防暴弹破片设计及非杀伤效应研究

商保利 骆博 张舒瑜

摘 要：为了保证非致命弹药的使用安全，改善破片的非杀伤能力，以较为常用的警用非致命弹药防暴弹为研究对象，建立了破片运动的数学模型，并通过分析对比不同材料的属性初步拟定材料的预选方案，最终通过实验进行验证。研究结果表明：PA66破片的非杀伤性能最好， ABS自然破片的打击性能最大。根据研究结果初步选定PA66为壳体的预选材料。

关键词：防暴弹；破片；非杀伤效应

防暴弹打击主要靠动能冲击波以及弹体产生的破片效应。防暴弹特定的使用时机和使用场合要求弹体产生的破片对人员应具有最低的杀伤能力。在弹丸装药一定的条件下，影响破片的形状、质量以及威力的关键因素就是弹体材料的性能。目前，高性能塑料已广泛应用于手榴弹及警用非致命弹药中，在不降低弹丸综合性能的前提下，使用塑料材料，可以大幅度减轻弹丸重量，并且有望将塑料破片对人的创伤能力降至最低，使其满足战技术要求。

1 材料选择

1.1 弹体破碎性能对材料性能的要求

在弹丸装药一定的条件下，破片对人的创伤能力主要与破片的速度、质量和形状有关。为了减弱破片的致伤能力，使破片达到非杀伤要求，则弹体材料应具有良好的破碎性能。材料的破碎性能与其内部结构和断裂方式密切相关。高聚物的断裂形式主要为脆性断裂与韧性断裂。对自然破片发生脆性断裂时，弹体破碎性好于韧性断裂，但塑料弹体在高冲击载荷作用下，一般也表现为脆性断裂，另外，采用预控破片结构时，由于弹体材料对应力集中的敏感性不同，也会引起脆韧转变。脆性断裂一般由拉伸应力引起，不存在剪切屈服，因此破碎性能要优于韧性材料，但到底选用什么样的材料需要最终通过试验确定。

1.2 弹体材料的初步选择

根据上述选材原则和选择途径，兼顾防暴弹对弹体材料性能的要求，选择了六种使用比较广泛的塑料材料，分别为ABS、PVC、PE、PA66、PC、POM，对这六种材料应用统计数量化综合法进行筛选，详见表一。

表1几种材料的统计数量化综合表

性能 ABS PE PVC PA66 PC POM

表1表明，ABS、PVC以及PA66的综合性能最佳，所以初步选取通用热塑性材料ABS、PVC以及通用工程塑料PA66做为试验用的弹体材料。其中ABS的综合性能最佳，且为目前使用的防暴弹弹体材料。为了改善ABS弹体的破碎性，我们考虑对其进行改性，由于玻纤增强ABS的脆性增加，弹体破碎性应该得以改善，故增加选择了15%和30%玻纤增强ABS复合材料进行比较分析。

2 数学模型

壳体破碎瞬间的膨胀速度称破片初速度。壳体破碎后形成破片，在爆轰产物作用下将继续加速，直到破片运动所受到的空气阻力与爆轰产物给予的推力相平衡时，破片速度达到最大值。之后，破片飞散速度随着飞行距离的增加而逐渐衰减。破片的初速与破片形成前壳体变形速度密切相关，另外，在弹体上各处，由于变形速度的差别，以及爆轰产物压力作用程度上的差别，致使每个破片的初速各不相同。因此，我们所说的初速，严格说来，只是一个概略的平均值。

对于军用弹药产生的金属破片，从动能角度出发，已建立了关于破片初速的理论表达式。迄今为止，大多数的定律和公式都是从动能基本表达式推导出来的。下面运用能量守恒条件推导破片的初速，参考Gurney能量法所做的假设，假设闪光剂瞬时爆炸，并不考虑爆炸产物沿轴向的飞散；壳体为等壁厚；爆炸后形成的破片速度相等；忽略反应区后产生的稀疏波的影响。并设：

