Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

tr - Thời gian phần mũi lõi xuyên xuyên qua bản thép s cp - Vận tốc âm thanh truyền trong vật liệu vật cản m/s ρ - Mật độ vật liệu kg/m3 px - Áp suất trên bề mặt bản thép tại vị trí t

NGUYỄN ĐÌNH HÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ THIẾT KẾ LÕI XUYÊN ĐẾN KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP

CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2024

NGUYỄN ĐÌNH HÙNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ THIẾT KẾ LÕI XUYÊN ĐẾN KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP

CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG

Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9.52.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 TS Bùi Ngọc Hưng

2 TS Đặng Hồng Triển

HÀ NỘI - 2024

HÀ NỘI, 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

Hà Nội, ngày… tháng năm 2024

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Đình Hùng

Nguyễn Đình Hùng

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Ngọc Hưng và TS Đặng Hồng Triển là giáo viên hướng dẫn, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ NCS trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Viện Tên lửa, Phòng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô là giảng viên của Viện Tên lửa/ Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Bộ môn Đạn/ Khoa Vũ khí/ Học viện Kỹ thuật Quân sự, các nhà khoa học trong và ngoài Quân đội đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức và có những ý kiến đóng góp quý báu giúp tôi thực hiện và hoàn thành Luận án

NCS xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Chỉ huy Viện Vũ khí, phòng Đạn và Trung tâm ĐLTNVK/ Viện Vũ khí đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án

Cuối cùng, NCS xin được chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã khích lệ tinh thần, tạo điều kiện để NCS hoàn thành luận án

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Đình Hùng

1.3.1 Tấm giáp bảo vệ cá nhân 15

1.3.2 Bản thép là vỏ của các loại xe quân sự 16

1.3.3 Điều kiện va chạm 16

1.4 Quá trình va chạm tốc độ cao giữa lõi xuyên và bản thép 17

1.5 Các dạng phá hủy của bản thép 19

1.6 Phương pháp đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn 20

1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 22

1.7.1 Trên thế giới 23

1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 31

1.8 Một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 33

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VA CHẠM TỐC ĐỘ CAO GIỮA ĐẦU ĐẠN VÀ BẢN THÉP ĐỒNG NHẤT 37

2.1 Bài toán va chạm giữa đầu đạn và bản thép đồng nhất 37

2.2 Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động và trạng thái vật liệu của đầu đạn và bản thép 39

2.2.1 Phương trình bảo toàn khối lượng 39

2.2.2 Phương trình bảo toàn động lượng 40

2.2.3 Phương trình bảo toàn năng lượng 40

2.2.4 Các phương trình liên hệ 40

2.2.5 Phương trình mô tả tính chất vật liệu 40

2.2.6 Các phương trình động học, liên hệ giữa các thông số dịch chuyển, vận tốc, gia tốc, biến dạng và tốc độ biến dạng 41

2.2.7 Các điều kiện đầu và điều kiện biên 46

2.3 Giải bài toán va chạm bằng phương pháp mô phỏng 48

2.3.1 Lựa chọn phương pháp giải 48

2.3.2 Xác định mô hình vật liệu 53

2.3.3 Giải bài toán mẫu với đầu đạn xuyên thép 7,62x51 mm 60

2.3.4 Thực nghiệm đánh giá mô hình tính toán bằng phương pháp mô phỏng 66

Kết luận chương 2 69

CHƯƠNG 3:NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ THIẾT KẾ LÕI XUYÊN ĐẾN KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG 70

3.1 Lựa chọn các tham số thiết kế lõi xuyên cho nghiên cứu ảnh hưởng đến khả năng xuyên thép của đầu đạn 70

3.2 Ảnh hưởng của chiều dài phần mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG 101

4.1 Đối tượng và các thiết bị thử nghiệm 102

4.1.1 Đạn dùng cho thử nghiệm 102

4.1.2 Các thiết bị dùng cho thử nghiệm 104

4.2 Nội dung thử nghiệm 113

4.2.1 Điều kiện môi trường thực nghiệm 113

4.2.2 Bắn kiểm tra chất lượng đạn thử nghiệm của luận án 114

4.2.3 Bắn kiểm tra khả năng xuyên thép các mẫu đầu đạn của luận án 117

4.3 Đánh giá kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm 121

4.3.1 Đánh giá kết quả ảnh hưởng của chiều dài phần mũi lõi xuyên 121

4.3.2 Đánh giá kết quả ảnh hưởng của khối lượng lõi xuyên 122

4.3.3 Đánh giá kết quả ảnh hưởng độ cứng lõi xuyên 124

4.3.4 Đánh giá kết quả ảnh hưởng tỉ số l/d của lõi xuyên 127

Kết luận chương 4 128

KẾT LUẬN 130

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

vc - Vận tốc va chạm (m/s)

vп - Vận tốc ngưỡng tùy thuộc vào tính chất vật liệu (m/s)

vr - vận tốc còn lại của lõi xuyên (m/s)

md - Khối lượng đầu đạn (g)

mlx Khối lượng lõi xuyên (g)

q - Trọng lượng đầu đạn (kG)

S- Tiết diện cắt ngang của đầu đạn (m2)

l - Chiều dài lõi xuyên (mm)

d - Đường kính lõi xuyên (mm)

hm - Chiều dài phần mũi lõi xuyên (mm)

hc - Độ cứng của lõi xuyên (HRC)

K - Hệ số đặc trưng cho độ bền của vật cản

G - Mô đun cắt (MPa)

0,2 - Giới hạn chảy của vật liệu (MPa)

x - Độ xuyên sâu tức thời của đầu đạn vào bản thép

g - Gia tốc trọng trường (m/s2)

,  - hệ số đặc trưng cho các tính chất tĩnh và động của môi trường

A, B, C - Các hệ số phụ thuộc vào tính chất môi trường và hình dạng

vật va đập

H - Đặc tính độ bền của vật liệu vật cản trong CT Giacốp-Đơ-ma

 - Hệ số hình dạng đầu đạn

tr - Thời gian phần mũi lõi xuyên xuyên qua bản thép (s)

cp - Vận tốc âm thanh truyền trong vật liệu vật cản (m/s)

ρ - Mật độ vật liệu (kg/m3)

px - Áp suất trên bề mặt bản thép tại vị trí tiếp xúc khi đầu đạn va chạm với bản thép (MPa)

En - Năng lượng riêng của đầu đạn (J/m2) TCQS: Tiêu chuẩn quân sự

TCCNQP: Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng

ГОСТ: Tiêu chuẩn Liên bang Nga (Государственный Стандарт)

Bảng 2.7 Tham số vật liệu các chi tiết đầu đạn và bản thép 59

Bảng 2.8 Các tham số thiết kế khảo sát của các mẫu lõi xuyên 61

Bảng 2.9 Kết quả tính toán vr và tr khi thay đổi tham số hm 62

Bảng 2.10 Chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn vào bản thép CT-3 đồng nhất khi thay đổi chiều dài phần mũi lõi xuyên 64

Bảng 2.11 Giá trị hệ số Ktt phụ thuộc vào hm của lõi xuyên 66

Bảng 2.12 Kết quả thử nghiệm 67

Bảng 3.1 Kết quả xuyên thép của các mẫu đầu đạn 73

Bảng 3.2 Chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn khi thay đổi chiều dài phần mũi lõi xuyên 76

Bảng 3.3 Giá trị hệ số Ktt khi thay đổi chiều dài phần mũi lõi xuyên của đầu đạn 78

Bảng 3.4 Khối lượng lõi xuyên và vận tốc va chạm của các mẫu đầu đạn 79

Bảng 3.5 Kết quả xuyên thép của đầu đạn khi thay đổi mlx 81

Bảng 3.6 Chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn khi thay đổi mlx 82

Bảng 3.7 Hệ số Ktt khi thay đổi khối lượng lõi xuyên 84 Trang

Bảng 3.8 Tham số A, B của vật liệu lõi xuyên theo độ cứng hc (HRC) 86

Bảng 3.9 Kết quả tính toán vận tốc vr và thời gian tr của các mẫu đầu đạn 88

Bảng 3.10 Chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn khi thay đổi độ cứng lõi xuyên 89

