可變形小口徑槍彈侵徹肥皂試驗(yàn)

梁化鵬，沈培輝，劉鐵磊

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)

致傷效應(yīng)試驗(yàn)是開展創(chuàng)傷彈道學(xué)研究的重要方法之一。通過進(jìn)行彈丸射擊生物或者其模擬物(如明膠、肥皂等)的試驗(yàn)，研究彈丸對(duì)人員的殺傷效應(yīng)和致傷機(jī)理，為武器設(shè)計(jì)提供有力基礎(chǔ)。彈丸進(jìn)入生物組織后，會(huì)形成瞬間空腔從而對(duì)生物的肌肉組織及器官造成損傷，由于彈丸射擊生物試驗(yàn)成本較大，因此通常采用非生物試驗(yàn)法進(jìn)行相關(guān)研究，通過獲取模擬物的破壞情況，判定武器彈藥的毀傷能力。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)彈丸射擊生物模擬物進(jìn)行了大量研究，Janzon B等[1]使用AK4和M16A1兩種步槍射擊動(dòng)物組織和軟肥皂進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明軟肥皂可以有效的代替生物組織進(jìn)行彈丸的毀傷研究；陳菁等[2]采用肥皂作為非生物靶模擬生物機(jī)體組織，研究了投射物侵徹機(jī)體時(shí)瞬時(shí)創(chuàng)傷面的溫度變化規(guī)律；陳萍等[3]為研究高速鋼球?qū)θ梭w組織的損傷效應(yīng)，使用肥皂為人體模擬物，進(jìn)行了φ3.0 mm鋼球的撞擊試驗(yàn)，得到了鋼球撞擊肥皂的損傷規(guī)律。

近幾年，隨著對(duì)槍彈結(jié)構(gòu)研究的深入，很多學(xué)者對(duì)低侵徹槍彈進(jìn)行了相關(guān)研究，但大多局限在仿真或者理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)其相關(guān)的試驗(yàn)研究少之又少。文獻(xiàn)[4]在傳統(tǒng)5.8 mm槍彈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了矩形槽開花彈，并與制式彈進(jìn)行了侵徹水箱的對(duì)比試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了開花彈的低侵徹性能，但試驗(yàn)結(jié)果并不直觀。本文通過進(jìn)行開花彈與制式彈侵徹肥皂靶的試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了開花彈的低侵徹及毀傷特性。

1 彈丸的低侵徹性

彈丸撞擊目標(biāo)介質(zhì)后受到的侵徹阻力主要與彈體速度，彈頭形狀和目標(biāo)的性質(zhì)有關(guān)。彈丸侵徹軟介質(zhì)時(shí)彈頭形狀影響著彈體與軟介質(zhì)的有效接觸面積，有效接觸面積越大，彈體受到的侵徹阻力越大。

子彈在軟介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到的阻力大小為[5]：

其中：ρ、m、F、S、v、a、σY分別表示介質(zhì)密度、彈丸質(zhì)量、所受阻力、彈丸與介質(zhì)的有效接觸面積、速度、加速度和介質(zhì)的剪切屈服強(qiáng)度；c1、c2為常數(shù)。

從式中可以看出，彈體受到的阻力主要與彈丸的速度v和彈體與介質(zhì)的有效接觸面積S有關(guān)。在彈丸的速度v一定時(shí)，彈體與介質(zhì)的有效接觸面積越大，彈丸受到的阻力F越大。傳統(tǒng)的制式彈撞擊目標(biāo)介質(zhì)后，在侵徹阻力作用下，彈體變形較小，存速能力強(qiáng)，彈丸會(huì)直接穿透介質(zhì)。本文設(shè)計(jì)的開花彈撞擊目標(biāo)后彈丸頭部會(huì)沿凹槽處發(fā)生開裂，形成花瓣?duì)畹亩螐楊^，增大了彈丸與目標(biāo)介質(zhì)的有效接觸面積(約為2倍)，達(dá)到增大侵徹阻力，實(shí)現(xiàn)彈丸低侵徹特性的目的。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)中采用肥皂介質(zhì)模擬生物組織。因?yàn)榉试砭哂信c生物肌肉組織相似的力學(xué)性能，且試驗(yàn)成本較低，試驗(yàn)結(jié)果較直觀。以5.8 mm彈道槍作為發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行彈體侵徹肥皂試驗(yàn)，肥皂靶直徑為46 mm，長度為82 mm，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。試驗(yàn)用開花彈如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

