除广泛的采用二维或三维数值计算，因其成形机理复杂影响因素众多，完全依靠数值计算获得的装药和罩结构匹配与实际情况尚有一定的差距。虽然人们在不断的更新和完善计算方法，至目前为止很大程度上还依赖于实验来最后验证EFP的形态，进尔改善装药结构。利用脉冲X光摄影的方法来研究一定装药条件下的EFP形态是当前获取理想EFP的有效技术。本节主要介绍利用脉冲X光摄影技术拍摄EFP形态的原理和方法。

试验原理

脉冲X射线摄影原理与我们熟悉的医学X光透视相似，它是利用一速强度足够大，持续时间足够短的X射线通过被摄物，由于被摄物各部队密度的不同，吸收X射线的程度不一，则使被摄物后面的底法感光不一，从而获得被摄物各部的阴影像。“EFP”形态X光摄影试验单脉冲多台X光射线摄影机组合应用框图X射线辐射强度X光通过均匀物质的减弱规律“EFP”形态X光摄影试验连续多幅单管单脉冲发生器系统框图目前国内外研究发展的是连续多幅X射线摄影技术。其技术关键是采用特殊时间间隔发器及充电装置，对脉冲高压发生器间隔触发。这种方案有单管单脉冲发生器和单管多脉冲发生器两种。下图为单管单脉冲发生器系统方框图，下页图为单管多脉冲发生器系统框图。前者多用于脉冲电压较低的仪器，幅频可达105幅/秒；后者主要用于高压脉冲场合。为了达到连续拍摄的目的，国外多采用荧光摄影法或变象管摄影法。前者是连续发射X射线通过荧光屏转换成可见图象后，再用普通高速摄影机进行拍摄；后者是通过变象管转换成可见影象再加以记录。

清晰度：它是指画面可分辨细节的下降。“EFP”形态X光摄影试验连续多幅单管多脉冲发生器系统框图X光照片的质量基本上由两个参数来决定。对比度：它是X光底片上两相邻面积之间的光学密度差。它的产生是由于入射到底片上的X射线强度受到空间调制。清晰度：它是指画面可分辨细节的下降。“EFP”形态X光摄影试验虽然对比度和清晰度是分别进行研究的两个指标，但实际上它们彼此之间是密切相关的。有时尽管底片对比度较低，但清晰度较高也能很好的分辨和判读出画面的细节。一个很好的拍摄物底片要求具有良好的对比度和较高的清晰度才能从中采集到大量的信息，这对分析未知的影响素极为有利。然而在客观操作中由于种种因素的影响与制约，往往求不到理想的底片，此时可借助图象处理设备获得理想的X光照片。“EFP”形态X光摄影试验对比度

脉冲X射线摄影底片上的对度取决于二个主要因素。一是拍摄物的厚度变化引起X射线强度的调制引起，可由下式计算出物体对比度。如果假设一种物质中含有另一种物质二是由于底片和增感屏的种类匹配形成，显影条件（显影药的活性和和温度）和操作环境的光强度引起的光学密度的变化造成的对比度变化。底片对比度可由下式计算：X光剂量的调制“EFP”形态X光摄影试验清晰度

X光底片的清晰度主要取决于增感屏和底片的种类、X射线质量、拍摄物相对X射线源和度片的位置、物体的运动速度等因素。

1)由于底片和增感屏造成的图象模糊度2)几何模糊度“EFP”形态X光摄影试验3)运动模糊度4)图像总的模糊度研究表明，每种因素引起的图象模糊度造成的轮廓相对光学密度变化是按高斯分布函数变化的。所以总模糊度Br可以用下式表示：“EFP”形态X光摄影试验数据采集与处理拍摄时，人为的作好两张接收底片的相关参考标记，使底片上能清晰的反应出来。采集数据时，以参考标记为坐标测量出两个时间差中物体轴向、径向变化距离，除以图象放大系数，再除以时间差，得出轴向或径向参考点的速度。即：“EFP”飞行姿态试验

EFP除用作底甲雷外，主要用于各种灵巧弹药，如末敏弹、智能雷、近程反导弹药等，这些EFP的一个重要特点是要求其飞行稳定性好，命中概率要高，这就需要研究EFP罩的合理匹配，因此研究EFP的飞行姿态不仅是检测所需，也是优化EFP战斗部结构设计的重要内容，是不可缺少的实验环节。概述

