一种低附带弹药金属颗粒定向加载技术*

李俊承，樊壮卿，梁 斌，康建毅，高海鹰，陈 菁，卢永刚

(1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999； 2.第三军医大学野战外科研究所，重庆 400042))

现代战争格局下，局部冲突、城镇战斗、反恐维稳往往发生在地形复杂、平民和设施密集的场所，这就需要在准确击中目标的同时，还要将附带毁伤控制在一定范围内。传统杀爆弹药爆炸后会产生大量金属破片，破片的方向和距离无法控制，容易对目标周围其他人员造成较大的附带毁伤，难以达成作战目标。低附带弹药就是在这种背景下逐步发展的一种精确打击武器。低附带弹药以惰性重金属颗粒与炸药混合装填，以碳纤维等轻质复合材料作为壳体。惰性重金属粉末降低了装药的装填比，减弱了爆炸冲击波的威力；碳纤维等轻质壳体在爆轰波作用下破碎并充分燃烧，不产生致命性杀伤破片；惰性重金属颗粒在近距离范围内具有较大的动能，但颗粒细、质量小，并且其速度在空气中以指数形式衰减；这些因素使低附带弹药在小范围内有较强的杀伤作用，而不会造成大范围的附带杀伤[1-2]。另外，对低附带弹药的主要打击对象有生目标而言，大量密集分布的金属颗粒产生的毁伤效应和致伤机理有别于传统爆炸性武器，对损伤判定与救治也提出了新的要求，因此，需要建立一种能够模拟不同威力效果的低附带弹药金属颗粒加载方法进行相关研究。

文献[2-8]中低附带弹药颗粒抛撒实验主要采用柱形装药外围装填钨球颗粒。起爆后，金属颗粒向四周高速飞散。这种静爆方式装药量较大，金属粉末方向不可控、重复性欠佳，且弹药成本较高，难以满足系统地进行生物实验研究的需要。有鉴于此，本文中设计一种小药量爆炸定向抛撒金属粉末群的装置，并进行不同尺寸钨球颗粒与不同装药比条件的实验研究。通过调整装药量控制颗粒抛撒速度，定向抛撒高速的重金属粉末颗粒，以期便于快速重复实验和威力参数测试，满足低附带弹药的生物毁伤效应、致伤机理、损伤判定与救治研究的需要。

1 发射装置设计

根据霰弹枪发射金属颗粒的原理，将小圆柱型药柱放置在一端封闭的柱形管内，金属颗粒放置在开口端；装药起爆后，颗粒群在爆轰产物驱动下高速飞散出来。发射装置的结构如图1所示，主要包括4部分：底座、发射身管、端盖、内衬套。底座用于放置发射身管，两边有固定螺栓，起支撑与固定作用；发射身管开口处为90°广角开口，内部为腔状药室，放置内衬套和装药，金属颗粒和装药质量可根据实验需要进行调整；端盖起封闭药室的作用，通过3个固定螺栓与发射身管连接固定，端盖中心开有导线孔，引出起爆线；内衬套可取出更换，内部放置炸药，在爆轰过程中可预防发射身管变形。

2 加载实验

2.1 实验设计

共进行10发实验，具体工况见表1，其中d为粒径，m0为金属颗粒总质量，ρ为药柱密度，m为药柱质量，L为发射端口与靶标之间的距离。实验过程中采用的金属颗粒为球形钨合金颗粒，按直径可分为5种(50～1 500 μm)；对同一直径的颗粒，分别采用单倍(6.8 g)、双倍质量(13.6 g)的药柱加载，药柱为95%成分的黑索金；靶标采用弹道实验专用肥皂，其迎弹面为边长2a=32 cm的正方形。

表1 实验工况Table 1 Tungsten particles used in experiments

2.2 现场布置

实验现场布置如图2所示。肥皂的密度与肌体组织相当，具有对温度钝感、瞬时毁伤形貌保留完全的特性，颗粒穿入后能够有效固定侵彻孔径、深度以及颗粒分布，便于弹道参数测量。高速摄影仪用于获取颗粒速度；高速红外摄影仪用于获取发射体抛撒颗粒瞬间的温度场以及颗粒抛撒姿态，温度设定范围为50～1 000 ℃；背景布以及标尺作为颗粒飞散的轴向参考。

2.3 实验数据处理

实验后肥皂靶统一编号回收，利用CT扫描对毁伤元加载后的靶标进行连续断层扫描，获取颗粒在肥皂靶不同深度平面分布的二维图像。将二维灰度图像导入医学图像软件Mimics进行三维重建，获得颗粒群在肥皂靶中空间分布的三维图像，对颗粒穿孔大小、侵彻深度、数量、颗粒分布等参数进行量化统计分析。

高速摄影采集数据采用配套Phantom软件进行后处理，根据实验中预设的标尺，利用图形追踪功能计算颗粒速度。高速红外数据采用仪器配套Altair软件进行后处理，该软件具有图形剪切、温度识别、图形追踪、距离测定、区域温度分析等功能。

3 结果分析及讨论

3.1 爆炸驱动颗粒过程

爆炸驱动颗粒过程中的高速红外摄像和高速摄影图像分别如图3和图4所示，图像均来自第3发实验(见表1)。红外摄像拍摄帧频为115 s-1，分辨率为640×512；高速摄影拍摄帧频为10 000 s-1，分辨率为800×600。