Bảng 3.11 Hệ số Ktt khi độ cứng lõi xuyên thay đổi 91

Bảng 3.12 Thông số l/d của lõi xuyên với các mẫu đầu đạn khảo sát 93

Bảng 3.13 Kết quả tính toán mô phỏng xác định vận tốc vr của lõi xuyên 94

Bảng 3.14 Chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn khi thay đổi tỉ số l/d của lõi xuyên 95

Bảng 3.15 Hệ số Ktt khi tỉ số l/d của lõi xuyên thay đổi 97

Bảng 4.1 Các tham số thiết kế lõi xuyên của đầu đạn 7,62x39 mm hai cấu tử 104

Bảng 4.2 Kết quả định lượng thuốc phóng đầu đạn nặng 115

Bảng 4.3 Kết quả vận tốc va chạm (vc) của đầu đạn chuẩn và đầu đạn mũi ngắn 116

Bảng 4.4 Kết quả vận tốc va chạm (vc) của đầu đạn nặng 116

Bảng 4.5 Kết quả xuyên thép của đầu đạn chuẩn 118

Bảng 4.6 Kết quả xuyên thép của đầu đạn mũi ngắn 119

Bảng 4.7 Kết quả xuyên thép với đầu đạn nặng 120

Bảng 4.8 So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm với giá trị hm

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát trạng thái của đầu đạn và bản thép tại thời điểm

va chạm 6

Hình 1.2 Các trạng thái vật va đập va chạm với vật cản 7

Hình 1.3 Ảnh hưởng của chiều dày vật cản đến áp suất xuất hiện 8

Hình 1.4 Một số loại đạn xuyên lõm và quá trình hình thành dòng xuyên 10

Hình 1.5 Một số loại đầu đạn xuyên động năng 11

Hình 1.6 Đầu đạn xuyên động năng ba cấu tử và hai cấu tử 12

Hình 1.7 Tấm giáp chống đạn 15

Hình 1.8 Các giai đoạn va xuyên tốc độ cao giữa lõi xuyên và bản thép 17

Hình 1.9 Lõi xuyên xuyên tấm thép có độ giòn cao 19

Hình 1.10 Lõi xuyên xuyên vào bản thép có độ dẻo cao 19

Hình 1.11 Lõi xuyên xuyên vào bản thép mỏng có độ dẻo cao 20

Hình 1.12 Mô phỏng xác định chiều sâu xuyên tới hạn 21

Hình 1.13 Các giai đoạn va xuyên của lõi xuyên hình cầu vào mục tiêu bán vô hạn 23

Hình 2.1 Mô hình hình học đối với đầu đạn hai cấu tử 38

Hình 2.2 Mô hình hình học đối với đầu đạn ba cấu tử 38

Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu va chạm xuyên tại thời điểm va chạm 39

Hình 2.4 Mô hình xác định điều kiện đầu của bài toán va chạm xuyên 46

Hình 2.5 Mô hình xác định điều kiện biên của bài toán va chạm xuyên 47

Hình 2.6 Sơ đồ phương pháp giải bài toán nghiên cứu ảnh hưởng các tham số 53

Hình 2.7 Đầu đạn xuyên thép 7,62x39 mm hai cấu tử 53

Hình 2.8 Đầu đạn xuyên thép 7,62x51 mm ba cấu tử (a) và đầu đạn xuyên thép 7,62x39 mm hai cấu tử (b) 54

Trang

Hình 2.9 Lõi xuyên của đầu đạn 7,62x39 mm hai cấu tử 54

Hình 2.10 Vỏ đầu đạn 7,62x39 mm hai cấu tử 55

Hình 2.11 Mô hình phần tử hữu hạn với kết cấu đối xứng 60

Hình 2.12 Mô hình phần tử hữu hạn đối với lõi xuyên của đầu đạn 7,62x51 mm 62

Hình 2.13 Kết quả xuyên thép của các phương án thiết kế lõi xuyên 62

Hình 2.14 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên chuyển động trong môi trường bản thép 63

Hình 2.15 Đồ thị mối quan hệ giữa vr và hm 63

Hình 2.16 Đồ thị mối quan hệ giữa δth và hm 64

Hình 2.17 Hai phương án lõi xuyên cho thử nghiệm 66

Hình 3.3 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có hm = 9,32 mm) 74

Hình 3.4 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có hm = 12,43 mm) 75

Hình 3.5 Đồ thị mối quan hệ giữa vr và hm 75

Hình 3.6 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn phụ thuộc chiều dài phần mũi lõi xuyên 77

Hình 3.7 Hình ảnh mô phỏng đầu đạn có khối lượng lõi xuyên mlx = 7,9 g xuyên qua bản thép CT-3 đồng nhất có chiều dày 12 mm 80

Hình 3.8 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có mlx =9,0 g) chuyển động trong môi trường bản thép 80 Hình 3.9 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có mlx =7,90 g) chuyển

động trong môi trường bản thép 81

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa vr và khối lượng mlx của lõi xuyên 82

Hình 3.11 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều sâu xuyên thép tới hạn 83

Hình 3.12 Hình ảnh đầu đạn với lõi xuyên có độ cứng 20 HRC tại thời điểm vận tốc lõi xuyên bằng 0 m/s, lõi xuyên không xuyên qua bị giữ lại trong bản thép 87

Hình 3.13 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có độ cứng 20HRC) 87

Hình 3.14 Hình ảnh đầu đạn với lõi xuyên có độ cứng 43 HRC và 56 HRC 87

Hình 3.15 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có độ cứng 56HRC) 88

Hình 3.16 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có độ cứng 43HRC) 88

Hình 3.17 Mối quan hệ giữa vr và độ cứng hc của lõi xuyên 89

Hình 3.18 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều sâu xuyên thép tới hạn phụ thuộc vào độ cứng lõi xuyên 90

Hình 3.19 Hình ảnh mô phỏng lõi xuyên xuyên qua bản thép 93

Hình 3.20 Đồ thị suy giảm vận tốc của lõi xuyên (có l/d = 4,48) 94

Hình 3.21 Đồ thị mối quan hệ giữa vr và tỉ số l/d của lõi xuyên 94

Hình 3.22 Đồ thị mối quan hệ giữa chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn phụ thuộc vào tỉ số l/d của lõi xuyên 95

Hình 4.1 Các mẫu đầu đạn chế tạo cho thử nghiệm 102

Hình 4.2 Kích thước chính các mẫu đầu đạn chế tạo cho thử nghiệm 103

Hình 4.3 Sơ đồ cơ bản bố trí đo vận tốc của đầu đạn 107

Hình 4.4 Sơ đồ đo vận tốc của đầu đạn 108

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý đo vận tốc đầu đạn bằng camera tốc độ cao 110

Hình 4.6 Sơ đồ hiệu chỉnh sai lệch vị trí đầu đạn với thước chuẩn 110

Hình 4.7 Thiết bị thử nghiệm 111

Hình 4.8 Thiết bị radar DRS-1 111

Hình 4.9 Camera tốc độ cao v711 112

Hình 4.10 Bản thép lắp đặt trên giá thử chuyên dụng 113

Hình 4.11 Đo lường thử nghiệm đầu đạn xuyên thép bằng camera tốc độ cao 114

Hình 4.12 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 117

Hình 4.13 Đồ thị so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm 121

Hình 4.14 Đồ thị so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm 122

Hình 4.15 Mặt trước và sau của bia thép sau thử nghiệm bắn 123

Hình 4.16 Đầu đạn có lõi xuyên nhiệt luyện theo 3 phương án 124

Hình 4.17 Đồ thị so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm 124

Hình 4.18 Lõi xuyên có độ cứng 20HRC không xuyên qua bản thép 125

Hình 4.19 Lõi xuyên thu được sau khi xuyên bản thép 125

Hình 4.20 Lỗ xuyên trên mặt bản thép ở mặt trước (a) và mặt sau (b) 126

Hình 4.21 Kết quả bắn mục tiêu bản thép dày 18 mm của đạn xuyên thép 7,62x39 mm (3 cấu tử) 127

