防暴彈破片設(shè)計(jì)及非殺傷效應(yīng)研究

商保利 駱博 張舒瑜

摘 要：為了保證非致命彈藥的使用安全，改善破片的非殺傷能力，以較為常用的警用非致命彈藥防暴彈為研究對(duì)象，建立了破片運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)分析對(duì)比不同材料的屬性初步擬定材料的預(yù)選方案，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：PA66破片的非殺傷性能最好， ABS自然破片的打擊性能最大。根據(jù)研究結(jié)果初步選定PA66為殼體的預(yù)選材料。

關(guān)鍵詞：防暴彈；破片；非殺傷效應(yīng)

防暴彈打擊主要靠動(dòng)能沖擊波以及彈體產(chǎn)生的破片效應(yīng)。防暴彈特定的使用時(shí)機(jī)和使用場(chǎng)合要求彈體產(chǎn)生的破片對(duì)人員應(yīng)具有最低的殺傷能力。在彈丸裝藥一定的條件下，影響破片的形狀、質(zhì)量以及威力的關(guān)鍵因素就是彈體材料的性能。目前，高性能塑料已廣泛應(yīng)用于手榴彈及警用非致命彈藥中，在不降低彈丸綜合性能的前提下，使用塑料材料，可以大幅度減輕彈丸重量，并且有望將塑料破片對(duì)人的創(chuàng)傷能力降至最低，使其滿足戰(zhàn)技術(shù)要求。

1 材料選擇

1.1 彈體破碎性能對(duì)材料性能的要求

在彈丸裝藥一定的條件下，破片對(duì)人的創(chuàng)傷能力主要與破片的速度、質(zhì)量和形狀有關(guān)。為了減弱破片的致傷能力，使破片達(dá)到非殺傷要求，則彈體材料應(yīng)具有良好的破碎性能。材料的破碎性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和斷裂方式密切相關(guān)。高聚物的斷裂形式主要為脆性斷裂與韌性斷裂。對(duì)自然破片發(fā)生脆性斷裂時(shí)，彈體破碎性好于韌性斷裂，但塑料彈體在高沖擊載荷作用下，一般也表現(xiàn)為脆性斷裂，另外，采用預(yù)控破片結(jié)構(gòu)時(shí)，由于彈體材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感性不同，也會(huì)引起脆韌轉(zhuǎn)變。脆性斷裂一般由拉伸應(yīng)力引起，不存在剪切屈服，因此破碎性能要優(yōu)于韌性材料，但到底選用什么樣的材料需要最終通過(guò)試驗(yàn)確定。

1.2 彈體材料的初步選擇

根據(jù)上述選材原則和選擇途徑，兼顧防暴彈對(duì)彈體材料性能的要求，選擇了六種使用比較廣泛的塑料材料，分別為ABS、PVC、PE、PA66、PC、POM，對(duì)這六種材料應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)量化綜合法進(jìn)行篩選，詳見(jiàn)表一。

表1幾種材料的統(tǒng)計(jì)數(shù)量化綜合表

性能 ABS PE PVC PA66 PC POM

表1表明，ABS、PVC以及PA66的綜合性能最佳，所以初步選取通用熱塑性材料ABS、PVC以及通用工程塑料PA66做為試驗(yàn)用的彈體材料。其中ABS的綜合性能最佳，且為目前使用的防暴彈彈體材料。為了改善ABS彈體的破碎性，我們考慮對(duì)其進(jìn)行改性，由于玻纖增強(qiáng)ABS的脆性增加，彈體破碎性應(yīng)該得以改善，故增加選擇了15%和30%玻纖增強(qiáng)ABS復(fù)合材料進(jìn)行比較分析。

2 數(shù)學(xué)模型

殼體破碎瞬間的膨脹速度稱破片初速度。殼體破碎后形成破片，在爆轟產(chǎn)物作用下將繼續(xù)加速，直到破片運(yùn)動(dòng)所受到的空氣阻力與爆轟產(chǎn)物給予的推力相平衡時(shí)，破片速度達(dá)到最大值。之后，破片飛散速度隨著飛行距離的增加而逐漸衰減。破片的初速與破片形成前殼體變形速度密切相關(guān)，另外，在彈體上各處，由于變形速度的差別，以及爆轟產(chǎn)物壓力作用程度上的差別，致使每個(gè)破片的初速各不相同。因此，我們所說(shuō)的初速，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，只是一個(gè)概略的平均值。

對(duì)于軍用彈藥產(chǎn)生的金屬破片，從動(dòng)能角度出發(fā)，已建立了關(guān)于破片初速的理論表達(dá)式。迄今為止，大多數(shù)的定律和公式都是從動(dòng)能基本表達(dá)式推導(dǎo)出來(lái)的。下面運(yùn)用能量守恒條件推導(dǎo)破片的初速，參考Gurney能量法所做的假設(shè)，假設(shè)閃光劑瞬時(shí)爆炸，并不考慮爆炸產(chǎn)物沿軸向的飛散；殼體為等壁厚；爆炸后形成的破片速度相等；忽略反應(yīng)區(qū)后產(chǎn)生的稀疏波的影響。并設(shè)：

