某爆炸型催淚彈的使用安全可靠性試驗評價

崔曉萍

(武警工程大學裝備管理與保障學院，陜西 西安 710086)

某爆炸型催淚彈以爆炸的方式使彈體內刺激劑瞬間達到作戰濃度并分散至作戰空間，同時伴有巨大聲響，通過刺激和恐懼威懾效應取得良好的驅散和控暴效果，有效避免了燃燒型催淚彈因燃燒速度較慢而被有生目標撿起返投的可能性，在處置“3·14”、“7·5”等事件中發揮了重要的作用[1-3]。郭三學等[4]通過最小自由能法對爆炸型催淚彈主裝藥的安全性能進行了研究，并對彈體零件強度、爆炸沖擊波、破片及殘骸殺傷性進行了理論分析和計算，結果表明該催淚彈在使用過程中具有極高的安全性和可靠性；朱文坤等[5]建立了以非致命效應為核心的評價指標體系，將未確知測度數學模型應用于爆炸式催淚彈非致命效應的效能評估中，對該催淚彈的非致命效應進行了綜合評估；王志剛等[6]通過建立數學模型，對催淚彈的非致命效能進行了分析和計算，為處置群體性事件中該彈藥的科學使用提供了指導。

以上研究均是從爆炸型催淚彈的設計及使用安全性方面進行的理論研究，但未對該彈藥經實際存儲后的使用安全可靠性進行評價。爆炸型催淚彈的保質期一般為5 a，本文以新品、正常存儲期內(存儲3 a)、滿儲存期(存儲5 a)和超儲存期(存儲8 a)4個階段的某爆炸型催淚彈為樣本，采用高速攝影機、掃描電子顯微鏡(SEM)、差示掃描量熱儀(DSC)、聲強儀等物化儀器對其發火機構點火性能、主裝藥安定性和作戰效果等進行測試和表征，以為該類彈藥在實戰中的安全可靠使用提供依據。

1 材料與方法

1. 1 主要試劑和儀器

圖1 某爆炸型催淚彈實物和作用效果Fig.1 Real object and effects of a certain explosive type tear gas grenade

某爆炸型催淚彈(見圖1和圖2)，由武警工程大學裝備器材研制中心提供；電子天平(JM-B2003)，慈溪紅鉆衡器設備有限公司生產；彈簧扭矩測試儀(SGNH-0.5)，上海實干實業有限公司生產；高速攝影機(XA35)，佳能珠海有限公司生產；掃描電子顯微鏡(SEM，Evo-50)，德國Carl Zeiss公司生產；差示掃描量熱儀(DSC204F1)，美國耐馳公司生產；多功能聲級計(AWA6228)，杭州愛華儀器有限公司生產。

圖2 某爆炸型催淚彈結構圖Fig.2 Structure of a certain explosive type tear gas grenade1.發火機構;2.點火管;3.上支體;4.彈筒;5.主裝藥;6.高壓管;7.引燃藥;8.墊片;9.下支體

1. 2 試驗方法

1.2.1 點火安全可靠性測試

(1) 擊針簧能量測試[7-8]:對受試樣彈擊針簧不同扭轉角下的力矩進行測試，先測量樣彈擊針簧扭轉角為100°和150°時的力矩，并通過下式計算樣彈擊針簧扭轉角為240°時的力矩(彈簧擊發狀態下的扭轉角)：

(1)

式中：y1、y2、y3分別為樣彈擊針簧扭轉角為100°、150°和240°時的力矩(N·m);φ1、φ2、φ3分別為樣彈擊針簧扭轉100°、150°和240°時的角度(°)。

通過下式計算樣彈彈簧推動擊針戳擊火帽時的勢能：

(2)

式中：U為樣彈擊針擊發時的勢能(N·m)；y為樣彈彈簧的力矩(N·m)；φ為樣彈擊針簧的扭轉角(°)。

通過下式計算樣彈點火管火帽全發火時的最小能量：

Ef=E0e-0.1v

(3)

