某小型強光爆震彈的結構設計與試驗研究

馬永忠，趙法棟

(武警工程大學 裝備管理與保障學院, 西安 710086)

強光爆震彈是一種依靠彈體爆炸時產生強烈聲響和炫目的閃光，使人暫時性致聾致盲從而失去抵抗能力的非致命彈種[1-2]，在武力突擊、強行驅散等處突維穩任務中發揮著重要作用，因其作用威力大、驅散效果好[3]，在各國警憲部隊都得到了大量配備和廣泛使用。如何在保證其作用威力的前提下，進一步增強其便攜性、安全性和非致命性一直是該類彈藥研究的熱點問題[4-5]。如美國的7290型爆震彈采用鋼制金屬外殼，爆炸時不會產生任何破片，不僅增強了其非致命性，而且彈體可回收再利用，但也增加了全彈質量，給攜帶、投擲帶來不便；M84震撼彈同樣采用鋼制外殼，但是由于減小了全彈尺寸和質量，其閃光強度明顯降低；法國的魯日利241型致盲手榴彈的彈體雖然采用塑料材料，但也會產生殺傷性破片，其0446型聲光彈則采用了預制破片的方法來控制破片的殺傷能力。

國內采用的強光爆震彈為圓柱形結構，彈體較大、不便攜帶、不利于隱蔽使用；爆炸會發生擊發座整體激射，造成殺傷人員的不良后果；保險機構容易被拉脫，造成意外擊發，從而導致傷亡事故。

為解決上述問題，本文采用卵形彈體結構、雙延期管串聯點傳火方式設計了小型強光爆震彈；基于LS-DYNA仿真平臺對其聯接座分離過程進行數值模擬以驗證其非致命性；最后通過試驗驗證所設計彈藥的安全性和可靠性。

1 結構設計

為便于人手持握和投擲，小型強光爆震彈的彈體結構設計為卵形，并在彈體中部聯接座部位采用凹凸結構設計，以增加持握摩擦力，防止滑脫，利于提高投擲距離和投擲精度。整體由引信、聯接座和爆炸體三部分構成，其中爆炸體由二級延期點火體、下蓋和閃光劑組成，如圖1所示。

1.聯接座; 2.二級延期點火體; 3.下蓋; 4.引信;5.拉環鎖定扣; 6.一級分離點火管; 7.閃光劑

1) 引信設計

目前，手投防暴彈均采用翻板擊針式發火和保險機構[6]，為增強彈藥零部件的通用性，降低生產成本，本文的發火機構與保險機構主要零部件均采用通用件。同時，為了提高彈藥攜行安全性，參照手榴彈引信結構，在原保險機構中設置了拉環鎖定扣。平時狀態下，保險拉環被拉環鎖定扣鎖住，使用時，需要首先旋轉拉環脫離拉環鎖定扣，才能拔出保險銷，這樣就確保了彈藥在貯存、運輸、攜行時的勤務安全性。

本文的發火機構除具有發火、延期功能外，還設計有分離、點火功能。其上設計有一級分離點火管，其輸出端裝藥為具有較大產氣量的開倉藥。該點火管被刺燃后，點火藥燃燒產生高溫高壓氣體，使聯接座與爆炸體分離，同時點燃二級延期點火體。

2) 爆炸體設計

爆炸體是彈藥的主體，它要有足夠的強度，確保分離過程中結構完好，不得有明顯變形，更不能出現殉爆現象；分離后要能正常發火，爆炸時要具有良好的聲光效應，保證足夠的威懾效果，同時在安全范圍內爆炸產生的破片不會對人員造成傷害。

在各種塑料材料中ABS材料具有良好的強度[7]，可保證殼體的強度要求，確保爆炸時有足夠的初始壓力，以取得良好的聲光效應。因此，本文所設計的爆炸體由ABS材料注塑成型。具體由殼體和裝藥兩部分構成。殼體由二級延期點火體和下蓋構成，其中二級延期點火體的中孔內壓裝延期藥，下蓋內散裝閃光劑。

3) 聯接座設計

聯接座是擊發座與爆炸體的聯接部位，將其聯接成一個整體。在保證彈藥的使用勤務性要求基礎上，要盡量降低聯接座與爆炸體的聯接強度和剪切破壞力，確保在高壓火藥氣體作用下兩者能夠可靠分離，同時要避免從聯接座與擊發座的聯接處分離或產生氣體泄漏。

本文采用ABS塑料[7]為聯接座材料，注塑加工成型，聯接座與爆炸體、擊發座采用螺紋聯接。為達到上述聯接強度要求，其上下螺紋采用相同螺距，但上螺紋與擊發座的聯接長度遠大于下螺紋與爆炸體的聯接長度，同時在上螺紋處涂環氧樹脂膠以進一步增強其聯接強度。

