闪光爆震弹预控破片设计与飞散特性研究

毕晓焘



闪光爆震弹预控破片设计与飞散特性研究

毕晓焘

（武装警察部队工程大学，陕西 西安，710086）

为提高闪光爆震弹使用中的安全性，解决爆炸破片质量大、形状不规则和边缘锋利等问题。从破片形状、刻槽位置、V-型刻槽深度和宽度、破片数量、破片质量5个方面对闪光爆震弹进行了弹体破片控制设计，建立了破片的分散运动模型，通过了Matlab软件分析了预控破片的飞散特性。结果表明，破片飞散角在30～60°时杀伤性较强，预控破片结构能够实现对爆炸破片的有效控制，是实现非致命效应的重要途径。

闪光爆震弹；非致命；预控破片；飞散特性

闪光爆震弹是利用爆炸时产生的强闪光和巨大声响使目标暂时致聋致盲的一种非致命弹种[1]，在反恐、维稳中发挥了重要的作用。然而，由于受到弹体形状、材料性能、药剂性能、装填密度、装填方式等多方面因素的影响，爆震弹爆炸后，存在破片体积不均、形状不规则、飞散角度不规律的现象，这种非控破片直接影响到非致命效应。为使爆炸破片满足非致命指标要求，在爆炸载荷一定的前提下，必须有效控制好破片的质量、面积、形状、飞散密度等，使非控破片变成可控破片。预控破片技术是达到这一目的的有效途径，该技术是在弹药弹体上进行预刻槽或预制切口操作，通过这种设计，使弹药爆炸后，利用应力集中让弹体按照人们的意愿炸裂，产生质量、大小都较为均匀的破片，克服破片边缘不整齐、锋利的问题，从而达到控制破片的目的，使破片达到最佳效果。这种方法操作简单，适用性强，比较经济。本研究设计了闪光爆震弹弹体的半预制破片结构，并对这种结构进行了理论分析与仿真研究。

1 闪光爆震弹预控破片设计

1.1 破片形状设计

闪光爆震弹弹体为ABS塑料材质，相比钢质材料，强度和硬度要小得多，为满足刻槽精度要求，在上面进行机械加工的难度较大，对设备工具要求较高；闪光爆震弹弹体尺寸较小、壁厚较薄，刻槽加工时控制性较差，不适合进行复杂加工；另外，闪光爆震弹破片形状主要影响其在空气中的速度衰减、能量传递和终点效应。一般来说，球形、柱形破片在空气中所受阻力小，速度衰减慢，存速高，作用在目标身上能量传递多，穿透性强，终点效应明显；方形、三角形破片在空气中所受阻力大，速度衰减快，存速小，作用在目标身上能量就少，穿透性差，终点效应不明显[2]。

综合考虑闪光爆震弹弹体的实际情况与飞散破片的非致命效应，圆形或多边形等复杂形状破片设计不易实现，而采用方形破片设计，即易于加工操作又能保证最低的致伤效应。

1.2 刻槽位置设计

刻槽位置主要分为弹体内部刻槽与弹体外部刻槽两种方案，当弹体受力膨胀时，外表面受拉应力作用，内表面受压应力作用。若采用外部刻槽方案，沟槽处受拉应力；采用内部刻槽方案，沟槽处受压应力。根据线弹性断裂理论，引入断裂韧性K，表示沟槽断裂应力大小。对于V型槽，属张开型裂纹。断裂韧性：

设裂纹破裂时应力σ为抗拉应力σ的63%[3]，ABS弹体抗拉应力σ=29MPa，则σ=18.27MPa。沟槽处受压应力时，抗压应力σ近似为σ=(1.7~2.0) σ，取σ=1.8σ，则σ=32.886MPa，带入公式（1）得：

可见，从理论上分析，内刻槽要比外刻槽所需的断裂应力大，即外刻槽弹体碎裂性要好于内刻槽形式。

1.3 刻槽深度与宽度设计

刻槽深度对破片生成率、弹体自身强度起着重要的影响作用。预刻槽弹体破碎性好坏与弹体强度大小相互制约，这既关系到破片形成效果又影响闪光爆震弹储存、运输等受外界冲击力时的承载能力。刻槽深度越大，应力集中效果越好，破片越容易形成，但刻槽处弹体厚度越薄，抗冲击性能越差；相反刻槽深度越小，越容易形成连体破片，但弹体抗外界冲击性能越好，储存、运输中的安全性越高。

