王 庚，崔曉萍，王瀚鵬，楊 建

(1.武警工程大學(xué)研究生大隊(duì)， 西安 710086; 2.武警工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院， 西安 710086;3.武警工程大學(xué)職業(yè)教育中心， 西安 710086)

近年來(lái)，武警部隊(duì)隨著擔(dān)負(fù)任務(wù)的拓展，裝備的非致命武器呈現(xiàn)系列化發(fā)展的趨勢(shì)，其中，防暴彈藥型號(hào)最全、品種最齊、數(shù)量最多，在遂行多樣化任務(wù)中戰(zhàn)斗力貢獻(xiàn)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(fā)揮了重要作用[1-4]。某眩暈手榴彈是武警部隊(duì)列裝的一種新型爆震彈(圖1)，利用彈體爆炸時(shí)產(chǎn)生的巨大聲響和眩目強(qiáng)光制造讓人暈眩的感覺(jué)，恐嚇有生目標(biāo)，使其失去防衛(wèi)及反抗能力，達(dá)到牽制、驅(qū)散、制服目標(biāo)的控暴目的[5-6]。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，該手榴彈爆炸后除產(chǎn)生聲光效應(yīng)外，還會(huì)產(chǎn)生爆炸破片，特別是爆炸后產(chǎn)生的破片具有不可控性和隨機(jī)散布性，若使用不當(dāng)，容易對(duì)人體造成損傷，在實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練及遂行多樣化任務(wù)過(guò)程中存在重大的安全隱患，使其效能難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。為了充分和高效發(fā)揮其終點(diǎn)效應(yīng)，對(duì)該手榴彈破片安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。

圖1 某眩暈手榴彈實(shí)物圖

本文采用高速攝影機(jī)對(duì)該手榴彈靜爆試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全程跟蹤記錄，并對(duì)爆炸后產(chǎn)生的破片進(jìn)行收集、整理、分析和計(jì)算，通過(guò)其速度衰減規(guī)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(jù)和技術(shù)支撐。

1 爆破試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)儀器和原材料

試驗(yàn)儀器：電子天平，JM-B2003，慈溪紅鉆衡器設(shè)備有限公司，精度0.01 g；高速攝影機(jī)：Phantom Miro3型，美國(guó) VISION公司生產(chǎn)；卷尺：愛(ài)維特30 m皮卷尺。

試驗(yàn)材料：某眩暈手榴彈，武警工程大學(xué)供應(yīng)保障處提供。

由于本試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生破片、聲響及強(qiáng)光，故試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試距離應(yīng)滿足安全要求，為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，場(chǎng)地應(yīng)空曠平坦，周邊無(wú)障礙物，以免對(duì)破片運(yùn)動(dòng)軌跡和自由散布產(chǎn)生破壞，且被測(cè)試樣與高速攝影機(jī)之間無(wú)遮擋物。

為了考察破片的飛行軌跡，以炸點(diǎn)鉛垂線到地面的點(diǎn)為圓心，以1 m半徑劃同心圓，并在相應(yīng)的距離上進(jìn)行標(biāo)記。

1.2 靜爆試驗(yàn)

為了獲得破片的飛行軌跡及散布狀況，本試驗(yàn)通過(guò)高速攝影機(jī)對(duì)樣彈的爆炸過(guò)程進(jìn)行拍攝記錄，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

為確保所收集破片的準(zhǔn)確性，首先對(duì)樣彈進(jìn)行編號(hào)，并對(duì)彈體各部件進(jìn)行標(biāo)記；為了能客觀真實(shí)反映樣彈爆炸后破片散布，本試驗(yàn)采取懸掛拉發(fā)空爆的方式進(jìn)行，如圖3所示；樣彈爆炸過(guò)程如圖4所示；樣彈引爆后對(duì)產(chǎn)生的破片進(jìn)行收集并測(cè)量和記錄破片落點(diǎn)距炸點(diǎn)的距離。

圖3 樣彈懸掛拉發(fā)空爆試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖4 樣彈爆炸過(guò)程示意圖

樣本數(shù)量25枚，破片落點(diǎn)距炸點(diǎn)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(duì)破片散布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。通過(guò)對(duì)多次試驗(yàn)后破片的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，該彈藥在爆炸后會(huì)產(chǎn)生較大破片，在炸點(diǎn)周?chē)⒉颊w呈現(xiàn)隨機(jī)性；但主要破片的種類(lèi)、形狀、大小和數(shù)量基本一致，分別為擊發(fā)座1個(gè)、上殼體1個(gè)、下殼體4片、彈底1個(gè)、藥盒蓋1個(gè)及配重塊1個(gè)等，其中，下殼體沿彈體表面軸向均勻分布的4個(gè)工藝槽分裂為4片。

