手槍彈侵徹明膠靶標特性的實驗研究

黃 珊， 徐 誠， 溫垚珂, 豆 恂

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094; 2.內(nèi)蒙古北方重工集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014033 )

手槍彈侵徹明膠靶標特性的實驗研究

黃 珊1， 徐 誠1， 溫垚珂1, 豆 恂2

(1.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094; 2.內(nèi)蒙古北方重工集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014033 )

為揭示手槍彈對人體的致傷機理，利用壓力和高速攝影綜合測試系統(tǒng)實驗研究手槍彈侵徹明膠過程中壓力波和瞬時空腔的特性。實驗中選用4℃，10%濃度配比，尺寸為350 mm×250 mm×175 mm的明膠塊作為靶標，9 mm 92A手槍彈作為殺傷元，在15 m射距下測量壓力波數(shù)據(jù)和空腔圖像。通過對數(shù)據(jù)進行處理和分析得出以下結論：① 壓力波形成兩個尖峰狀波峰，同步槍彈形成的相似，第一波峰是高速撞擊明膠靶標所致，第二波峰是手槍彈快速翻滾釋放能量所致，且第二波峰高于第一波峰,最大幅值約為12 MPa；② 4 000 μs時刻瞬時空腔達到最大直徑約為73 mm，之后開始收縮并再次膨脹，9 600 μs時刻空腔達到第二次最大直徑約為64 mm，比第一次下降了約12%；③ 手槍彈形成的瞬時空腔直徑呈半正弦衰減，符合經(jīng)驗公式D=A·ΔE·sin(ωt)，求得系數(shù)為：A1=0.05；A2=0.04；ω=900。

手槍彈；明膠；高速攝影；壓力波；瞬時空腔

槍彈是現(xiàn)代輕武器最基本的殺傷元，主要的功能是殺傷人員等有生目標，其殺傷威力同槍彈與有生目標材料的相互作用密切相關。創(chuàng)傷彈道學正是研究槍彈、破片等投射物在人體內(nèi)的運動規(guī)律及其對機體影響的一門學科[1]。明膠靶標的密度與肌肉相近，其物理響應也與生物體的肌肉響應相似，因而在輕武器終點效應的研究中被廣泛采用[2]?；趯嶒炑芯浚芯空邆兲岢隽送渡湮飳C體的三種主要致傷機理，即直接侵徹作用、壓力波作用和瞬時空腔作用。其中壓力波峰值和瞬時空腔直徑可以進行量化，對于槍彈殺傷威力評估的實現(xiàn)有很大幫助，因此研究殺傷元侵徹明膠過程中壓力波和瞬時空腔的形成與發(fā)展規(guī)律對于闡明致傷機理具有十分重要的意義。錢有林[3]對空腔效應的形成機理及其影響因素進行了研究，并實驗驗證了空腔效應對肌體創(chuàng)傷的嚴重程度。溫垚珂等[4-5]針對4.8 mm鋼球和SS109步槍彈侵徹明膠進行了數(shù)值模擬，并通過壓力波峰值和瞬時空腔直徑實驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的正確性。曾鑫等[6]針對小口徑槍彈撞擊防護條件下明膠靶標和豬腿時壓力波的特性進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)了壓力波呈指數(shù)衰減。劉坤等[7]建立了三種典型小口徑步槍彈侵徹明膠時的運動模型，并進行了實驗驗證，發(fā)現(xiàn)5.8 mm步槍彈的創(chuàng)傷效應要優(yōu)于5.56 mm和5.45 mm兩種步槍彈。目前關于步槍彈已經(jīng)進行了較為系統(tǒng)的殺傷效能實驗研究工作，并且制定了相應的評估方法。但是手槍彈在彈形、速度和槍口動能等方面與步槍彈存在很大的差異，所以對肌體產(chǎn)生的壓力波和瞬時空腔不同，而以步槍彈實驗研究所獲得的結論來檢驗手槍彈的性能不能客觀、公正的反應其性能。因此本文選擇典型手槍彈92A作為殺傷元，利用壓力和高速攝影綜合測試系統(tǒng)進行測量。實驗研究92A在15 m射距下侵徹明膠時壓力波和瞬時空腔的特性，為制定手槍彈殺傷效能評估方法提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗方法

JUSSILA[8]在總結前人工作的基礎上，提出了一套完整的10%明膠制備方法和一致性檢測標準。現(xiàn)該標準已被各國的研究者廣泛接受，因此本文采用4℃，10%濃度配比，尺寸為350 mm×250 mm×175 mm的明膠塊作為模擬靶標；殺傷元選擇9 mm 92A手槍彈，結構如圖1所示，材料為黃銅彈頭殼和鉛芯鉛套，彈頭質(zhì)量為8 g，使用彈道槍發(fā)射。彈丸的初始速度為(360±10) m/s，在15 m射距下彈丸基本垂直進入明膠。