Trong chiến tranh hiện đại, nhằm tăng khả năng sống sót trên chiến trường, người lính được trang bị áo giáp chống đạn, các trang thiết bị quân sự (xe tăng, xe thiết giáp, xe chỉ huy điều khiển hỏa lực…) được bảo vệ bằng lớp thép dày, giáp phản ứng nổ Gần đây, để giảm nhẹ, tăng tính cơ động trên chiến trường (nhằm hạn chế nguy cơ bị tiêu diệt của các vũ khí công nghệ cao) vật liệu vỏ xe tăng được làm bằng các loại tấm bảo vệ phức hợp đa nguyên tố cùng với hệ thống phòng thủ chủ động thông minh, hệ thống đối kháng quang điện tử… Với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học Công nghệ, đặc biệt là công nghệ vật liệu, công nghệ thông tin,… các trang thiết bị bảo vệ liên tục được hoàn thiện và phát triển nhằm tăng tính cơ động, uy lực đối với xe tăng, xe bọc thép, xe chỉ huy điều khiển hỏa lực,… làm giảm tổn thất về sinh mạng của người lính trên chiến trường

Để đối phó với xu hướng phát triển của các loại xe tăng và các loại áo giáp hiện đại đòi hỏi các nhà khoa học ngành đạn cần tiếp tục nghiên cứu thiết kế, chế tạo ra các loại đạn mới có khả năng xuyên lớn và chống lại được các trang thiết bị và hệ thống phòng thủ ngày càng hiện đại và thông minh

Theo nguyên lý hoạt động, đạn xuyên thép được chia thành hai loại: đạn xuyên lõm và đạn xuyên động năng Đạn xuyên lõm sử dụng hiệu ứng nổ lõm, nén ép phễu lót tạo thành dòng kim loại lỏng đâm xuyên bản thép Đạn xuyên động năng là loại đạn sử dụng động năng cao của đầu đạn có lõi xuyên được chế tạo từ các loại vật liệu đặc biệt đâm xuyên bản thép Hai loại đạn trên đều có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên đạn xuyên động năng thường nằm trong bộ đạn của súng pháo, có khả năng giải quyết các tình huống có độ bất ngờ cao, được phát triển từ cỡ nhỏ đối với súng bộ binh cho đến các loại đạn pháo cỡ lớn

Lõi xuyên là chi tiết đặc biệt quan trọng của đầu đạn xuyên động năng, quyết định đến khả năng xuyên thép của đầu đạn, các chi tiết khác của đầu đạn chỉ có tác dụng dẫn hướng, ổn định của đầu đạn khi chuyển động trong nòng và

trên đường bay tới mục tiêu Khi xuyên thép, chỉ có lõi xuyên xuyên qua bản thép, các chi tiết khác của đầu đạn bị biến dạng mạnh và bị giữ lại ở mặt trước của bản thép Lõi xuyên thường được chế tạo bằng các vật liệu có đặc tính cơ học tốt như các loại thép có độ bền cao, hợp kim cứng Cacbit Vonfram, Uranium nghèo

Đạn xuyên động năng là loại đạn có uy lực lớn, có khả năng tiêu diệt các mục tiêu được che chắn bởi lớp giáp, các loại xe tăng, xe bọc thép, xe chỉ huy điều khiển hỏa lực hiện đại Chúng có ưu thế vượt trội do có vận tốc lớn, có khả năng xuyên thép cao, dễ dàng tiêu diệt sinh lực địch có trang bị áo giáp, có khả năng vượt qua hệ thống phòng vệ chủ động hiện đại, không bị nhiễu bởi hệ thống chế áp quang điện tử (một trong những loại trang bị hiện đại nhất hiện nay) trên xe tăng mà các loại đạn chống tăng xuyên lõm điều khiển và không điều khiển khó có khả năng vượt qua Ngoài ra, đầu đạn xuyên động năng không có thuốc nổ nên rất an toàn trong thao tác huấn luyện, chiến đấu, vận chuyển và bảo quản cất trữ lâu dài

Các nghiên cứu trong nước hiện nay về đạn xuyên động năng chủ yếu thiết kế theo đạn mẫu của nước ngoài hoặc tìm hiểu về kết cấu của đầu đạn, lõi xuyên qua các tài liệu thu thập được (tuy nhiên trường hợp này rất khó khăn vì chế độ bảo vệ tài liệu mật cao của các quốc gia trên thế giới) Do vậy trong quá trình nghiên cứu, các tác giả cũng đã tính toán, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm nghiên cứu, thực nghiệm kiểm tra độ xuyên sâu của lõi xuyên khi bắn vào mục tiêu bản thép CT-3 để thử nghiệm đánh giá

Do đó, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số

thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng” là

một nhiệm vụ mang tính cấp thiết, nhằm đưa ra những lý luận khoa học, phương pháp tính toán lý thuyết ảnh hưởng của một số tham số thiết kế của chi tiết quan trọng và quyết định đến khả năng xuyên thép là lõi xuyên, phục vụ trực tiếp cho nhiệm vụ thiết kế chế tạo đầu đạn xuyên động năng hiện nay Từ cơ sở khoa học

này, cho phép tiếp tục nghiên cứu tính toán, phát triển các loại đạn xuyên động năng mới ở nước ta

2 Mục tiêu của luận án

Thiết lập cơ sở khoa học cho việc tính toán định hướng lựa chọn các tham số thiết kế lõi xuyên của đầu đạn xuyên động năng

3 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Đầu đạn xuyên động năng hiện đang có nhu cầu

thiết kế, chế tạo trong nước, trang bị cho các lực lượng vũ trang

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng vào mục tiêu là bản thép đồng nhất, cho phép tính và phân tích ảnh hưởng của các tham số thiết kế lõi xuyên đến chiều sâu xuyên thép

+ Nghiên cứu tính toán và thực nghiệm cụ thể được tiến hành với đạn xuyên thép 7,62x39 mm (hai cấu tử và ba cấu tử) và đạn xuyên thép 7,62x51mm (ba cấu tử)

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về va chạm tốc độ cao giữa vật va đập với vật cản, trong đó va chạm tốc độ cao giữa đầu đạn xuyên động năng với bản thép đồng nhất là một trường hợp điển hình

- Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu xuyên phản ánh đầy đủ quá trình va chạm giữa lõi xuyên với mục tiêu là bản thép đồng nhất, cho phép phân tích ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

- Tính toán một cách định lượng ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn, làm cơ sở cho việc lựa chọn kết cấu và các tham số thiết kế phù hợp cho đầu đạn

- Thiết kế chế tạo đạn, thiết bị thử nghiệm và tổ chức các cuộc thử nghiệm đánh giá tính sát thực của mô hình tính toán đã xây dựng

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

+ Trên cơ sở quá trình va chạm tốc độ cao giữa lõi xuyên và bản thép đồng nhất, ứng dụng lý thuyết cơ học môi trường liên tục, lý thuyết đàn hồi, biến dạng dẻo, thiết lập hệ phương trình tính toán chiều sâu xuyên của lõi xuyên vào bản thép đồng nhất

+ Ứng dụng phương pháp số, các phần mềm mô phỏng và một số công thức thực nghiệm để tính toán xác định chiều sâu xuyên của lõi xuyên vào bản thép đồng nhất Tính toán mô phỏng cho một số loại đầu đạn cụ thể, so sánh với kết quả thực nghiệm để khẳng định phương pháp tính toán đã xây dựng là hợp lý;

+ Sử dụng phương pháp tính toán trên (kết hợp với thử nghiệm) để xác định mức độ ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

- Nghiên cứu thực nghiệm

Bắn đo tốc độ va chạm của đầu đạn và vận tốc còn lại của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép đồng nhất (thép CT3) có chiều dày cố định, đồng thời sử dụng công thức thực nghiệm để tính toán xác định chiều sâu xuyên lớn nhất của lõi xuyên, so sánh với kết quả tính toán mô phỏng bằng phương pháp đề xuất của luận án

6 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án

- Ý nghĩa khoa học của luận án

+ Đã xây dựng được một số cơ sở khoa học về lý thuyết, đề xuất được giải pháp sử dụng phần mềm Ansys mô phỏng kết hợp với một số công thức thực nghiệm để tính toán xác định khả năng xuyên thép của đầu đạn Cho phép phân tích và lựa chọn các tham số thiết kế lõi xuyên hợp lý của đầu đạn xuyên động năng;

