防暴彈破片設計及非殺傷效應研究

商保利 駱博 張舒瑜

摘 要：為了保證非致命彈藥的使用安全，改善破片的非殺傷能力，以較為常用的警用非致命彈藥防暴彈為研究對象，建立了破片運動的數學模型，并通過分析對比不同材料的屬性初步擬定材料的預選方案，最終通過實驗進行驗證。研究結果表明：PA66破片的非殺傷性能最好， ABS自然破片的打擊性能最大。根據研究結果初步選定PA66為殼體的預選材料。

關鍵詞：防暴彈；破片；非殺傷效應

防暴彈打擊主要靠動能沖擊波以及彈體產生的破片效應。防暴彈特定的使用時機和使用場合要求彈體產生的破片對人員應具有最低的殺傷能力。在彈丸裝藥一定的條件下，影響破片的形狀、質量以及威力的關鍵因素就是彈體材料的性能。目前，高性能塑料已廣泛應用于手榴彈及警用非致命彈藥中，在不降低彈丸綜合性能的前提下，使用塑料材料，可以大幅度減輕彈丸重量，并且有望將塑料破片對人的創傷能力降至最低，使其滿足戰技術要求。

1 材料選擇

1.1 彈體破碎性能對材料性能的要求

在彈丸裝藥一定的條件下，破片對人的創傷能力主要與破片的速度、質量和形狀有關。為了減弱破片的致傷能力，使破片達到非殺傷要求，則彈體材料應具有良好的破碎性能。材料的破碎性能與其內部結構和斷裂方式密切相關。高聚物的斷裂形式主要為脆性斷裂與韌性斷裂。對自然破片發生脆性斷裂時，彈體破碎性好于韌性斷裂，但塑料彈體在高沖擊載荷作用下，一般也表現為脆性斷裂，另外，采用預控破片結構時，由于彈體材料對應力集中的敏感性不同，也會引起脆韌轉變。脆性斷裂一般由拉伸應力引起，不存在剪切屈服，因此破碎性能要優于韌性材料，但到底選用什么樣的材料需要最終通過試驗確定。

1.2 彈體材料的初步選擇

根據上述選材原則和選擇途徑，兼顧防暴彈對彈體材料性能的要求，選擇了六種使用比較廣泛的塑料材料，分別為ABS、PVC、PE、PA66、PC、POM，對這六種材料應用統計數量化綜合法進行篩選，詳見表一。

表1幾種材料的統計數量化綜合表

性能 ABS PE PVC PA66 PC POM

表1表明，ABS、PVC以及PA66的綜合性能最佳，所以初步選取通用熱塑性材料ABS、PVC以及通用工程塑料PA66做為試驗用的彈體材料。其中ABS的綜合性能最佳，且為目前使用的防暴彈彈體材料。為了改善ABS彈體的破碎性，我們考慮對其進行改性，由于玻纖增強ABS的脆性增加，彈體破碎性應該得以改善，故增加選擇了15%和30%玻纖增強ABS復合材料進行比較分析。

2 數學模型

殼體破碎瞬間的膨脹速度稱破片初速度。殼體破碎后形成破片，在爆轟產物作用下將繼續加速，直到破片運動所受到的空氣阻力與爆轟產物給予的推力相平衡時，破片速度達到最大值。之后，破片飛散速度隨著飛行距離的增加而逐漸衰減。破片的初速與破片形成前殼體變形速度密切相關，另外，在彈體上各處，由于變形速度的差別，以及爆轟產物壓力作用程度上的差別，致使每個破片的初速各不相同。因此，我們所說的初速，嚴格說來，只是一個概略的平均值。

對于軍用彈藥產生的金屬破片，從動能角度出發，已建立了關于破片初速的理論表達式。迄今為止，大多數的定律和公式都是從動能基本表達式推導出來的。下面運用能量守恒條件推導破片的初速，參考Gurney能量法所做的假設，假設閃光劑瞬時爆炸，并不考慮爆炸產物沿軸向的飛散；殼體為等壁厚；爆炸后形成的破片速度相等；忽略反應區后產生的稀疏波的影響。并設：