由图3可知，整个爆轰驱动过程可分为3个阶段：第1阶段(t<26 ms，)，起爆后装置前端爆轰产物与部分颗粒同时喷出，颗粒在爆轰产物作用下处于加速状态；第2阶段(26 ms

图4为高速摄影过程。通过高速摄影视频慢放可以看出：当t=0.1 ms时，爆轰产物前端出现冲击波；t=0.2、0.3 ms时，爆轰产物与颗粒混合飞散，此时颗粒与爆轰产物尚没有完全分离；t=0.5 ms时，部分颗粒已经与爆轰产物分离，进入空气中开始减速阶段；此后，爆轰产物持续飞散膨胀直至消失，颗粒在空气中不断减速飞散。

3.2 发射定向性与颗粒速度分析

发射装置开口端呈角度为90°的“喇叭口”形状，颗粒随爆轰产物高速从身管中飞出端口时，由于开口处身管变宽，压力突然降低，部分颗粒随爆轰产物沿“喇叭口”高速飞散，因此颗粒向上、下飞散角在90°以内，大量颗粒集中向身管轴向方向飞散，如图3(d)～(f)所示。通过对回收靶进行影像分析获得了钨球颗粒的散布情况，如图5所示。

图5(a)为颗粒加载后肥皂靶形貌；图5(b)为肥皂靶迎弹面CT扫描图像，其中绿色亮点为钨球颗粒；图5(c)为肥皂靶加载钨球颗粒后的三维重建图像；图5(d)为肥皂靶迎弹面方向所见的全部钨球颗粒。由图5可知，颗粒在靶标内迎弹面上分布均匀，在靶体内密集度高、数量大。

以第3发实验为例，对肥皂靶的CT图像进行像素识别和统计得到，颗粒实际上靶数量约为2 000。根据表1中钨球颗粒参数计算可得，钨球颗粒总数约6 300，即颗粒上靶率约为31.7%。

作为比较，采用柱形装药周围装填钨球颗粒，并在相同距离上放置肥皂靶，如图6所示。爆炸后颗粒向周向均匀飞散，颗粒上靶率Ptarget可以表示为：

(1)

取L=40 cm，2a=32 cm代入式(1)求得P=12.1%，远小于定向装置的爆轰驱动上靶率。

通过对高速摄影数据得到了不同直径颗粒的平均速度分布曲线，如图7所示。可以看出，钨球颗粒的平均速度随炸药/钨球质量比增大而升高，相同装药比时，大尺寸颗粒在空气场中的平均速度更大。对比图3和图4两组爆轰过程的时间历程图像，颗粒在飞散过程中有明显的速度梯度。通过高速摄影对颗粒追踪得出，颗粒群前端边界速度为1 km/s左右。随着爆轰产物消失，之后有少量高温颗粒持续飞散，通过高速红外对后段颗粒追踪分析，发现颗粒速度未超过100 m/s。因此，前端高速颗粒对目标侵彻起主要作用。

3.3 颗粒对靶标侵彻分析

图8给出了表1中所有工况下肥皂靶的CT扫描图像。在Mimics软件中对CT扫描图像进行剖切测量，得到不同直径与装药量条件下颗粒对肥皂靶侵彻深度的统计结果，如表2所示，其中h为侵彻深度，P为特定侵彻深度区间内颗粒数与总颗粒数之比，hmax为最大侵彻深度。

通过肥皂靶现场照片与三维重建模型对比，三维重建模型还原了肥皂靶的毁伤形态。对三维模型进行不同方向剖切、测量、统计，发现爆轰驱动颗粒群对肥皂靶进行毁伤具有以下特点：(1)同一靶标中钨球颗粒侵彻深度分散范围大，颗粒直径越大，颗粒侵深分布范围越广；(2)装药量相同时，较大尺寸颗粒穿透深度更大；颗粒尺寸相同时，装药量越大，颗粒穿透深度越大；(3)小颗粒烧结现象明显，随着颗粒直径增大，颗粒分布均匀性更好；(4)由于颗粒密集度高，肥皂靶出现了大面积的侵彻空腔融合。

表2 不同直径颗粒打击肥皂靶的弹道参数统计Table 2 Ballistic parameters of the soap target penetrated by particles with different diameters

4 结 论

(1) 设计的实验装置具有装药量小、单次实验时间短、金属颗粒/装药质量配比可调、可重复使用的优点，实现了爆轰驱动金属颗粒群的定向可控抛撒，颗粒上靶率达到30%以上，高于常规爆轰方式。

(2) 采用高速摄影仪与高速红外摄影仪进行爆轰驱动颗粒抛撒姿态捕捉和颗粒群速度测试的方法可行；CT扫描和三维图像重建不仅可直观显示颗粒在靶标中的三维分布及靶标毁伤形貌，而且有利于提高终点弹道参数实验结果的分析精度。

(3) 相同装药配比条件下，大尺寸颗粒具有更高的动能和侵深，小尺寸颗粒则容易出现烧结现象；颗粒尺寸相同时，增加装药量可明显提高颗粒速度与侵深。

以上结论能够为研究低附带弹药的生物毁伤效应、致伤机理、损伤判定与救治提供可行的技术手段与方法。

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