+ Đã đề xuất được phương pháp thực nghiệm đo tốc độ va chạm của đầu đạn và vận tốc còn lại của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép đồng nhất, đồng thời sử dụng công thức thực nghiệm để tính toán chiều sâu xuyên lớn nhất mà

lõi xuyên có thể xuyên vào bản thép đồng nhất - Ý nghĩa thực tiễn của luận án

+ Bước đầu cung cấp cơ sở lý luận giúp các nhà thiết kế trong nước định hướng công tác thiết kế đạn xuyên động năng đảm bảo đạt chiều sâu xuyên đề ra;

+ Các kết quả nghiên cứu và số liệu thu được của luận án có thể làm tài liệu tham khảo phục vụ công tác đào tạo, huấn luyện

7 Bố cục của luận án

Ngoài các phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố, các tài liệu tham khảo, Luận án được bố cục thành 4 chương chính như sau:

- Chương 1: Tổng quan về đạn xuyên động năng

- Chương 2: Xây dựng mô hình tính toán va chạm tốc độ cao giữa đầu

đạn và bản thép đồng nhất

- Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên

đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

- Chương 4: Thực nghiệm xác định khả năng xuyên thép của đầu đạn

xuyên động năng

Chương 1

1.1 Tổng quan về va chạm tốc độ cao

Va chạm tốc độ cao là hiện tượng vật lý phổ biến trong tự nhiên giữa hai vật thể có chuyển động tương đối ngược chiều nhau Chúng ta có thể dễ dàng quan sát hiện tượng va chạm tốc độ cao này qua các hiện tượng trong tự nhiên như mảnh văng của máy mài, mảnh văng của các vụ nổ đầu đạn, các vụ tai nạn của máy bay khi va vào các vật thể, đặc biệt là hiện tượng va chạm của vật va đập là đầu đạn xuyên qua vật cản là bản thép đồng nhất - đây là một trong những trường hợp điển hình của va chạm tốc độ cao (hình 1.1)

Quá trình va chạm tốc độ cao có các hiện tượng vật lý rất đa dạng và phức tạp Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu quá trình va chạm tốc độ cao để nâng cao hoặc hạn chế khả năng xuyên phá của

trong đó: δ, ρs, hs – chiều dày, mật độ, độ cứng của bản thép; mlx, ρlx, hc – khối lượng, mật độ, độ cứng của lõi xuyên; d, l – đường kính lớn nhất, chiều dài của lõi xuyên;

vc, ωc, θc – vận tốc dài, vận tốc quay và góc chạm của đầu đạn

Va chạm tốc độ cao giữa vật va đập và vật cản là một hiện tượng vật lý rất phức tạp do vật va đập có hình dạng và kích thước bất kỳ, chuyển động tương đối với vật cản ở tốc độ cao (cả vận tốc dài và vận tốc góc)

Bản chất vật lý của va chạm tốc độ cao là vật va đập sử dụng động năng của bản thân va chạm với vật cản Phụ thuộc vào từng điều kiện va chạm cụ thể, đặc điểm tính chất của vật va đập và vật cản, vật va đập có thể bị bật ngược trở lại (va chạm không xuyên), xuyên qua hoặc xuyên sâu và bị giữ lại trong môi trường của vật cản (va chạm xuyên) [47] (hình 1.2)

Hình 1.2 Các trạng thái vật va đập va chạm với vật cản

Trong thực tế, vật cản có tính chất cơ, lý, hóa không đồng nhất và không đồng đều ở các vị trí Do vậy, để đơn giản hóa và để đảm bảo khả năng tính toán được, trong các bài toán va chạm tốc độ cao, người ta thường giả thiết rằng môi trường vật cản là đồng nhất và đồng đều ở mọi vị trí

Vật va đập

Vật cản

Để thiết lập mô hình tính toán giải bài toán va chạm xuyên tốc độ cao (vật

va đập va chạm với vật cản) cần phải tính đến bề dày (δ) của vật cản do bề mặt

sau của vật cản trong quá trình va chạm ảnh hưởng nhiều tới khả năng va chạm xuyên của vật va đập Theo Ju-kas và các cộng sự [47], bề dày vật cản được chia thành 04 kiểu (mỏng, trung bình, dày và bán vô hạn) tùy theo đặc tính của quá trình va chạm giữa hai vật Cùng một vật va đập, có cùng động năng và điều kiện va chạm, khả năng xuyên vào các kiểu vật cản có sự khác biệt Đối với vật cản mỏng hoặc có bề dày nhỏ, ứng suất biến dạng của vật liệu trong vật cản ít bị ảnh hưởng bởi chiều dày Khi chiều dày vật cản tăng dần, ảnh hưởng của bề mặt sau vật cản tới quá trình va chạm xuyên sâu vào môi trường vật cản của vật va đập tăng lên Tuy nhiên, khi bề dày vật cản đủ lớn, ảnh hưởng của bề mặt sau của vật cản đến quá trình xuyên của vật va đập là không còn

Áp suất lớn nhất trên bề mặt vật cản pm tại vị trí tiếp xúc với vật va đập trong quá trình va chạm xuyên được [47] biểu diễn bằng đồ thị Hình 1.3

Hình 1.3 Ảnh hưởng của chiều dày vật cản đến áp suất xuất hiện trên bề mặt vật cản tại vị trí tiếp xúc với vật va đập

Tốc độ va chạm là một yếu tố quan trọng trong bài toán va chạm vào vật cản của vật va đập Theo V N Ap-tu-kôv [42], ở mỗi vùng tốc độ va chạm khác nhau sẽ có các hiện tượng vật lý đặc trưng riêng xảy ra khi va chạm

Khi vận tốc va chạm nhỏ (vc < 100 m/s), các lực quán tính nhỏ hơn nhiều so với lực cần thiết để phá hủy độ bền của vật liệu vật cản Do vậy, tải trọng va chạm và biến dạng được xác định bằng lý thuyết va đập H Hertz [50] với độ chính xác khá cao, đôi khi còn sử dụng lý thuyết đàn hồi để giải

Khi vận tốc va chạm ở mức độ trung bình (vc =100 m/s ÷ 1 000 m/s), các lực quán tính có độ lớn tương đương với các lực cản của vật liệu vật cản trong quá trình va chạm xuyên của vật va đập Đây là khoảng vận tốc va chạm xuất hiện các quá trình lý hóa diễn ra phức tạp nhất Trong khi va chạm xuyên vào vật cản, vật liệu của vật cản thường được coi như đàn hồi dẻo, thể hiện nhiều dạng biến dạng và phá hủy

Khi vận tốc va chạm ở mức cao (vc = 1 000 m/s ÷ vng, vng = 5 000 m/s ÷

10000 m/s ) và siêu cao (vc ≥ vng), áp suất vùng tiếp giáp giữa vật va đập và vật cản lớn hơn rất nhiều so với đặc tính bền của vật liệu của chúng, vùng vật liệu giữa vật va đập và vật cản như chất lỏng, đặc biệt khi ở tốc độ siêu cao còn có thể xẩy ra hiện tượng bốc hơi của vật liệu

1.2 Tổng quan về đạn xuyên

Đối với đạn xuyên, theo nguyên lý tác dụng xuyên được chia thành hai loại: đạn xuyên động năng và đạn xuyên lõm

1.2.1 Đạn xuyên lõm

Đây là loại đạn xuyên sử dụng hiệu ứng nổ lõm để xuyên phá bản thép Dưới tác dụng của sóng nổ gây nén ép, làm nóng chảy phễu lót, hình thành dòng xuyên chuyển động với tốc độ cao, bắn phá tạo ra lỗ xuyên sâu vào bề mặt bản thép Hiện nay, nhiều nước phát triển loại đạn này theo kết cấu tandem (đầu nổ kép), đầu nổ lõm phụ phá lớp giáp phản ứng nổ, đầu nổ lõm chính xuyên phá

bản thép Khả năng xuyên thép của loại đạn này đạt từ 5÷7 lần cỡ đạn sau khi đầu nổ lõm phụ phá giáp phản ứng nổ