Ec——破片动能；Es——反应释放的光能；

Em——壳体材料破坏能；Eg——爆炸产物动能；

Ee——爆炸产物内能；Ei——壳体传给周围空气的能量；

Eh——闪光剂爆炸释放的总能量。

根据能量守恒定律可得：

Eh=Em+Eg+Ee+Ec+Ei+Es （1）

闪光剂燃烧爆炸释放的总能量 根据最小自由能方法计算结果建立的反应机理模型计算。

破片动能 。设共有N块破片，总质量为M，由假设得

（2）

闪光剂燃烧爆炸释放的光能 可以计算得到。

爆炸产物的动能Eg。爆炸产物的动能可以看作为爆炸产物的虚拟质量 以破片初速 运动时的动能，即

（3）

m为弹体装药质量。

爆炸产物的内能Ee。爆炸产物在壳体破裂瞬间具有的内能，等于爆炸产物从破裂处开始膨胀到无穷远处做的功。

壳体膨胀传给空气的能量，也就是空气介质吸收的能量占总能量的1%以下，壳体破坏能占总能量的1%左右，故均可忽略，将公式（2）和公式（3）以及光能、反应总能量和气体内能代入公式（1）中，则公式（1）可简化为：

可解得

（4）

根据质量守恒定律，气体产物的质量等于闪光剂质量减去凝聚相产物的质量，即m0=m-n1M1

n1——凝聚相产物摩尔数；

M1——凝聚相产物分子量；

m——装药量。

按公式（4）计算得，破片初速 。

3 实验验证

3.1 试验方案

本试验分两部分进行，第一部分采用泡沫塑料和肥皂（一般要求用作模拟材料的肥皂为制皂厂未经干燥处理的大块肥皂，其密度与人体非常接近，这里所采用的肥皂为市售普通肥皂，其密度大于人体密度）作为非生物模拟材料，对不同弹体材料及预控破片的声光弹在不同距离上对人体的创伤能力进行初步筛选，评选出创伤能力较差的几种方案。

第二部分对筛选结果根据非杀伤判据的要求进行评定，靶标采用牛皮纸，经测定穿透（将透未透）3层300g的牛皮纸所需的比动能为10.2J/cm2，这与穿透皮肤的最小比动能9.8J/cm2基本一致，故采用牛皮纸对筛选出来的方案进行非杀伤效应评判，以得出最佳方案。

3.2 试验结果

试验结果如图1所示。结果为2次试验的平均值。泡沫板尺寸为1000×500×40mm，肥皂尺寸为145×60×25mm，且肥皂均固定在离弹0.5m距离上。

（a）

（b）

图1破片对泡沫塑料的侵彻效果

自然破片中，ABS破片的侵彻能力最强，PA66和30%玻纤增强ABS破片的侵彻能力最弱。对穿孔尺寸的测量结果表明，在1.5m距离上，ABS破片对泡沫塑料的最大穿孔为尺寸12×30mm的矩形，PVC破片穿孔直径为24mm，15%玻纤增强ABS破片穿孔直径为13mm，而30%玻纤增强ABS与PA66破片的穿孔直径则为12mm和6mm。预控破片中，PVC预控破片侵彻能力最强，杀伤力最大，PA66预控破片杀伤力最小。另外，穿孔尺寸测量结果表明，在1.5m距离上，PVC预控破片最大穿孔直径为18mm，而PA66预控破片则为10mm，而ABS预控破片最大穿孔直径为11mm。

4 结语

根据上述破片创伤能力排序结果，从中挑选出PA66、30%玻纤增强ABS复合材料、ABS预控弹体、PVC预控弹体以及ABS弹体进行非致命判据试验。靶标采用牛皮纸，经测定穿透（将透未透）3层300g的牛皮纸所需的比动能为10.2J/cm2，这与穿透皮肤的最小比动能9.8J/cm2基本一致。最后根据结果选定PA66为壳体的预选材料。

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