一種低附帶彈藥金屬顆粒定向加載技術(shù)*

李俊承，樊壯卿，梁 斌，康建毅，高海鷹，陳 菁，盧永剛

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999； 2.第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400042))

現(xiàn)代戰(zhàn)爭格局下，局部沖突、城鎮(zhèn)戰(zhàn)斗、反恐維穩(wěn)往往發(fā)生在地形復(fù)雜、平民和設(shè)施密集的場所，這就需要在準(zhǔn)確擊中目標(biāo)的同時，還要將附帶毀傷控制在一定范圍內(nèi)。傳統(tǒng)殺爆彈藥爆炸后會產(chǎn)生大量金屬破片，破片的方向和距離無法控制，容易對目標(biāo)周圍其他人員造成較大的附帶毀傷，難以達(dá)成作戰(zhàn)目標(biāo)。低附帶彈藥就是在這種背景下逐步發(fā)展的一種精確打擊武器。低附帶彈藥以惰性重金屬顆粒與炸藥混合裝填，以碳纖維等輕質(zhì)復(fù)合材料作為殼體。惰性重金屬粉末降低了裝藥的裝填比，減弱了爆炸沖擊波的威力；碳纖維等輕質(zhì)殼體在爆轟波作用下破碎并充分燃燒，不產(chǎn)生致命性殺傷破片；惰性重金屬顆粒在近距離范圍內(nèi)具有較大的動能，但顆粒細(xì)、質(zhì)量小，并且其速度在空氣中以指數(shù)形式衰減；這些因素使低附帶彈藥在小范圍內(nèi)有較強(qiáng)的殺傷作用，而不會造成大范圍的附帶殺傷[1-2]。另外，對低附帶彈藥的主要打擊對象有生目標(biāo)而言，大量密集分布的金屬顆粒產(chǎn)生的毀傷效應(yīng)和致傷機(jī)理有別于傳統(tǒng)爆炸性武器，對損傷判定與救治也提出了新的要求，因此，需要建立一種能夠模擬不同威力效果的低附帶彈藥金屬顆粒加載方法進(jìn)行相關(guān)研究。

文獻(xiàn)[2-8]中低附帶彈藥顆粒拋撒實驗主要采用柱形裝藥外圍裝填鎢球顆粒。起爆后，金屬顆粒向四周高速飛散。這種靜爆方式裝藥量較大，金屬粉末方向不可控、重復(fù)性欠佳，且彈藥成本較高，難以滿足系統(tǒng)地進(jìn)行生物實驗研究的需要。有鑒于此，本文中設(shè)計一種小藥量爆炸定向拋撒金屬粉末群的裝置，并進(jìn)行不同尺寸鎢球顆粒與不同裝藥比條件的實驗研究。通過調(diào)整裝藥量控制顆粒拋撒速度，定向拋撒高速的重金屬粉末顆粒，以期便于快速重復(fù)實驗和威力參數(shù)測試，滿足低附帶彈藥的生物毀傷效應(yīng)、致傷機(jī)理、損傷判定與救治研究的需要。

1 發(fā)射裝置設(shè)計

根據(jù)霰彈槍發(fā)射金屬顆粒的原理，將小圓柱型藥柱放置在一端封閉的柱形管內(nèi)，金屬顆粒放置在開口端；裝藥起爆后，顆粒群在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下高速飛散出來。發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括4部分：底座、發(fā)射身管、端蓋、內(nèi)襯套。底座用于放置發(fā)射身管，兩邊有固定螺栓，起支撐與固定作用；發(fā)射身管開口處為90°廣角開口，內(nèi)部為腔狀藥室，放置內(nèi)襯套和裝藥，金屬顆粒和裝藥質(zhì)量可根據(jù)實驗需要進(jìn)行調(diào)整；端蓋起封閉藥室的作用，通過3個固定螺栓與發(fā)射身管連接固定，端蓋中心開有導(dǎo)線孔，引出起爆線；內(nèi)襯套可取出更換，內(nèi)部放置炸藥，在爆轟過程中可預(yù)防發(fā)射身管變形。

