安全型強光爆震彈的設計與試驗

馬永忠，劉加凱,2

(1.武警工程大學 裝備管理與保障學院， 西安 710086； 2.西安交通大學 機械工程學院， 西安 710049)

強光爆震彈作為一種大威力非致命彈藥，爆炸時能夠產(chǎn)生巨大的聲響和強烈的閃光，從而對有生目標產(chǎn)生震撼、眩暈、暫時失明等生理效應，使其喪失抵抗能力或干擾其行為能力，在國內(nèi)外各種反恐作戰(zhàn)、平息暴亂、處置群體性事件的行動中發(fā)揮了十分重要作用[1-3]。當前我國裝備的強光爆震彈，彈體一般采用塑料材料，爆炸時產(chǎn)生帶有尖銳棱角的破片，易對人體造成過度傷害。

針對現(xiàn)役手投強光爆震彈使用過程中所存在的問題，開展安全型強光爆震彈的設計與試驗研究，在滿足戰(zhàn)術(shù)使用效果的同時，避免對目標造成過度傷害，對于提高強光爆震彈的作戰(zhàn)效能，更好地滿足部隊遂行反恐維穩(wěn)任務需求，具有較高的軍事應用價值。

1 彈藥總體設計

本研究所設計的安全型強光爆震彈采用無破片設計方案，其結(jié)構(gòu)主要由擊發(fā)和保險機構(gòu)、外殼、內(nèi)殼和噴口等組成，如圖1所示。該彈藥采用內(nèi)、外殼雙層腔體結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼裝藥爆炸，外殼上開噴口，保證聲光效果的同時，擊發(fā)和保險機構(gòu)與彈體不分離，破片滯留在外殼內(nèi)部。外殼體使用上蓋、中殼、下蓋三段式螺紋連接而成，擊發(fā)和保險機構(gòu)使用現(xiàn)役通用部件。所設計的新型強光爆震彈爆炸時不產(chǎn)生殺傷性破片，距離炸點1.5 m處，聲強需達到140～160 dB，光強需達到3.0×106～5×107cd。

圖1 新型爆震彈彈體結(jié)構(gòu)示意圖

1) 內(nèi)殼設計

內(nèi)殼是新型強光爆震彈的裝藥殼體，其大小決定了裝藥量多少，其殼體材料和厚度決定了內(nèi)殼的強度。內(nèi)殼需要一定強度集聚能量，并在爆開瞬間泄光泄壓。內(nèi)殼可采用塑料材料，目前主要有聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(如PA66)、ABS等，其中ABS還有多種改性材料[4]。通過對比研究，考慮到內(nèi)殼材料需要較高的強度和較好的適應性，本研究選用ABS作為內(nèi)殼材料，其強度和改性具有較高的兼容性，在下一步設計中可以更好地適應課題研究。

2) 外殼設計

新型強光爆震彈中，外殼既是內(nèi)殼的承載體，又是防止內(nèi)殼破片飛散的主要部件，因此設計外殼時，既需要考慮強度問題，又要考慮結(jié)構(gòu)問題。在材料的選用上，外殼首先應具有良好的抗爆炸沖擊能力，其次需要考慮成本及重量因素，材料主要包括銅、鋼、鋁等[5]。銅材最貴且密度最大，不適合做新型彈的外殼材料；而鋼材密度是鋁材的3倍，重量過重；鋁合金特別是超硬鋁合金既有和鋼材相當?shù)膹姸?，又具有銅材的抗腐蝕的特點，密度相對較低，是相對理想的外殼材料。通過對比，選用超硬鋁合金7A09作為新型強光爆震彈的外殼材料。

3) 噴口設計

噴口設計主要包括3個指標：位置、數(shù)量和直徑。由于彈藥投擲后，一般側(cè)面著地，若噴口位置在側(cè)面，則可能受力不均而產(chǎn)生跳彈現(xiàn)象。另外爆震彈主要應用于室內(nèi)，若前后設置噴口，滾至墻壁側(cè)或角落導致一邊噴口受堵時，會造成彈體受力不均而產(chǎn)生激射。因此，在外殼上、下蓋造圓弧面，與彈軸斜45°開噴口，可以有效適應復雜環(huán)境地形。從理論上講，爆震聲響的產(chǎn)生與裝藥燃氣的急速釋放和擴散有直接關(guān)系，是一個氣固兩相流問題，因此噴口處的流量和流速越大，聲響也就越大，因此，噴口直徑并不是越大越好，因為泄爆面積大了，流量增大的同時流速卻小了，也不是越小越好，流速雖然提高了，流量卻小了。另外，噴口越多，越有利于光強的釋放。

4) 藥劑配方設計

結(jié)合國內(nèi)外研究資料，選擇3種閃光劑作為預選方案：① Mg粉和KClO3，此配方價格便宜，Mg粉作可燃物閃光強度高[6]；② Al粉和硝酸鍶，此配方為國外一款成熟彈藥配用的閃光劑，需配置一定的硼酸來調(diào)節(jié)pH值，閃光爆轟性能穩(wěn)定可靠[7]；③ Al粉和KClO4，這一配方是最新研究的成熟可用配方，其比例在4∶6時，發(fā)光強度最高，爆震效果最好。