EFP的初速一般在2000m/s左右，高者可达3000m/s，高初速的EFP的飞行姿态的研究，起始段宜采用脉冲X射线摄影技术来研究；而远离发射点的EFP的飞行姿态由于多数脉冲X射线摄影机摄影的不连续性，机型笨重等缺陷，多采用可见光高速摄影技术来获得一段时间内EFP连续飞行姿态的多幅照片，进而求得EFP的速度、章动角及章动角变化规律等。“EFP”飞行姿态试验动破甲试验试验目的和要求动破甲试验是考核聚能装药弹丸，单级或双级及多级结构（或反坦克导弹战斗部）在规定条件下射击时侵彻毁伤装甲目标、混凝土目标的破坏能力。由于聚能装药威力与所配置的引信作用的适时性、可靠性有极大关系，弹丸旋转抗旋性能及零部件加工精度与装配精度等众多因素有关，因此，动破甲试验是一项综合性试验。它包含引信作用的可靠性、适时性、聚能装药作用正确性、弹丸着靶正确性以及爆炸完全性等涉及弹丸威力性能的考检。为了对动破威力作出全面评价，产品设计定型试验中，还要做考核弹丸着速的适应能力、法向角适应能力、以及诱发聚能装药提前爆炸而降低威力的附加干扰环境的抗干扰能力等诸多试验等。动破甲试验即破甲威力试验，它是破甲弹性能实验必试项目之一，一般在弹体强度、装药安定性、立靶密集度、静破甲试验之后进行。与穿甲弹情况不同，破甲弹引信是在靶前瞬时引爆装药，不需要在动破甲试验前进行专项弹丸碰击强度试验，但风帽强度及变形情况应能确保引信在最佳炸高条件下起爆炸药，获取最大破甲威力。动破甲试验射距一般为50m～100m，也可在降低破甲威力的最大转速所对应距离上考核破甲弹威力是否符合战技指标。对于存在最佳抗旋转速的破甲弹，也可进行该转速所对应射距下进行动破试验，以便对其威力做出全面的评定。

1—钢靶架；2—靶板；3—收弹器；4—观察室；5—炮位掩体；6—炮位与火炮；7—测速靶；8—安全警报；9—防护墙；10—土围墙动破甲威力试验场地布置示意图动破甲试验试验数量试验结果统计与评定破甲试验统计破甲率——命中靶面（有效区）的穿透靶板发数量与试验有效发（符合规定数量的）数量的百分比。有下列情况者应不计发，予以补射：因引信瞎火而未穿透者；弹丸脱靶或未击中靶板有效区者；有边穿（穿孔边缘与靶板边缘相连的穿孔不完整）者，或为重孔者。也就是说，由于非聚能装药本身原因造成未穿透情况不应计入统计量内，而是以补射结果计入统计数据。动破试验不允许有爆炸不完全情况发生。为此每发都要通过仪器记录和观察判定弹丸是否起爆正常、完全。破甲后效试验最终评定破甲弹毁伤装甲目标能力的指标，不仅仅是金属射流能否穿透规定的装甲板本身，更重要的是它对装甲车辆内部乘员和设施的毁伤能力。因此要进行专门的破甲后效试验，或选以适当有效的考核方法与动破甲试验相结合进行综合性的动破甲试验。对破甲机理的几点解释：1)射流侵彻过程完成后，靶板后的破坏程度与射流贯穿过程中所生成的破片数成正比。这些破片有靶板的破片、弹丸的残块，有穿过靶板的金属杵体等。破片随破孔直径增大而增加，呈现单变函数关系。2)射流对装甲的后效毁伤作用主要是高速和超高速金属质点射流的贯穿作用以及金属破片（如铝破片）的汽化作用。研究认为，贯穿性孔洞剩余射流与装甲产生的二次破片，在内部杀伤乘员和引燃爆炸物，起杀伤破坏作用。汽化效应是在有限空间内产生冲击波起杀伤作用。动破甲试验，不仅要评定对主靶（模拟装甲防护能力的靶）的穿透能力，还要通过后效试验来评定对目标的毁伤能力。破甲后效是剩余流与二次破片等杀伤作用和毁伤作用的总和。

杀伤作用是指剩余射流和二次破片对有生力量的杀伤；毁伤作用是指对武器、仪表及其它装置的破坏程度；二次效应是指剩余射流或破片对模拟坦克内的弹药和油料的引爆、引燃作用。破甲后效试验破甲后效检验方法1)模拟坦克目标法