式中：Ef為火帽全發火時的最小能量(N·m)；E0為火帽感度上限值,即點火管火帽刺穿勢能上限值，E0=0.08 N·m；v為擊針的撞擊速度(m/s)。

利用公式(2)求得U后，即可與Ef相比較，當U≥Ef，說明受試彈藥發火可靠。但根據公式(3)可知，Ef

(2) 點火管火焰長度測量：將標有刻度且長度已知的標尺置于攝影機視場，通過計算點火管噴口至火焰邊界所占像元個數與標尺所占相元個數之比，可得到點火管火焰的輸出長度[9-10]，其試驗原理見圖3。點火管火焰長度的計算公式為[9]

(4)

式中：H為點火管火焰長度(mm)；LH為火焰所占像元個數(個)；h為標尺長度(mm)；Lh為標尺長度為h處所占像元個數(個)。

圖3 點火管火焰長度試驗原理示意圖[9]Fig.3 Schematic diagram of test principle for flame length[9]

1.2.2 主裝藥安定性測試

(1) 5 s爆發點[11-13]：將(50±2) mg的受試樣彈裝入雷管殼內，一同放在預先調好溫度的伍德合金浴中，試樣受熱作用而燃爆，記錄時間和燃爆時的溫度，并根據公式(5)對所測數據進行線性擬合，推算出受試樣彈主裝藥5 s爆發點的溫度，具體操作參照GJB 5891.20—2006標準實施[11]。

lnτ=E/RT+lnc

(5)

式中：τ為被測起爆藥受熱爆發時延滯期(s)；c為與被測起爆藥組分有關的常數；E為被測起爆藥的表觀活化能(J/mol)：R為摩爾氣體常數，其值為8.314 J/(mol·K)；T為被測起爆藥受熱爆發時的溫度(K)。

(2) DSC分析：采用DSC204F1測試儀在室溫至590℃的溫度范圍內，對受試樣彈主裝藥的安定性進行測試，全程在N2保護下進行，具體操作參照GJB 5891.17—2006標準[14]實施。

(3) 主裝藥組分分布:為了觀察受試樣彈主裝藥各組分在體系中的分散情況，采用Carl Zeiss Evo-50 型掃描電子顯微鏡(SEM)對受試樣彈的表面形貌進行表征。

1.2.3 作戰效果測試

(1) 刺激性測試:對于彈藥的作戰刺激性能試驗采用接觸法，將不同時間段的受試樣彈分別放在同一密閉空間引爆，并在距離引爆中心1 m的圓周上分別站立6名參試志愿者，通過對刺激性氣溶膠的平均耐受時間來衡量受試樣彈的刺激性能[9]。

(2) 聲壓測試：將聲級計置于距爆炸點6 m處，對受試樣彈爆炸時產生的聲壓進行測試，具體操作參照GJB 5214.21—2003標準[15]實施。

2 結果與討論

2. 1 受試樣彈發火機構安全可靠性分析

2.1.1 擊針簧能量

圖4 受試樣彈發火機構實物及作用原理圖Fig.4 Physical and functional schematic diagram of the firing mechanism of the sample bomb

樣彈的發火機構是該類彈藥實現作戰效能的重要組成部分，其作用是經過一定時間的延時后引燃擴爆藥，進而點燃主裝藥。受試樣彈的發火機構主要由擊發座、擊針、擊針簧和針刺延期點火管等組成。其中，擊針簧尤為關鍵，它通過擊針軸與擊針鏈接并固定于擊發座(見圖4)，平時存儲足夠能量而處于張緊狀態，當保險解除后，彈簧在扭矩的作用下帶動擊針高速翻轉撞擊并刺穿點火管的火帽，從而啟動點火序列。因此，彈簧勢能的大小直接決定彈藥能否成功安全點火。

新品、存儲3 a、5 a、8 a的受試樣彈發火機構擊針簧勢能隨存儲時間的變化曲線，見圖5。

圖5 存儲時間對受試樣彈發火機構擊針簧勢能的影響Fig.5 Influence of storage time on the potential energy of the needle spring of the specimen firing mechanism

