閃光爆震彈預(yù)控破片設(shè)計(jì)與飛散特性研究

畢曉燾

?

閃光爆震彈預(yù)控破片設(shè)計(jì)與飛散特性研究

畢曉燾

（武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)，陜西 西安，710086）

為提高閃光爆震彈使用中的安全性，解決爆炸破片質(zhì)量大、形狀不規(guī)則和邊緣鋒利等問(wèn)題。從破片形狀、刻槽位置、V-型刻槽深度和寬度、破片數(shù)量、破片質(zhì)量5個(gè)方面對(duì)閃光爆震彈進(jìn)行了彈體破片控制設(shè)計(jì)，建立了破片的分散運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)了Matlab軟件分析了預(yù)控破片的飛散特性。結(jié)果表明，破片飛散角在30～60°時(shí)殺傷性較強(qiáng)，預(yù)控破片結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)爆炸破片的有效控制，是實(shí)現(xiàn)非致命效應(yīng)的重要途徑。

閃光爆震彈；非致命；預(yù)控破片；飛散特性

閃光爆震彈是利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)閃光和巨大聲響使目標(biāo)暫時(shí)致聾致盲的一種非致命彈種[1]，在反恐、維穩(wěn)中發(fā)揮了重要的作用。然而，由于受到彈體形狀、材料性能、藥劑性能、裝填密度、裝填方式等多方面因素的影響，爆震彈爆炸后，存在破片體積不均、形狀不規(guī)則、飛散角度不規(guī)律的現(xiàn)象，這種非控破片直接影響到非致命效應(yīng)。為使爆炸破片滿足非致命指標(biāo)要求，在爆炸載荷一定的前提下，必須有效控制好破片的質(zhì)量、面積、形狀、飛散密度等，使非控破片變成可控破片。預(yù)控破片技術(shù)是達(dá)到這一目的的有效途徑，該技術(shù)是在彈藥彈體上進(jìn)行預(yù)刻槽或預(yù)制切口操作，通過(guò)這種設(shè)計(jì)，使彈藥爆炸后，利用應(yīng)力集中讓彈體按照人們的意愿炸裂，產(chǎn)生質(zhì)量、大小都較為均勻的破片，克服破片邊緣不整齊、鋒利的問(wèn)題，從而達(dá)到控制破片的目的，使破片達(dá)到最佳效果。這種方法操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，比較經(jīng)濟(jì)。本研究設(shè)計(jì)了閃光爆震彈彈體的半預(yù)制破片結(jié)構(gòu)，并對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析與仿真研究。

1 閃光爆震彈預(yù)控破片設(shè)計(jì)

1.1 破片形狀設(shè)計(jì)

閃光爆震彈彈體為ABS塑料材質(zhì)，相比鋼質(zhì)材料，強(qiáng)度和硬度要小得多，為滿足刻槽精度要求，在上面進(jìn)行機(jī)械加工的難度較大，對(duì)設(shè)備工具要求較高；閃光爆震彈彈體尺寸較小、壁厚較薄，刻槽加工時(shí)控制性較差，不適合進(jìn)行復(fù)雜加工；另外，閃光爆震彈破片形狀主要影響其在空氣中的速度衰減、能量傳遞和終點(diǎn)效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，球形、柱形破片在空氣中所受阻力小，速度衰減慢，存速高，作用在目標(biāo)身上能量傳遞多，穿透性強(qiáng)，終點(diǎn)效應(yīng)明顯；方形、三角形破片在空氣中所受阻力大，速度衰減快，存速小，作用在目標(biāo)身上能量就少，穿透性差，終點(diǎn)效應(yīng)不明顯[2]。

綜合考慮閃光爆震彈彈體的實(shí)際情況與飛散破片的非致命效應(yīng)，圓形或多邊形等復(fù)雜形狀破片設(shè)計(jì)不易實(shí)現(xiàn)，而采用方形破片設(shè)計(jì)，即易于加工操作又能保證最低的致傷效應(yīng)。

1.2 刻槽位置設(shè)計(jì)