綜上，該彈的作用原理是：投擲時，旋轉拉環脫離拉環鎖定扣，拔出保險銷投擲后，在扭轉彈簧作用下，保險柄脫落、擊針板翻轉擊發刺燃針刺延期點火管，經過延期后，一級分離點火管發火，產生高溫高壓氣體，聯接座與爆炸體分離拋出，火藥氣體同時引燃二級延期點火體中的點火藥，再次延期后，二級延期點火體發火，激勵閃光劑爆炸，爆炸體殼體破碎，產生巨大聲響和強閃光。

2 基于LS-DYNA的聯接座剪切分離過程分析

實現彈體爆炸前聯接座的可靠分離，消除擊發座整體激射現象，進一步確保彈藥的非致命性是本文結構設計的重點。為深入論證所設計結構的可行性，本文采用有限元分析的方法對其剪切分離過程進行研究。

聯接座與爆炸體的分離問題屬于爆炸與沖擊問題，其實質是多物質流體彈塑性動力學問題。在各種有限元分析平臺中，LS-DYNA在分析各種爆炸、結構撞擊、沖擊等動態非線性問題方面具有獨特的優勢[8]，本文就以該軟件為仿真平臺。

2.1 物理模型的建立

由于不需要考慮二級延期點火體的爆炸問題，為簡化計算，本文只建立了一級分離點火管腔室及開倉藥模型。

建立平面模型。按照所設計結構，繪制的平面模型如圖2所示，該模型由開倉藥、聯接座和空氣三部分構成。其中，螺紋部分按照國標規定的螺紋規格建模，聯接長度為6 mm，螺距為1.5 mm。

沿Y軸旋轉生成1/4三維模型。

圖2 平面模型

該彈結構對稱，采用四邊形網格有利于快速建立網格模型，提高精度。此外，采用映射網格劃分，對于炸藥部位，為了保證計算的精度，將網格劃分的更加細密。網格劃分如圖3所示。

圖3 網格劃分

2.2 邊界條件和接觸類型

螺紋接觸類型采用面面接觸，為了使螺紋的變形更加精確，采用雙向接觸的接觸搜索方式。不僅搜索從節點的穿透，還對主節點進行搜索。

設置對稱邊界條件，即在建立的坐標系中選擇YZ面施加UX約束，選擇XY面施加UZ約束(相當于施加了YZ、XY對稱邊界條件)。

聯接座剪切分離過程涉及開倉藥、空氣和聯接座3種材料。

1) 開倉藥。采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，狀態方程采用*EOS_JWL。JWL狀態方程能夠精準地描述爆炸驅動過程中爆轟氣體產物的能量特性、壓力和體積。其狀態方程參數如表1所示[9]。

2) 空氣。空氣部分材料采用*MAT_NULL，狀態方程采用*EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL，參數如表2所示。

表1 開倉藥狀態方程參數

3) 聯接座。聯接座采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，隨動硬化的塑性材料模型，參數如表3所示。極限塑性應變取0.06。

表2 空氣材料模型參數

表3 聯接座材料模型參數

2.3 生成K文件求解

由于聯接座螺紋連接處為ABS材料注塑而成，彈性模量高、機械性能好、流動性差，因此，當一級延期藥爆炸產生的火藥氣體在聯接座內快速膨脹時對螺紋連接處產生較大沖擊應力，其垂直于螺紋接觸面方向的分力強度達到屈服極限既可使聯接座“拔脫”，而不會發生較大塑性變形。

由屈服準則公式：

f(?ij)=c

(1)

其中，c只與材料性質有關。

當

(2)

高溫高壓火藥氣體沖開聯接座，完成分離。其中，F為火藥沖力，α為螺紋坡度，S0為螺紋受力面積。

考慮爆炸過程時間非常短，設置求解時間為0.4 ms，求解步數設置為400步，并將炸藥的起爆點設置在炸藥軸線上側。

2.4 結果分析

1) 聯接座分離過程分析。圖4為聯接座分離過程的Mises應力云圖。可以看出，在分離過程中，聯接座、彈體有明顯變形，但均未破壞，聯接座和爆炸體連接螺紋發生了完全拔脫。

由于腔室內火藥氣體對聯接座和爆炸體有一個來回的沖擊作用，聯接座頂部和爆炸體底部均有一個明顯的振動效應，其速度變化曲線如圖5和圖6。

由于腔室內部沖擊波對擊發座和彈體持續的一個沖擊效應，爆炸體振動頻率較為緩慢，但振幅更大，正負方向速度差可達40 m/s，而擊發座振動頻率較高，振幅較小，正負方向速度差約為17.5 m/s。