Ưu điểm nổi bật của loại đạn này là khả năng xuyên thép không phụ thuộc vào tốc độ va chạm của đầu đạn Do đó, đạn xuyên lõm cho phép thiết kế liều phóng tạo áp suất khí thuốc trong buồng đốt và lòng nòng súng thấp để bắn trên các loại vũ khí vác vai không giật, xạ thủ có thể vác vai bắn trực tiếp (súng chống tăng B41, các loại súng ĐKZ, SPG-9, tên lửa vác vai,…), công nghệ chế tạo súng và ống phóng đơn giản [2], [36]

Hình 1.4 Một số loại đạn xuyên lõm và quá trình hình thành dòng xuyên 1 Ngòi nổ 2 Ốc đầu 3 Phễu bảo hiểm 4 Tấm thép 5 Thân 6 Thuốc nổ

7 Phễu lót 8 Ống truyền nổ 9 Đai dẫn 10 Kíp nổ 11 Ống vạch đường Nhược điểm: Công nghệ chế tạo đạn phức tạp, nhiều chi tiết, cụm chi tiết, đòi hỏi công nghệ cao trong gia công, lắp ráp chính xác (ngòi nổ, phễu lót, tấm chắn sóng, nén ép thuốc nổ, tiêu cự nổ,…); độ xuyên sâu phụ thuộc vào cỡ đạn, loại thuốc nổ, mật độ nhồi, công nghệ nén ép thuốc nổ phức tạp, có nguy cơ

Đầu nổ lõm phụ Đầu nổ lõm chính

mất an toàn cao Hệ thống điều khiển chế tạo với công nghệ tinh vi phức tạp (đối với tên lửa); hiệu quả đối với lớp bảo vệ có giáp phản ứng nổ thấp, đầu đạn cần phải có kết cấu tandem Ngoài ra loại đạn này có sơ tốc thấp nên khó vượt qua được hệ thống phòng vệ chủ động, đối kháng quang điện tử của xe tăng, xe thiết giáp, xe chỉ huy điều khiển hỏa lực hiện đại ngày nay

1.2.2 Đạn xuyên động năng

Đạn xuyên động năng là loại đạn sử dụng động năng của bản thân đầu đạn để xuyên phá bản thép Đầu đạn được bắn đi từ súng pháo chịu được áp suất khí thuốc cao, sinh ra động năng đầu đạn lớn do sản phẩm cháy của liều phóng trong nòng Đầu đạn chuyển động trong không khí đến khi va chạm vào bề mặt bản

thép có vận tốc giảm từ giá trị vận tốc đầu nòng (v0) đến vận tốc va chạm (vc) do ma sát với không khí

Hình 1.5 Một số loại đầu đạn xuyên động năng a Dạng thân thắt b Dạng lưu tuyến c Dạng thoát vỏ

1 Chóp gió 2 Thân đạn 3 Lõi xuyên 4 Ống vạch đường 5 Mũ đầu lõi xuyên 6 Ốp che 7 Thân phần chiến đấu 8 Đai dẫn

9 Khoang trống 10 Màng xenlulô 11 Vít

Đạn xuyên động năng có những ưu điểm lớn như kết cấu không quá phức tạp, số lượng chi tiết không nhiều, phần tử quan trọng quyết định đến khả năng xuyên thép của đầu đạn là lõi xuyên, đầu đạn không chứa thuốc nổ nên đảm bảo

an toàn trong sử dụng, bảo quản và vận chuyển, không phải xì tháo thuốc nổ và thay thuốc nổ xuống cấp theo thời gian như các loại đầu đạn khác Theo cỡ lõi xuyên được chia thành: đạn xuyên động năng bằng cỡ và đạn xuyên động năng dưới cỡ Đạn xuyên động năng bằng cỡ là loại đạn có cỡ lõi xuyên bằng với cỡ nòng súng Đạn xuyên động năng dưới cỡ là đạn có cỡ lõi xuyên nhỏ hơn cỡ nòng súng, đạn thường có các kết cấu vỏ bọc bên ngoài lõi xuyên hoặc cơ cấu đai định tâm và đai dẫn nhằm đảm bảo chuyển động ổn định của đạn trong nòng súng pháo [8], [36]

Đối với đạn xuyên thép bắn trên các loại súng bộ binh, theo kết cấu được chia thành đạn hai cấu tử và đạn ba cấu tử (Hình 1.6) Đạn hai cấu tử bao gồm lõi xuyên và vỏ đầu đạn bằng vật liệu dẻo, có tác dụng cắt vào rãnh xoắn nòng súng tạo chuyển động quay của đầu đạn để đảm bảo ổn định trên đường bay Đối với đạn ba cấu tử, giữa vỏ đầu đạn và lõi xuyên có lớp áo dẻo bằng chì làm cho quá trình cắt đai dễ dàng hơn, tăng tuổi thọ của nòng súng

Vật liệu chế tạo lõi xuyên là những loại vật liệu có độ bền cao, có đặc tính cơ học tốt, có chế độ nhiệt luyện phù hợp Lõi xuyên của đầu đạn xuyên thép thường được chế tạo từ các loại thép như Y8A, Y9A, Y10A, Y12A, các vật liệu hợp kim gốm trên cơ sở Cacbit Vonfram như BK-8, BK-15 hoặc uranium nghèo Thứ tự vật liệu kể trên tương ứng với công nghệ chế tạo lõi xuyên phức tạp hơn và khả năng xuyên thép của lõi xuyên tốt hơn [13], [8], [3]

Hình 1.6 Đầu đạn xuyên động năng ba cấu tử và hai cấu tử 1- Lõi xuyên 2- Vỏ đạn 3- Áo chì

Khi chạm mục tiêu, năng lượng va chạm của đầu đạn có thể xác định theo

trong đó: Jd – mô men quán tính của đầu đạn

Do quá trình va chạm xuyên của lõi xuyên vào bản thép rất phức tạp, để đơn giản trong quá trình tính toán, giả thiết rằng chuyển động quay của đầu đạn có tác động nhỏ đến khả năng xuyên thép của đầu đạn [3], chúng chỉ tạo ra ma sát làm nóng hoặc nóng chảy vật liệu của vận cản, ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu vật cản, chúng đã được tính đến thông qua các hệ số trong các công thức thực nghiệm về lực cản của môi trường vật cản

Từ công thức (1.1) nhận thấy, để tăng động năng của đầu đạn khi va chạm nhằm mục đích tăng khả năng xuyên thép, khối lượng của đầu đạn hoặc vận tốc va chạm bản thép của đầu đạn phải tăng Đặt bài toán thuật phóng vào một hệ súng pháo cụ thể, khi khối lượng đầu đạn không đổi, yêu cầu tăng vận tốc đầu đạn đồng nghĩa với việc phải tăng áp suất trong nòng súng pháo Điều này có thể dẫn tới khả năng mất ổn định và an toàn trong sử dụng súng pháo do không đảm bảo các điều kiện bền (không kể đến khả năng nâng cao chất lượng thuốc phóng trong liều phóng để giảm áp suất khí thuốc trong nòng súng pháo mà vẫn tăng vận tốc

đầu nòng của đầu đạn) Do vậy, khi thay đổi khối lượng của đầu đạn (md), vận tốc

đầu đạn cũng phải thay đổi theo nhưng theo chiều ngược lại để đảm bảo an toàn của hệ súng đạn Việc tính toán phải đặt trong từng trường hợp cụ thể, lựa chọn

tham số vận tốc đầu nòng (v0) và khối lượng (md) của đầu đạn cũng như khối

lượng lõi xuyên (mlx) để đảm bảo khả năng xuyên thép là tối ưu

Khi khối lượng đầu đạn tăng, tải trọng ngang (μs) của đầu đạn sẽ tăng,

dẫn đến làm giảm hệ số thuật phóng (C) và giảm được gia tốc cản (ar) của

không khí Tuy nhiên, khối lượng đầu đạn chỉ có thể tăng ở một khoảng nhất

định vì theo tính toán đối với một loại đạn có cỡ đạn cụ thể, việc tăng khối lượng đầu đạn (khi sử dụng một loại vật liệu lõi xuyên) đồng nghĩa với việc kéo dài đầu đạn Căn cứ vào kết cấu của toàn bộ viên đạn và khả năng ổn định chuyển động trên đường bay của đầu đạn, chiều dài đầu đạn chỉ có thể nằm

trong giới hạn không lớn hơn 5,6d [3], [43]