刻槽位置主要分為彈體內(nèi)部刻槽與彈體外部刻槽兩種方案，當(dāng)彈體受力膨脹時(shí)，外表面受拉應(yīng)力作用，內(nèi)表面受壓應(yīng)力作用。若采用外部刻槽方案，溝槽處受拉應(yīng)力；采用內(nèi)部刻槽方案，溝槽處受壓應(yīng)力。根據(jù)線彈性斷裂理論，引入斷裂韌性K，表示溝槽斷裂應(yīng)力大小。對(duì)于V型槽，屬?gòu)堥_(kāi)型裂紋。斷裂韌性：

設(shè)裂紋破裂時(shí)應(yīng)力σ為抗拉應(yīng)力σ的63%[3]，ABS彈體抗拉應(yīng)力σ=29MPa，則σ=18.27MPa。溝槽處受壓應(yīng)力時(shí)，抗壓應(yīng)力σ近似為σ=(1.7~2.0) σ，取σ=1.8σ，則σ=32.886MPa，帶入公式（1）得：

可見(jiàn)，從理論上分析，內(nèi)刻槽要比外刻槽所需的斷裂應(yīng)力大，即外刻槽彈體碎裂性要好于內(nèi)刻槽形式。

1.3 刻槽深度與寬度設(shè)計(jì)

刻槽深度對(duì)破片生成率、彈體自身強(qiáng)度起著重要的影響作用。預(yù)刻槽彈體破碎性好壞與彈體強(qiáng)度大小相互制約，這既關(guān)系到破片形成效果又影響閃光爆震彈儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)仁芡饨鐩_擊力時(shí)的承載能力。刻槽深度越大，應(yīng)力集中效果越好，破片越容易形成，但刻槽處彈體厚度越薄，抗沖擊性能越差；相反刻槽深度越小，越容易形成連體破片，但彈體抗外界沖擊性能越好，儲(chǔ)存、運(yùn)輸中的安全性越高。

參考文獻(xiàn)[4-6]，在同等爆炸載荷作用下，設(shè)刻槽寬度一定時(shí)，刻槽深度與彈體壁厚之比=1/10時(shí)，有效破片生成率為60%；=1/5~7/10時(shí)，有效破片生成率為94%；=4/5~9/10時(shí)，有效破片生成率達(dá)到100%，其中，=1/3時(shí)，破片的破碎效果最好。設(shè)刻槽深度一定，刻槽寬度與刻槽深度之比＜1/10時(shí)，有效破片生成率為94.8%；≥1/10時(shí)，有效破片生成率均達(dá)到100%，其中，=1/2時(shí)，有效破片基數(shù)為最大值。由此可見(jiàn)，刻槽深度和寬度參數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，彈體斷裂強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到極值，其它參數(shù)對(duì)有效破片生成率已經(jīng)沒(méi)有太大影響。因此，從彈體強(qiáng)度角度考慮，在滿足100%破片生成率的前提下，刻槽深度與寬度尺寸越小越好。閃光爆震彈彈體厚度為3mm，為便于加工，取=1/3、=1/2設(shè)計(jì)刻槽深度與寬度，即刻槽深度為1mm，寬度為1mm。

1.4 破片質(zhì)量設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)對(duì)破片殺傷威力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，破片擊中皮膚所致傷情可分5級(jí)。其中，3級(jí)損傷的比動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)為12J/cm2，可使破片穿透表皮層至真皮的淺層深約5~10mm處[7]，故要求非致命破片不得造成3級(jí)及以上的損傷。通常認(rèn)為破片擦傷皮膚的最小比動(dòng)能為9.8J/cm2，即根據(jù)比動(dòng)能計(jì)算公式：

以此為依據(jù)，對(duì)閃光爆震彈預(yù)控破片的質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。閃光爆震彈破片理論初速度為137.6m/s[1]，設(shè)破片質(zhì)量為1.0g，計(jì)算半預(yù)制破片面積=2.7×10-4m2。假設(shè)破片迎風(fēng)面積等效為破片面積，將0=137.6 m/s 、=1.0g、=2.7×10-4m2代入公式（2），計(jì)算得比動(dòng)能=3.857J/cm2＜9.8J/cm2，符合破片非致命效應(yīng)的比動(dòng)能判據(jù)要求。

