S-2玻纤增强树脂基复合材料弹托的试验研究

  随着装甲防护技术的迅速发展,各发达都在致力于提高大口径杆式脱壳穿甲弹的穿甲威力。从理论上分析,作为影响穿甲威力的因素之一,弹托的重量属于消极重量,因此减轻其质量是一条重要途径。弹托材料的应用和研究应以轻质为重点,尽量选用比强度高,韧性好的材料。由于树脂基复合材料密度小,具有很高的机械强度,材料来源广,生产工艺可行,因此是弹托的理想材料。

1 实验部分

1.1 材料
  试验采用S-2玻纤增强树脂基复合材料,其性能如表1.1。

表1.1 S-2玻纤增强树脂基复合材料性能
Tab.1.1 Properties of S-2 glass fibre reinforced composites

序号 检验项目 FC-008材料 实验部分
定向纤维 短切纤维
1 密度/g.cm-3 1.7~1.85 1.7~1.85 GB463-88
2 弯曲强度/MPa 1400 700 GB1499-83
3 弯曲模量/GPa 40 25 GB1499-83
4 冲击强度/kJ.m-2 800 400 GB1043-79
5 拉伸强度/MPa 1 000 / GB1447-83
6 压缩强度/MPa   250 GB1448-83
7 马丁耐热/℃   >280 GB1035-70
8 吸水率%   ≤0.1 GB1462-88
9 计算收缩率%   ≤0.1 GB1404-86
10 挥发物含量%   4~7 GB6065-85

1.2 复合材料弹托成型工艺
  复合材料弹托采用模压成型工艺压制,严格控制模压压力、温度和时间。其成型工艺流程如图1.1所示。

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图1.1 复合材料弹托成型工艺流程图
Fig.1.1 Processing flow chart of composite sabot

1.3 实验用主要设备和仪器
  25mm滑膛炮(长炮);
  NAC16HD型高速摄影机;
  理光照相机;
  HJ202测速仪;
  测压器(铜柱法)。
1.4 弹丸结构
  弹托组合,机械加工达到尺寸要求。在密封套外表面涂上高温涂料,烘干固化,依次装上弹托、弹带、密封套和尾翼。弹丸结构如图1.2所示。

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图1.2 弹丸结构图
Fig.1.2 Structure of the projectile

1.5 测试内容及原理
  测弹芯飞行姿态及弹托脱壳状况 当弹丸发射时(电点火),同时启动高速摄影机;弹丸出炮口后,由高速摄影机记录其脱壳及飞行姿态。高速摄影机为NAC16HD型,拍摄速度为每秒14 000幅左右,距炮口平均1.78m。
  测弹芯出炮口后的速度 用铝箔测速仪记录弹芯在两靶间的飞行时间,根据靶距即可求出弹芯的飞行速度。
  测发射时膛压 由铜柱测压法求得。
  测弹托空间分布、完整性和弹芯章动情况 在测速靶后置一纸靶,每次发射完毕,收集相应的纸靶碎片。复原后,纸靶上就留下弹托穿透的痕迹、飞散的空间分布及其完整性。同时,根据弹托留在纸靶上的弹孔尺寸,结合弹芯的特征尺寸,还可以确定弹芯在该位置的章动情况。
  回收弹托,观察其破坏形态。

2 结果与讨论

2.1 试验结果
  试验共发射5发弹,所得结果如表2.1所示。

表2.1 试验数据
Tab.2.1 Data of the experiments

弹号 全弹重
/g
弹芯重量
/g
装药
/g
弹芯速度
/m.s-1
 膛压
 /MPa
1
3
21)
41)
54)
93.4
92.6
88.4
92.4
93.1
48.9
48.9
48.9
48.9
48.9
165
165
180
190
175
未测
1 747
1 843
1 979
1 804
3632)
3542)
4253)
>5203)
4153)
注:1) 第2、4号弹,装配时弹芯与弹托相配合的环形齿前置一个;
  2) 膛压值为查表所得;
  3) 根据膛压表中已有的值进行插值所得;
  4) 弹芯断。

2.2 讨论
  (1) 弹托质量与初速的关系
  在穿甲弹上,弹托质量属于消极质量,越轻越好。在其它参数不变的情况下,其质量与弹丸初速的关系为

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其中,v0f 弹托减轻后弹丸初速;
   v0 弹托减轻前弹丸初速;
   m0 弹托减轻前质量;
   mf 弹托减轻后质量。
  从公式上可以看出,弹托质量越轻越有利于初速的提高。
  (2) 弹托的强度
  试验中大膛压达到520MPa,初速为1 979m/s与铝合金弹托相当,能够满足其发射强度要求。
  (3) 弹托脱壳过程
  弹托脱壳过程可以从高速摄影照片上观察到。弹托的脱壳是在弹丸出炮口的瞬间发生的,从图2.1(a)第1发照片上观察,脱壳顺利且均匀。随着膛压升高,弹芯会出现断裂,但不影响脱壳,如图2.1(b)第5发所示。

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图2.1 高速摄影照片
Fig.2.1 High speed photographs

  (4) 弹托飞散情况
  从章动纸靶复原图上观察,实验的弹托在空间飞散较均匀,基本满足要求。

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图2.2 纸靶照片
Fig.2.2 Picture of paper target

  对于穿甲弹丸来说,弹丸在膛内应作用可靠,出炮口后弹芯完整,没有章动或章动在允许范围之内。从试验靶场回收的弹托来看,除齿部有膨化现象外其形状基本完好,弹托尾部破坏相对较多;从高速摄影照片上看,弹托在炮口附近脱壳较顺利;从章动靶上观察,弹托散布较均匀,形状基本完好,弹芯章动普遍很小或没有。分析原因可能为弹托出炮口后产生部分膨化现象,致使弹托齿部蓬松,从而对弹芯的磕碰和扰动较小。

3 结论

  (1) S-2玻纤增强树脂基复合材料能满足25mm模拟弹的发射强度要求,并且章动小。
  (2) S-2玻纤增强树脂基复合材料是一种理想的弹托材料,有利于增加初速,提高穿甲威力。