Do vận tốc của đầu đạn giảm dần từ đầu nòng đến khi va chạm mục tiêu,

trong điều kiện khối lượng của đầu đạn không đổi, việc tăng vận tốc chạm (vc) có thể dùng phương pháp làm giảm đến mức thấp nhất khả năng tổn hao năng lượng của đầu đạn trên đường bay, tức là lựa chọn tính toán, thiết kế phần vỏ để cải thiện hình dạng khí động của đầu đạn

Kích thước và hình dạng phần mũi lõi xuyên rất quan trọng khi đầu đạn xuyên vào bản thép Thông thường, phần mũi lõi xuyên có bán kính nằm trong

khoảng (2÷2,3)d Phần đỉnh mũi lõi xuyên, trong một số thiết kế có hình dạng

chỏm cầu hoặc dạng phẳng, tùy vào mục đích sử dụng để xuyên thép Kích thước và hình dạng của phần mũi lõi xuyên quyết định đến kiểu xuyên vào bản thép như xuyên lách, xuyên đột, xuyên thủng bản thép kèm theo mảnh văng phía sau, [13]

Tỉ số chiều dài trên đường kính lõi xuyên (tỉ số l/d) ảnh hưởng lớn đến

khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng Trong phạm vi nhất định, phụ thuộc vào độ bền kết cấu và đảm bảo khả năng ổn định của đầu đạn chuyển

động trên đường bay, thường lõi xuyên có tỉ số l/d lớn hơn thì khả năng xuyên

bản thép lớn hơn, vì diện tích mặt cắt ngang lõi xuyên càng nhỏ, năng lượng

riêng En của lõi xuyên càng lớn:

và điều này giải thích về sự ảnh hưởng của tỉ số l/d đến khả năng xuyên thép của

đầu đạn xuyên động năng

1.3 Tổng quan về đối tƣợng của đầu đạn xuyên thép và điều kiện va chạm

Đối tượng tác chiến của đạn xuyên thép rất đa dạng, chúng được nghiên cứu từ rất sớm và có rất nhiều các công trình nghiên cứu nhằm thay đổi kết cấu, tính chất vật liệu để làm giảm khả năng xuyên thép của các loại đầu đạn trong đó có đầu đạn xuyên động năng Có hai loại mục tiêu: tấm giáp bảo vệ cá nhân và bản thép là vỏ các loại xe quân sự như xe tăng, xe bọc thép, boong-ke,

1.3.1 Tấm giáp bảo vệ cá nhân

Tấm giáp bảo vệ cá nhân dùng chống các loại đạn súng (cỡ đạn đến 9mm), được trang bị cho bộ binh nhằm giảm thương vong trong chiến đấu Các tấm giáp được thiết kế làm giảm khả năng xuyên của đầu đạn, thường sử dụng các vật liệu có khối lượng riêng nhỏ nhằm tăng tính cơ động của người lính trên chiến trường như kim loại có độ cứng cao, hợp kim nhôm hoặc titan, các loại vật liệu gốm, vật liệu composite, Các loại vật liệu trên thường được sử dụng kết hợp với nhau để chế tạo các tấm giáp, làm tăng hiệu quả chống xuyên thủng Các loại sợi làm cốt composite thường là loại sợi nhẹ, chúng có đặc tính đặc biệt làm phân tán năng lượng của đầu đạn, qua đó làm giảm khả năng xuyên của đầu đạn [5] Các loại giáp chống đạn thường được chế tạo theo tiêu chuẩn cụ thể và thường được các nhà nghiên cứu đạn dược tính toán tương đương với chiều dày bản thép đồng nhất để phục vụ cho thử nghiệm, nghiệm thu các loại đạn xuyên thép

Hình 1.7 Tấm giáp chống đạn

1.3.2 Bản thép là vỏ của các loại xe quân sự

Các loại xe quân sự như xe tăng, xe bọc thép, vỏ xe là các bản thép dùng để che chắn bảo vệ người lính và các khí tài quân sự, đã và đang được phát triển nhằm làm giảm khả năng xuyên của đầu đạn Công nghệ chế tạo các bản thép bảo vệ không ngừng cải tiến, có nhiều dạng khác nhau để cải thiện khả năng phòng thủ như: bản thép đồng nhất và không đồng nhất, bản thép được ghép phức hợp đa nguyên tố, Tuy nhiên trong nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về các loại mục tiêu, đối với các mục tiêu phức hợp như trên, thường được quy đổi tương đương khi so sánh hiệu quả xuyên mục tiêu là bản thép đồng nhất

Khi nghiên cứu khả năng xuyên của đầu đạn vào bản thép đồng nhất, do có sự ảnh hưởng của bề mặt sau bản thép đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên (xem mục 1.1), khi bắn cùng điều kiện, chiều sâu xuyên thép của đầu đạn vào bản thép có xuất hiện biến dạng mặt sau (lồi ở mặt sau bản thép) sẽ lớn hơn chiều sâu xuyên thép của đầu đạn vào bản thép không bị biến dạng mặt sau

1.3.3 Điều kiện va chạm

Điều kiện va chạm giữa đầu đạn và bản thép ảnh hưởng lớn đến kết quả va chạm xuyên vào bản thép của đầu đạn Trường hợp tổng quát, đầu đạn va chạm

vào bản thép với góc chạm θc (là góc hợp bởi phương chuyển động của đầu đạn

và pháp tuyến của mặt bản thép), có các chuyển động bao gồm vận tốc dài (vc) và

vận tốc quay (ωc) (hình 1.1) Khi góc chạm (θc) thay đổi, đầu đạn có khả năng thia lia (va chạm không xuyên) hoặc đầu đạn xuyên vào bản thép (va chạm xuyên) Với mỗi loại đạn xuyên thép cùng với vận tốc va chạm, bằng phương pháp nghiên

cứu thực nghiệm, người ta có thể xác định được góc chạm tới hạn (θth) để đầu đạn không bị thia lia Đối với góc chạm lớn nhưng chưa đến góc tới hạn, khả năng xuyên của đầu đạn cũng bị giảm theo do có nhiều hiện tượng xẩy ra trong quá trình xuyên bản thép như lõi xuyên bị cong, đầu đạn bị xói mòn không đều khi va chạm, chuyển động lúc lắc của đầu đạn trong quá trình xuyên, [39] Tuy nhiên, để loại bỏ các sai số trong quá trình thử nghiệm xuyên thép, thường lựa chọn

hướng bắn vuông góc với bản thép để đánh giá so sánh khả năng xuyên thép của các loại đầu đạn, từ đó đánh giá khả năng xuyên thép của từng loại đầu đạn

1.4 Quá trình va chạm tốc độ cao giữa lõi xuyên và bản thép

Quá trình va chạm tốc độ cao giữa lõi xuyên và mục tiêu nói chung là một quá trình phức tạp với nhiều hiện tượng vật lý xảy ra có tính đặc trưng theo từng giai đoạn khác nhau Nghiên cứu mục tiêu là bản thép, quá trình va chạm của đầu đạn diễn ra theo bốn giai đoạn bao gồm (Hình 1.8) [23], [34], [39]:

- Giai đoạn ban đầu: Đây là giai đoạn diễn ra trong thời gian cực ngắn được xác định từ thời điểm va chạm đến thời điểm lõi xuyên di chuyển quãng đường bằng đường kính của chỏm cầu lõi xuyên Áp suất tại bề mặt tiếp xúc tăng lên đột ngột được tính theo công thức Hugoniot:

trong đó ρ - Mật độ vật liệu bản thép; vc - Vận tốc va chạm; cp - Tốc độ âm thanh trong vật liệu bản thép

Khi đó, các phần tử vật liệu có vận tốc thay đổi đột ngột Đối với lõi xuyên mũi phẳng, thời gian chỉ tính bằng nano giây Đặc trưng hình ảnh của giai đoạn này là ánh sáng chói do vật liệu bị nung nóng, mức độ chảy lỏng của vật liệu phụ thuộc vào tính chất vật liệu của lõi xuyên và bản thép

