CN114459300B - 一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置 - Google Patents

一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，属于弹道试验技术领域。所述回收装置包括底板、活动侧板以及回收结构单元，以底板长度方向为前后方向，以其宽度方向为左右方向，在底板的长度方向上设置n个回收结构单元，回收结构单元的固定钢板下端与底板固定连接，两块活动侧板对称安装在底板左右两侧，活动侧板的上端与固定钢板通过合页连接；采用芳纶层、液体层以及PE层组成的分层式回收结构单元对金属破片进行有效拦截，避免了在回收过程中金属破片的二次变形，调控回收结构单元的数量，能够实现对不同速度条件下金属破片的回收，而且该回收装置容易搜寻和回收金属破片。

Description

一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置
技术领域
本发明涉及一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，属于弹道试验技术领域。
背景技术
弹道实验是验证战斗部破片侵彻威力的主要实验手段，而实验中对残余破片形状质量等的分析是判断其侵彻能力的重要指标，因此，完整且高效的回收残余破片对于弹道实验的开展意义重大。
目前，传统的破片回收方式通常采用水箱回收法、金属箱体回收法等，这些方法在破片回收过程中存在如下缺点：(1)进行一发实验时间过长，更换回收材料繁琐；(2)不能完全适用于不同速度破片的回收，对于高速(>1500m/s)条件下的破片回收困难；(3)传统金属箱体回收易造成破片二次变形，且回收不够高效；(4)无法对残余破片及靶板冲塞等完全收集。综上，一种适用于多速度区间、且对破片不造成二次变形影响的高效分级回收装置成为弹道实验的一大需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，该回收装置采用芳纶层、液体层以及PE层组成的分层式回收结构单元能够对金属破片进行有效拦截，而且避免了在回收过程中金属破片的二次变形；通过调控回收结构单元的数量，能够实现对不同速度条件下金属破片的回收；依据具体试验中的金属破片能量输入值和回收结构单元的能量吸收值，可得到金属破片最终停留的位置，实现对金属破片的高效回收，解决了长期以来弹道试验中金属破片及冲塞难以有效回收、回收不完全的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，所述回收装置包括底板、活动侧板以及回收结构单元；
所述回收结构单元从迎弹面至背板面是由芳纶层、固定钢板、液体层、固定钢板以及PE层按顺序组成的层状复合结构；其中，固定钢板上设有中心入射孔，芳纶层与其之后的固定钢板连接，PE层与其之前的固定钢板连接，液体层是液体装入袋子后填充在两块固定钢板之间的间隙中；
或者，所述回收结构单元从迎弹面至背板面是由固定钢板、芳纶层、固定钢板、液体层、固定钢板、PE层以及固定钢板按顺序组成的层状复合结构；其中，固定钢板上设有中心入射孔，四个固定钢板之间形成三个间隙，前方第一个间隙用于放置芳纶层，芳纶层与其前后的两块固定钢板连接，中间第二个间隙用于放置液体层，后方第三个间隙用于放置PE层，PE层与其前后的两块固定钢板连接；
以底板长度方向为前后方向，以其宽度方向为左右方向，在底板的长度方向上设置n个回收结构单元，回收结构单元的固定钢板下端与底板固定连接；两块活动侧板对称安装在底板左右两侧，活动侧板的上端与固定钢板通过合页连接，活动侧板的下端与底板不连接，使活动侧板能够绕着长度方向翻转；
其中，Ek0≤nE吸，优选(n-1)E吸≤Ek0≤nE吸，或者优选(n-2)E吸≤Ek0≤(n-1)E吸，n为正整数；E吸为回收结构单元中芳纶层、液体层以及PE层吸收的能量之和，Ek0为金属破片输入所述回收装置中的能量(Ek0＝(mv0 2)/2，m为金属破片的残余质量，v0为金属破片的剩余速度)；根据试验条件可确定金属破片的残余质量和剩余速度范围，通过单次试验可确定E吸的近似值，所以依据具体试验中金属破片的能量输入值和回收结构单元的能量吸收值，可得到金属破片最终停留的位置，实现对金属破片的高效回收。
采用所述回收装置回收金属破片时，将所述回收装置安装在位于靶板后方的弹道试验平台上，并使弹道枪出口的中心线与所述回收装置中固定钢板上的中心入射孔的中心线重合，弹道枪发射的金属破片穿过靶板后进入所述回收装置。