圖1 92A手槍彈結構圖Fig.1 The structure of 92A pistol cartridge

殺傷元靶標前和靶標后速度、明膠內(nèi)動態(tài)壓力和瞬時空腔直徑是測試的物理參量，根據(jù)主要三項測試參數(shù)搭建了綜合測試系統(tǒng)，具體的實驗現(xiàn)場布置如圖2所示。實驗設備和具體技術參數(shù)為：XGK-2002高靈敏度光幕靶，前靶有效靶面為330 mm×400 mm，后靶有效靶面為400 mm×400 mm；高速攝影測量系統(tǒng)Phantom V710，最高幀頻70萬幀/秒；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PXI 6133最高采樣率2.5 MS/s，分辨率14位；壓力傳感器型號為PCB 113B22，固有頻率400 kHz，量程0～69 MPa。

圖2 實驗布置圖Fig.2 The experiment layout

實驗時首先架設彈道槍，待彈道槍安裝好以后在實驗臺中央布置明膠塊，并利用安裝在彈道槍上激光瞄準器的標線來調(diào)整明膠靶標位置，確保其中心線與彈道線重合；光幕靶布置在明膠靶標前方約1 m處，因為彈丸侵徹明膠過程中會出現(xiàn)濺射現(xiàn)象，需防止靶體受損，靶標前光幕靶的2靶為數(shù)據(jù)采集儀和高速攝影提供觸發(fā)信號；壓力傳感器埋設在明膠靶標中，具體的埋設和布置方法見下文，數(shù)據(jù)采集儀采集壓力傳感器的信號，并在專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Flexpro 6.0中進行后處理和分析。

為了保證高速攝影的測量精度，試驗時需要保證光線條件優(yōu)良，因此選擇自制照明單元。高速攝像機布設在靶體側方1.5～2 m距離處，攝像系統(tǒng)光學視軸與彈道方向垂直，保證明膠靶標迎彈面與攝像系統(tǒng)垂直方向成像，拍攝頻率為10 000 f/s，曝光時間5 μs，圖像分辨率為(512×512)像素，拍攝時長為10 ms。試驗布置完成后，在明膠塊上方水平放置鋼直尺，然后進行調(diào)焦保證靶標在鏡頭視野范圍內(nèi)和畫面的清晰度，最后對高速攝影進行靜態(tài)標定拍攝，以確定兩像素間的實際距離。拍攝完成后在Phantom軟件下計算圖像中測量部位的像素數(shù)，通過標定系數(shù)乘以像素點數(shù)得出測量結果。

為了研究手槍彈侵徹明膠過程中所產(chǎn)生壓力波的特性，在靶標頂部沿著彈道線從彈著面開始間隔50 mm埋設一支壓力傳感器，具體的埋設位置如圖3所示，埋入深度約為50 mm，傳感器的敏感面正對彈道軸線，測量手槍彈侵徹靶標過程中向彈軸徑向方向傳播的壓力波。傳感器的具體埋設方法如下：明膠處于液體狀態(tài)時，將自制簡易模具放置在明膠水中，當明膠凝固時再將模具抽出，這樣就在明膠靶標上方留下了間距50 mm、深度50 mm、直徑4 mm的圓柱形孔洞；明膠脫模后，調(diào)配10%濃度的明膠水，先將明膠水灌入孔洞，再將傳感器放入，這樣可以有效防止傳感器和明膠之間留有氣泡，最后將明膠放入4℃的保溫箱恒溫1 h后即可進行試驗[9]。