这种方法一般只在专门的破甲后效综合试验或专项试验时采用。由于实际坦克车辆装甲大都不是规则的，材质也不均匀，贯穿坦克装甲不同于贯穿理想的靶板。仅就对坦克车辆的毁伤程度与金属射流贯穿的位置这点有关。采用模拟坦克目标进行试验，较为真实。仓内各乘员位置上按试验目的装上与乘员等高的模拟物：或为试验动物，或由肥皂、明胶等与人体组织相似物质制作的假人，或用干松材料制成宽0.5mm、厚125mm的模拟人形物。仓内其它部位根据实际目标情况或单项试验目的放置试验品：用木盒或薄金属盒代替电台，用木盒代替内部通讯设备和潜望镜，用真实弹药或用装假弹丸的药筒代替弹药，用焊接于炮塔顶部立柱上的模拟装置代替机枪。检验燃料引燃作用时燃料箱应充满柴油，否则应充满水。模拟坦克通常采用报废坦克，为模拟新坦克目标，可按新坦克的实际情况附加一些防弹裙板等装甲板。试验时，模拟坦克固定不动，但发动机应尽量保持工作状态。发动机通过外部软管向内供燃料。在没有废旧坦克时，有时也采用坦克的装甲钢板焊成的坦克内仓大致相同的钢仓。钢仓上的前装甲钢板材料也可同于动破甲试验用靶板。破甲后效试验破甲后效检验方法2)后效靶板法

这是国内外常用的能与动破甲试验相结合进行模拟检验方法，也为穿甲后效试验所采用。利用主靶后面设置的多层薄靶测定剩余射流和二次破片的侵彻厚度及其空间分布情况，以相对比较破甲后效作用。试验中剩余射流的侵彻作用，主要是看主剩余射流的作用，离散射流作用甚微。试验方法是在主靶（同于动破甲试验用靶）后面一定距离处开始设置一系列叠合的或等间距排放的软钢（A3）板，作为检验后效性能的试验用后效靶。射击后，通过各层后效靶上的穿孔和击痕检测主剩余射流、穿过主靶的杵体和二次破片的穿透层厚度，以及破片数目的射流飞散区，测定它们的空间分布。破甲后效试验破甲后效检验方法一般情况下，00法向角试验时，后效破片痕通常呈径向对称分布；600法向角试验时，崩落破片的中心趋于装甲法线方向，并非在射流侵彻主靶的轨迹方向，如下图所示。后效靶的靶面大小、厚度、排列形式与数量按破甲弹（或破甲战斗部）的威力或实际装甲目标的内部情况而定。

破甲后效试验破甲后效检验方法下图为北约国家对米兰（MILAN）反坦克导弹战斗的破甲威力试验的靶试条件。主靶为法向角650的三层间隔钢甲靶，由前向后各靶厚度为10mm、25mm、（60+20）mm，垂直间隔330mm；后效靶与主靶有相同的法向量，间距50mm。每块后效效靶厚度10mm，间距10mm。

破甲后效试验破甲后效检验方法下图为破甲穿深大小约为800mm的霍特（HOT）反坦克导弹战斗部破甲威力试验的靶试（850～900MPa）条件。主靶三层板厚度（断裂强度）为10mm（1090～1190MPa）、25mm（370～440MPa）、80mm，法向角650。后效靶厚度10mm（392MPa），后效靶以20块叠合板放在第4块靶后面0.5m处，法向角全为00。测试数据及其处理有效弹--能同时满足以下各条件为有效弹：（1）引信作用正常；（2）弹丸着速和法向角符合试验要求；（3）弹丸命中主靶（或模拟坦克靶）有效区，靶板正面的射流穿孔与靶边缘距离不小于1倍弹。（4）在弹着方向的穿孔形成区内，靶板背面无贴近（靶背面）的障碍物。当出现弹丸对主靶作用正常而射流未穿透主靶或未穿透后效靶者也应作为有效弹，以便统计动破甲试验的破甲率。有效弹发数的确定：当后效试验与动破试验相结合时，有效弹发数同于动破甲试验量；若后效试验单独进行时，有效弹发数则应根据破甲弹的有关资料确定。动破甲试验后效试验无效弹（1）情况同于动破甲试验不计算发数；（2）弹丸未命中模拟坦克的指定部位或虽然命中但出现重孔；（3）出现射流穿透主靶后主剩余射流脱离后效靶，或只击中后效靶架及其中它零部件，或在后效靶上出现主剩余射流形成的边穿或重孔等。测试数据及其处理动破甲试验对每发弹的测定（1）主靶或装甲板上的实际破甲深度。（2）主靶或装甲板上的射流入口和出口尺寸和位置。（3）对每发有效弹测定穿透后效靶的层数。可将未被穿透的后效靶上产生的所有凹坑累积深度大于30mm者，按穿透后效靶计算。（4）计算一组有效弹的穿透后效靶平均层数，即（5）对每发有效弹测定每层后效靶上的穿孔数、凹坑数和深度，记录后效靶上的鼓包、麻点、喷铜情况。后效靶板法试验结果的分析图表图表一般包括破片质量、数量主空间分布的统计。如下页表所示某破甲弹后效试验的破片穿孔数。同时可将破片穿孔按大小分成四组