进一步地，所述回收结构单元中，芳纶层厚度为2mm～6mm，两块固定金属板之间用于填充液体层的距离(即液体层的厚度)为40mm～60mm，PE层厚度为2mm～6mm。芳纶层以及PE层不宜过薄或过厚，过薄难以有效拦截，增加回收结构单元级数而导致所述回收装置整体体积过大，过厚则会使金属破片停留在芳纶层或PE层某一位置，增加破片寻找的不确定性，且固定难度增大；液体层的厚度太薄会使缓冲效果欠佳，厚度过大又会增加回收结构单元体积，从而导致所述回收装置整体增加。所以通过芳纶层、液体层和PE层厚度的调控，可实现回收结构单元的整体防护效果最佳化以及实现所述回收装置整体布局的最优化。
进一步地，液体层中的液体可选用水或已公开报道的剪切增稠液；优选选用轻薄透明的塑料(如聚氯乙烯)袋子盛放液体，袋子的厚度为0.5mm～2mm，确保盛装液体的同时最小化袋子材质对缓冲效果的影响，而且便于寻找位于液体层中的金属破片。
进一步地，位于靶板后方的所述回收装置中的最前端第一级回收结构单元与靶板的距离为60cm～100cm，确保金属破片穿靶后短暂飞行即可进入回收装置，相邻两级回收结构单元之间的距离为10cm～20cm，一方面保证回收装置整体长度不会过长，另一方面至少10cm的间隔便于从其中拿取金属破片。
有益效果：
(1)本发明所述的回收装置，依据具体试验中的金属破片能量输入值和回收结构单元的能量吸收值，可得到金属破片最终停留的位置，实现对金属破片的高效回收；当分级数较少时，通过观察每级回收结构单元的穿孔情况，也可以判断金属破片的落点。
(2)本发明所述回收装置，可针对金属破片穿靶余速的大小调整回收结构单元的数量，进而适用于从低速到高速(>1500m/s)范围内各种速度条件下金属破片的回收。
(3)本发明所述回收装置中，回收结构单元采用“芳纶层-液体层-PE层”式的分层结构，利用芳纶和PE材料重量轻、柔软、耐冲击性强的特性，能够对金属破片进行有效拦截，避免了在回收过程中金属破片的二次变形；液体层具有优异的缓冲吸能效果，同时由于其呈液体状态，对落入其中的金属破片更易搜寻和回收。
(4)本发明所述回收装置中的回收结构单元，通过对芳纶层、液体层以及PE层的厚度进行调控，既能保证回收结构单元的缓冲吸能效果，同时又便于寻找金属破片以及使回收结构单元具有较小的体积。
附图说明
图1为实施例1中所述回收装置的结构示意图。
图2为实施例1中所述回收装置用于回收金属破片时的布局图。
图3为实施例1中回收的金属破片的实物图。
图4为实施例2中回收的金属破片的实物图。
其中，1-底板，2-活动侧板，3-回收结构单元，4-芳纶层，5-液体层，6-PE层，7-固定钢板，8-弹道枪，9-靶板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
用于回收残余质量为17.01g以及剩余速度为365m/s的圆柱形金属破片时，所采用的分级式金属破片回收装置包括底板1、活动侧板2以及回收结构单元3，如图1和图2所示；以下表述中，以底板1长度方向为前后方向以其宽度方向为左右方向；
所述回收结构单元3从迎弹面至背板面是由固定钢板7、芳纶层4、固定钢板7、液体层5、固定钢板7、PE层6以及固定钢板7按顺序组成的层状复合结构，如图1和图2所示；其中，固定钢板7上设有中心入射孔以及位于固定钢板7四个角上的螺栓孔，四个固定钢板7之间形成三个间隙(如图1所示)，芳纶层4放置在前方第一个间隙中并通过四个螺栓与与其前后两块固定钢板7连接，液体装入厚度为1mm的PVC(聚氯乙烯)透明袋子后填充在中间第二个间隙中，PE层6放置在后方第三个间隙中并通过四个螺栓与与其前后的两块固定钢板7连接，芳纶层4的厚度为3mm，形成第二间隙的两个固定钢板7之间的距离为50mm(即液体层5的厚度为50mm)，PE层6的厚度为3mm，液体为水；
在底板1的长度方向上设置两个回收结构单元3，回收结构单元3的固定钢板7下端与底板1固定连接；两块活动侧板2对称安装在底板1左右两侧，活动侧板2的上端与固定钢板7通过合页连接，使活动侧板2能够绕着长度方向翻转。采用所述回收装置回收金属破片时，将所述回收装置安装在位于靶板9后方的弹道试验平台上，并使弹道枪8出口的中心线与所述回收装置中固定钢板7上的中心入射孔的中心线重合，如图2所示；其中，所述回收装置中前方第一级回收结构单元3与靶板9的距离为80cm，后方第二级回收结构单元3与第一级回收结构单元3的距离为12cm。弹道枪8发射圆柱形金属破片后，在第一级回收结构单元3的液体层5中发现金属破片，且回收的金属破片外形未发现明显的二次变形，回收到的金属破片如图3所示，其中金属破片头部呈蘑菇状是由于与前置靶板9作用形成，而没有因为与所述回收装置作用产生的二次变形现象。