参考文献[4-6]，在同等爆炸载荷作用下，设刻槽宽度一定时，刻槽深度与弹体壁厚之比=1/10时，有效破片生成率为60%；=1/5~7/10时，有效破片生成率为94%；=4/5~9/10时，有效破片生成率达到100%，其中，=1/3时，破片的破碎效果最好。设刻槽深度一定，刻槽宽度与刻槽深度之比＜1/10时，有效破片生成率为94.8%；≥1/10时，有效破片生成率均达到100%，其中，=1/2时，有效破片基数为最大值。由此可见，刻槽深度和宽度参数达到一定值时，弹体断裂强度已经达到极值，其它参数对有效破片生成率已经没有太大影响。因此，从弹体强度角度考虑，在满足100%破片生成率的前提下，刻槽深度与宽度尺寸越小越好。闪光爆震弹弹体厚度为3mm，为便于加工，取=1/3、=1/2设计刻槽深度与宽度，即刻槽深度为1mm，宽度为1mm。

1.4 破片质量设计

根据我国对破片杀伤威力标准规定，破片击中皮肤所致伤情可分5级。其中，3级损伤的比动能标准为12J/cm2，可使破片穿透表皮层至真皮的浅层深约5~10mm处[7]，故要求非致命破片不得造成3级及以上的损伤。通常认为破片擦伤皮肤的最小比动能为9.8J/cm2，即根据比动能计算公式：

以此为依据，对闪光爆震弹预控破片的质量进行设计。闪光爆震弹破片理论初速度为137.6m/s[1]，设破片质量为1.0g，计算半预制破片面积=2.7×10-4m2。假设破片迎风面积等效为破片面积，将0=137.6 m/s 、=1.0g、=2.7×10-4m2代入公式（2），计算得比动能=3.857J/cm2＜9.8J/cm2，符合破片非致命效应的比动能判据要求。

1.5 破片数量设计

破片总数量由周向和轴向刻槽共同决定，已知单个破片质量和破片面积，则破片总数的理论计算公式为：

式（3）中：=18.5mm，为弹体半径；=95mm，为弹体高度；=2.7×10-4m2，为破片面积，代入公式（3）得=40.8。在实际刻槽加工时，为满足良好的破片阵列，设计半预制破片总数为36，即轴向和周向刻槽数均为6。设计好的闪光爆震弹半预制破片实物效果如图1。

(a) 内刻槽 （b） 外刻槽

图1 预控破片刻槽位置模型图

Fig.1 Cavity model of premade fragments

2 预控破片飞散运动仿真分析

对于闪光爆震弹而言，破片作为重要的杀伤元素，它的飞散特性同破片的数量、质量及速度一样非常重要，它直接影响到破片密度的大小，从而关系到使用时对人员的杀伤概率问题。通过对预控破片的仿真分析，得出破片的空间飞行特性，对分析破片杀伤效应具有重要意义[8]。

2.1 破片飞散运动分析

爆炸破片在空气中的飞散运动主要受到重力和空气阻力作用。为研究方便，视破片为质点，所受重力的加速度取常数g=9.8kg/m2，所受空气阻力相同，经查表得方形阻力系数C=1.24。

建立空间直角坐标系，如图2所示，弹药于空间某点静态放置，弹药纵轴与轴平行。将弹药看作质点，不考虑爆炸破片初速随角度变化，认为破片都具有相同的初速0。图2中，0为破片初速；为破片飞散方向角；为破片飞散方位角。则由图2可以分析出破片初速矢量在坐标轴上的分量为：

随着人民生活水平的提高和社会经济的快速发展，人们对水资源的需求也在不断增长。面对有限的水资源，如何保证人们的需求不受影响是问题的关键。水利工程是精确地控制和分配天然地表水和地下水，以满足人类生产和生活的需要。对于水利工程来说，技术是发展的核心。只有科学的设计理念和完善的工作流程，才能保证水利工程的顺利发展。简述了我国水利工程存在的问题，阐述了科学设计的理念和发展前景。

其中，令破片初速在竖直方向上的分速度为v0、水平方向上的分速度为v0，则v0=y0，。

图2 破片初速矢量图

2.2 破片运动模型

将破片在空气中的运动分解为水平运动和垂直运动，仿真中假设破片水平方向上仅受空气阻力作用，竖直方向上同时受空气阻力和重力作用。由牛顿第二定律可知：

式（4）中：v为某时刻破片水平运动速度；v为某时刻破片垂直运动速度，阻=2，，为破片运动衰减系数，则将C=1.24、=1.225kg/m3、=1.0g、=2.7×10-4m2代入，计算=0.195 3。

