机场跑道混凝土靶板贯穿的试验研究

1 引言

机场跑道作为军事基础设施的核心组成部分，在现代战争中具有极其重要的战略地位。夺取制空权已成为获得战争主动权的主要手段，而对机场跑道的攻防则成为交战双方的重要作战任务。利用反机场跑道钻地弹对敌方机场进行攻击在战争中发挥着越来越重要的作用，因而对机场跑道贯穿的研究不仅在理论上有着重要意义，更有着重大的现实意义。

混凝土作为机场跑道最主要的建筑材料，其抗贯穿性能的研究一直受到国内外学者的广泛关注。钢筋和混凝土的有效组合形成了承载力强、整体性好、刚度大、抗腐蚀、耐火和适应性广的结构工程材料，将钢筋和混凝土二者的材料性能互补，充分发挥各自的优越性，已广泛应用于各类国防与民用土木工程。国内外学者已对混凝土靶板的侵彻机理进行了多方面研究，薛建锋研究了弹体侵彻与贯穿混凝土靶的效应；武海军等系统综述了钢筋混凝土靶的侵彻与贯穿研究进展；孙宇新则从理论角度分析了混凝土抗贯穿问题。然而，针对机场跑道这种特殊结构的混凝土靶板贯穿特性研究仍相对不足，特别是关于实际机场跑道混凝土配方及结构条件下的贯穿损伤机理需要进一步深入探讨。

本文基于实际机场跑道的材料配方和结构特征，制作类机场跑道混凝土靶板，通过弹道试验和数值模拟相结合的方法，系统研究钻地子弹贯穿混凝土靶板的破坏模式、侵彻深度和孔径变化规律，分析靶板的抗贯穿性能及其破坏机理，为机场跑道的防护设计和毁伤评估提供科学依据。

2 试验材料与方法

2.1 钻地模拟子弹设计

由于实弹试验成本高昂，在贯穿几何相似律成立的前提下，本研究采用小尺寸钻地模拟子弹对混凝土靶板进行贯穿模拟研究。试验采用脱壳尾翼稳定钻地子弹，该设计能够保证弹丸的出膛速度及外弹道的稳定性。弹芯主要由 45#调质钢制成，具有良好的强度和硬度特性；弹托则由航空高强度铝合金制成，既保证了结构强度又减轻了整体重量。这种设计使得模拟子弹可以在达到所需侵彻效果的同时，降低成本并提高试验安全性。

2.2 混凝土靶板制备

本试验研究的类机场跑道靶板严格按照混凝土机场跑道的配方和施工方法精心制成。具体配方按照重量比如下：水泥∶砂∶石子∶水=1∶1∶1.86∶0.372。其中，水泥采用标号 520 的高标号水泥；砂为河砂，经过过筛清洗，筛网直径 3mm；石子为硬质石灰岩，同样经过过筛清洗，筛网直径控制在 10mm 以下，5mm 以上，以保证骨料的均匀性和强度。

表 1：混凝土靶板配方比例

制备过程中，砂石按各比例成分均过称定量。水泥、砂子、石料三组份混合均匀后再加水搅拌，材料实验表明这样制成的混凝土块力学性能与机场跑道相当。所制靶板尺寸为：直径 500mm，厚度 250mm，重量 95kg。为减少靶板的径向边界效应，靶板外围用 1mm 钢板围起，以模拟实际机场跑道的边界约束条件。

2.3 弹道贯穿试验方法

侵彻试验所用发射装置为 30mm 标准滑膛炮，采用铝箔靶测出导通电信号，得到弹飞行 L 距离所用时间，进而求得弹在此段的平均速度。由于所测的 L 在 4～5m，而弹丸的有效射程为 5000m，在 L 以内弹丸速度的衰减很小，因此以 L 段的平均速度近似弹丸的入射速度是合理的，其误差可忽略不计。

试验过程中，通过调整发射药量控制弹丸的着靶速度，着靶速度范围为 300-800m/s。每组试验重复 3 次，以保证数据的可靠性。试验过程中记录弹丸的着靶速度、侵彻深度、开坑直径、背面崩落情况等参数，用于后续分析。

