某爆炸型催泪弹的使用安全可靠性试验评价

崔晓萍

(武警工程大学装备管理与保障学院，陕西 西安 710086)

某爆炸型催泪弹以爆炸的方式使弹体内刺激剂瞬间达到作战浓度并分散至作战空间，同时伴有巨大声响，通过刺激和恐惧威慑效应取得良好的驱散和控暴效果，有效避免了燃烧型催泪弹因燃烧速度较慢而被有生目标捡起返投的可能性，在处置“3·14”、“7·5”等事件中发挥了重要的作用[1-3]。郭三学等[4]通过最小自由能法对爆炸型催泪弹主装药的安全性能进行了研究，并对弹体零件强度、爆炸冲击波、破片及残骸杀伤性进行了理论分析和计算，结果表明该催泪弹在使用过程中具有极高的安全性和可靠性；朱文坤等[5]建立了以非致命效应为核心的评价指标体系，将未确知测度数学模型应用于爆炸式催泪弹非致命效应的效能评估中，对该催泪弹的非致命效应进行了综合评估；王志刚等[6]通过建立数学模型，对催泪弹的非致命效能进行了分析和计算，为处置群体性事件中该弹药的科学使用提供了指导。

以上研究均是从爆炸型催泪弹的设计及使用安全性方面进行的理论研究，但未对该弹药经实际存储后的使用安全可靠性进行评价。爆炸型催泪弹的保质期一般为5 a，本文以新品、正常存储期内(存储3 a)、满储存期(存储5 a)和超储存期(存储8 a)4个阶段的某爆炸型催泪弹为样本，采用高速摄影机、扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、声强仪等物化仪器对其发火机构点火性能、主装药安定性和作战效果等进行测试和表征，以为该类弹药在实战中的安全可靠使用提供依据。

1 材料与方法

1. 1 主要试剂和仪器

图1 某爆炸型催泪弹实物和作用效果Fig.1 Real object and effects of a certain explosive type tear gas grenade

某爆炸型催泪弹(见图1和图2)，由武警工程大学装备器材研制中心提供；电子天平(JM-B2003)，慈溪红钻衡器设备有限公司生产；弹簧扭矩测试仪(SGNH-0.5)，上海实干实业有限公司生产；高速摄影机(XA35)，佳能珠海有限公司生产；扫描电子显微镜(SEM，Evo-50)，德国Carl Zeiss公司生产；差示扫描量热仪(DSC204F1)，美国耐驰公司生产；多功能声级计(AWA6228)，杭州爱华仪器有限公司生产。

图2 某爆炸型催泪弹结构图Fig.2 Structure of a certain explosive type tear gas grenade1.发火机构;2.点火管;3.上支体;4.弹筒;5.主装药;6.高压管;7.引燃药;8.垫片;9.下支体

1. 2 试验方法

1.2.1 点火安全可靠性测试

(1) 击针簧能量测试[7-8]:对受试样弹击针簧不同扭转角下的力矩进行测试，先测量样弹击针簧扭转角为100°和150°时的力矩，并通过下式计算样弹击针簧扭转角为240°时的力矩(弹簧击发状态下的扭转角)：

(1)

式中：y1、y2、y3分别为样弹击针簧扭转角为100°、150°和240°时的力矩(N·m);φ1、φ2、φ3分别为样弹击针簧扭转100°、150°和240°时的角度(°)。

通过下式计算样弹弹簧推动击针戳击火帽时的势能：

(2)

式中：U为样弹击针击发时的势能(N·m)；y为样弹弹簧的力矩(N·m)；φ为样弹击针簧的扭转角(°)。

通过下式计算样弹点火管火帽全发火时的最小能量：

Ef=E0e-0.1v

(3)

式中：Ef为火帽全发火时的最小能量(N·m)；E0为火帽感度上限值,即点火管火帽刺穿势能上限值，E0=0.08 N·m；v为击针的撞击速度(m/s)。

利用公式(2)求得U后，即可与Ef相比较，当U≥Ef，说明受试弹药发火可靠。但根据公式(3)可知，Ef

(2) 点火管火焰长度测量：将标有刻度且长度已知的标尺置于摄影机视场，通过计算点火管喷口至火焰边界所占像元个数与标尺所占相元个数之比，可得到点火管火焰的输出长度[9-10]，其试验原理见图3。点火管火焰长度的计算公式为[9]

(4)

式中：H为点火管火焰长度(mm)；LH为火焰所占像元个数(个)；h为标尺长度(mm)；Lh为标尺长度为h处所占像元个数(个)。

图3 点火管火焰长度试验原理示意图[9]Fig.3 Schematic diagram of test principle for flame length[9]

