陳 萍，柳 森，李 毅，黃 潔，文雪忠

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

致傷效應(yīng)試驗(yàn)是開展創(chuàng)傷彈道學(xué)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(biāo)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲取投射物對(duì)生物體組織的貫穿深度、變形和破壞情況等致傷效應(yīng)和致傷機(jī)理，為武器、彈藥的設(shè)計(jì)，以及彈傷防護(hù)與診治水平的提高提供支持。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)投射物擊中生物體后在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和致傷機(jī)理進(jìn)行了大量研究，研究結(jié)果表明：彈頭對(duì)生物體的殺傷作用主要是由于彈頭進(jìn)入機(jī)體形成的瞬時(shí)空腔效應(yīng)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(duì)肥皂的瞬時(shí)空腔效應(yīng)結(jié)果［6］；此外，彈丸質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和形狀，撞擊速度，進(jìn)入機(jī)體后的穩(wěn)定性等對(duì)致傷效果也有很大影響，例如，當(dāng)撞擊動(dòng)能一定時(shí)，小質(zhì)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(shí)形成的瞬時(shí)空腔效應(yīng)Fig.1 Trajectory in soap by the test of ordinary shot

然而，上述試驗(yàn)研究中投射物的速度通常小于2km／s，對(duì)2km／s以上撞擊速度的研究鮮見報(bào)道。本文采用肥皂作為生物體模擬物，開展Φ3.0mm鋼球?qū)Ψ试戆械淖矒粼囼?yàn)，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(yàn)狀態(tài)，以比較研究高速和超高速試驗(yàn)狀態(tài)下彈丸或投射物對(duì)生物體模擬物的致傷效果。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)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(dòng)物理靶、FD－18C和FD－18A等一系列超高速碰撞靶，配備的發(fā)射器口徑尺寸依次為50／37、25、16和7.6mm，模型發(fā)射速度范圍0.2～8.6km／s。本項(xiàng)試驗(yàn)研究在7.6mm超高速碰撞靶［9］上進(jìn)行。該靶是一座專門用于超高速撞擊試驗(yàn)研究的彈道靶設(shè)備（見圖2），包括發(fā)射器、測(cè)控系統(tǒng)、序列激光陰影照相系統(tǒng)和靶室／真空4個(gè)分系統(tǒng)。其中發(fā)射器是一座7.6mm口徑二級(jí)輕氣炮，最高發(fā)射速度為7.44km／s，最小可控發(fā)射彈丸直徑0.5mm；測(cè)控系統(tǒng)包括3站TC－100激光測(cè)速裝置，測(cè)速精度優(yōu)于2.9‰；序列激光陰影照相系統(tǒng)為1套BXL－1序列激光陰影照相設(shè)備［10－11］，一次試驗(yàn)中可獲得8張不同時(shí)刻的試驗(yàn)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(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)，該損傷測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)的主設(shè)備為三維光學(xué)掃描系統(tǒng)，可對(duì)靶材的三維外形進(jìn)行定量測(cè)量，以測(cè)量試驗(yàn)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(shù)。