Hình 1.8 Các giai đoạn va xuyên tốc độ cao giữa lõi xuyên và bản thép

- Giai đoạn thâm nhập ổn định: Trong giai đoạn này, quá trình tác động của lõi xuyên được biểu hiện bằng sự chảy dẻo của vật liệu bản thép trên bề mặt tiếp xúc và sự xói mòn của vật liệu lõi xuyên Thời gian diễn ra của giai đoạn này phụ

thuộc lớn vào tỉ số l/d của lõi xuyên, và vận tốc va chạm ban đầu vc Có thể dễ nhận thấy điều này bởi vì, với các đầu đạn có cùng động năng, động năng riêng (theo công thức 1.2) của lõi xuyên có hình dạng cầu nhỏ hơn so với động năng riêng của

lõi xuyên có tỉ số l/d lớn Trong quá trình thâm nhập ổn định, vận tốc của lõi xuyên

cũng bị suy giảm nhanh chóng khi chuyển động trong môi trường bản thép có lực cản lớn Do vậy đây là giai đoạn quan trọng, có tính chất quyết định đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

- Giai đoạn tạo khe hở: Đây là giai đoạn cuối quá trình chuyển động của lõi xuyên trong môi trường vật liệu bản thép Lúc này, lõi xuyên tiếp tục bị xói mòn và lỗ xuyên hình thành trong bản thép tiếp tục bị mở rộng do có sự giải phóng năng lượng của lõi xuyên Giai đoạn này tiếp diễn cho đến khi áp suất tại mặt tiếp giáp nhỏ hơn độ bền của vật liệu bản thép, sóng xung kích suy yếu thành sóng đàn dẻo tiếp tục di chuyển trong bản thép cho đến khi năng lượng mất đi hoàn toàn

- Giai đoạn phục hồi: các thí nghiệm cho thấy, khi sóng ứng suất bị suy giảm đến mức không còn đủ năng lượng để gây ra biến dạng dẻo cho bản thép, lỗ xuyên trong bản thép xuất hiện hiện tượng phục hồi đàn hồi và phục hồi không đàn hồi, bề mặt miệng lỗ xuyên biến giòn, kết tinh lại của kim loại ở khu vực dưới miệng lỗ xuyên

Từ những phân tích về quá trình xuyên thép của lõi xuyên vào mục tiêu bản thép, nhận thấy trong mỗi giai đoạn xuyên có các đặc trưng vật lý riêng, thể hiện ảnh hưởng của kết cấu, tính chất vật liệu của lõi xuyên và bản thép đến chiều sâu xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

1.5 Các dạng phá hủy của bản thép

Khi đầu đạn va chạm xuyên vào bản thép, tùy thuộc vào kết cấu, tính chất vật liệu của lõi xuyên và bản thép, tốc độ va chạm mà có dạng phá hủy bản thép khác nhau [13], [3], [25], [29]

- Dạng xuyên đột, phá hủy bề mặt sau bản thép: Các lõi xuyên có mũi tù khi va chạm xuyên vào bản thép có độ giòn cao, dạng phá hủy bản thép thường là dạng bị đột hoặc phá hủy bề mặt phía sau của bản thép tạo thành các mảnh vụn nhỏ (Hình 1.9)

Hình 1.9 Lõi xuyên xuyên tấm thép có độ giòn cao

- Dạng giãn dẻo và tạo lỗ xuyên: Các lõi xuyên có mũi nhọn khi va chạm xuyên vào bản thép có độ dẻo cao, sự tập trung ứng suất xuất hiện ở mũi lõi xuyên là lớn nhất, làm biến dạng mạnh vật liệu của bản thép ở vùng này, các vết nứt sẽ bắt đầu xuất hiện ở trên trục đối xứng của lõi xuyên Cuối cùng, một lỗ xuyên ở mặt sau bản thép xuất hiện và mở rộng dần khi lõi xuyên xuyên qua (Hình 1.10)

Hình 1.10 Lõi xuyên xuyên vào bản thép có độ dẻo cao 1 Lõi xuyên

2 Vỏ đầu đạn 3 Bản thép

Hình 1.11 Lõi xuyên xuyên vào bản thép mỏng có độ dẻo cao

- Dạng phá rách: Khi đầu đạn va chạm xuyên vào bản thép có độ dày nhỏ hơn đường kính lõi xuyên nhiều lần và có độ dẻo cao, bản thép sẽ bị phá hủy theo dạng phá rách Phía trước thường tạo lỗ tròn đều, tuy nhiên phía sau bản thép có hình dạng xơ rách không đối xứng (Hình 1.11)

Trên đây chỉ là một số trong rất nhiều dạng phá hủy dễ gặp khi nghiên cứu thực nghiệm, chúng ta cũng có thể bắt gặp nhiều dạng phá hủy trên cùng một lần bắn thử nghiệm, do vậy việc phân chia các dạng phá hủy cũng chỉ mang tính chất tương đối

1.6 Phương pháp đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn

Đối với các loại đạn dược nói chung, việc xác định phương pháp đánh giá tính năng tác dụng của đầu đạn là rất quan trọng, nhằm đánh giá mức độ tác dụng của đầu đạn đối với mục tiêu, phục vụ cải tiến nâng cao chất lượng đạn dược, trang bị cho người lính giải quyết các nhiệm vụ khác nhau trên chiến trường

Đánh giá khả năng xuyên thép của của đầu đạn xuyên động năng chính là xác định mức độ xuyên sâu vào bản thép của lõi xuyên Có hai phương pháp đánh giá khả năng xuyên thép, đó là: đánh giá lý thuyết và đánh giá thực nghiệm

Đánh giá lý thuyết sử dụng các công thức tính toán bán thực nghiệm, các phương pháp tính toán mô phỏng để xác định khả năng xuyên thép của đầu đạn

qua một số thông số như: chiều sâu xuyên lớn nhất mà lõi xuyên có khả năng xuyên qua, chiều sâu xuyên bản thép mà lõi xuyên xuyên qua kết hợp với vận tốc còn lại của lõi xuyên sau bản thép, vận tốc giới hạn để xuyên thủng bản thép, từ kết quả đó xây dựng được các đồ thị lý thuyết, khảo sát lý thuyết các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng xuyên thép của đầu đạn (hình 1.12) Phương pháp lý thuyết là công cụ quan trọng trong thiết kế sản phẩm mới, đánh giá khả năng xuyên thép của các mẫu đầu đạn với các phương án thiết kế khác nhau, từ đó lựa chọn được phương án thiết kế tốt nhất cho chế tạo sản phẩm Qua tính toán lý thuyết, xác định cơ bản được các kích thước hình dạng đầu đạn, cơ tính vật liệu lõi xuyên, các thông số thuật phóng cần thiết, Tuy nhiên, để đạt được độ chính xác của phương pháp lý thuyết, cần xác lập được bộ thông số đầu vào, các hệ số thực nghiệm cho tính toán đảm bảo sát thực tế, điều này chỉ có được từ tổng hợp các kết quả công trình nghiên cứu tương tự, kinh nghiệm thiết kế chế tạo đạn

Hình 1.12 Mô phỏng xác định chiều sâu xuyên tới hạn

Đánh giá thực nghiệm sử dụng các phương án thiết kế để chế tạo các mẫu đầu đạn, tiến hành bắn thử vào mục tiêu bản thép trong điều kiện thử nghiệm nhất định để đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn Phương pháp thực nghiệm là phương pháp đánh giá khách quan và chính xác nhất khả năng xuyên thép của đầu đạn, nhưng đây cũng là phương pháp có chi phí đắt đỏ, điều kiện thử nghiệm ngặt

nghèo, có nguy cơ mất an toàn trong thử nghiệm Trong đánh giá thực nghiệm,

các mẫu đầu đạn được bắn vào cùng loại mục tiêu có bề dày δ Để loại bỏ các sai

số về mục tiêu, vận tốc va chạm, góc va chạm, phương pháp thực nghiệm thường sử dụng đánh giá theo nhóm đầu đạn và lấy kết quả trung bình nhóm Qua đó, có thể xác định được khả năng xuyên bản thép của từng mẫu đạn Tuy nhiên, phương pháp thực nghiệm chỉ đánh giá được đầu đạn xuyên qua hoặc chưa xuyên qua bản thép, việc xác định chiều sâu xuyên tới hạn là rất khó khăn do cần phải có số lượng thử nghiệm rất lớn mới cho kết quả tương đối chính xác Ngày nay, việc được trang bị các thiết bị đo lường hiện đại phục vụ thử nghiệm đã góp phần đánh giá chính xác hơn các kết quả thử nghiệm Các thiết bị đo lường cho phép đo được vận tốc va chạm của đầu đạn với bản thép và vận tốc của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép, từ đó quan sát được các mẫu đầu đạn không xuyên, xuyên qua bản thép và giá trị vận tốc còn lại của lõi xuyên sau bản thép Kết quả cho phép đánh giá chính xác khả năng xuyên thép của từng mẫu đạn Qua đánh giá thực nghiệm, kết quả thực tế được đưa trở lại tính toán lý thuyết nhằm hiệu chỉnh các thông số, hoàn thiện tính toán lý thuyết