本实施例中，所使用的芳纶单层厚度以及PE单层厚度均为～0.5mm，试验数据表明，6层芳纶的弹道极限为～320m/s，6层PE的弹道极限为～380m/s。根据弹道极限拟合的R-I公式，
3mm芳纶：
Figure BDA0003425907670000051
3mmPE：
Figure BDA0003425907670000052
可计算出3mm厚的芳纶层4的能量吸收值为：
Figure BDA0003425907670000053
可计算出3mm厚的PE层6的能量吸收值为：
Figure BDA0003425907670000054
对于中间液体层5(水)，水的阻力公式为：
Figure BDA0003425907670000055
其中，C为阻力系数，ρ为水的密度，v为水中运动物体的速度，S为物体迎物体面的横截面积。
假设金属破片在水中做匀减速度运动，根据牛顿第二定律，F＝ma，可求得金属破片在水中运动速度与运动距离的关系：
Figure BDA0003425907670000061
因此，金属破片在水层中运动的能量吸收值可以计算得到：
Figure BDA0003425907670000062
此处，取阻力系数C＝0.42，ρ＝1000kg/m3，S＝Π*r*r＝0.000113m2，x为金属破片在水中运动的距离，取x为50mm，V0为金属破片进入中间液体层5时的初速，由公式(1)可以得到金属破片穿过芳纶层4的末速度即为进入液体层5的初速，计算为175.57m/s，代入式(7)中求得水层的能量吸收值为1.07086J。
根据金属破片的初始动能计算：
Figure BDA0003425907670000063
因为Ek0大于E吸f和E吸(水)之和，但是小于三者能量吸收之和，因此，最终破片将因为无法穿透第一级回收装置的PE层6而落在第一级回收装置的液体层5中。
实施例2
用于回收残余质量为7.8g以及剩余速度为688m/s的球形金属破片时，所采用的分级式金属破片回收装置包括底板1、活动侧板2以及回收结构单元3；以下表述中，以底板1长度方向为前后方向以其宽度方向为左右方向；
所述回收结构单元3从迎弹面至背板面是由固定钢板7、芳纶层4、固定钢板7、液体层5、固定钢板7、PE层6以及固定钢板7按顺序组成的层状复合结构；其中，固定钢板7上设有中心入射孔以及位于固定钢板7四个角上的螺栓孔，四个固定钢板7之间形成三个间隙，芳纶层4放置在前方第一个间隙中并通过四个螺栓与与其前后两块固定钢板7连接，液体装入厚度为1mm的PVC(聚氯乙烯)透明袋子后填充在中间第二个间隙中，PE层6放置在后方第三个间隙中并通过四个螺栓与与其前后的两块固定钢板7连接，芳纶层4的厚度为3mm，形成第二间隙的两个固定钢板7之间的距离为50mm(即液体层5的厚度为50mm)，PE层6的厚度为3mm，液体是由粒径为80nm的SiO2与摩尔质量为200g/mol的聚乙醇按照3:7的质量比配制的剪切增稠液；
在底板1的长度方向上设置三个回收结构单元3，回收结构单元3的固定钢板7下端与底板1固定连接；两块活动侧板2对称安装在底板1左右两侧，活动侧板2的上端与固定钢板7通过合页连接，使活动侧板2能够绕着长度方向翻转。采用所述回收装置回收金属破片时，将所述回收装置安装在位于靶板9后方的弹道试验平台上，并使弹道枪8出口的中心线与所述回收装置中固定钢板7上的中心入射孔的中心线重合；其中，所述回收装置中前方第一级回收结构单元3与靶板9的距离为80cm，中间第二级回收结构单元3与第一级回收结构单元3的距离为12cm，后方第三级回收结构单元3与第二级回收结构单元3的距离为12cm。弹道枪8发射球形金属破片后，在第二级回收结构单元3的芳纶层4与PE层6之间的间隙中回收金属破片，回收到的金属破片表现为球形金属破片与冲塞粘连在一起，无明显二次变形的痕迹，回收到的金属破片如图4所示。
与实施例1计算过程类似，本实施例中金属破片的初始动能Ek0可计算为：
Figure BDA0003425907670000071
因为液体层5选择了防护性能更好的剪切增稠液，对于阻力公式，便是阻力系数C增大，此处选择阻力系数为0.9。因为第一级回收装置的能量吸收总值为2100.1J，小于Ek0，则金属破片将穿过第一级回收装置，计算金属破片穿过第一级回收装置后的余速V3(单位为m/s)，