圖3 壓力傳感器布置圖Fig.3 The pressure sensor layout

2 實驗結果及分析

2.1 壓力波的基本特性

手槍彈侵徹明膠靶標時在其內(nèi)部產(chǎn)生較為復雜的壓力變化，通過觀察三組9 mm 92A手槍彈在15 m射距下侵徹明膠靶標過程中的壓力曲線如圖4所示。由圖4可知，發(fā)現(xiàn)壓力隨時間變化曲線中存在2個尖峰，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對其形成過程進行了如下的分析與研究。92A手槍彈撞擊靶標并行進一段距離后開始失穩(wěn)而且快速翻滾到一定角度，此過程中能量急劇釋放，壓力傳感器上會首先形成一個幅值可以達到9 MPa左右，上升時間一般在8 μs左右的尖峰狀波形，這是手槍彈以360 m/s速度高速撞擊明膠靶標所致；此后壓力曲線中產(chǎn)生了第二峰值，第二峰值的上升時間較上一個壓力尖峰要相對緩慢，一般在25 μs左右但是幅值更高，達到了12 MPa左右，其出現(xiàn)在403 μs，通過觀察高速攝影發(fā)現(xiàn)正是彈丸剛剛開始失穩(wěn)翻轉時刻，故得出壓力第二峰值是彈頭翻滾、能量快速釋放所致。對比分析了9 mm 92A手槍彈在15 m射距下侵徹350 mm×250 mm×175 mm明膠塊和5.56 mm SS109步槍彈在100 m射距下侵徹300 mm×300 mm×300 mm明膠塊時的壓力波曲線如圖5所示。由圖5可知，二者在形式上基本一致，都形成兩個尖峰狀的波形，第一個波形較第二個波形陡峭，且第二個峰值要明顯高于第一個。但是5.56 mm SS109步槍彈形成兩個尖峰的時間間隔很短，約為140 μs，而9 mm 92A手槍彈形成的兩個尖峰的時間間隔約為463 μs，這是因為5.56 mm SS109步槍彈較9 mm 92A手槍彈的長徑比大，重心后移，進入明膠后翻滾時間早，迅速形成空腔，所以第二個波峰較早出現(xiàn)。

圖4 手槍彈侵徹明膠時典型壓力波曲線Fig.4 The typical curve of pressure wave by pistol cartridge penetrating gelatin

圖5 步槍彈侵徹明膠時典型壓力波曲線Fig.5 The typical curve of pressure wave by rifle cartridge penetrating gelatin

2.2 空腔的基本特性

92A手槍彈剛剛進入明膠靶標時，入口處直徑會慢慢膨脹增大，通過處理高速攝影圖像得出入口直徑，具體測量方法如圖6所示，獲得的數(shù)據(jù)和變化規(guī)律曲線如表1和圖7所示，時間從彈頭撞擊明膠靶標時刻開始計時。第一、二、三組彈頭入靶速度分別為360 m/s，351 m/s，356 m/s；出靶速度分別為162 m/s，150 m/s，149 m/s；傳遞能量分別為413 J，402 J，418 J。

圖6 入口直徑測量方法Fig.6 The measurement of the imported diameter

侵徹時間/μs入口直徑最大值/mm第一組第二組第三組平均值5002226272560026322929700333633348004142374090037363235100030322830

圖7 入口直徑平均值隨侵徹時間變化曲線Fig.7 The curve of the imported diameter changed with penetration time

手槍彈侵徹進入明膠靶標內(nèi)部平穩(wěn)前進了約153 mm(此時為500 μs)，之后彈頭開始失穩(wěn)翻轉，并與彈道水平線呈一定角度。翻轉角度的測量方法主要是確定彈丸中軸線兩個端點的坐標，取尖部和底部中心端點坐標為(x1，y1)和(xn，yn)，則著靶入射角度α可以根據(jù)式(1)求出(取彈道方向水平線為X軸，垂直彈道水平線向上方向為Y軸)。

(1)

典型時刻的空腔圖像和彈頭翻轉過程示意圖分別如圖8和圖9所示，翻轉角度隨侵徹時間變化曲線如圖10所示。800 μs時刻彈丸沿水平方向翻轉至90°，此時空腔開始逐步膨脹，900 μs彈頭翻轉至120°，1 000 μs回轉至90°，1 100 μs回轉至60°，1 200 μs回轉至45°，1 300 μs回轉至30°，1 400 μs回轉至20°，1 500 μs時彈頭回轉至0°(呈水平方向)，1 600 μs時手槍彈穿出靶標，彈頭在侵徹明膠靶標整個過程中以垂直方向為基準做來回擺動，瞬時空腔直徑從26 mm增大至50 mm。至3 300 μs時刻空腔達到最大值約為73 mm，隨后慢慢收縮，7 400 μs空腔降至最小值約為25 mm，9 600 μs空腔達到第二次最大值約為64 mm，比第一次下降了約12%，之后當瞬時空腔減小到一定尺寸后又開始再次膨脹收縮，如此反復直至明膠動能被消耗掉。

圖8 9 mm 92A 手槍彈以初速360 m/s侵徹明膠時典型時刻明膠內(nèi)空腔變化情況(第一組試驗)Fig.8 The variation trend of cavity by 9 mm 92A pistol cartridge penetrating gelatin with 360 m/s(the first test)