Từ đó có thể nhận thấy, đánh giá khả năng xuyên thép của các mẫu đạn

thông qua khả năng xuyên qua bản thép có độ dày δ nhất định kết hợp với vận tốc

còn lại của lõi xuyên sau bản thép là hình thức đánh giá phù hợp nhất Các thông số kết quả tính toán lý thuyết được đánh giá chính xác khi so sánh với các thông số tương ứng của kết quả thực nghiệm Mặt khác, điều kiện thực nghiệm đối với hình thức này cũng thuận lợi hơn, với số lượng phép thử ít hơn mà vẫn đảm bảo độ chính xác thử nghiệm, hạn chế được sai số do số lượng thực nghiệm nhỏ

1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu va chạm tốc độ cao nói chung và nghiên cứu hiện tượng va chạm xuyên bản thép của đầu đạn xuyên động năng nói riêng đã có lịch sử phát triển từ rất lâu nhằm khái quát hóa, mô hình hóa để có thể kiểm soát được quá trình

va chạm xuyên Với trình độ khoa học ngày càng hiện đại, công nghệ vật liệu phát triển, các loại áo giáp và thiết bị bảo vệ ngày càng hiện đại, dẫn đến các quá trình va chạm xuyên ngày càng phức tạp, đòi hỏi không ngừng nghiên cứu, cập nhật kiến thức nhằm phát triển đạn xuyên động năng Việc nghiên cứu được thực hiện song song hai phương pháp: phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

1.7.1 Trên thế giới

1.7.1.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết va chạm tốc độ cao đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu từ rất sớm Mục tiêu nhằm phân tích hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình va chạm xuyên, xây dựng các mô hình vật lý - toán học, thiết lập hệ phương trình và đưa ra phương pháp giải bài toán để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến quá trình va chạm xuyên vào các loại vật cản

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự xuất hiện và ngày càng hoàn thiện của các phần mềm tính toán mô phỏng bằng máy tính đã giúp cho các nhà khoa học có một công cụ hữu hiệu để giải quyết bài toán va chạm tốc độ cao

Yunhou Sun và các cộng sự [38] đã nghiên cứu va chạm tốc độ cao của đầu đạn có lõi xuyên hình cầu vào mục tiêu bán vô hạn (Hình 1.13)

Hình 1.13 Các giai đoạn va xuyên của lõi xuyên hình cầu vào mục tiêu bán vô hạn

Các giai đoạn của quá trình chuyển động của lõi xuyên trong môi trường bản thép, giai đoạn thâm nhập ổn định diễn ra cực ngắn, dường như chỉ diễn ra theo 3 giai đoạn: I-giai đoạn ban đầu, III-giai đoạn tạo lỗ xuyên và IV-giai đoạn phục hồi, khác với đồ thị các giai đoạn va chạm xuyên tốc độ cao giữa lõi xuyên

và bản thép (hình 1.8) Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tỉ lệ l/d của lõi xuyên

nhỏ dẫn đến không xuất hiện giai đoạn II – giai đoạn thâm nhập ổn định

Charles E Anderson và các cộng sự [21] đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng số để đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn vào vật cản là bản thép đồng nhất ở tốc độ cao Tác giả nghiên cứu mô phỏng đầu đạn có lõi xuyên bằng vật liệu CacbitVonfram va chạm xuyên với mục tiêu bản thép 4340 Đây là các vật liệu có sẵn trong thư viện của phần mềm Ansys, sử dụng mô hình bền và phá hủy Johnson-Cook Quá trình tính toán, phân tích, đánh giá thông qua các tham số như vận tốc va chạm, vận tốc còn lại của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép, chiều sâu xuyên và đường kính miệng lỗ xuyên, trường ứng suất và biến dạng của vật liệu lõi xuyên và bản thép Vận tốc va chạm của đầu đạn được thay đổi để đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn, so sánh khối lượng và đường kính còn lại của các loại lõi xuyên trước và sau khi xuyên bản thép

Z Rosenberg và E.Dekel [35] đã nghiên cứu tính toán ảnh hưởng của độ bền động của bản thép và lõi xuyên Đầu đạn có lõi xuyên được chế tạo bằng vật liệu cacbit vonfram và uranium nghèo, đánh giá khả năng xuyên bản thép có chiều dày bán vô hạn bằng phương pháp mô phỏng số khi va chạm tốc độ cao Trong nghiên cứu, tác giả đã tiến hành tính toán kiểm tra ảnh hưởng của độ bền

lõi xuyên với các giá trị tỉ số l/d của lõi xuyên khác nhau

Jonas A.Zukas [39], Anderson và các cộng sự [22] và nhiều công trình

nghiên cứu khác đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số l/d đến khả năng xuyên thép

của đầu đạn Các tác giả đã sử dụng đầu đạn có lõi xuyên được chế tạo từ nhiều vật liệu như: thép, cacbitvonfram, uranium nghèo, va chạm xuyên vào vật cản được

chế tạo từ các loại vật liệu khác nhau (nhôm, thép, ) để nghiên cứu Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng qua thực nghiệm cho thấy có sự ảnh hưởng lớn của tỉ

số l/d đến khả năng xuyên thép, tỉ số l/d của lõi xuyên càng lớn thì khả năng xuyên

sâu vào bản thép càng cao

Mulline S.A và các cộng sự [31], đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của phần mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng bằng phương pháp mô phỏng số đối với 02 loại đầu đạn có: lõi xuyên có mũi hình nón cụt và lõi xuyên có mũi hình ovan nhọn Hai loại lõi xuyên cùng cỡ đường kính, có

tỉ số l/d là như nhau và có cùng vật liệu chế tạo, va chạm xuyên vào bản thép có độ

cứng trung bình Kết quả tính toán nhận được vận tốc còn lại sau khi xuyên qua bản thép của lõi xuyên có mũi hình ovan nhọn nhỏ hơn so với lõi xuyên có mũi hình nón cụt Chế tạo hai loại đầu đạn trên và thử nghiệm bắn vào bản thép có độ cứng trung bình, kết quả xuyên thép của hai loại đầu đạn trên phản ánh đúng kết quả lý thuyết Tuy nhiên trường hợp này chỉ đúng với mục tiêu là bản thép có độ cứng trung bình, không áp dụng được với các trường hợp bản thép có độ cứng khác

Neely Horton và các cộng sự [32] đã nghiên cứu đến hình dáng mũi lõi xuyên bằng phương pháp mô phỏng số Từ các nghiên cứu đối với các loại đầu đạn hiện có, tác giả tính toán lập phương trình hình dạng mũi lõi xuyên, tối ưu hình dạng mũi lõi xuyên để tăng khả năng xuyên thép Ngoài ra, tác giả còn xác định rằng, lõi xuyên có phần khối lượng mất đi là nhỏ do ma sát trong quá trình chuyển động không tương ứng với chiều sâu xuyên lớn Các mô phỏng được tính

toán đối với các lõi xuyên có chiều dài phần mũi hm = 3,0d, bán kính cong phần

mũi lõi xuyên và bán kính đỉnh phần mũi lõi xuyên thay đổi Kết quả đối với lõi xuyên có phần mũi bị xói mòn lớn hơn lại có độ xuyên sâu lớn hơn Tuy nhiên trong nội dung công bố, kết quả chưa được kiểm chứng thực nghiệm

Gupta và các cộng sự [26] đã nghiên cứu hình dạng mũi lõi xuyên va chạm với các tấm nhôm có bề dày khác nhau, ở dải vận tốc va chạm thấp