Figure BDA0003425907670000072
V2＝exp(CρSx/2m)+V1-1＝exp(0.9×1000×0.000113×0.05/2/0.0078)+609.1-1＝609.49
Figure BDA0003425907670000073
因此，金属破片进入第二级回收装置的初始动能Ek1为：
Figure BDA0003425907670000074
因为Ek1大于E吸f，小于E吸f、E吸(液)和E吸pe的和，因此，将在第二级回收装置的中间液体层5中回收到最终的残余破片。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：所述回收装置包括底板、活动侧板以及回收结构单元；
所述回收结构单元从迎弹面至背板面是由芳纶层、固定钢板、液体层、固定钢板以及PE层按顺序组成的层状复合结构；其中，固定钢板上设有中心入射孔，芳纶层与其之后的固定钢板连接，PE层与其之前的固定钢板连接，液体层是液体装入袋子后填充在两块固定钢板之间的间隙中；
或者，所述回收结构单元从迎弹面至背板面是由固定钢板、芳纶层、固定钢板、液体层、固定钢板、PE层以及固定钢板按顺序组成的层状复合结构；其中，固定钢板上设有中心入射孔，四个固定钢板之间形成三个间隙，前方第一个间隙用于放置芳纶层，芳纶层与其前后的两块固定钢板连接，中间第二个间隙用于放置液体层，后方第三个间隙用于放置PE层，PE层与其前后的两块固定钢板连接；
以底板长度方向为前后方向，以其宽度方向为左右方向，在底板的长度方向上设置n个回收结构单元，回收结构单元的固定钢板下端与底板固定连接；两块活动侧板对称安装在底板左右两侧，活动侧板的上端与固定钢板通过合页连接，活动侧板的下端与底板不连接；
其中，Ek0≤nE吸，n为正整数，E吸为回收结构单元中芳纶层、液体层以及PE层吸收的能量之和，Ek0为金属破片输入所述回收装置中的能量。
2. 根据权利要求1所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：（n-1）E吸≤Ek0≤n E吸，n为大于等于1的整数。
3.根据权利要求1所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：（n-2）E吸≤Ek0≤（n-1）E吸，n为大于等于2的整数。
4. 根据权利要求1所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：所述回收结构单元中，芳纶层厚度为2 mm~6mm，两块固定金属板之间用于填充液体层的距离为40mm~60 mm ，PE层厚度为2 mm~6 mm。
5. 根据权利要求1所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：采用厚度为0.5 mm~2 mm的透明的塑料袋子盛放液体。
6. 根据权利要求1所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：所述回收结构单元中，芳纶层厚度为2 mm~6mm，两块固定金属板之间用于填充液体层的距离为40mm~60 mm ，PE层厚度为2 mm~6 mm，采用厚度为0.5 mm~2 mm的透明的塑料袋子盛放液体。
7.根据权利要求1所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：液体层中的液体为水或剪切增稠液。
8. 根据权利要求1至7任一项所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：在底板的长度方向上设置n个回收结构单元，相邻两个回收结构单元之间的距离为10cm~20 cm。
9.根据权利要求1至7任一项所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：采用所述回收装置回收金属破片时，将所述回收装置安装在位于靶板后方的弹道试验平台上，并使弹道枪出口的中心线与所述回收装置中固定钢板上的中心入射孔的中心线重合。
10. 根据权利要求9所述的一种用于弹道试验的分级式金属破片回收装置，其特征在于：位于靶板后方的所述回收装置中的最前端第一级回收结构单元与靶板的距离为60cm~100 cm，相邻两级回收结构单元之间的距离为10cm~20 cm。
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