1.5 破片數(shù)量設(shè)計(jì)

破片總數(shù)量由周向和軸向刻槽共同決定，已知單個(gè)破片質(zhì)量和破片面積，則破片總數(shù)的理論計(jì)算公式為：

式（3）中：=18.5mm，為彈體半徑；=95mm，為彈體高度；=2.7×10-4m2，為破片面積，代入公式（3）得=40.8。在實(shí)際刻槽加工時(shí)，為滿足良好的破片陣列，設(shè)計(jì)半預(yù)制破片總數(shù)為36，即軸向和周向刻槽數(shù)均為6。設(shè)計(jì)好的閃光爆震彈半預(yù)制破片實(shí)物效果如圖1。

(a) 內(nèi)刻槽 （b） 外刻槽

圖1 預(yù)控破片刻槽位置模型圖

Fig.1 Cavity model of premade fragments

2 預(yù)控破片飛散運(yùn)動(dòng)仿真分析

對(duì)于閃光爆震彈而言，破片作為重要的殺傷元素，它的飛散特性同破片的數(shù)量、質(zhì)量及速度一樣非常重要，它直接影響到破片密度的大小，從而關(guān)系到使用時(shí)對(duì)人員的殺傷概率問(wèn)題。通過(guò)對(duì)預(yù)控破片的仿真分析，得出破片的空間飛行特性，對(duì)分析破片殺傷效應(yīng)具有重要意義[8]。

2.1 破片飛散運(yùn)動(dòng)分析

爆炸破片在空氣中的飛散運(yùn)動(dòng)主要受到重力和空氣阻力作用。為研究方便，視破片為質(zhì)點(diǎn)，所受重力的加速度取常數(shù)g=9.8kg/m2，所受空氣阻力相同，經(jīng)查表得方形阻力系數(shù)C=1.24。

建立空間直角坐標(biāo)系，如圖2所示，彈藥于空間某點(diǎn)靜態(tài)放置，彈藥縱軸與軸平行。將彈藥看作質(zhì)點(diǎn)，不考慮爆炸破片初速隨角度變化，認(rèn)為破片都具有相同的初速0。圖2中，0為破片初速；為破片飛散方向角；為破片飛散方位角。則由圖2可以分析出破片初速矢量在坐標(biāo)軸上的分量為：

隨著人民生活水平的提高和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求也在不斷增長(zhǎng)。面對(duì)有限的水資源，如何保證人們的需求不受影響是問(wèn)題的關(guān)鍵。水利工程是精確地控制和分配天然地表水和地下水，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。對(duì)于水利工程來(lái)說(shuō)，技術(shù)是發(fā)展的核心。只有科學(xué)的設(shè)計(jì)理念和完善的工作流程，才能保證水利工程的順利發(fā)展。簡(jiǎn)述了我國(guó)水利工程存在的問(wèn)題，闡述了科學(xué)設(shè)計(jì)的理念和發(fā)展前景。

其中，令破片初速在豎直方向上的分速度為v0、水平方向上的分速度為v0，則v0=y0，。

圖2 破片初速矢量圖

2.2 破片運(yùn)動(dòng)模型

將破片在空氣中的運(yùn)動(dòng)分解為水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，仿真中假設(shè)破片水平方向上僅受空氣阻力作用，豎直方向上同時(shí)受空氣阻力和重力作用。由牛頓第二定律可知：

式（4）中：v為某時(shí)刻破片水平運(yùn)動(dòng)速度；v為某時(shí)刻破片垂直運(yùn)動(dòng)速度，阻=2，，為破片運(yùn)動(dòng)衰減系數(shù)，則將C=1.24、=1.225kg/m3、=1.0g、=2.7×10-4m2代入，計(jì)算=0.195 3。

設(shè)彈藥于地面坐標(biāo)系某點(diǎn)靜爆，其坐標(biāo)為(000)，爆炸經(jīng)過(guò)時(shí)間后，破片的坐標(biāo)變?yōu)?xyz)。通過(guò)解上述微分方程，得到破片運(yùn)動(dòng)軌跡方程。

