鋼球對肥皂靶的撞擊試驗

陳 萍，柳 森，李 毅，黃 潔，文雪忠

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

致傷效應試驗是開展創傷彈道學研究的重要方法之一［1－2］，它通過研究投射物（普通槍彈、破片等）擊中生物體或生物體模擬物（如明膠、肥皂和泥膠等）后在目標內部的運動規律，獲取投射物對生物體組織的貫穿深度、變形和破壞情況等致傷效應和致傷機理，為武器、彈藥的設計，以及彈傷防護與診治水平的提高提供支持。

國內外文獻對投射物擊中生物體后在體內的運動規律和致傷機理進行了大量研究，研究結果表明：彈頭對生物體的殺傷作用主要是由于彈頭進入機體形成的瞬時空腔效應帶來大量失血和肌肉組織／器官壞死［1，3－5］，圖1為普通槍彈對肥皂的瞬時空腔效應結果［6］；此外，彈丸質量、結構和形狀，撞擊速度，進入機體后的穩定性等對致傷效果也有很大影響，例如，當撞擊動能一定時，小質量、高速度的彈丸具有更大的殺傷作用［4，7－8］。

圖1 普通槍彈射擊肥皂時形成的瞬時空腔效應Fig.1 Trajectory in soap by the test of ordinary shot

然而，上述試驗研究中投射物的速度通常小于2km／s，對2km／s以上撞擊速度的研究鮮見報道。本文采用肥皂作為生物體模擬物，開展Φ3.0mm鋼球對肥皂靶的撞擊試驗，包括高速撞擊（0.96和1.88km／s）和超高速撞擊（3.52和4.98km／s）2種試驗狀態，以比較研究高速和超高速試驗狀態下彈丸或投射物對生物體模擬物的致傷效果。

1 試驗設備與試件

1.1 試驗設備

試驗在中國空氣動力研究與發展中心超高速所的彈道靶研究室開展。該研究室擁有200米自由飛彈道靶、氣動物理靶、FD－18C和FD－18A等一系列超高速碰撞靶，配備的發射器口徑尺寸依次為50／37、25、16和7.6mm，模型發射速度范圍0.2～8.6km／s。本項試驗研究在7.6mm超高速碰撞靶［9］上進行。該靶是一座專門用于超高速撞擊試驗研究的彈道靶設備（見圖2），包括發射器、測控系統、序列激光陰影照相系統和靶室／真空4個分系統。其中發射器是一座7.6mm口徑二級輕氣炮，最高發射速度為7.44km／s，最小可控發射彈丸直徑0.5mm；測控系統包括3站TC－100激光測速裝置，測速精度優于2.9‰；序列激光陰影照相系統為1套BXL－1序列激光陰影照相設備［10－11］，一次試驗中可獲得8張不同時刻的試驗過程照片。

圖2 7.6mm超高速碰撞靶Fig.2 Hypervelocity impact range of 7.6mm

該靶還配備有損傷測量檢測系統，該損傷測量檢測系統的主設備為三維光學掃描系統，可對靶材的三維外形進行定量測量，以測量試驗后靶材的彈坑直徑、深度和容積以及彈孔直徑和容積等損傷參數。

1.2 試件

彈丸選用Φ3.0mm的鋼球，如圖3所示。

試驗靶材為300mm×300mm×200mm和200mm×200mm×200mm兩種規格大小的肥皂塊，密度0.98g／cm3，圖4為200mm×200mm×200mm 肥皂塊在靶室（Ф1m）中的安裝圖。

圖3 試驗用鋼球Fig.3 Stell balls in test

圖4 200mm×200mm×200mm肥皂塊在靶室中的安裝圖Fig.4 The picture of 200mm×200mm×200mm soap fixed in target room

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

試驗共進行了4次，具體試驗狀態參數及結果如表1所示。

2.1.1 高速撞擊下肥皂靶的損傷

F3和F4次試驗彈丸撞擊速度小于2km／s，鋼球均貫穿肥皂靶。0.96km／s試驗條件下形成長柱狀彈孔，彈道比較光滑。1.88km／s試驗條件下形成入口大、出口小的喇叭狀彈孔，彈道前半段凹凸不平，后半段較光滑。圖5是F3次試驗肥皂靶損傷情況，圖6為高速撞擊下肥皂靶彈孔剖面。

