某眩暈手榴彈破片安全性試驗研究

王 庚，崔曉萍，王瀚鵬，楊 建

(1.武警工程大學研究生大隊， 西安 710086; 2.武警工程大學裝備管理與保障學院， 西安 710086;3.武警工程大學職業教育中心， 西安 710086)

近年來，武警部隊隨著擔負任務的拓展，裝備的非致命武器呈現系列化發展的趨勢，其中，防暴彈藥型號最全、品種最齊、數量最多，在遂行多樣化任務中戰斗力貢獻率最高，尤其是爆震彈，威力最大、震懾效果最好，在處置群體性暴騷亂事件中，發揮了重要作用[1-4]。某眩暈手榴彈是武警部隊列裝的一種新型爆震彈(圖1)，利用彈體爆炸時產生的巨大聲響和眩目強光制造讓人暈眩的感覺，恐嚇有生目標，使其失去防衛及反抗能力，達到牽制、驅散、制服目標的控暴目的[5-6]。在實際使用中發現，該手榴彈爆炸后除產生聲光效應外，還會產生爆炸破片，特別是爆炸后產生的破片具有不可控性和隨機散布性，若使用不當，容易對人體造成損傷，在實戰化訓練及遂行多樣化任務過程中存在重大的安全隱患，使其效能難以達到預期目標。為了充分和高效發揮其終點效應，對該手榴彈破片安全性進行評價具有十分重要的意義。

圖1 某眩暈手榴彈實物圖

本文采用高速攝影機對該手榴彈靜爆試驗過程進行全程跟蹤記錄，并對爆炸后產生的破片進行收集、整理、分析和計算，通過其速度衰減規律，確定最小安全半徑，為該彈藥的正確安全使用提供理論依據和技術支撐。

1 爆破試驗

1.1 試驗場地、試驗儀器和原材料

試驗儀器：電子天平，JM-B2003，慈溪紅鉆衡器設備有限公司，精度0.01 g；高速攝影機：Phantom Miro3型，美國 VISION公司生產；卷尺：愛維特30 m皮卷尺。

試驗材料：某眩暈手榴彈，武警工程大學供應保障處提供。

由于本試驗過程中會產生破片、聲響及強光，故試驗場地測試距離應滿足安全要求，為確保試驗數據的真實可靠，場地應空曠平坦，周邊無障礙物，以免對破片運動軌跡和自由散布產生破壞，且被測試樣與高速攝影機之間無遮擋物。

為了考察破片的飛行軌跡，以炸點鉛垂線到地面的點為圓心，以1 m半徑劃同心圓，并在相應的距離上進行標記。

1.2 靜爆試驗

為了獲得破片的飛行軌跡及散布狀況，本試驗通過高速攝影機對樣彈的爆炸過程進行拍攝記錄，試驗現場布置如圖2所示。

圖2 試驗現場布置示意圖

為確保所收集破片的準確性，首先對樣彈進行編號，并對彈體各部件進行標記；為了能客觀真實反映樣彈爆炸后破片散布，本試驗采取懸掛拉發空爆的方式進行，如圖3所示；樣彈爆炸過程如圖4所示；樣彈引爆后對產生的破片進行收集并測量和記錄破片落點距炸點的距離。

圖3 樣彈懸掛拉發空爆試驗現場示意圖

圖4 樣彈爆炸過程示意圖

樣本數量25枚，破片落點距炸點的距離按概率取其平均值。

收集到的某眩暈手榴彈爆炸后的破片如圖5，對破片散布統計結果如表1。通過對多次試驗后破片的統計分析發現，該彈藥在爆炸后會產生較大破片，在炸點周圍散布整體呈現隨機性；但主要破片的種類、形狀、大小和數量基本一致，分別為擊發座1個、上殼體1個、下殼體4片、彈底1個、藥盒蓋1個及配重塊1個等，其中，下殼體沿彈體表面軸向均勻分布的4個工藝槽分裂為4片。

圖5 破片

表1 主要破片散布統計

不難看出，破片數量較多、體積及質量較大；其中，質量最大的是配重塊，其材質為橡膠包覆鐵塊，平均質量為44.82 g；其次為鋁合金材質的擊發座，平均質量為43.89 g；這兩種破片不僅質量較大而且飛行距離較遠，分別為31.6 m、29.6 m，在使用過程中安全隱患較大。另外，上、下殼體為韌性較好的PE材質，破片平均質量分別為13.56 g、2.99 g；裝藥盒為質地較脆的ABS塑料材質，爆炸過程中除藥盒蓋較完整外，盒體80%破碎成小碎片；本文重點對擊發座、配重塊、上殼體、下殼體、藥盒蓋5種破片安全性進行定量分析研究。

