侵彻

定义

侵彻指具有一定速度的弹丸、破片、金属射流等侵彻体，依靠本身动能侵入或贯穿目标的破坏作用^[1]。在兵器科学与技术的术语体系中，它常与爆炸、穿甲、聚能、杀伤等并列，同属弹药战斗部的毁伤作用类型^[3]。

英文文献中与侵彻对应的词是 penetration，指弹体撞击靶体后嵌入靶体或在靶体上形成弹坑，而弹体完全穿过靶体则用 perforation 表示。按侵彻体速度可分为低速侵彻与高速侵彻，按入射角可分为正侵彻与斜侵彻^[1]。弹体穿透金属靶体的情形，习惯上又称穿甲^[2]。

当弹体只钻入目标一定深度而未穿透时，称为部分侵彻；在特定设计中还会利用半侵彻状态使弹体嵌立于目标上，再由外露部分执行感应或承载等特殊功能^[1]。

原理

侵彻的动力来源是弹体的飞行动能。动能侵彻依靠大质量、高速度弹体的动能完成对钢筋混凝土等靶体的贯穿^[4]。对于有限厚度混凝土靶，侵彻过程可划分为初始开坑、隧道区和剪切冲塞 3 个阶段：开坑阶段弹体冲击靶体产生压缩波，在迎爆面形成漏斗状坑洞，其尺寸与弹体直径和速度正相关；隧道区阶段靶体内形成略大于弹径的孔洞，周围形成约 1 至 2 倍弹径的破碎区，外围依次为裂纹区、弹性区和塑性区；剪切冲塞阶段弹体头部与靶背面之间形成锥形凿块，最终弹体贯穿靶板，背面留下近似锥形的后坑并伴随碎块飞散^[4]。

若靶体足够厚，可等效为半无限厚靶，侵彻过程简化为 2 个阶段：冲击应力波造成的开坑阶段，以及冲击波衰减后由塑性波引发的稳定侵彻阶段^[4]。理论上常用空腔膨胀模型描述靶体阻力，该模型由球形和柱形动态空腔膨胀理论发展而来，把靶体分为弹性区、破裂区、粉碎区等响应区，其尺寸直接影响侵彻阻力的积分效应^[5]。

弹体在靶体中的运动可由运动方程描述：$m_p V_z \frac{dV_z}{dP} = -\pi a^2 (\sigma_s + N_d \rho_1 V_z^2)$，其中 $m_p$ 为弹体质量，$V_z$ 为瞬时速度，$P$ 为侵彻深度，$\sigma_s$ 为准静态径向应力项，$N_d \rho_1 V_z^2$ 为流动阻力项^[6]。

如图为弹体正侵彻半无限厚靶体的示意：

flowchart TB

A["弹体以初速撞击靶面"] --> B["开坑阶段：压缩波形成漏斗状弹坑"]

B --> C["隧道区：弹体挤开靶材，形成略大于弹径的孔洞"]

C --> D["周围破碎区、裂纹区、弹性塑性区"]

D --> E{"靶厚是否有限"}

E -->|"是"| F["剪切冲塞：背部形成锥形塞块并飞出"]

E -->|"否"| G["稳定侵彻：弹体减速直至停止"]

侵彻阻力随速度变化呈现分区特征。撞击速度低于约 1200 m/s 时弹体质量损失较小，可视为刚体，侵彻深度随初速近似线性增长，性能主要由靶体强度参数决定；速度继续提高后弹体出现磨损与热侵蚀，进入侵彻深度增长趋缓甚至下降的过渡区^[4]。当速度达到约 2000 m/s 时进入超高速侵彻阶段，弹体发生严重销蚀或断裂，侵彻机制转为流体动力学侵彻，侵彻深度缓慢增加并趋近流体力学极限^[7]。

发展历程

侵彻问题的定量研究起步很早。1742 年，英国学者罗宾斯(Robins)在《炮术新原理》(New Principles of Gunnery)中提出了相关理论，被视为动能侵彻研究的源头^[4][8]。1829 年，法国军事工程学院的 Pocelet 发表弹体侵彻岩土和砂等地质材料的论文，标志着侵彻毁伤定量研究的开始^[3]。

19 世纪以前的侵彻研究以试验为主，弹体尺寸和撞击速度范围较宽，速度多在 200 至 1000 m/s 之间，研究内容包括侵彻、贯穿、弹坑形成、跳弹以及配筋对侵彻的影响^[9]。20 世纪初出现便于工程使用的经验公式，1910 年提出的 Petry 公式可用于计算弹丸侵彻混凝土、钢筋混凝土和增强混凝土的深度^[4]。