3 试验结果与分析

3.1 侵彻深度与速度关系

通过系列弹道试验，获得了不同着靶速度下弹体对混凝土靶板的侵彻深度数据。试验结果表明，随着弹丸着靶速度的增加，侵彻深度呈现明显的增长趋势，但这种增长并非简单的线性关系。当速度较低时（低于 400m/s），侵彻深度随速度增长较为缓慢；当速度在 400-600m/s 范围内，侵彻深度随速度增长加快；当速度进一步提高（高于 600m/s），侵彻深度的增长趋势又趋于平缓。

这一现象可以通过弹靶相互作用机理来解释：在低速侵彻时，弹丸的功能主要用于克服混凝土材料的强度和韧性；在中速范围内，弹丸有足够能量导致混凝土材料发生更广泛的破碎和塑性变形；而在高速情况下，能量耗散机制发生变化，部分能量通过摩擦和热能耗散，导致侵彻效率降低。

3.2 破坏模式分析

混凝土靶板在弹体冲击下的破坏模式主要表现为三个典型阶段：正面开坑、扩孔段稳定侵彻和背面震塌。如 6 所述，通过数值计算可以得到弹速衰减时程、最大穿深和入射弹速关系等方面的规律，其结果与实验结果良好符合。

正面开坑阶段：弹体与靶板接触初期，在应力波反射形成层裂的基础上，靶面形成漏斗坑。这个阶段的破坏主要以压缩和剪切为主，开坑直径通常为弹径的 2-3 倍，取决于弹丸的速度和冲击角度。

扩孔段稳定侵彻阶段：弹体穿透开坑区后进入稳定侵彻阶段，此时侵彻速度和孔径的变化较小。在此阶段，弹体持续对孔壁施加径向压力，使孔周材料发生塑性流动和破碎，孔径保持相对稳定。

背面震塌阶段：当弹体接近靶板背面时，由于应力波在自由表面的反射产生拉伸波，导致背表面材料发生层裂和崩落，形成震塌漏斗坑。这一阶段的破坏特征主要表现为 tensile failure，崩落区的直径通常大于正面开坑直径。

表 2：不同速度下的侵彻特性数据

3.3 钢筋加强效应

对于钢筋混凝土靶板，钢筋的加入显著改变了靶板的抗侵彻性能和破坏模式。钢筋通过两种机制提高靶板的抗侵彻能力：一是通过粘结作用实现对混凝土的整体约束并带来间接侵彻阻力；二是通过与弹体碰撞带来直接侵彻阻力。

试验结果表明，埋深较浅的首层钢筋网可减小弹体开坑深度，着靶位置和配筋方式将影响弹体侵彻受力。配筋率提高将降低侵彻深度，相同配筋率细直径配筋方式往往更有利于靶板防护。当弹体直径/网眼尺寸>2 时，因弹体着靶位置不同造成的侵彻深度差异可忽略。

4 数值模拟与验证

4.1 有限元模型建立

为深入分析弹体侵彻混凝土靶板的动态过程，本研究采用非线性动力分析程序 AUTODYN3 和 LS-DYNA5对试验过程进行数值模拟。仿真模型采用 2D 轴对称建模，包括弹体、混凝土靶板和钢筋网等组件。

混凝土材料采用 P-alpha 状态方程和 RHT 混凝土强度模型，该模型能够准确描述混凝土在高应变率下的损伤和破坏行为。弹体材料采用 Johnson Cook 强度模型，该模型考虑了应变硬化和应变率硬化效应，能够准确模拟弹体在高速冲击下的变形行为。

表 3：数值模拟中的材料模型参数

4.2 模拟结果与试验对比

数值模拟结果与试验数据对比表明，两者在侵彻深度、开坑形状和破坏模式等方面吻合较好。模拟成功再现了混凝土靶板贯穿的三个典型阶段：正面开坑、稳定扩孔和背面震塌。

通过数值模拟，还可以获得试验中难以测量的参数，如弹靶中的应力场、应变场和温度场分布。这些数据为深入理解侵彻机理提供了重要依据。例如，应力场分析表明，在弹体头部前方存在明显的高压区，最大压力可达混凝土抗压强度的 10 倍以上；而在弹体侧面和后方，则存在较大的拉伸应力区，这是导致径向裂纹产生的主要原因。

参数敏感性分析表明，侵彻深度对混凝土强度最为敏感，其次是弹体着速和冲击角度。钢筋网的加入使弹道轨迹和各运动参量的变化趋于复杂化，特别是对于弹体质量和转动惯量较小且靶板配筋率较高、钢筋直径较粗、强度较大、分布较密的情况，钢筋将通过直接碰撞给弹体侵彻/贯穿弹道规律带来随机性。

