电磁炮用动能弹高速侵彻半无限钢靶的机理研究

    冯晓晖

    

    

    摘 要：电磁炮是一种新型武器，能够通过电磁力驱动弹丸高速侵彻半无限钢靶，弹丸高速撞击靶板形成高压，当高压超过弹丸和靶板的材料强度时，就会使材料产生变形，最终形成一个侵彻弹坑。文章进行了动能弹高速侵彻半无限钢靶的实验研究，在设计动能弹时，要考虑到绝缘性、材料强度、材料性能稳定性，并在弹丸中设计一个良好的缓冲结构，以应对高速侵彻时产生的加速度，并确保侵彻稳定性和安全性。

    关键词：电磁炮；动能弹；高速侵彻；半无限钢靶

    电磁炮是近年来世界各军事强国研究的方向之一，是一种机理更新颖、杀伤力更强大的新概念武器，作为一种超高速度的动能武器，电磁轨道炮使用电磁能加速弹丸，通过电源、金属导轨、电枢和弹丸组件形成一个大型电路，由电源产生的电流，在经导轨、电枢和导轨流转后，形成一个大型电流回路，电流经过时产生的电磁场会形成一个强大的电磁推力即安培力，并驱动电枢对弹丸组件做推动作用，使其能够沿着轨道急速行进。电磁轨道炮的发展，也使弹丸侵彻问题成为一个研究热点，侵彻理论是基于试验分析、数据仿真分析、理论计算分析等方法进行合理假设，将复杂公式化简后，简化复杂的问题，从而计算弹丸侵彻深度。电磁炮动能弹侵彻半无限钢靶的机理，不仅涉及高速弹丸的设计，还需要对其加速度、电枢一体化的弹托结构、侵彻实验等进行研究。

    1 电磁炮动能弹弹丸组件结构

    1.1 弹丸组件

    1.1.1 弹芯设计

    弹丸组件中的弹芯是完成侵彻半无限钢靶任务的构件，这一结构是弹丸组件设计的关键部分，钨合金、贫铀合金是弹芯结构的主要材料，钨合金因为对于人体的伤害性较小又成为首选材料。将弹芯环形齿与弹托的环形槽配合，能够提高应力承受能力，并且不会造成破坏[1-2]。

    1.1.2 风帽设计

    在弹芯前部，设计锥形或抛物线形的风帽，降低弹芯飞行时承受的空气阻力，改善弹丸头部气动外形，使用铝合金或超硬铝合金材料设计风帽，还能够降低风帽对于侵彻任务的影响。

    1.1.3 尾翼设计

    尾翼设计是保证弹芯飞行稳定性和侵彻效果的因素之一，尾翼的材料选择要避免影响弹芯的侵彻效果，因此，合金钢、超硬铝是主要使用的材料，还需要对尾翼进行一定的处理，如表面涂抹高温涂料等，以避免弹丸组件飞行时不会因气动烧蚀造成破坏。

    1.2 弹托电枢结构的电磁推力研究

    有限无分析软件Ansys是研究高速弹丸侵彻问题的常用软件，使用这一软件建模，选择纯铜作为轨道材料，并将超硬铝作为弹托电枢结构材料，两种材料的电磁率分别是1.7×10-8 Ω·m，2.9×10-8 Ω·m，取0.99作为相对磁导率，导轨截面大小取30 mm×15 mm，两导轨之间的距离则设计为60 mm，轨道长为30 mm，由于轨道长度直接影响了电流集中度数值，而纯铜电流集中度是43 kA/mm，要避免电流过大导致导轨因过热融化，可以取轨道长为30 mm.

    在无限元单元中建立一个轴对称几何模型，选择solid97单元作为结构模型，对电磁炮在空气中飞行时的电磁学特性进行模拟，获取不同时刻，导轨和弹托内部流经的电流密度具体分布情况，电流密度与电流波形呈共同变化的特点，电流表现出明显的趋肤效应[3-5]。

    电流密度主要在弹托尾部集中，使电磁力在弹托尾部集中。在电流趋肤效应下，与弹托尾部越接近，电磁力也就越大。弹托会因时间变化而承受不同的电磁力，放电时间在0.6 ms内，电流波形与电磁力增长趋势类似于线性趋势；放电时间在0.6 ms以上时，电流波形与电磁力增幅都会趋于平直缓慢；放电时间在5.5 ms时，弹托会承受最大的电磁力值3.1×105 N。之后，电流波形会逐渐下降，在8 ms时，放电结束，电磁力归零，继续充电，并积蓄下一轮弹丸组件所需的发射能量。