Ec——破片動(dòng)能；Es——反應(yīng)釋放的光能；

Em——?dú)んw材料破壞能；Eg——爆炸產(chǎn)物動(dòng)能；

Ee——爆炸產(chǎn)物內(nèi)能；Ei——?dú)んw傳給周圍空氣的能量；

Eh——閃光劑爆炸釋放的總能量。

根據(jù)能量守恒定律可得：

Eh=Em+Eg+Ee+Ec+Ei+Es （1）

閃光劑燃燒爆炸釋放的總能量 根據(jù)最小自由能方法計(jì)算結(jié)果建立的反應(yīng)機(jī)理模型計(jì)算。

破片動(dòng)能 。設(shè)共有N塊破片，總質(zhì)量為M，由假設(shè)得

（2）

閃光劑燃燒爆炸釋放的光能 可以計(jì)算得到。

爆炸產(chǎn)物的動(dòng)能Eg。爆炸產(chǎn)物的動(dòng)能可以看作為爆炸產(chǎn)物的虛擬質(zhì)量 以破片初速 運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，即

（3）

m為彈體裝藥質(zhì)量。

爆炸產(chǎn)物的內(nèi)能Ee。爆炸產(chǎn)物在殼體破裂瞬間具有的內(nèi)能，等于爆炸產(chǎn)物從破裂處開(kāi)始膨脹到無(wú)窮遠(yuǎn)處做的功。

殼體膨脹傳給空氣的能量，也就是空氣介質(zhì)吸收的能量占總能量的1%以下，殼體破壞能占總能量的1%左右，故均可忽略，將公式（2）和公式（3）以及光能、反應(yīng)總能量和氣體內(nèi)能代入公式（1）中，則公式（1）可簡(jiǎn)化為：

可解得

（4）

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，氣體產(chǎn)物的質(zhì)量等于閃光劑質(zhì)量減去凝聚相產(chǎn)物的質(zhì)量，即m0=m-n1M1

n1——凝聚相產(chǎn)物摩爾數(shù)；

M1——凝聚相產(chǎn)物分子量；

m——裝藥量。

按公式（4）計(jì)算得，破片初速 。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分兩部分進(jìn)行，第一部分采用泡沫塑料和肥皂（一般要求用作模擬材料的肥皂為制皂廠未經(jīng)干燥處理的大塊肥皂，其密度與人體非常接近，這里所采用的肥皂為市售普通肥皂，其密度大于人體密度）作為非生物模擬材料，對(duì)不同彈體材料及預(yù)控破片的聲光彈在不同距離上對(duì)人體的創(chuàng)傷能力進(jìn)行初步篩選，評(píng)選出創(chuàng)傷能力較差的幾種方案。

第二部分對(duì)篩選結(jié)果根據(jù)非殺傷判據(jù)的要求進(jìn)行評(píng)定，靶標(biāo)采用牛皮紙，經(jīng)測(cè)定穿透（將透未透）3層300g的牛皮紙所需的比動(dòng)能為10.2J/cm2，這與穿透皮膚的最小比動(dòng)能9.8J/cm2基本一致，故采用牛皮紙對(duì)篩選出來(lái)的方案進(jìn)行非殺傷效應(yīng)評(píng)判，以得出最佳方案。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。結(jié)果為2次試驗(yàn)的平均值。泡沫板尺寸為1000×500×40mm，肥皂尺寸為145×60×25mm，且肥皂均固定在離彈0.5m距離上。

（a）

（b）

圖1破片對(duì)泡沫塑料的侵徹效果

自然破片中，ABS破片的侵徹能力最強(qiáng)，PA66和30%玻纖增強(qiáng)ABS破片的侵徹能力最弱。對(duì)穿孔尺寸的測(cè)量結(jié)果表明，在1.5m距離上，ABS破片對(duì)泡沫塑料的最大穿孔為尺寸12×30mm的矩形，PVC破片穿孔直徑為24mm，15%玻纖增強(qiáng)ABS破片穿孔直徑為13mm，而30%玻纖增強(qiáng)ABS與PA66破片的穿孔直徑則為12mm和6mm。預(yù)控破片中，PVC預(yù)控破片侵徹能力最強(qiáng)，殺傷力最大，PA66預(yù)控破片殺傷力最小。另外，穿孔尺寸測(cè)量結(jié)果表明，在1.5m距離上，PVC預(yù)控破片最大穿孔直徑為18mm，而PA66預(yù)控破片則為10mm，而ABS預(yù)控破片最大穿孔直徑為11mm。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述破片創(chuàng)傷能力排序結(jié)果，從中挑選出PA66、30%玻纖增強(qiáng)ABS復(fù)合材料、ABS預(yù)控彈體、PVC預(yù)控彈體以及ABS彈體進(jìn)行非致命判據(jù)試驗(yàn)。靶標(biāo)采用牛皮紙，經(jīng)測(cè)定穿透（將透未透）3層300g的牛皮紙所需的比動(dòng)能為10.2J/cm2，這與穿透皮膚的最小比動(dòng)能9.8J/cm2基本一致。最后根據(jù)結(jié)果選定PA66為殼體的預(yù)選材料。

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