通過對比，高氯酸鉀作為氧化劑具有安全性能好，熱穩(wěn)定性高，有效氧含量較高，吸濕性小，貯存穩(wěn)定等優(yōu)點[8]，而Al粉相對較其他金屬價格便宜，并通過藥劑試驗，Al粉和KClO4最適用該彈藥的要求。因此采用其最新的成熟配方：Al/KClO4為4∶6。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計

新型強光爆震彈采用雙層結(jié)構(gòu)，其聲光通過噴口泄出，爆炸時產(chǎn)生的超壓對聲光效應有較大的影響。本節(jié)采用仿真軟件分析內(nèi)殼材料厚度、噴口的數(shù)量和直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對聲光效應的影響，并對其進行優(yōu)化設計。

所設計的強光爆震彈內(nèi)殼內(nèi)徑即裝藥直徑為18 mm，高度為52 mm；外殼外徑為40 mm，外殼三段總長度為110 mm；噴口與軸向角度為45°，在上、下蓋上均勻分布。Al粉和KClO4的裝藥量為8 g。

2.1 內(nèi)殼的優(yōu)化

ABS內(nèi)殼是新型強光爆震彈的重要部件，通過優(yōu)化內(nèi)殼參數(shù)來提高聲壓級是可行的，本節(jié)主要研究內(nèi)殼厚度對彈藥超壓的影響，即在其他條件不變的情況下，研究噴口處峰值超壓隨厚度的變化情況。

通過爆炸仿真分析，得到不同內(nèi)殼厚度(厚度從1 mm間隔0.2 mm增加到4 mm)的彈體在同一噴口處的空氣單元超壓峰值，如圖2所示。從其中可知：在內(nèi)殼厚度為1～2 mm范圍內(nèi)，隨著厚度的增加，噴口處超壓峰值緩慢增加；在2～3 mm范圍內(nèi)，隨著內(nèi)殼厚度的增加，超壓峰值明顯增加；在3～4 mm范圍內(nèi)，噴口處超壓峰值基本恒定。這是由于，在1～2 mm范圍內(nèi)，內(nèi)殼強度很低，爆炸時泄壓過早，峰值超壓接近于沒有內(nèi)殼爆炸的超壓；當內(nèi)殼厚度增加到2～3 mm時，隨著內(nèi)殼強度的提高，內(nèi)殼泄壓越晚，峰值超壓越大；而當內(nèi)殼厚度達到3 mm以上時，內(nèi)殼強度足夠使所有藥劑燃燒完畢，已達到此藥量的最大壓強，因此增加厚度已不能使超壓再明顯增加。綜上，可以將內(nèi)殼厚度確定為3 mm，此時，單個噴口處峰值超壓達到1 MPa。

圖2 隨內(nèi)殼厚度變化的峰值超壓曲線

2.2 噴口的優(yōu)化

2.2.1噴口數(shù)量的優(yōu)化

其他參數(shù)不變，內(nèi)殼厚度取3 mm，噴口數(shù)量從2間隔2增加到12。同樣，按照2.1節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法，得到2～12個噴口所對應的峰值超壓如圖3所示。由此可知：隨著噴口數(shù)量的增多，總泄爆面積增大，單個噴口流量減少，會使得單個噴口峰值超壓減少。

圖3 隨噴口數(shù)量變化的峰值超壓曲線

在自由聲場中，當沒有外殼體存在時，爆炸峰值聲壓和峰值超壓的關(guān)系為[9-10]：

(1)

式中：Lp為峰值聲壓級；Ppeak為爆炸峰值超壓；P0一般為2×10-5Pa。

當有開孔外殼體存在時，爆震彈的聲源變?yōu)槎鄠€，主要是各噴口泄壓造成的聲音，類似于多個噪聲源，其總聲壓級為所有噴口的聲壓級之和[10]。

Lps=Lp0+10lg(n)

(2)

式中：Lps為總聲壓級；Lp0為單個噴口聲壓級；n為噴口個數(shù)。

根據(jù)超壓衰減公式，當開孔處1 mm為基準位置的總峰值聲壓級為Lp0時，則1.5 m處峰值聲壓級Lp可表示為[10]：

(3)

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)計算，2～12個噴口所對應的彈藥爆炸時的總聲壓級(單位dB)分別為：234.3 dB，231.3 dB，229.3 dB，227.6 dB，227.2 dB，226.1 dB?？梢钥闯?，總聲壓級隨著噴口數(shù)量的增加而略有減少。因此可將噴口數(shù)量適當增多，有利于增強光學刺激效應。但通過仿真可知：當噴口數(shù)量大于8個時，會有特別小的內(nèi)殼碎片飛出噴口的情況發(fā)生。這是由于隨著噴口數(shù)量的增多，碎片飛出的概率增加。因此將噴口數(shù)量確定為8個。