设弹药于地面坐标系某点静爆，其坐标为(000)，爆炸经过时间后，破片的坐标变为(xyz)。通过解上述微分方程，得到破片运动轨迹方程。

2.2.1垂直方向

爆炸后，垂直方向运动的破片可分为两种情况：首先向上飞散，然后下降的情况；直接向下飞散的情况。

（1）先上升后下降的破片

上升过程运动轨迹在轴的投影y关于时间的函数：

2.2.2 水平方向

式（5）中：max为破片向上飞散的最大距离；1为破片向上运动到最大距离所需时间。

2.3 模型计算与结果分析

本文主要分析研究闪光爆震弹预控破片结构静爆后，破片的飞散特性和运动轨迹。通过之前对该弹药的试验研究[1]可知，其爆炸破片的飞散角平均约为30°，为方便研究，对破片的飞散方向角进行6等分，同时假设周向破片皆均匀炸开，故对破片飞散方位角进行6等分，这样就得到能够表征全部36个（φ，ω）预控破片的飞散特性。其中：

设闪光爆震弹的起爆点坐标（000）=(5 5 5) ，将破片初速0=137.6m/s、衰减系数=0.195 3带入上述模型，用Matlab编程求解得到爆炸破片的空间飞散轨迹，如图3所示。其中，Y为垂直高度坐标轴，X和Z为水平坐标轴，虚线为每个破片的飞行散点轨迹。

分析图3可知，破片落点基本为一个以起爆点为中点的扇形，90%破片散落半径在30m范围内，其中，轴方向最远距离为28.882 3m、轴方向最远距离27.550 5m、Z轴方向最远距离29.085 8m，减去起爆点坐标值，即平均飞散距离约23m。

图3 破片空间飞散运动散点轨迹三维图

所谓静态飞散角，通常指弹药静止状态下爆炸时破片的飞散区域，不同的飞散角必然影响不同的破片运动轨迹，在初始条件相同的条件下，分别取分散角为15°、30°、45°和60°，对比破片在各个坐标轴上的轨迹投影，得到图4，且不同飞散角对应破片运动轨迹在各坐标轴上的最大值如表1所示。

表1 不同飞散角对应破片落点最大值 (m)

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

图4（a）显示为水平面上X轴方向的破片飞散轨迹，该方向上破片飞散角越小，破片飞行距离越大、破片速度越高、速度衰减地越慢，即对人员的杀伤威胁越大。其中，飞散角为15°时，破片飞散距离最大为25.517 1m，3m处破片速度为294.471 8m/s，5m处破片速度为213.927 3m/s。

图4（b）显示为垂直方向的破片飞散轨迹，飞散角为60°时破片飞散的高度最大为22.128 1m，飞散角越小飞散高度越低、飞散距离越小。

图4（c）显示为水平面上Z轴方向的破片飞散轨迹，该方向上破片飞散角越大，破片飞行距离越大、破片速度越高、速度衰减越慢，对人员的威胁性越大。其中，飞散角为60°时破片飞散水平距离最大为24.826 0m，飞散角为15°时仅7.630 9m。

图4 不同飞散角对应破片在坐标轴上的投影

对投影图的进一步分析可得出破片侧向、纵向边界和破片飞散密度，从仿真结果看出，预控破片结构对爆炸破片起到了很好的控制作用，使破片在空中的飞散运动分布更加均匀可控，证明此结构应用于防暴弹药前景可观。但是从结果分析，破片飞散角在30～60°时杀伤性较强。从爆炸破片的动能杀伤标准判断，试验显示飞散角为30°时，破片在1m处的瞬时速度为513.16m/s[1]，通常认为破片杀伤性的动能非致命指标为79J，由动能计算公式：

则爆炸破片质量：

将=513.16m/s代入公式（7）得爆炸破片质量≤0.6g。即设爆炸破片的安全半径为1m时，要求所设计的闪光爆震弹预控破片质量小于等于0.6g。

3 结论

本文通过模型计算和仿真分析，讨论了预控破片结构的参数指标与设计方案。作为一种研究方法，运用Matlab软件仿真了预控破片在空中的飞散运动情况，通过研究，可以得出以下几点结论：

（1）作为一种有效控制破片的方法，预控破片结构应用于非致命防暴弹药具有很可观的前景，对有效控制和减弱破片杀伤威力具有重要意义。

（2）从仿真结果发现，预控破片结构的闪光爆震弹很好地控制了爆炸破片的飞散效果，设计的破片爆炸威力达到理想的指标。从非致命动能指标分析安全半径小于1m时，破片质量应设计为小于等于0.6g。

参考文献：

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[2] 戴瑞辉,黄超会.预制破片弹杀伤面积的计算[J].兵工学报，1998,19(4):365-367．

[3] 段维勋.爆炸性武器致胸部损伤机制[J].中国急救医学，2002,22(6):362-365．

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[6] 戴瑞辉,黄超会.预制破片弹杀伤面积的计算[J].兵工学报，1998,19(4):365-367.

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[8] 杨超,刘生发,侯日立,等.预制破片战斗部爆炸冲击波仿真分析[J].计算机仿真,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

毕晓焘(1992- )，男，在读硕士研究生，从事非致命武器研究。

国家社科基金军事学项目（13GJ003-242）。