2 加載實驗

2.1 實驗設(shè)計

共進(jìn)行10發(fā)實驗，具體工況見表1，其中d為粒徑，m0為金屬顆?？傎|(zhì)量，ρ為藥柱密度，m為藥柱質(zhì)量，L為發(fā)射端口與靶標(biāo)之間的距離。實驗過程中采用的金屬顆粒為球形鎢合金顆粒，按直徑可分為5種(50～1 500 μm)；對同一直徑的顆粒，分別采用單倍(6.8 g)、雙倍質(zhì)量(13.6 g)的藥柱加載，藥柱為95%成分的黑索金；靶標(biāo)采用彈道實驗專用肥皂，其迎彈面為邊長2a=32 cm的正方形。

表1 實驗工況Table 1 Tungsten particles used in experiments

2.2 現(xiàn)場布置

實驗現(xiàn)場布置如圖2所示。肥皂的密度與肌體組織相當(dāng)，具有對溫度鈍感、瞬時毀傷形貌保留完全的特性，顆粒穿入后能夠有效固定侵徹孔徑、深度以及顆粒分布，便于彈道參數(shù)測量。高速攝影儀用于獲取顆粒速度；高速紅外攝影儀用于獲取發(fā)射體拋撒顆粒瞬間的溫度場以及顆粒拋撒姿態(tài)，溫度設(shè)定范圍為50～1 000 ℃；背景布以及標(biāo)尺作為顆粒飛散的軸向參考。

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗后肥皂靶統(tǒng)一編號回收，利用CT掃描對毀傷元加載后的靶標(biāo)進(jìn)行連續(xù)斷層掃描，獲取顆粒在肥皂靶不同深度平面分布的二維圖像。將二維灰度圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像軟件Mimics進(jìn)行三維重建，獲得顆粒群在肥皂靶中空間分布的三維圖像，對顆粒穿孔大小、侵徹深度、數(shù)量、顆粒分布等參數(shù)進(jìn)行量化統(tǒng)計分析。

高速攝影采集數(shù)據(jù)采用配套Phantom軟件進(jìn)行后處理，根據(jù)實驗中預(yù)設(shè)的標(biāo)尺，利用圖形追蹤功能計算顆粒速度。高速紅外數(shù)據(jù)采用儀器配套Altair軟件進(jìn)行后處理，該軟件具有圖形剪切、溫度識別、圖形追蹤、距離測定、區(qū)域溫度分析等功能。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 爆炸驅(qū)動顆粒過程

爆炸驅(qū)動顆粒過程中的高速紅外攝像和高速攝影圖像分別如圖3和圖4所示，圖像均來自第3發(fā)實驗(見表1)。紅外攝像拍攝幀頻為115 s-1，分辨率為640×512；高速攝影拍攝幀頻為10 000 s-1，分辨率為800×600。

由圖3可知，整個爆轟驅(qū)動過程可分為3個階段：第1階段(t<26 ms，)，起爆后裝置前端爆轟產(chǎn)物與部分顆粒同時噴出，顆粒在爆轟產(chǎn)物作用下處于加速狀態(tài)；第2階段(26 ms

圖4為高速攝影過程。通過高速攝影視頻慢放可以看出：當(dāng)t=0.1 ms時，爆轟產(chǎn)物前端出現(xiàn)沖擊波；t=0.2、0.3 ms時，爆轟產(chǎn)物與顆?；旌巷w散，此時顆粒與爆轟產(chǎn)物尚沒有完全分離；t=0.5 ms時，部分顆粒已經(jīng)與爆轟產(chǎn)物分離，進(jìn)入空氣中開始減速階段；此后，爆轟產(chǎn)物持續(xù)飛散膨脹直至消失，顆粒在空氣中不斷減速飛散。

3.2 發(fā)射定向性與顆粒速度分析

發(fā)射裝置開口端呈角度為90°的“喇叭口”形狀，顆粒隨爆轟產(chǎn)物高速從身管中飛出端口時，由于開口處身管變寬，壓力突然降低，部分顆粒隨爆轟產(chǎn)物沿“喇叭口”高速飛散，因此顆粒向上、下飛散角在90°以內(nèi)，大量顆粒集中向身管軸向方向飛散，如圖3(d)～(f)所示。通過對回收靶進(jìn)行影像分析獲得了鎢球顆粒的散布情況，如圖5所示。

圖5(a)為顆粒加載后肥皂靶形貌；圖5(b)為肥皂靶迎彈面CT掃描圖像，其中綠色亮點為鎢球顆粒；圖5(c)為肥皂靶加載鎢球顆粒后的三維重建圖像；圖5(d)為肥皂靶迎彈面方向所見的全部鎢球顆粒。由圖5可知，顆粒在靶標(biāo)內(nèi)迎彈面上分布均勻，在靶體內(nèi)密集度高、數(shù)量大。