两次世界大战特别是第二次世界大战推动了侵彻机理的深入研究，试验手段、计算机模拟和塑性动力学、爆炸力学等理论的进步为侵彻毁伤研究提供了支撑^[3]。20 世纪 70 年代出现了专门用于攻击机场跑道的侵彻弹；1991 年海湾战争中，美军使用 GBU-28 钻地弹在加固混凝土建筑中钻入 6 米深，并炸开厚 2.15 米的钢筋混凝土层形成直径 2 米的孔洞^[4][10]。

20 世纪 80 年代以来，美国桑迪亚国家实验室的 Forrestal 团队系统开展了动态空腔膨胀理论研究，并将其扩展到混凝土、岩石、土壤等介质，成为刚性弹侵彻动力学的代表性模型^[5][9]。此后，为提高侵彻效果又出现了刻槽弹、横向效应增强型侵彻体(PELE)以及活性 PELE 等改进型结构，通过结构设计提高能量传递效率^[7]。

应用

侵彻最主要的应用是侵彻战斗部，即依靠战斗部壳体强度和引信延时作用进入目标后爆炸的内爆式战斗部，早期用于对付坦克、水面舰艇等装甲目标，因而也称半穿甲弹，后来大量用于反机场跑道、机库和混凝土工事^[11]。此类战斗部一般由载体和侵彻战斗部组成，载体多为巡航导弹弹体、航空炸弹弹体及火箭，其运载功能使侵彻战斗部在末段获得足够速度；侵彻战斗部则由侵彻弹头、高爆装药和引信构成，侵彻头通常采用高强度钢或重金属合金^[12]。延时引信的作用是使战斗部撞靶后不立即起爆，而在钻入一定深度后再引爆炸药，以毁伤掩体内部目标^[13]。

在装甲防护领域，侵彻原理被用于评估装甲的抗弹性能。同一种弹药在 2000 米距离上可击穿的均质钢板厚度，是衡量穿甲能力的常用指标，例如美国 120 毫米 M829A2 贫铀穿甲弹在 2000 米距离上可击穿 700 毫米厚均质钢板^[14]。针对混凝土和钢筋混凝土结构的侵彻研究，则为钻地武器发挥毁伤作用以及钢筋混凝土结构承担防护功能提供理论支撑^[15]。

在工程防护方面，防护工程关注的是提高结构抗侵彻能力以保护重要目标，涉及遮弹结构和偏航机理等措施，如块石混凝土、钢球混凝土、钢管栅混凝土、表面异形偏航板和钢板混凝土等^[2]。此外，侵彻研究还涉及破冰等场景中高速射弹对冰层的破坏问题^[1]。

局限

侵彻过程是高压、高应变率、强非线性的动力学过程，涉及弹靶相互作用、材料本构、应力波传播等多种因素，在作用机理和物理模型、试验技术与测量手段、数值模拟方法等方面都存在许多科学技术难题^[2]。目前的建模仍以 Forrestal 经验公式及其修正模型为主，尚缺乏普适性的解析方法^[7]。

侵彻深度并不随撞击速度单调增长。速度提高后弹体出现磨损和热侵蚀，侵彻深度增长趋缓，甚至出现下降；部分弹体还会发生弹头钝化或自锐，由此带来的质量磨蚀也会使侵深减小^[4]。在超高速侵彻阶段，弹体严重销蚀或断裂，侵彻机制转变为流体动力学侵彻，侵深增长缓慢并趋近流体力学极限，继续提高速度的收益明显递减^[7]。

入射角对侵彻效果影响显著。同等条件下弹体垂直命中时侵彻深度最大，命中角增大则侵深下降，倾角过大时弹体容易跳飞而几乎不能侵入^[16]。靶体的抗力同样限制侵彻效果：装甲越硬越厚，侵彻深度越浅，完全贯穿的可能性也越低^[16]。在钢筋混凝土中，即使弹体未直接撞到钢筋，钢筋对破碎区和开裂区的约束也会形成间接侵彻阻力，使侵彻深度减小^[7]。

参见

• 穿甲 —— 侵彻体穿透金属靶体的作用，是侵彻的一种常见情形。

• 钻地弹 —— 以侵彻战斗部钻入地下或加固目标后爆炸的弹药。

• 终点弹道学 —— 研究弹体命中目标后运动与破坏效应的学科分支。

• 爆炸力学 —— 侵彻研究所依赖的力学分支之一。

• 防护工程 —— 以提高结构抗侵彻能力为目标的对口领域。

• 聚能装药 —— 利用聚能效应形成金属射流侵彻目标的装药形式。