1.2.2 主装药安定性测试

(1) 5 s爆发点[11-13]：将(50±2) mg的受试样弹装入雷管壳内，一同放在预先调好温度的伍德合金浴中，试样受热作用而燃爆，记录时间和燃爆时的温度，并根据公式(5)对所测数据进行线性拟合，推算出受试样弹主装药5 s爆发点的温度，具体操作参照GJB 5891.20—2006标准实施[11]。

lnτ=E/RT+lnc

(5)

式中：τ为被测起爆药受热爆发时延滞期(s)；c为与被测起爆药组分有关的常数；E为被测起爆药的表观活化能(J/mol)：R为摩尔气体常数，其值为8.314 J/(mol·K)；T为被测起爆药受热爆发时的温度(K)。

(2) DSC分析：采用DSC204F1测试仪在室温至590℃的温度范围内，对受试样弹主装药的安定性进行测试，全程在N2保护下进行，具体操作参照GJB 5891.17—2006标准[14]实施。

(3) 主装药组分分布:为了观察受试样弹主装药各组分在体系中的分散情况，采用Carl Zeiss Evo-50 型扫描电子显微镜(SEM)对受试样弹的表面形貌进行表征。

1.2.3 作战效果测试

(1) 刺激性测试:对于弹药的作战刺激性能试验采用接触法，将不同时间段的受试样弹分别放在同一密闭空间引爆，并在距离引爆中心1 m的圆周上分别站立6名参试志愿者，通过对刺激性气溶胶的平均耐受时间来衡量受试样弹的刺激性能[9]。

(2) 声压测试：将声级计置于距爆炸点6 m处，对受试样弹爆炸时产生的声压进行测试，具体操作参照GJB 5214.21—2003标准[15]实施。

2 结果与讨论

2. 1 受试样弹发火机构安全可靠性分析

2.1.1 击针簧能量

图4 受试样弹发火机构实物及作用原理图Fig.4 Physical and functional schematic diagram of the firing mechanism of the sample bomb

样弹的发火机构是该类弹药实现作战效能的重要组成部分，其作用是经过一定时间的延时后引燃扩爆药，进而点燃主装药。受试样弹的发火机构主要由击发座、击针、击针簧和针刺延期点火管等组成。其中，击针簧尤为关键，它通过击针轴与击针链接并固定于击发座(见图4)，平时存储足够能量而处于张紧状态，当保险解除后，弹簧在扭矩的作用下带动击针高速翻转撞击并刺穿点火管的火帽，从而启动点火序列。因此，弹簧势能的大小直接决定弹药能否成功安全点火。

新品、存储3 a、5 a、8 a的受试样弹发火机构击针簧势能随存储时间的变化曲线，见图5。

图5 存储时间对受试样弹发火机构击针簧势能的影响Fig.5 Influence of storage time on the potential energy of the needle spring of the specimen firing mechanism

由图5可见，受试样弹击针簧的平均势能和最小势能均随存储时间的延长呈现单调递减趋势。这是由于受试样弹的击针簧属于扭簧，是一种通过对材质柔软、韧度较大弹性金属材料的扭曲或旋转进行蓄力，并利用杠杆原理将蓄力进行释放的机械结构；它的工作部分被绕成螺旋形且承担扭转变形，同时扭转变形内部存在较大的应力，该应力在扭簧长期张紧过程中微观上会发生一定程度的蠕变，宏观上则表现为扭簧的势能降低，这属于材料疲劳的正常现象。另外，受试样弹击针簧的平均势能和最小势能随存储时间的延长虽有递减，但降低幅度处于相对较低水平，存储8 a后的受试样弹击针簧的最小势能(0.393 N·m)依然是受试样弹点火管火帽刺穿势能上限值E0(0.08 N·m)的4.91倍，对实际应用没有产生明显的影响，能够确保样弹点火管火帽的有效刺穿和安全可靠发火。

2.1.2 点火管火焰输出长度

受试样弹采取径向点火方式，点火管是样弹点传火系统的重要火工元件，处于该系统的起始序列；由于点火管发火后输出的火焰贯穿整个弹体才能确保主装药的瞬间成功点燃，故点火管火焰输出长度是衡量样弹发火机构可靠性的重要影响因素之一。样弹点火管的最短和平均火焰长度随存储时间的变化曲线，见图6。

图6 存储时间对受试样弹点火管火焰长度的影响Fig.6 Effect of storage time on flame length of the specimen ignitron