2.2.1垂直方向

爆炸后，垂直方向運(yùn)動(dòng)的破片可分為兩種情況：首先向上飛散，然后下降的情況；直接向下飛散的情況。

（1）先上升后下降的破片

上升過(guò)程運(yùn)動(dòng)軌跡在軸的投影y關(guān)于時(shí)間的函數(shù)：

2.2.2 水平方向

式（5）中：max為破片向上飛散的最大距離；1為破片向上運(yùn)動(dòng)到最大距離所需時(shí)間。

2.3 模型計(jì)算與結(jié)果分析

本文主要分析研究閃光爆震彈預(yù)控破片結(jié)構(gòu)靜爆后，破片的飛散特性和運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)之前對(duì)該彈藥的試驗(yàn)研究[1]可知，其爆炸破片的飛散角平均約為30°，為方便研究，對(duì)破片的飛散方向角進(jìn)行6等分，同時(shí)假設(shè)周向破片皆均勻炸開(kāi)，故對(duì)破片飛散方位角進(jìn)行6等分，這樣就得到能夠表征全部36個(gè)（φ，ω）預(yù)控破片的飛散特性。其中：

設(shè)閃光爆震彈的起爆點(diǎn)坐標(biāo)（000）=(5 5 5) ，將破片初速0=137.6m/s、衰減系數(shù)=0.195 3帶入上述模型，用Matlab編程求解得到爆炸破片的空間飛散軌跡，如圖3所示。其中，Y為垂直高度坐標(biāo)軸，X和Z為水平坐標(biāo)軸，虛線為每個(gè)破片的飛行散點(diǎn)軌跡。

分析圖3可知，破片落點(diǎn)基本為一個(gè)以起爆點(diǎn)為中點(diǎn)的扇形，90%破片散落半徑在30m范圍內(nèi)，其中，軸方向最遠(yuǎn)距離為28.882 3m、軸方向最遠(yuǎn)距離27.550 5m、Z軸方向最遠(yuǎn)距離29.085 8m，減去起爆點(diǎn)坐標(biāo)值，即平均飛散距離約23m。

圖3 破片空間飛散運(yùn)動(dòng)散點(diǎn)軌跡三維圖

所謂靜態(tài)飛散角，通常指彈藥?kù)o止?fàn)顟B(tài)下爆炸時(shí)破片的飛散區(qū)域，不同的飛散角必然影響不同的破片運(yùn)動(dòng)軌跡，在初始條件相同的條件下，分別取分散角為15°、30°、45°和60°，對(duì)比破片在各個(gè)坐標(biāo)軸上的軌跡投影，得到圖4，且不同飛散角對(duì)應(yīng)破片運(yùn)動(dòng)軌跡在各坐標(biāo)軸上的最大值如表1所示。

表1 不同飛散角對(duì)應(yīng)破片落點(diǎn)最大值 (m)

Tab.1 The maximum placement of fragments corresponding to different scattering angles

圖4（a）顯示為水平面上X軸方向的破片飛散軌跡，該方向上破片飛散角越小，破片飛行距離越大、破片速度越高、速度衰減地越慢，即對(duì)人員的殺傷威脅越大。其中，飛散角為15°時(shí)，破片飛散距離最大為25.517 1m，3m處破片速度為294.471 8m/s，5m處破片速度為213.927 3m/s。

圖4（b）顯示為垂直方向的破片飛散軌跡，飛散角為60°時(shí)破片飛散的高度最大為22.128 1m，飛散角越小飛散高度越低、飛散距離越小。

圖4（c）顯示為水平面上Z軸方向的破片飛散軌跡，該方向上破片飛散角越大，破片飛行距離越大、破片速度越高、速度衰減越慢，對(duì)人員的威脅性越大。其中，飛散角為60°時(shí)破片飛散水平距離最大為24.826 0m，飛散角為15°時(shí)僅7.630 9m。