圖4 聯接座分離過程Mises應力云圖

圖5 聯接座頂部速度-時間曲線

圖6 爆炸體底部速度-時間曲線

2) 螺紋變化分析。圖7、圖8分別是內外螺紋徑向位移-時間曲線。

圖7 內螺紋徑向位移-時間曲線

圖8 外螺紋徑向位移-時間曲線

由圖8可知，在腔室內氣體膨脹時，聯接座螺紋連接處也發生一定程度的膨脹，致使聯接座被拔脫。與此過程相對應，內、外螺紋也會伴隨氣體膨脹發生徑向位移。由此可知，聯接座拔脫過程并不是完全克服螺紋剪切力而破壞螺紋，而是伴隨著徑向位移，拔脫過程中所需克服的實際剪切力應小于螺紋屈服極限。

圖9表示了t=0.24 ms時內外螺紋的變形。

圖9 內外螺紋的變形(t=0.24 ms)

可以看出：內、外螺紋面均因為徑向位移而發生一定程度的塑性變形，外螺紋的變形更加明顯，但沒有嚴重畸形破壞，依舊可以二次使用。分別選取內螺紋和外螺紋單元，繪制Mises應力變化曲線(圖10、圖11)。

圖10 內螺紋Mises應力-時間曲線

圖11 外螺紋Mises應力-時間曲線

內、外螺紋Mises應力隨時間變化趨勢差不多，但外螺紋最大Mises應力值為21.8 MPa，比內螺紋大，說明在整個拔脫過程外螺紋受力更大，這也進一步證實：外螺紋表面塑性變形比內螺紋更大。

3) 壓強變化規律。選取腔室中間部位單元繪制壓強變化曲線(圖12)。可以看出：由于炸藥的爆炸，腔室內壓強迅速增大到1.35 MPa，然后在沖擊過程中由于能量的損耗，腔室壓強迅速減小直至成0，此時，聯接座和彈體完全拔脫。

圖12 腔室壓強時間變化曲線

3 試驗測試

3.1 聯接座分離試驗

為進一步驗證聯接座分離的可靠性，本文用經配重的填砂彈作為爆炸體進行整彈裝配，依靠兩個固定桿分別固定在水泥地面與泥土地面上進行聯接座分離試驗(試驗布置如圖13所示)，測試分離情況及分離距離(分離效果如圖14所示)，結果見表4。

圖13 聯接座分離試驗布置

圖14 聯接座分離效果

試驗地面測試彈數/枚分離情況聯接座分離距離/m最大距離最小距離平均距離水泥地面10全部分離1.360.420.66泥土地面10全部分離1.120.390.52

結果表明：分離率達100%，無論在水泥地面還是在泥土地面上，平均分離距離均小于1 m。

3.2 彈體破碎性試驗

彈體破片是影響彈藥非致命性的另一個重要因素，因此本文采用靜爆法(其試驗布置如圖15所示)在封閉空間內將實彈固定在中央固定臺上進行拉發引爆。收集分析彈體破片數質量分布規律，并與某型手投強光爆震彈進行對比。破片如圖16、試驗統計結果如表5所示。

圖15 彈體破碎性/破片安全性試驗布置

圖16 某型手投強光爆震彈彈體破片(左)與小型強光爆震彈彈體破片(右)對比

破片質量區間/g某型手投強光爆震彈數量平均質量百分比/%小型強光爆震彈數量平均質量百分比/%<0.3480.1644.4390.1843.30.3～0.7150.510.14330.4936.70.7～1270.810.25180.83201～2151.560.139000>236.520.03000百分比(%):指某質量區間上的破片數占總破片數的比例

結果表明：某型手投強光爆震彈的擊發座沒有被炸碎，仍保持完整，其余破片的質量都小于2 g；小型手投強光爆震彈的破片質量都小于1 g。

為進一步考核破片的殺傷性，本文參照GJB3287—1998《防暴彈藥定型試驗規程》[10]，采用能否穿透25 mm厚紅松木靶板法作為致傷判據，對10枚爆炸體進行靜爆安全性測試。其中紅松木靶板以扇形布設，距爆心1 m。試驗結果表明，爆炸體產生的破片均未能穿透距爆心1 m處的25 mm厚紅松木靶板，因而不會對半徑1 m處人員造成殺傷，達到了安全半徑1 m的戰技指標要求。

4 結論

本文采用卵形彈體結構、雙延期管串聯點傳火方式設計的小型強光爆震彈，有效解決了現有強光爆震彈彈體較大，攜行不便，不利于隱蔽使用的問題。小型強光爆震彈采用的雙延期管串聯結構，與采用單個針刺延期管結構相比，大幅度降低了彈藥出現瞬發(無延期時間)的概率，確保了投擲安全性，這是該彈結構設計上的突出優點。小型強光爆震彈的爆炸殼體產生的最大破片重量不超過1 g。靜爆試驗表明：爆炸破片未穿透距爆心1 m處25 mm厚紅松木板，達到了安全半徑1 m的戰技指標要求。