由图6可见，不论是受试样弹点火管的最短火焰长度还是平均火焰长度，整体来讲均随存储时间的延长会略有缩短;对于受试样弹点火管的平均火焰长度而言，在存储时间为3～5 a的区间内变化幅度较大，而在存储时间小于3 a和5～8 a两个区间内变化幅度较小，尤其是在5～8 a区间内趋于平稳。这可能是由于在前3 a，受试样弹点火管中的药剂微粒表面有利于反应的棱、角等 “缺陷”较多，药剂微粒相互间的接触面积较大，即药剂的反应活性较高，一旦触发，燃速较快、能量较足，故受试样弹点火管的火焰长度较长；随着存储时间的延长，受试样弹点火管中药剂分子的晶格因自身振动而逐渐趋于平衡，故药剂的反应活性随之减弱，该过程在3～5 a区间内变化幅度最大；当存储时间超过5 a后，受试样弹点火管中药剂分子的晶格达到了动态平衡状态。因此，在存储时间小于3 a和5～8 a两个区间内样弹点火管平均火焰长度的变化幅度较小，在3～5 a区间内其变化幅度相对较大。不过，点火管的最短火焰长度和平均火焰长度在考察年限内最大的变化幅度仅为3.7%和5.1%，并且其最短火焰长度分布在289～300 mm之间，远远大于受试样弹的弹长(122 mm)，因此能够确保弹药发射时被成功安全点燃。

2. 2 受试样弹主装药安定性分析

样弹主装药是由氧化剂、还原剂等含能材料组成的特殊易燃易爆危险品，在外界能量的作用下，极易发生发烟、燃烧甚至爆炸，给生产、储存、运输或使用带来诸多的安全隐患。

安定性是防暴弹药主装药在一定的存储时间内，保持其物化性质及爆炸等烟火效应不致发生改性的能力，是反映药剂分解难易程度的重要衡量指标，对装备的安全储存和可靠使用作用重大[16-17]。

2.2.1 5 s爆发点

根据样弹的作战机理，其主装药是在热能的作用下达到作战状态，对热的感度较高。5 s爆发点是指样弹主装药剂在特定条件下5 s内由于加热而发生爆炸反应的最低环境温度，是衡量含能材料热感度的经典方法。

本试验以存储0 a、3 a、5 a及8 a的受试样弹主装药为样本进行5 s爆发点测试，其测试数据的线性拟合结果见图7，其线性拟合的相关系数(R2)及推算的5 s爆发点见表1，存储时间对受试样弹主装药5 s爆发点(T)及线性拟合相关系数(R2)的影响见图8。

图7 不同存储时间受试样弹主装药5 s爆发点测试 数据的线性拟合结果Fig.7 Linear fitting results of 5 s explosion temperature test data for specimen main charge with different storage times

Table 1 Linear fitting results of 5 s explosion temperature of specimen main charge with different storage times

存储时间/a线性拟合方程相关系数R25 s爆发点T/K0y1=5 152.53x1-8.402 480.990 30514.643y2=3 804.68x2-5.701 260.995 73520.435y3=3 948.12x3-5.959 910.999 41521.598y4=4 214.96x4-6.468 180.990 04521.81

注：x1～x4分别是存储时间为0 a、3 a、5 a、8 a时受试样弹主装药受热爆发时温度T的倒数；y1～y4分别是存储时间为0 a、3 a、5 a、8 a时受试样弹主装药受热爆发时延滞期τ的自然对数。

图8 存储时间对受试样弹主装药5 s爆发点(T)及线性 拟合相关系数(R2)的影响Fig.8 Effect of storage time on 5 s explosion temperature and linear fitting correlation coefficient of sample projectile main charge with different storage times

由表1可知：4组试样各自测试数据分散度较低，存在很好的线性关系，其相关系数(R2)均大于0.99，表明本试验的测试方法及所得数据真实可靠；由线性拟合方程推算的不同存储时间的受试样弹主装药5 s爆发点T分别为514.64 K、520.43 K、521.59 K和521.81 K。由图7不难看出，受试样弹主装药5 s爆发点随存储时间的延长呈单调递增，当存储时间小于3 a时，该曲线斜率较大；而当存储时间大于3 a后，受试样弹主装药5 s爆发点的增长幅度较小，该曲线趋于平缓。这是由于原材料在压制成主装药柱的过程中需要经过粉碎、烘干、搅拌、造粒、压制等多道工序，在以上环节中原料晶体经机械等作用后被破碎成碎片(粒)晶体，表面或内部产生了新的裂缝、位错、空穴等，这些部位的原子配位数低于其饱和值，原子间结合力小于内部分子的结合力，拉开它们所需的能量较小，故发火时所需的外界热能(5 s爆发点)较低；对于压制成型的主装药柱，各组分晶体在前期工序中形成的敏感部位随时间的延长，为降低自身势能，原子在蠕变过程中配位数不断增加而使其接近饱和，并且随着原子配位数梯度差的减小，在存储的前3 a，原子配位数的变化速率较大，之后该过程原子配位数的变化速率降低[16-17]。因此，当存储时间小于3 a时，该曲线的斜率较大；而当存储时间大于3 a后，该曲线趋于平缓。但整体上看，受试样弹主装药的安定性非常好，在有效使用期内，受试样弹主装药5 s爆发点的变化率仅为1.35%。