由圖5可見，受試樣彈擊針簧的平均勢能和最小勢能均隨存儲時間的延長呈現單調遞減趨勢。這是由于受試樣彈的擊針簧屬于扭簧，是一種通過對材質柔軟、韌度較大彈性金屬材料的扭曲或旋轉進行蓄力，并利用杠桿原理將蓄力進行釋放的機械結構；它的工作部分被繞成螺旋形且承擔扭轉變形，同時扭轉變形內部存在較大的應力，該應力在扭簧長期張緊過程中微觀上會發生一定程度的蠕變，宏觀上則表現為扭簧的勢能降低，這屬于材料疲勞的正?，F象。另外，受試樣彈擊針簧的平均勢能和最小勢能隨存儲時間的延長雖有遞減，但降低幅度處于相對較低水平，存儲8 a后的受試樣彈擊針簧的最小勢能(0.393 N·m)依然是受試樣彈點火管火帽刺穿勢能上限值E0(0.08 N·m)的4.91倍，對實際應用沒有產生明顯的影響，能夠確保樣彈點火管火帽的有效刺穿和安全可靠發火。

2.1.2 點火管火焰輸出長度

受試樣彈采取徑向點火方式，點火管是樣彈點傳火系統的重要火工元件，處于該系統的起始序列；由于點火管發火后輸出的火焰貫穿整個彈體才能確保主裝藥的瞬間成功點燃，故點火管火焰輸出長度是衡量樣彈發火機構可靠性的重要影響因素之一。樣彈點火管的最短和平均火焰長度隨存儲時間的變化曲線，見圖6。

圖6 存儲時間對受試樣彈點火管火焰長度的影響Fig.6 Effect of storage time on flame length of the specimen ignitron

由圖6可見，不論是受試樣彈點火管的最短火焰長度還是平均火焰長度，整體來講均隨存儲時間的延長會略有縮短;對于受試樣彈點火管的平均火焰長度而言，在存儲時間為3～5 a的區間內變化幅度較大，而在存儲時間小于3 a和5～8 a兩個區間內變化幅度較小，尤其是在5～8 a區間內趨于平穩。這可能是由于在前3 a，受試樣彈點火管中的藥劑微粒表面有利于反應的棱、角等 “缺陷”較多，藥劑微粒相互間的接觸面積較大，即藥劑的反應活性較高，一旦觸發，燃速較快、能量較足，故受試樣彈點火管的火焰長度較長；隨著存儲時間的延長，受試樣彈點火管中藥劑分子的晶格因自身振動而逐漸趨于平衡，故藥劑的反應活性隨之減弱，該過程在3～5 a區間內變化幅度最大；當存儲時間超過5 a后，受試樣彈點火管中藥劑分子的晶格達到了動態平衡狀態。因此，在存儲時間小于3 a和5～8 a兩個區間內樣彈點火管平均火焰長度的變化幅度較小，在3～5 a區間內其變化幅度相對較大。不過，點火管的最短火焰長度和平均火焰長度在考察年限內最大的變化幅度僅為3.7%和5.1%，并且其最短火焰長度分布在289～300 mm之間，遠遠大于受試樣彈的彈長(122 mm)，因此能夠確保彈藥發射時被成功安全點燃。

2. 2 受試樣彈主裝藥安定性分析

樣彈主裝藥是由氧化劑、還原劑等含能材料組成的特殊易燃易爆危險品，在外界能量的作用下，極易發生發煙、燃燒甚至爆炸，給生產、儲存、運輸或使用帶來諸多的安全隱患。

安定性是防暴彈藥主裝藥在一定的存儲時間內，保持其物化性質及爆炸等煙火效應不致發生改性的能力，是反映藥劑分解難易程度的重要衡量指標，對裝備的安全儲存和可靠使用作用重大[16-17]。