    在导轨发射时，导轨发射器可以视为电源负载之一，沿边导轨长度分布有电阻与电感。

    其中，a表示弹托上承载的加速度，m表示弹丸组件的总质量，F则表示弹托所承受的电磁力；a1表示弹托尾部所承受的加速度，m1则表示弹托尾部近似于电枢结构的质量。

    利用软件进行数值仿真计算后，可以得知弹头在放电后，从第1齿开始到第10齿，应力逐渐降低，因此，弹芯上的环形齿会逐渐的承载接触应力，在0.6 ms时，第1齿承受的应力达到了460 MPa。放电时间逐渐增加，弹芯和弹托之间会逐渐产生较大的接触应力，放电时间在5.5 ms时，接触应力会达到最大值，是587 MPa，这一数值已经对弹芯中所使用的钨合金材料产生了较大的威胁，必须改善应力分布的均匀性。出现这种状况的原因在于由于冲击载荷的变化，弹体内部各个环形齿所承受的加速度是有差别的，放电持续时间不同，对于加速度 和电流波形也会有强烈的影响，持续时间越短，载荷的上升时间也越短，因而会使应力波前的应力梯度越大，进而产生更高的加速度，这也是第1齿受力最大的原因，为避免应力过高，对弹体造成破坏，需要优化结构，设置一个缓冲结构。

    2 侵彻试验及结果

    运用Anasys/Ls-dyna软件可以模擬进行侵彻试验，使用Largrange网格划分侵彻模型，并计算仿真数值，弹芯则选择Shock强度模型，靶板材料是38CrMoAl，选择Von-Mises模型[6-7]。当弹丸高速侵彻靶板时，会形成开坑和准稳定侵彻两个阶段，弹芯高速撞击到靶板上，接触瞬间会形成高压，并且这一压力值会超过弹丸和靶板材料的强度，材料就会形成局部变形和破坏。靶板由于径向应力出现塑性变形，并沿着径向进行塑性流动，进而产生了孔洞。靶板上表面则由于稀疏波作用，出现了翻边现象。开坑阶段后，弹丸头部开关会发生改变，成为蘑菇头状，并不断消耗弹芯质量，这些被消耗掉的弹芯材料会在弹坑壁面均匀分布。随着弹芯和惯性力作用，不断扩张，最终形成弹坑。当侵彻速度不同时，对于侵彻过程会产生不同的影响，如同样的杆体以不同速率的高速度进行侵彻时，其持续时间会有所不同，在高速侵彻时，弹丸总侵彻时间要少于速度更低的情况[8]。

    3 结语

    电磁炮作为一种新型武器，通过电磁力驱动弹丸高速侵彻半无限钢靶，弹丸高速撞击到靶板时，就会形成一个高压，这一高压超过弹丸和靶板的材料强度，进而使材料产生变形和破坏，经过开坑和稳定侵彻两个阶段后，形成一个侵彻弹坑。由于这一侵彻过程以电磁力作为驱动力，在选择材料、设计弹丸时要考虑到绝缘材料的应用，并考虑到侵彻加速度时材料性能的稳定性，在弹丸中设计一个良好的缓冲结构，以确保侵彻稳定性和安全性。要提高弹丸的侵彻效果，采取提速和增加弹丸直径的方法能够获得更好的效果，但同时也要考虑到加速度对于材料的破坏性，选择更为适宜的材料，设计长径比更合理的弹丸。

    [参考文献]

    [1]史梁，沈培辉，薛建锋.弹体高速侵彻半无限钢靶的研究[J].兵工自动化，2016（1）：34-36.

    [2]田振國，白象忠，杨阳.电磁轨道发射状态下导轨的动态响应[J].振动与冲击，2012（2）：10-14.

    [3]杨博瀚，井晶，申海峰，等.动能弹对金属靶板侵彻的数值模拟分析[J].群文天地，2011（12）：246-247.

    [4]范锦彪，徐鹏，王燕，等.高速动能弹侵彻钢板加速度测试技术研究[J].弹箭与制导学报，2008（2）：123-126.

    [5]李军.电磁轨道炮中的电流线密度与膛压[J].高电压技术，2014（4）：1104-1109.

    [6]吴群彪，沈培辉，刘荣忠.碳化钨长杆体侵彻半无限钢靶的特性研究[J].弹道学报，2013（4）：75-78.

    [7]吴群彪，沈培辉，刘荣忠.组合杆式穿甲弹的侵彻能力仿真分析[J].系统仿真学报，2013（2）：367-370.

    [8]史梁.电磁炮用动能弹高速侵彻半无限钢靶的机理研究[D].南京：南京理工大学，2016.

    Abstract：The electromagnetic gun is a new type of weapon capable of driving the projectile to penetrate the semi-infinite steel target at high speed by electromagnetic force. The projectile hits the target plate at high speed to form a high pressure. When the high pressure exceeds the material strength of the projectile and the target plate， the material will deform， eventually forming a crater. In this paper， experimental study on penetration of semi-infinite steel target with kinetic bomb at a high speed was conducted. When design the kinetic bomb， the insulation， the material strength and the stability of the material properties need to be taken into account. A good buffer structure need to be designed in the projectile to cope with high speed acceleration generated when penetration， and to ensure the stability and security of penetration.

    Key words：electromagnetic gun； kinetic bomb； high-speed penetration； semi-infinite steel target