2.2.2噴口直徑的優(yōu)化

其他參數(shù)不變，內(nèi)殼厚度取3 mm，噴口數(shù)量取8個，為了便于實際加工，噴口直徑由3 mm間隔1 mm增加到6 mm，分別進行仿真。仿真表明：隨著噴口直徑增大，噴口的峰值超壓呈減少趨勢，但變化幅值較小。這是由于噴口直徑增大，泄爆面積增大，峰值超壓隨之減少。當噴口直徑為6 mm時，碎片飛出較多。為了保證外殼盡可能快地泄爆，將噴口直徑選取為5 mm。

優(yōu)化后的內(nèi)殼厚度為3 mm，上、下蓋的噴口數(shù)量為8個，噴口直徑為5 mm，此時，噴口處峰值超壓為0.98 MPa，換算到1.5 m處總聲壓級為149.8 dB，符合強光爆震彈戰(zhàn)技指標要求。

3 試驗與評估

依據(jù)彈藥設計方案制作了實彈。利用實彈分別開展結(jié)構(gòu)可靠性試驗和聲光威力試驗。通過試驗，驗證和評估所設計的安全型強光爆震彈的性能是否可靠安全，檢驗仿真優(yōu)化的結(jié)果是否符合實際。

3.1 結(jié)構(gòu)可靠性試驗

結(jié)構(gòu)可靠性測試重點考察彈藥結(jié)構(gòu)的可行性、爆炸后外殼體是否發(fā)生破裂以及復雜地形的適應性等。

為了觀測在不同地形情況下強光爆震彈是否會激射造成殺傷，選取不同地形來做結(jié)構(gòu)可靠性試驗。選擇以下兩種場地：① 開闊平地：地面平整空地，無障礙；② 室內(nèi)外角落：由于室內(nèi)爆炸會有一定的危險性，因此選取室外角落模擬室內(nèi)角落進行試驗。

為每個場地準備10枚彈藥，依次在兩個場地進行試驗，爆炸后彈體效果圖如圖4所示。試驗結(jié)果表明：① 所有彈藥爆炸正常，外殼體不發(fā)生破裂，外殼螺紋連接沒有失效，破片被滯留在彈體內(nèi)部。說明所設計彈藥結(jié)構(gòu)具有可行性，外殼體基本不發(fā)生變形，初步驗證了仿真的有效性及仿真參數(shù)的正確性。② 在角落爆炸的彈藥，彈體平均位移0.57 m，最大位移1.24 m，說明彈體不會因為投擲在角落等復雜地形，部分噴口受堵而激射造成殺傷。

圖4 爆炸后彈體效果圖

3.2 聲光威力試驗

通過試驗，測試所設計彈藥的聲光強度是否符合戰(zhàn)技指標要求。

在自由聲場中，當測出距離聲源L1(m)處的聲壓級Lp1(dB)時，可根據(jù)以下公式計算出距離聲源任意L2(m)處的聲壓級Lp2(dB)。

(4)

輻射光源的照度E和發(fā)光強度I的關(guān)系為：

I=E×R2

(5)

式中:E表示測量照度(lx)；I表示發(fā)光強度(cd)；R為測試距離(m)。

場地：試驗場地測試距離應滿足安全要求且場地平坦并為自由聲場。

氣象：無雨雪，溫度-10 ℃～50 ℃天氣，濕度應不大于75%。風速超過2.5 m/s時，需在聲傳感器上附加球形擋風罩后試驗。風速超過5.4 m/s時，不能進行試驗。

環(huán)境：噪聲應小于或等于60 dB。

在試驗場地，按圖5所示進行場地布置，依次拉發(fā)5枚試驗彈，采用的聲光威力測試系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)的收集和分析。

圖5 聲光測試系統(tǒng)布置示意圖

基于上述試驗，將收集5枚彈藥的聲強、光強進行處理，得到如表1所示。

表1 聲光強度測試數(shù)據(jù)

從表1中可以得到：強光爆震彈的平均閃光強度為1.57×107cd，處于3.0×106～5×107cd，滿足預期戰(zhàn)術(shù)指標場的要求，而5組試驗彈距離炸點1.5 m處的聲強最大值為154.4 dB，最小值為148.6 dB，平均聲強為151.7 dB，和仿真結(jié)果基本一致，說明了爆轟參數(shù)計算的正確性，該聲強處于140～160 dB，滿足預期戰(zhàn)術(shù)指標場的要求。

4 結(jié)論

為提高強光爆震彈的安全性，防止破片對有生目標造成過度傷害，本研究采用無破片彈體設計方案，選用開孔外殼和內(nèi)殼相結(jié)合的雙層腔體結(jié)構(gòu)，對新型強光爆震彈進行了結(jié)構(gòu)設計。利用仿真軟件分析了內(nèi)殼材料厚度、噴口的數(shù)量和直徑等對聲壓效應的影響，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。在此基礎上，加工樣彈并開展了結(jié)構(gòu)可靠性試驗和聲光威力試驗。試驗結(jié)果表明：彈藥爆炸時外殼體不發(fā)生破裂，破片被滯留在彈體內(nèi)部，不會產(chǎn)生殺傷性破片，并具有較好的復雜環(huán)境適應性；強光爆震彈的平均閃光強度為1.57×107cd，平均聲強為151.7 dB，滿足戰(zhàn)技指標要求。