2.2.2 主装药组分DSC分析

本试验在N2保护下，以10 ℃/min的升温速率对标准试样和经过储存3 a、5 a和8 a的受试样弹主装药的安定性进行测试，得到标准试样和不同存储时间受试样弹主装药组合的DSC曲线，见图9。

图9 标准试样和不同存储时间受试样弹主装药组分的 DSC曲线Fig.9 DSC curves of the main charge of standard specimen and specimen with different storage times

由图9可见，受试样弹主装药组分的DSC测试峰值温度集中在313℃附近；经过不同存储时间后受试样弹主装药剂的起始熔融温度、峰值温度和完全熔融温度虽略有飘移(见图10)，但变化幅度均小于2℃(结果统计详见表2)，分别为1.51℃、1.06℃和1.82℃，这是药剂随时间退火钝化的正常现象,故可推断受试样弹主装药的原始组分配方设计科学，在长期存储过程中具有较好的安定性，为该弹药的安全可靠使用提供了根本保障[16]。

图10 不同存储时间对受试样弹主装药组分DSC测试 特征峰值温度的影响Fig.10 Effect of storage time on the DSC characteristic peak value of the main charge

存储时间/a起始熔融温度/℃峰值温度/℃完全熔融温度/℃0309.72312.89315.153310.18313.04315.465310.93313.20315.908311.23313.95316.97

2.2.3 主装药各组分SEM分析

图11为不同存储时间受试样弹主装药各组分的SEM照片。

图11 不同存储时间受试样弹主装药各组分的SEM照片Fig.11 SEM images of the main charge of specimen with different storage times

由图11可见，受试样弹主装药各组分微粒边界清晰、表面光滑，整个体系经过不同存储时间未发现肉眼可见的明显变化，这可以间接地说明受试样弹主装药剂各组分之间具有较好的相容性，该结果与受试样弹主装5 s爆发点和DSC的测试结果相一致。

2. 3 受试样弹作战效果分析

样弹击发后产生的声压级别和刺激剂的浓度是衡量其作战效果的重要指标。根据不同峰值声压级别的脉冲噪声对人耳的损伤声压和威慑声压(见表3)， 该弹药的战技指标中规定距爆心6 m处的爆炸声压范围为110～120 dB[15]。通常情况下，对刺激性防暴弹药而言，有生目标对刺激剂的不可耐受时间应小于或等于2 min。不同存储时间受试样弹的平均声压和受试者对催泪剂不可耐受时间的测试结果，见表4。

表3 不同峰值声压级别的脉冲噪声对人体器官的影响[15]

表4 不同存储时间受试样弹平均声压和受试者对催泪剂不可耐受时间的测试结果

由表4可知，受试样弹爆炸后产生的声压虽然随着存储时间的延长略有衰减，但在样弹的保质期内平均声压的变化率最大仅为2.94%；而对于超过保质期3 a的受试样弹，其平均声压依然维持在115 dB，仍然具备强大的威慑作用，符合该弹药战技指标的要求。此外，受试者对催泪剂不可耐受时间的测试结果(见表4)表明：在受试样弹保质期内乃至超过保质期3 a后，不同的存储时间未对刺激剂的刺激效果产生明显的影响，受试者在接触到刺激性气溶胶后均在瞬间出现咳嗽、大量流泪、睁不开眼等失去反抗能力的症状[2]。

以上作战效果的测试结果进一步反映出受试样弹的主装药剂具有很好的安定性，为该弹药的可靠使用提供了基础保障。

3 结 论

通过本试验得到如下结论：

(1) 受试样弹击针簧能量和点火管火焰输出长度的测试结果表明：两者均随存储时间的延长而减少，但能够充分确保该类弹药在保质期内乃至超出保质期3 a的安全可靠点火。

(2) 受试样弹主装药剂5 s爆发点各组测试数据间存在相关系数(R2)大于0.99的线性关系，推算所得的5 s爆发点在弹药有效使用期内，其变化率仅为1.35%；经过不同存储时间后受试样弹主装药组分的DSC测试结果表明，经过8 a存储后，受试样弹主装药剂起始熔融温度、峰值温度和完全熔融温度的变化幅度维持在较低水平，分别为1.51℃、1.06℃和1.82℃；不同存储时间受试样弹主装药各组分的SEM照片中颗粒表面光滑，未出现明显的质量变化现象。以上测试结果表明受试样弹主装药剂配方设计科学、安全稳定性好，能够确保弹药的安全可靠使用。

(3) 受试样弹作战效果的测试结果表明：该类弹药在使用年限内(5 a)能够达到预期的战术效果。