彈丸撞擊肥皂靶試驗(yàn)結(jié)果如圖3，圖3(a)為制式彈撞擊肥皂靶，從圖中可以看出，制式彈將肥皂靶擊穿，入射面彈坑較小，約為7.2 mm，彈丸穿透肥皂靶，靶背面彈坑也不大，約為6.8 mm，形成入口，出口都較小的喇叭狀彈孔。圖3(b)為開花彈撞擊肥皂靶，從圖中可以看出，開花彈撞擊肥皂靶后未擊穿，侵徹深度為382 mm，入射面彈坑較制式彈大，約為11.6 mm。

圖4表示了兩種彈丸撞擊肥皂靶的彈道。從圖中可以看出，制式彈撞擊肥皂靶后，肥皂靶內(nèi)破壞較小，彈道最大空腔直徑為15.7 mm；開花彈撞擊肥皂靶后，肥皂靶內(nèi)破壞程度較大，彈道最大空腔直徑達(dá)到26.9 mm?？梢?，開花彈將更多的能量傳遞到介質(zhì)中，對(duì)介質(zhì)造成更大的破壞，因此，彈丸的侵徹能力大大降低。

圖5為開花彈撞擊肥皂靶后的彈丸殘?bào)w，開花彈撞擊肥皂靶后，彈丸頭部開裂成花瓣?duì)?，彈體最大橫截面直徑為12.76 mm。由于制式彈將肥皂靶穿透故未能收集到彈丸殘?bào)w。從圖中可以看出，開花彈撞擊肥皂靶后，由于彈丸頭部開有矩形凹槽，彈丸撞擊目標(biāo)后，彈丸除了受到彈體軸向的侵徹阻力外，目標(biāo)介質(zhì)進(jìn)入彈頭凹槽內(nèi)，還受到來自凹槽內(nèi)介質(zhì)的徑向拉應(yīng)力，并在彈頭矩形槽邊界處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到彈體材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，彈丸頭部會(huì)沿矩形槽的軸向邊界發(fā)生拉裂，彈頭開裂的部分在侵徹阻力作用下向后外翻，最終形成花瓣?duì)畹亩螐楊^。由于形成的二次彈頭使彈丸與目標(biāo)介質(zhì)的有效接觸面積增大，使彈丸受到的侵徹阻力也增大，使目標(biāo)介質(zhì)的破壞程度也大大增加，因此，開花彈較制式彈撞擊肥皂時(shí)的侵徹深度更低，對(duì)靶板的破壞程度更大。

4 結(jié)論

對(duì)開花彈和制式彈進(jìn)行了侵徹肥皂靶的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：制式彈穿透肥皂靶，入射彈坑和射出彈坑都較小，肥皂靶內(nèi)部破壞較小，彈道最大空腔直徑為15.7 mm；開花彈未穿透肥皂靶，侵徹深度為382 mm，入射彈坑更大，靶板內(nèi)部破壞程度大，彈道最大空腔直徑達(dá)26.9 mm，開花彈撞擊靶板后彈頭開裂成花瓣?duì)?，彈體最大橫截面直徑為12.76 mm，為彈體直徑的2.2倍，增大了彈丸與介質(zhì)的有效接觸面積，進(jìn)而增大了侵徹阻力，使彈體將更多的能量傳遞到介質(zhì)中，對(duì)肥皂靶的破壞程度更大，試驗(yàn)表明開花彈具有良好的低侵徹性能和高毀傷能力。

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[1] JANZON B.Soft soap as a tissue simulant medium for wound ballistic studies investigated by comparative firings with assault rifles AK4 and M16A1 into live,anesthetized animals[J].Acta chirurgica Scandinavica.Supplementum.1981.508:79-88.

[2] 陳菁,李兵倉,王建民.紅外熱像儀用于高速投射物致傷局部溫度變化的研究[J].激光與紅外,2001,31(1):39-41.

[3] 陳萍,柳森,李毅,等.鋼球?qū)Ψ试戆械淖矒粼囼?yàn)[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2014,28(4):94-98.

[4] 梁化鵬，沈培輝，薛建鋒，等.可變形小口徑槍彈的侵徹特性研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(12):64-67.

[5] YOO Y H,YANG D Y.Finite element modeling of the high-velocity impact forging process by the explicit time integration method [J].Journal of Materials Technology,1997,63:718-723.