圖9 9 mm 92A 手槍彈侵徹明膠過程示意圖Fig.9 The process figure of 9 mm 92A pistol cartridge penetrating gelatin

圖10 第一組試驗翻轉角度隨侵徹時間變化曲線 Fig.10 The curve of the rotating degrees changed with penetration time in first test

2.3 侵徹過程中空腔直徑的變化規(guī)律

手槍彈在侵徹明膠靶標過程中空腔直徑會隨著侵徹時間的增加呈一定規(guī)律變化，實驗中測量三組9 mm 92A手槍彈侵徹明膠過程中典型時刻的空腔直徑，計算求得平均值如表2所示。

表2 9 mm 92A手槍彈侵徹明膠時空腔直徑隨侵徹時間變化統(tǒng)計表

針對空腔直徑平均值進行了曲線擬合如圖11所示,由圖11可知,瞬時空腔直徑隨侵徹時間變化的規(guī)律符合式(2)。

D=A1·ΔE·sin(ωt)T:(0～6 999)μs；

D=A2·ΔE·sin(ωt)T:(7 000～10 000)μs

(2)

式中:D為空腔直徑；Ai為系數(shù)；ΔE為傳遞能量；ω為空腔收縮率,rad/s；T為侵徹時間。式(2)適用于中國9 mm手槍彈和西方國家9 mm巴拉貝魯姆彈。

圖11 9 mm 92A手槍彈侵徹明膠形成空腔直徑隨時間變化擬合曲線Fig.11 The changed fitting curve of the cavities’diameter caused by 9 mm 92A pistol cartridge penetrating gelatin

經(jīng)過計算得出經(jīng)驗公式系數(shù)：A1=0.05,A2=0.04,ω=900。

3 結 論

利用壓力和高速攝影綜合測試系統(tǒng)測試了9 mm 92A手槍彈侵徹明膠靶標過程中的壓力波和瞬時空腔圖像，并對實驗數(shù)據(jù)進行了處理和分析得出以下結論：

(1)侵徹明膠過程中會形成兩個尖峰狀波形，第一波峰是高速撞擊明膠靶標所致，第二波峰是手槍彈快速翻滾釋放能量所致，且第二個波峰峰值要高于第一個，最大幅值約為12 MPa，通過對比5.56 mm SS109步槍彈形成的壓力波波形發(fā)現(xiàn)二者相近，區(qū)別于幅值和持續(xù)時間。

(2)4 000 μs時刻瞬時空腔達到最大直徑約為73 mm，之后開始收縮并再次膨脹，9 600 μs時刻空腔達到第二次最大直徑約為64 mm，比第一次下降了約12%。

(3)手槍彈形成的瞬時空腔直徑呈半正弦衰減，符合經(jīng)驗公式D=A·ΔE·sin(ωt)，求得系數(shù)為：A1=0.05,A2=0.04,ω=900。

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Experimental study on the characters in a pistol cartridge penetrating gelatin

HUANGShan1,XUCheng1,WENYaoke1,DOUXun2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.Inner Mongolia North Heavy Industries Group Co.,Ltd., Baotou 014033，China)

In order to reveal the injury mechanism to human body from a pistol cartridge, the characteristics of pressure wave and the temporary cavity in the process of pistol cartridge penetrating gelatin were studied by a pressure and high-speed photography comprehensive testing system. In this study, 4 ℃, 10% concentration ratio, size of 350 mm×250 mm×175 mm gelatin was used as target; 9 mm 92A pistol cartridge was used as a killing element. Three groups of pressure wave data and cavity images were obtained in 15 m shooting range. The following conclusions could be made from the experiments. ① The pressure wave generated two spike waves, which was similar to a rifle bullet’s waveform. The first wave was caused by pistol cartridge impacting gelatin targets with high speed, and the second was caused by its quickly rolling and releasing energy. The second was higher than the first. The maximum amplitude was about 12 MPa. ② The maximum diameter of the temporary cavity was about 73 mm at 4 000 μs, then it contracted and expanded again, the second maximum diameter was about 64 mm at 9 600 μs, and it reduced by 12%. ③ The diameter of the temporary cavity caused by the pistol cartridge was attenuating as half sine wave curve with the penetration time, in line with the experience formulaD=A·ΔE·sin(ωt) and the coefficient was obtained as:A1=0.05,A2=0.04, andω=900.

pistol cartridge; gelatin; high-speed photography; pressure wave; temporary cavity

國家自然科學基金項目(11502119)

2016-05-04 修改稿收到日期：2016-07-18

黃珊 男，博士生，1979年生

徐誠 男，教授，博士生導師，1962年生

TJ303.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.002