圖5 F3次試驗肥皂靶損傷情況（V＝1.88km／s，d＝3.0mm）Fig.5 Damage of soap target for test F3 （V＝1.88km／s，d＝3.0mm）

表1 試驗狀態參數及結果Table 1 Parameters of test state and results

圖6 高速撞擊下肥皂靶的彈坑剖面Fig.6 Crater section plane of soap target at high impact velocity

出現這種現象的原因，分析認為是彈丸在撞擊到靶材表面時產生一種沖擊波，這種沖擊波是一種很陡峭的壓力脈沖，壓強值極高，它由撞擊界面分別傳進彈丸與靶材。由于本文試驗條件下彈丸和靶材的密度和材料強度差異很大，在0.96和1.88km／s速度撞擊下，彈丸保持其完整性，直至貫穿肥皂靶。由于存在沖擊波，彈丸在撞擊肥皂靶時產生的沖擊波波陣面隨彈丸一起運動，彈丸在穿過肥皂靶后很短時間內會產生一種壓力震蕩，震蕩周期很短，且在震蕩過程中迅速衰減。同時，在撞擊初期，鋼球的動能轉化為內能，從而造成巨大的入口創傷，隨著侵徹深度增加，鋼球的動能衰減劇烈，轉化的內能也隨之降低。因此，在0.96和1.88km／s速度撞擊下肥皂靶的損傷由彈孔入口處向出口處減弱，且1.88km／s速度撞擊下肥皂靶的損傷比0.96km／s速度下的損傷大得多。

2.1.2 超高速撞擊下肥皂靶的損傷

F1和F2次試驗中彈丸撞擊速度大于2km／s，鋼球未貫穿肥皂靶，而是在靶材上形成一個大尺寸半球形彈坑，彈坑邊緣翻卷，彈坑底部有許多不規則的小坑，靶材的邊緣和背面無變形。圖7為F1次試驗肥皂靶的損傷情況，圖8為超高速撞擊下肥皂靶的彈坑剖面。由表1中彈坑尺寸可知，F1和F2次試驗肥皂靶彈坑深度和彈坑直徑的比值分別為0.59和0.56，說明肥皂靶在鋼球超高速撞擊下形成的彈坑符合超高速碰撞的成坑特征：即無論什么彈、靶材料，在超高速撞擊范圍內的彈坑深度與彈坑直徑的比值都趨近于0.5［12］。

圖7 F1次試驗肥皂靶損傷情況（V＝3.52km／s，d＝3.0mm）Fig.7 Damage of soap target for test F1 （V＝3.52km／s，d＝3.0mm）

在超高速下，鋼彈丸和肥皂靶可以看做是流體，沖擊壓力遠大于彈丸和靶材材料強度，材料的慣性效應甚至可壓縮效應或相變效應起重要作用。在撞擊瞬時，一個強的沖擊波由撞擊界面分別傳進彈丸與靶材，材料發生廣泛的塑性變化、融化和氣化；在侵徹階段，彈丸連續破碎，驅動彈坑形成；在成坑階段，彈丸完全破碎后，由于慣性彈坑繼續擴張，直到彈坑周圍的能量密度減小到不足以克服材料的變形阻力時，彈坑便停止擴張，達到最大尺寸，之后由于彈性恢復，彈坑尺寸稍有減小，最終形成半球形彈坑。

由此可見，鋼球超高速撞擊肥皂靶造成的損傷表現為2個方面：一是大尺寸彈坑導致的“體積移除”，二是由于超高速鋼球撞擊肥皂靶產生的強烈沖擊波，破壞區域大于彈坑區域。如果在實戰中，生物體在超高速彈丸的撞擊下，大尺寸彈坑帶來的“組織移除”，也會給生物體造成嚴重創傷，而彈丸與生物體相撞產生的強烈沖擊波還會引起傷道附近未直接命中組織、器官的壞死以及骨骼折斷、碎裂，從而使得生物體的致傷區域遠大于彈坑容積。

2.2 損傷分析

試驗后采用三維光學掃描系統對彈坑和彈孔進行了掃描，測量得到了彈坑直徑、深度和容積以及彈孔的出入口直徑和容積等損傷參數（見表1），并對彈坑和彈孔剖面進行了復原（見圖6和7）。