2 破片運動分析

爆炸發生后，破片在運動過程中時間短，距離短，為便于計算。對破片的運動進行以下假設：

1) 破片在在運動過程中，可以忽略自身重力的影響，只考慮破片受到空氣阻力影響；

2) 忽略破片旋轉的影響，認為空氣阻力系數不發生變化；

3) 忽略靜爆瞬間空氣氣溫變化對空氣密度的影響。

通過高速攝影機觀察爆炸瞬間破片的運動狀態和飛行軌跡，可以得出爆炸瞬間，大量破片隨機向四周散布，為便于計算和確保計算結果的準確性，在分析過程中假設在爆炸瞬間產生的能量對每個破片均相等。在散布過程中，配重和擊發座由于物體質量大，可以忽略空氣阻力，只考慮重力對其影響；上、下殼體破片質量較輕、面積較大、密度較低，破片在飛散過程中的運動狀態除受重力影響外，空氣阻力不容忽視。根據所受力的綜合分析，破片運動方程如式(1)[7-9]：

(1)

對式(1)進行積分得：

(2)

V=V0e-αX

(3)

式中：MA為破片質量；ρa表示空氣密度；CD表示破片迎風阻力系數；A表示破片迎風面積；a為破片速度衰減系數，即破片在空氣中速度損失大小；t為破片飛行時間；v為破片瞬時速度。

不同的破片材料的迎風阻力系數不同，如表2所示。

表2 破片迎風阻力系數[11]

以靶桿為高度參照，通過對其中一破片進行抓拍，得到該破片(如圖6)運動的飛行軌跡，并對散布破片進行散布距離進行測量，具體數據見表3。

圖6 破片飛散圖

表3 破片速度和散布距離

通過試驗數據得出，破片散布速度逐漸減小。根據式(2)和式(3)分別計算得出各破片的飛行初速[10]。其中，配重的初速為114.8 m/s；擊發座的初速為116.4 m/s；上殼體的初速為205.2 m/s；下殼體破片的飛行初速為423.3 m/s；由于藥盒蓋處于彈體內部，爆炸時形成的破片在飛行時會受到殼體阻力，故計算所得為初速53.6 m/s，顯著低于其他破片。

3 破片安全性分析

在評價彈藥破片的殺傷性時標準較多，通常有動能標準、比動能標準、破片質量標準等，美國軍標(MEL—STD—2105C)規定，破片動能大于79 J就能使人致命[12]。隋樹元和王樹山等人經過多年對創傷彈道學研究提出，擦傷皮膚的最小比動能為9.8 J/cm2左右[13]。借鑒以上研究成果，為確保彈藥的非致命性，要求破片比動能不能超過9.8 J/cm2。比動能的表達式為式(4)：

(4)

式中：C為比動能，即破片能量與迎風面積的比值；Ea為破片動能，即破片在運動過程中所具有的能量；A為迎風面積，通常取最大截面積的四分之一。

由于破片在爆炸過程中受到沖擊力和高溫的影響，容易產生變形，通過式(5)得出不規則破片的迎風面積。

(5)

由式(5)和式(6)所得：

(6)

式中：V為破片對目標造成傷害的最小速度；A為破片迎風面積；Ea為破片接觸目標時所具有的動能；MA為破片的質量[14]。

根據式(6)進行計算得出各個破片相應的最小擦傷速度和最小致命速度，如表4。

由表4中的速度計算結果可以看出，除藥盒蓋外，其余4種破片的最小擦傷速度和最小致命速度初速均低于各自的初速，這表明該樣彈在一定范圍內使用時會對有生目標帶來安全問題。

表4 破片速度

根據式(3)得a=0.13，通過計算得出擊發座的安全半徑為6.9 m，配重塊的安全半徑為5.3 m，上殼體安全半徑為 4.6 m，下殼體安全半徑為5.3 m，藥盒蓋是安全的。

4 結論

1) 以高速攝影機記錄樣彈靜爆過程，采用破片初速度計算及比動能計算能夠實現樣彈破片安全性評價；

2) 由破片初速及比動能計算可得，配重塊爆炸瞬間散布速度及最小擦傷速度分別為116.4 m/s和25.3 m/s，擊發座的散布速度及最小擦傷速度分別為114.8 m/s和15.8 m/s，上殼體破片散布速度及最小擦傷速度分別為205.2 m/s和 58.1 m/s，下殼體的破片飛行初速度及最小擦傷速度分別為423.3 m/s和95.5 m/s，藥盒蓋的散布速度為53.6 m/s。除藥盒蓋外，其余4種破片的最小擦傷速度和最小致命速度初速均低于各自的初速。由此可判斷，該新型爆震彈樣彈在一定范圍內使用時會對有生目標帶來安全問題；

3) 通過安全半徑計算結果可知，該新型爆震彈的使用安全半徑為6.9 m。