2.2.1 5 s爆發點

根據樣彈的作戰機理，其主裝藥是在熱能的作用下達到作戰狀態，對熱的感度較高。5 s爆發點是指樣彈主裝藥劑在特定條件下5 s內由于加熱而發生爆炸反應的最低環境溫度，是衡量含能材料熱感度的經典方法。

本試驗以存儲0 a、3 a、5 a及8 a的受試樣彈主裝藥為樣本進行5 s爆發點測試，其測試數據的線性擬合結果見圖7，其線性擬合的相關系數(R2)及推算的5 s爆發點見表1，存儲時間對受試樣彈主裝藥5 s爆發點(T)及線性擬合相關系數(R2)的影響見圖8。

圖7 不同存儲時間受試樣彈主裝藥5 s爆發點測試 數據的線性擬合結果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

存儲時間/a線性擬合方程相關系數R25 s爆發點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分別是存儲時間為0 a、3 a、5 a、8 a時受試樣彈主裝藥受熱爆發時溫度T的倒數；y1～y4分別是存儲時間為0 a、3 a、5 a、8 a時受試樣彈主裝藥受熱爆發時延滯期τ的自然對數。

圖8 存儲時間對受試樣彈主裝藥5 s爆發點(T)及線性 擬合相關系數(R2)的影響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組試樣各自測試數據分散度較低，存在很好的線性關系，其相關系數(R2)均大于0.99，表明本試驗的測試方法及所得數據真實可靠；由線性擬合方程推算的不同存儲時間的受試樣彈主裝藥5 s爆發點T分別為514.64 K、520.43 K、521.59 K和521.81 K。由圖7不難看出，受試樣彈主裝藥5 s爆發點隨存儲時間的延長呈單調遞增，當存儲時間小于3 a時，該曲線斜率較大；而當存儲時間大于3 a后，受試樣彈主裝藥5 s爆發點的增長幅度較小，該曲線趨于平緩。這是由于原材料在壓制成主裝藥柱的過程中需要經過粉碎、烘干、攪拌、造粒、壓制等多道工序，在以上環節中原料晶體經機械等作用后被破碎成碎片(粒)晶體，表面或內部產生了新的裂縫、位錯、空穴等，這些部位的原子配位數低于其飽和值，原子間結合力小于內部分子的結合力，拉開它們所需的能量較小，故發火時所需的外界熱能(5 s爆發點)較低；對于壓制成型的主裝藥柱，各組分晶體在前期工序中形成的敏感部位隨時間的延長，為降低自身勢能，原子在蠕變過程中配位數不斷增加而使其接近飽和，并且隨著原子配位數梯度差的減小，在存儲的前3 a，原子配位數的變化速率較大，之后該過程原子配位數的變化速率降低[16-17]。因此，當存儲時間小于3 a時，該曲線的斜率較大；而當存儲時間大于3 a后，該曲線趨于平緩。但整體上看，受試樣彈主裝藥的安定性非常好，在有效使用期內，受試樣彈主裝藥5 s爆發點的變化率僅為1.35%。

2.2.2 主裝藥組分DSC分析

本試驗在N2保護下，以10 ℃/min的升溫速率對標準試樣和經過儲存3 a、5 a和8 a的受試樣彈主裝藥的安定性進行測試，得到標準試樣和不同存儲時間受試樣彈主裝藥組合的DSC曲線，見圖9。

圖9 標準試樣和不同存儲時間受試樣彈主裝藥組分的 DSC曲線Fig.9 DSC curves of the main charge of standard specimen and specimen with different storage times

由圖9可見，受試樣彈主裝藥組分的DSC測試峰值溫度集中在313℃附近；經過不同存儲時間后受試樣彈主裝藥劑的起始熔融溫度、峰值溫度和完全熔融溫度雖略有飄移(見圖10)，但變化幅度均小于2℃(結果統計詳見表2)，分別為1.51℃、1.06℃和1.82℃，這是藥劑隨時間退火鈍化的正常現象,故可推斷受試樣彈主裝藥的原始組分配方設計科學，在長期存儲過程中具有較好的安定性，為該彈藥的安全可靠使用提供了根本保障[16]。