圖8 超高速撞擊下肥皂靶的彈坑剖面Fig.8 Crater section plane of soap target at hypervelocity impact

圖8是試驗條件下彈坑和彈孔形狀參數與彈丸撞擊速度的關系圖。從圖中可以看出，彈坑和彈孔直徑、容積及彈坑的深度與彈丸撞擊速度相關，均隨彈丸撞擊速度的增加而增加。彈丸撞擊速度分別為0.96、1.88、3.52和4.98km／s時，肥皂靶的彈坑容積分別為22249.96、89658.50、238295.20和361376.41mm3；肥皂靶的彈坑和彈孔入口的直徑分別為28.75、43.35、90.84和106.09mm。

前文已經提到，撞擊產生的沖擊波是影響肥皂靶成坑／孔的重要因素，沖擊波的初始參數取決于材料的密度、壓縮性與撞擊速度［13］，為更好地描述本文試驗條件下，肥皂靶的損傷特征與彈靶材料強度和沖擊強度之間的關系，引入一個無量綱參數，將其定義為：

其中，S表示強度。α靶材表示靶材材料強度與沖擊壓力的比值，α彈丸表示彈丸材料強度與沖擊壓力的比值。當α靶材?1，α彈丸?1，即沖擊壓力遠大于彈丸和靶材材料強度時，鋼球撞擊肥皂靶形成經典超高速碰撞半球形彈坑，且彈丸在撞擊肥皂靶過程中發生變形和連續破碎，在彈坑底部形成許多不規則的小坑（F1和F2次試驗）。

當α靶材?1，α彈丸～1，即沖擊壓力遠大于靶材材料強度、與彈丸材料強度相當時，鋼球撞擊肥皂靶過程中保持完整，形成喇叭狀彈坑／彈孔（F3次試驗）。

當α靶材?1，α彈丸?1，即沖擊壓力遠大于靶材材料強度、遠小于彈丸材料強度時，鋼球撞擊肥皂靶過程中保持完整，形成經典低速撞擊長柱狀彈坑／彈孔（F4次試驗）。

當α靶材?1，α彈丸?1，即沖擊壓力遠小于靶材材料強度、遠大于彈丸材料強度時，現象與低密度和低強度的彈丸撞擊較高密度和高強度的靶材的情況相同，此時由于彈丸極易變形和破碎，彈坑深度較彈坑直徑小的多，彈坑呈淺碟形（如超高速飛行器再入大氣層中雨滴對防熱材料的侵蝕等）。

圖9 彈坑和彈孔形狀參數與彈丸撞擊速度的關系Fig.9 Relation between velocity and shape parameter of crater and hole

3 結束語

通過在氣動中心超高速所的7.6mm超高速碰撞靶上進行鋼球撞擊肥皂靶的試驗研究，得到以下結論：

（1）高速試驗條件下，鋼球對肥皂靶的損傷主要表現為貫穿效果，形成長柱狀（0.96km／s）和喇叭狀（1.88km／s）彈孔；超高速試驗條件下，鋼球撞擊肥皂靶僅形成大尺寸的半球形彈坑；

（2）肥皂靶在超高速鋼球撞擊下的損傷是大尺寸彈坑導致其“體積移除”。因此生物目標體在超高速彈丸的撞擊下，大尺寸彈坑帶來的“組織移除”會給使生物體造成嚴重創傷；

（3）超高速鋼球撞擊肥皂靶產生強烈的沖擊波，破壞區域大于彈坑區域。分析認為，超高速彈丸擊中生物目標后，除了直接導致其“組織移除”外，彈丸與生物體相撞產生的強烈沖擊波還會引起傷道附近未直接命中組織、器官的壞死以及骨骼折斷、碎裂。

在下一步的工作中，我們需要測量肥皂靶內部不同部位的沖擊應力，對沖擊強度進行估算，并將其與靶材和彈丸的強度進行對比，進行定量分析。

致謝：本文作者衷心感謝謝愛民、宋強、鄭蕾、羅慶、劉曉龍、廖富強、石建芝和廖強等同志在試驗中的幫助以及周智炫同志在文章撰寫中給予的寶貴建議。

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