1.2 試件

彈丸選用Φ3.0mm的鋼球，如圖3所示。

試驗(yàn)靶材為300mm×300mm×200mm和200mm×200mm×200mm兩種規(guī)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(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共進(jìn)行了4次，具體試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)及結(jié)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(yàn)彈丸撞擊速度小于2km／s，鋼球均貫穿肥皂靶。0.96km／s試驗(yàn)條件下形成長(zhǎng)柱狀彈孔，彈道比較光滑。1.88km／s試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)狀態(tài)參數(shù)及結(jié)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(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，分析認(rèn)為是彈丸在撞擊到靶材表面時(shí)產(chǎn)生一種沖擊波，這種沖擊波是一種很陡峭的壓力脈沖，壓強(qiáng)值極高，它由撞擊界面分別傳進(jìn)彈丸與靶材。由于本文試驗(yàn)條件下彈丸和靶材的密度和材料強(qiáng)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(shí)產(chǎn)生的沖擊波波陣面隨彈丸一起運(yùn)動(dòng)，彈丸在穿過肥皂靶后很短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)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(shí)，在撞擊初期，鋼球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而造成巨大的入口創(chuàng)傷，隨著侵徹深度增加，鋼球的動(dòng)能衰減劇烈，轉(zhuǎn)化的內(nèi)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(yàn)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(gè)大尺寸半球形彈坑，彈坑邊緣翻卷，彈坑底部有許多不規(guī)則的小坑，靶材的邊緣和背面無變形。圖7為F1次試驗(yàn)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，F(xiàn)1和F2次試驗(yàn)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(nèi)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(yàn)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(yuǎn)大于彈丸和靶材材料強(qiáng)度，材料的慣性效應(yīng)甚至可壓縮效應(yīng)或相變效應(yīng)起重要作用。在撞擊瞬時(shí)，一個(gè)強(qiáng)的沖擊波由撞擊界面分別傳進(jìn)彈丸與靶材，材料發(fā)生廣泛的塑性變化、融化和氣化；在侵徹階段，彈丸連續(xù)破碎，驅(qū)動(dòng)彈坑形成；在成坑階段，彈丸完全破碎后，由于慣性彈坑繼續(xù)擴(kuò)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(shí)，彈坑便停止擴(kuò)張，達(dá)到最大尺寸，之后由于彈性恢復(fù)，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(xiàn)為2個(gè)方面：一是大尺寸彈坑導(dǎo)致的“體積移除”，二是由于超高速鋼球撞擊肥皂靶產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波，破壞區(qū)域大于彈坑區(qū)域。如果在實(shí)戰(zhàn)中，生物體在超高速?gòu)椡璧淖矒粝拢蟪叽鐝椏訋淼摹敖M織移除”，也會(huì)給生物體造成嚴(yán)重創(chuàng)傷，而彈丸與生物體相撞產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波還會(huì)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(qū)域遠(yuǎn)大于彈坑容積。

2.2 損傷分析

試驗(yàn)后采用三維光學(xué)掃描系統(tǒng)對(duì)彈坑和彈孔進(jìn)行了掃描，測(cè)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(shù)（見表1），并對(duì)彈坑和彈孔剖面進(jìn)行了復(fù)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(yàn)條件下彈坑和彈孔形狀參數(shù)與彈丸撞擊速度的關(guān)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(guān)，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(shí)，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(jīng)提到，撞擊產(chǎn)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(shù)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(yàn)條件下，肥皂靶的損傷特征與彈靶材料強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度之間的關(guān)系，引入一個(gè)無量綱參數(shù)，將其定義為：

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

當(dāng)α靶材?1，α彈丸～1，即沖擊壓力遠(yuǎn)大于靶材材料強(qiáng)度、與彈丸材料強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，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(yàn)）。

當(dāng)α靶材?1，α彈丸?1，即沖擊壓力遠(yuǎn)大于靶材材料強(qiáng)度、遠(yuǎn)小于彈丸材料強(qiáng)度時(shí)，鋼球撞擊肥皂靶過程中保持完整，形成經(jīng)典低速撞擊長(zhǎng)柱狀彈坑／彈孔（F4次試驗(yàn)）。

當(dāng)α靶材?1，α彈丸?1，即沖擊壓力遠(yuǎn)小于靶材材料強(qiáng)度、遠(yuǎn)大于彈丸材料強(qiáng)度時(shí)，現(xiàn)象與低密度和低強(qiáng)度的彈丸撞擊較高密度和高強(qiáng)度的靶材的情況相同，此時(shí)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(duì)防熱材料的侵蝕等）。

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

3 結(jié)束語

通過在氣動(dòng)中心超高速所的7.6mm超高速碰撞靶上進(jìn)行鋼球撞擊肥皂靶的試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）高速試驗(yàn)條件下，鋼球?qū)Ψ试戆械膿p傷主要表現(xiàn)為貫穿效果，形成長(zhǎng)柱狀（0.96km／s）和喇叭狀（1.88km／s）彈孔；超高速試驗(yàn)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(dǎo)致其“體積移除”。因此生物目標(biāo)體在超高速?gòu)椡璧淖矒粝?，大尺寸彈坑帶來的“組織移除”會(huì)給使生物體造成嚴(yán)重創(chuàng)傷；

（3）超高速鋼球撞擊肥皂靶產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，破壞區(qū)域大于彈坑區(qū)域。分析認(rèn)為，超高速?gòu)椡钃糁猩锬繕?biāo)后，除了直接導(dǎo)致其“組織移除”外，彈丸與生物體相撞產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波還會(huì)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(cè)量肥皂靶內(nèi)部不同部位的沖擊應(yīng)力，對(duì)沖擊強(qiáng)度進(jìn)行估算，并將其與靶材和彈丸的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行定量分析。

致謝：本文作者衷心感謝謝愛民、宋強(qiáng)、鄭蕾、羅慶、劉曉龍、廖富強(qiáng)、石建芝和廖強(qiáng)等同志在試驗(yàn)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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