圖4 不同飛散角對(duì)應(yīng)破片在坐標(biāo)軸上的投影

對(duì)投影圖的進(jìn)一步分析可得出破片側(cè)向、縱向邊界和破片飛散密度，從仿真結(jié)果看出，預(yù)控破片結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸破片起到了很好的控制作用，使破片在空中的飛散運(yùn)動(dòng)分布更加均勻可控，證明此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于防暴彈藥前景可觀。但是從結(jié)果分析，破片飛散角在30～60°時(shí)殺傷性較強(qiáng)。從爆炸破片的動(dòng)能殺傷標(biāo)準(zhǔn)判斷，試驗(yàn)顯示飛散角為30°時(shí)，破片在1m處的瞬時(shí)速度為513.16m/s[1]，通常認(rèn)為破片殺傷性的動(dòng)能非致命指標(biāo)為79J，由動(dòng)能計(jì)算公式：

則爆炸破片質(zhì)量：

將=513.16m/s代入公式（7）得爆炸破片質(zhì)量≤0.6g。即設(shè)爆炸破片的安全半徑為1m時(shí)，要求所設(shè)計(jì)的閃光爆震彈預(yù)控破片質(zhì)量小于等于0.6g。

3 結(jié)論

本文通過(guò)模型計(jì)算和仿真分析，討論了預(yù)控破片結(jié)構(gòu)的參數(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)方案。作為一種研究方法，運(yùn)用Matlab軟件仿真了預(yù)控破片在空中的飛散運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）作為一種有效控制破片的方法，預(yù)控破片結(jié)構(gòu)應(yīng)用于非致命防暴彈藥具有很可觀的前景，對(duì)有效控制和減弱破片殺傷威力具有重要意義。

（2）從仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)控破片結(jié)構(gòu)的閃光爆震彈很好地控制了爆炸破片的飛散效果，設(shè)計(jì)的破片爆炸威力達(dá)到理想的指標(biāo)。從非致命動(dòng)能指標(biāo)分析安全半徑小于1m時(shí)，破片質(zhì)量應(yīng)設(shè)計(jì)為小于等于0.6g。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭三學(xué).爆震彈破片非致命效應(yīng)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2014(3):75-78．

[2] 戴瑞輝,黃超會(huì).預(yù)制破片彈殺傷面積的計(jì)算[J].兵工學(xué)報(bào)，1998,19(4):365-367．

[3] 段維勛.爆炸性武器致胸部損傷機(jī)制[J].中國(guó)急救醫(yī)學(xué)，2002,22(6):362-365．

[4] 趙捍東,金麗,翟玉蘭,等.預(yù)制破片殺傷威力影響因素分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2007,27(2):150-151.

[5] 吳成,倪艷光,張渝霞.內(nèi)刻V型槽半預(yù)制破片戰(zhàn)斗部彈體的斷裂準(zhǔn)則[J].北京理工大學(xué),2008,27(7):569-572.

[6] 戴瑞輝,黃超會(huì).預(yù)制破片彈殺傷面積的計(jì)算[J].兵工學(xué)報(bào)，1998,19(4):365-367.

[7] 彭正午.刻槽參數(shù)對(duì)預(yù)控破片戰(zhàn)斗部殺傷威力的影響[D].南京:南京理工大學(xué),2013．

[8] 楊超,劉生發(fā),侯日立,等.預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2010,27(3):8-11.

Research on the Design and Dispersion Simulation of Half-premade Fragments of High-explosive Flashing Grenade

BI Xiao-tao

(College of Equipment Engineering，Engineering University of CAPF，Xi’an，710086)

For eliminating potential safety hazard of flashing stun grenade, and solving such problems as large mass, irregular shape and sharp edges, this paper conducts body fragments control design, which includes the design of shape, mass, quantity and V-shaped cavity parameter of premade fragments, by adopting premade fragments technology into body structure. Through establishing dispersion motion model, the dispersion feature of premade fragmentsMatlab software was analyzed. Results show that flying premade fragments have strong killing abilities between 30 to 60 degree angle, and flash high-explosive ammunition with half premade fragmented structure can effectively control the explosion fragments, which is an important way to realize non-lethal effect.

Flashing stun grenade；Non-lethal；Half-premade fragments；Dispersion feature

1003-1480（2016）04-0017-05

TQ567.9

A

2016-04-11

畢曉燾(1992- )，男，在讀碩士研究生，從事非致命武器研究。

國(guó)家社科基金軍事學(xué)項(xiàng)目（13GJ003-242）。