圖10 不同存儲時間對受試樣彈主裝藥組分DSC測試 特征峰值溫度的影響Fig.10 Effect of storage time on the DSC characteristic peak value of the main charge

存儲時間/a起始熔融溫度/℃峰值溫度/℃完全熔融溫度/℃0309.72312.89315.153310.18313.04315.465310.93313.20315.908311.23313.95316.97

2.2.3 主裝藥各組分SEM分析

圖11為不同存儲時間受試樣彈主裝藥各組分的SEM照片。

圖11 不同存儲時間受試樣彈主裝藥各組分的SEM照片Fig.11 SEM images of the main charge of specimen with different storage times

由圖11可見，受試樣彈主裝藥各組分微粒邊界清晰、表面光滑，整個體系經過不同存儲時間未發現肉眼可見的明顯變化，這可以間接地說明受試樣彈主裝藥劑各組分之間具有較好的相容性，該結果與受試樣彈主裝5 s爆發點和DSC的測試結果相一致。

2. 3 受試樣彈作戰效果分析

樣彈擊發后產生的聲壓級別和刺激劑的濃度是衡量其作戰效果的重要指標。根據不同峰值聲壓級別的脈沖噪聲對人耳的損傷聲壓和威懾聲壓(見表3)， 該彈藥的戰技指標中規定距爆心6 m處的爆炸聲壓范圍為110～120 dB[15]。通常情況下，對刺激性防暴彈藥而言，有生目標對刺激劑的不可耐受時間應小于或等于2 min。不同存儲時間受試樣彈的平均聲壓和受試者對催淚劑不可耐受時間的測試結果，見表4。

表3 不同峰值聲壓級別的脈沖噪聲對人體器官的影響[15]

表4 不同存儲時間受試樣彈平均聲壓和受試者對催淚劑不可耐受時間的測試結果

由表4可知，受試樣彈爆炸后產生的聲壓雖然隨著存儲時間的延長略有衰減，但在樣彈的保質期內平均聲壓的變化率最大僅為2.94%；而對于超過保質期3 a的受試樣彈，其平均聲壓依然維持在115 dB，仍然具備強大的威懾作用，符合該彈藥戰技指標的要求。此外，受試者對催淚劑不可耐受時間的測試結果(見表4)表明：在受試樣彈保質期內乃至超過保質期3 a后，不同的存儲時間未對刺激劑的刺激效果產生明顯的影響，受試者在接觸到刺激性氣溶膠后均在瞬間出現咳嗽、大量流淚、睜不開眼等失去反抗能力的癥狀[2]。

以上作戰效果的測試結果進一步反映出受試樣彈的主裝藥劑具有很好的安定性，為該彈藥的可靠使用提供了基礎保障。

3 結 論

通過本試驗得到如下結論：

(1) 受試樣彈擊針簧能量和點火管火焰輸出長度的測試結果表明：兩者均隨存儲時間的延長而減少，但能夠充分確保該類彈藥在保質期內乃至超出保質期3 a的安全可靠點火。

(2) 受試樣彈主裝藥劑5 s爆發點各組測試數據間存在相關系數(R2)大于0.99的線性關系，推算所得的5 s爆發點在彈藥有效使用期內，其變化率僅為1.35%；經過不同存儲時間后受試樣彈主裝藥組分的DSC測試結果表明，經過8 a存儲后，受試樣彈主裝藥劑起始熔融溫度、峰值溫度和完全熔融溫度的變化幅度維持在較低水平，分別為1.51℃、1.06℃和1.82℃；不同存儲時間受試樣彈主裝藥各組分的SEM照片中顆粒表面光滑，未出現明顯的質量變化現象。以上測試結果表明受試樣彈主裝藥劑配方設計科學、安全穩定性好，能夠確保彈藥的安全可靠使用。

(3) 受試樣彈作戰效果的測試結果表明：該類彈藥在使用年限內(5 a)能夠達到預期的戰術效果。