以第3發(fā)實驗為例，對肥皂靶的CT圖像進(jìn)行像素識別和統(tǒng)計得到，顆粒實際上靶數(shù)量約為2 000。根據(jù)表1中鎢球顆粒參數(shù)計算可得，鎢球顆?？倲?shù)約6 300，即顆粒上靶率約為31.7%。

作為比較，采用柱形裝藥周圍裝填鎢球顆粒，并在相同距離上放置肥皂靶，如圖6所示。爆炸后顆粒向周向均勻飛散，顆粒上靶率Ptarget可以表示為：

(1)

取L=40 cm，2a=32 cm代入式(1)求得P=12.1%，遠(yuǎn)小于定向裝置的爆轟驅(qū)動上靶率。

通過對高速攝影數(shù)據(jù)得到了不同直徑顆粒的平均速度分布曲線，如圖7所示?？梢钥闯觯u球顆粒的平均速度隨炸藥/鎢球質(zhì)量比增大而升高，相同裝藥比時，大尺寸顆粒在空氣場中的平均速度更大。對比圖3和圖4兩組爆轟過程的時間歷程圖像，顆粒在飛散過程中有明顯的速度梯度。通過高速攝影對顆粒追蹤得出，顆粒群前端邊界速度為1 km/s左右。隨著爆轟產(chǎn)物消失，之后有少量高溫顆粒持續(xù)飛散，通過高速紅外對后段顆粒追蹤分析，發(fā)現(xiàn)顆粒速度未超過100 m/s。因此，前端高速顆粒對目標(biāo)侵徹起主要作用。

3.3 顆粒對靶標(biāo)侵徹分析

圖8給出了表1中所有工況下肥皂靶的CT掃描圖像。在Mimics軟件中對CT掃描圖像進(jìn)行剖切測量，得到不同直徑與裝藥量條件下顆粒對肥皂靶侵徹深度的統(tǒng)計結(jié)果，如表2所示，其中h為侵徹深度，P為特定侵徹深度區(qū)間內(nèi)顆粒數(shù)與總顆粒數(shù)之比，hmax為最大侵徹深度。

通過肥皂靶現(xiàn)場照片與三維重建模型對比，三維重建模型還原了肥皂靶的毀傷形態(tài)。對三維模型進(jìn)行不同方向剖切、測量、統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)爆轟驅(qū)動顆粒群對肥皂靶進(jìn)行毀傷具有以下特點：(1)同一靶標(biāo)中鎢球顆粒侵徹深度分散范圍大，顆粒直徑越大，顆粒侵深分布范圍越廣；(2)裝藥量相同時，較大尺寸顆粒穿透深度更大；顆粒尺寸相同時，裝藥量越大，顆粒穿透深度越大；(3)小顆粒燒結(jié)現(xiàn)象明顯，隨著顆粒直徑增大，顆粒分布均勻性更好；(4)由于顆粒密集度高，肥皂靶出現(xiàn)了大面積的侵徹空腔融合。

表2 不同直徑顆粒打擊肥皂靶的彈道參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Ballistic parameters of the soap target penetrated by particles with different diameters

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計的實驗裝置具有裝藥量小、單次實驗時間短、金屬顆粒/裝藥質(zhì)量配比可調(diào)、可重復(fù)使用的優(yōu)點，實現(xiàn)了爆轟驅(qū)動金屬顆粒群的定向可控拋撒，顆粒上靶率達(dá)到30%以上，高于常規(guī)爆轟方式。

(2) 采用高速攝影儀與高速紅外攝影儀進(jìn)行爆轟驅(qū)動顆粒拋撒姿態(tài)捕捉和顆粒群速度測試的方法可行；CT掃描和三維圖像重建不僅可直觀顯示顆粒在靶標(biāo)中的三維分布及靶標(biāo)毀傷形貌，而且有利于提高終點彈道參數(shù)實驗結(jié)果的分析精度。

(3) 相同裝藥配比條件下，大尺寸顆粒具有更高的動能和侵深，小尺寸顆粒則容易出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象；顆粒尺寸相同時，增加裝藥量可明顯提高顆粒速度與侵深。

以上結(jié)論能夠為研究低附帶彈藥的生物毀傷效應(yīng)、致傷機(jī)理、損傷判定與救治提供可行的技術(shù)手段與方法。

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