5 工程应用与展望

5.1 在机场跑道防护设计中的应

本研究结果对机场跑道的防护设计具有重要指导意义。基于试验和数值模拟获得的侵彻深度公式和破坏模式分析，可以评估现有机场跑道的抗贯穿能力，并为加固设计提供依据。

对于新建机场跑道，可以考虑采用多层复合结构，如在混凝土层中加入钢纤维或聚合物纤维提高韧性和抗冲击能力，或设置夹层结构以分散冲击能量。对于现有跑道的加固，则可以考虑在跑道表面或底部加设防护层，如钢板、聚合物层或特种混凝土层，以提高其抗打击能力。

另外，本研究中的着靶位置影响分析为跑道的配筋设计提供了优化方向。通过调整钢筋网的间距、层数和直径，可以在不显著增加成本的前提下，最大程度地提高跑道的防护性能。

5.2 在反跑道弹药设计中的应用

从攻击角度而言，本研究结果对反跑道弹药的设计也具有参考价值。通过了解混凝土跑道的破坏机理和参数影响规律，可以优化弹体的结构设计、材料选择和攻击策略，提高对机场跑道的毁伤效果。

例如，根据混凝土靶板的破坏特性分析，采用串联战斗部设计可以提高对跑道的毁伤效果：前级聚能装药在跑道上形成穿孔，为主装药的随进和内部爆炸创造条件。研究表明，聚能战斗部对机场跑道的开孔性能是实现随进战斗部随进和作战效能的关键，这要求聚能战斗部对机场跑道的侵彻不仅要有较好的穿深，而且要保证较大孔径的穿孔，即做到孔径和穿深合理匹配，以利于随进战斗部的顺利随进。

5.3 未来研究展望

尽管本研究对机场跑道混凝土靶板的贯穿特性进行了较为系统的研究，但仍有一些方向需要进一步探索：

首先，需要开展更广泛参数影响的试验研究，包括不同强度混凝土、不同配筋方式和不同弹体形状的影响，建立更加完善的数据库。

其次，需要发展更加精确的理论模型和数值方法，能够充分考虑混凝土材料的非均匀性、应变率效应和损伤软化特性，以及钢筋-混凝土的相互作用。

最后，需要开展全尺寸试验验证，虽然小尺寸模拟试验成本低、易于实施，但全尺寸试验能够更加真实地反映实际工况，是验证和修正模型不可或缺的环节。

6 结论

本文通过试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，系统研究了机场跑道混凝土靶板的贯穿特性，主要得到以下结论：

（1）混凝土靶板在弹体冲击下的破坏过程可分为三个典型阶段：正面开坑、稳定扩孔和背面震塌。正面开坑主要由压缩和剪切破坏引起，背面震塌则主要由拉伸破坏导致。

（2）弹体着靶速度对侵彻深度有显著影响，但这种影响不是线性的。在中等速度范围内（400-600m/s），侵彻深度随速度增长最快；而在低速（<400m/s）和高速（>600m/s）情况下，增长趋势均趋于平缓。

（3）钢筋的加入显著提高了混凝土靶板的抗侵彻能力。钢筋通过两种机制发挥作用：一是通过对混凝土的整体约束提供间接侵彻阻力；二是通过与弹体的直接碰撞提供直接侵彻阻力。首层钢筋网埋深越浅，对自由面效应的削弱作用越明显。

（4）基于试验结果建立的数值模型能够较好地模拟弹体贯穿混凝土靶板的过程，两者在侵彻深度、开坑形状和破坏模式等方面吻合较好。参数敏感性分析表明，侵彻深度对混凝土强度最为敏感，其次是弹体着速和冲击角度。

（5）研究成果对机场跑道的防护设计和反跑道弹药的优化设计均有重要指导意义，可为相关工程应用提供理论依据和技术参考。

本研究加深了对机场跑道混凝土靶板贯穿机理的理解，为相关防护设计和武器研制提供了科学基础。未来研究需要进一步考虑更复杂的工况条件，如斜侵彻、多次打击和动态加载等，以更好地满足实际工程需求。

综上所述，本文总结了机场跑道混凝土靶板贯穿的试验的内容和方法，并对其中比较关键的流程进行了探讨，提出了一些比较有效的建议，希望可以为今后的相关工作提供参考。

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