Ec——破片動能；Es——反應釋放的光能；

Em——殼體材料破壞能；Eg——爆炸產物動能；

Ee——爆炸產物內能；Ei——殼體傳給周圍空氣的能量；

Eh——閃光劑爆炸釋放的總能量。

根據能量守恒定律可得：

Eh=Em+Eg+Ee+Ec+Ei+Es （1）

閃光劑燃燒爆炸釋放的總能量 根據最小自由能方法計算結果建立的反應機理模型計算。

破片動能 。設共有N塊破片，總質量為M，由假設得

（2）

閃光劑燃燒爆炸釋放的光能 可以計算得到。

爆炸產物的動能Eg。爆炸產物的動能可以看作為爆炸產物的虛擬質量 以破片初速 運動時的動能，即

（3）

m為彈體裝藥質量。

爆炸產物的內能Ee。爆炸產物在殼體破裂瞬間具有的內能，等于爆炸產物從破裂處開始膨脹到無窮遠處做的功。

殼體膨脹傳給空氣的能量，也就是空氣介質吸收的能量占總能量的1%以下，殼體破壞能占總能量的1%左右，故均可忽略，將公式（2）和公式（3）以及光能、反應總能量和氣體內能代入公式（1）中，則公式（1）可簡化為：

可解得

（4）

根據質量守恒定律，氣體產物的質量等于閃光劑質量減去凝聚相產物的質量，即m0=m-n1M1

n1——凝聚相產物摩爾數；

M1——凝聚相產物分子量；

m——裝藥量。

按公式（4）計算得，破片初速 。

3 實驗驗證

3.1 試驗方案

本試驗分兩部分進行，第一部分采用泡沫塑料和肥皂（一般要求用作模擬材料的肥皂為制皂廠未經干燥處理的大塊肥皂，其密度與人體非常接近，這里所采用的肥皂為市售普通肥皂，其密度大于人體密度）作為非生物模擬材料，對不同彈體材料及預控破片的聲光彈在不同距離上對人體的創傷能力進行初步篩選，評選出創傷能力較差的幾種方案。

第二部分對篩選結果根據非殺傷判據的要求進行評定，靶標采用牛皮紙，經測定穿透（將透未透）3層300g的牛皮紙所需的比動能為10.2J/cm2，這與穿透皮膚的最小比動能9.8J/cm2基本一致，故采用牛皮紙對篩選出來的方案進行非殺傷效應評判，以得出最佳方案。

3.2 試驗結果

試驗結果如圖1所示。結果為2次試驗的平均值。泡沫板尺寸為1000×500×40mm，肥皂尺寸為145×60×25mm，且肥皂均固定在離彈0.5m距離上。

（a）

（b）

圖1破片對泡沫塑料的侵徹效果

自然破片中，ABS破片的侵徹能力最強，PA66和30%玻纖增強ABS破片的侵徹能力最弱。對穿孔尺寸的測量結果表明，在1.5m距離上，ABS破片對泡沫塑料的最大穿孔為尺寸12×30mm的矩形，PVC破片穿孔直徑為24mm，15%玻纖增強ABS破片穿孔直徑為13mm，而30%玻纖增強ABS與PA66破片的穿孔直徑則為12mm和6mm。預控破片中，PVC預控破片侵徹能力最強，殺傷力最大，PA66預控破片殺傷力最小。另外，穿孔尺寸測量結果表明，在1.5m距離上，PVC預控破片最大穿孔直徑為18mm，而PA66預控破片則為10mm，而ABS預控破片最大穿孔直徑為11mm。

4 結語

根據上述破片創傷能力排序結果，從中挑選出PA66、30%玻纖增強ABS復合材料、ABS預控彈體、PVC預控彈體以及ABS彈體進行非致命判據試驗。靶標采用牛皮紙，經測定穿透（將透未透）3層300g的牛皮紙所需的比動能為10.2J/cm2，這與穿透皮膚的最小比動能9.8J/cm2基本一致。最后根據結果選定PA66為殼體的預選材料。

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