圖5 破片

表1 主要破片散布統(tǒng)計(jì)

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

2 破片運(yùn)動(dòng)分析

爆炸發(fā)生后，破片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中時(shí)間短，距離短，為便于計(jì)算。對(duì)破片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行以下假設(shè)：

1) 破片在在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(zhuǎn)的影響，認(rèn)為空氣阻力系數(shù)不發(fā)生變化；

3) 忽略靜爆瞬間空氣氣溫變化對(duì)空氣密度的影響。

通過(guò)高速攝影機(jī)觀察爆炸瞬間破片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和飛行軌跡，可以得出爆炸瞬間，大量破片隨機(jī)向四周散布，為便于計(jì)算和確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在分析過(guò)程中假設(shè)在爆炸瞬間產(chǎn)生的能量對(duì)每個(gè)破片均相等。在散布過(guò)程中，配重和擊發(fā)座由于物體質(zhì)量大，可以忽略空氣阻力，只考慮重力對(duì)其影響；上、下殼體破片質(zhì)量較輕、面積較大、密度較低，破片在飛散過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)除受重力影響外，空氣阻力不容忽視。根據(jù)所受力的綜合分析，破片運(yùn)動(dòng)方程如式(1)[7-9]：

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行積分得：

(2)

V=V0e-αX

(3)

式中：MA為破片質(zhì)量；ρa(bǔ)表示空氣密度；CD表示破片迎風(fēng)阻力系數(shù)；A表示破片迎風(fēng)面積；a為破片速度衰減系數(shù)，即破片在空氣中速度損失大??；t為破片飛行時(shí)間；v為破片瞬時(shí)速度。

不同的破片材料的迎風(fēng)阻力系數(shù)不同，如表2所示。

表2 破片迎風(fēng)阻力系數(shù)[11]

以靶桿為高度參照，通過(guò)對(duì)其中一破片進(jìn)行抓拍，得到該破片(如圖6)運(yùn)動(dòng)的飛行軌跡，并對(duì)散布破片進(jìn)行散布距離進(jìn)行測(cè)量，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖6 破片飛散圖

表3 破片速度和散布距離

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，破片散布速度逐漸減小。根據(jù)式(2)和式(3)分別計(jì)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(fā)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(nèi)部，爆炸時(shí)形成的破片在飛行時(shí)會(huì)受到殼體阻力，故計(jì)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(píng)價(jià)彈藥破片的殺傷性時(shí)標(biāo)準(zhǔn)較多，通常有動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)、比動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)、破片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等，美國(guó)軍標(biāo)(MEL—STD—2105C)規(guī)定，破片動(dòng)能大于79 J就能使人致命[12]。隋樹(shù)元和王樹(shù)山等人經(jīng)過(guò)多年對(duì)創(chuàng)傷彈道學(xué)研究提出，擦傷皮膚的最小比動(dòng)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(dòng)能不能超過(guò)9.8 J/cm2。比動(dòng)能的表達(dá)式為式(4)：

(4)

式中：C為比動(dòng)能，即破片能量與迎風(fēng)面積的比值；Ea為破片動(dòng)能，即破片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所具有的能量；A為迎風(fēng)面積，通常取最大截面積的四分之一。

由于破片在爆炸過(guò)程中受到?jīng)_擊力和高溫的影響，容易產(chǎn)生變形，通過(guò)式(5)得出不規(guī)則破片的迎風(fēng)面積。

(5)

由式(5)和式(6)所得：

(6)

式中：V為破片對(duì)目標(biāo)造成傷害的最小速度；A為破片迎風(fēng)面積；Ea為破片接觸目標(biāo)時(shí)所具有的動(dòng)能；MA為破片的質(zhì)量[14]。

根據(jù)式(6)進(jìn)行計(jì)算得出各個(gè)破片相應(yīng)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(jì)算結(jié)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(nèi)使用時(shí)會(huì)對(duì)有生目標(biāo)帶來(lái)安全問(wèn)題。

表4 破片速度

根據(jù)式(3)得a=0.13，通過(guò)計(jì)算得出擊發(fā)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(jié)論

1) 以高速攝影機(jī)記錄樣彈靜爆過(guò)程，采用破片初速度計(jì)算及比動(dòng)能計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)樣彈破片安全性評(píng)價(jià)；

2) 由破片初速及比動(dòng)能計(jì)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(fā)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(nèi)使用時(shí)會(huì)對(duì)有生目標(biāo)帶來(lái)安全問(wèn)題；

3) 通過(guò)安全半徑計(jì)算結(jié)果可知，該新型爆震彈的使用安全半徑為6.9 m。