強光爆震彈安全性優化設計

馬永忠，劉加凱,2

(1.武警工程大學 裝備管理與保障學院，西安 710086；2.西安交通大學 機械工程學院， 西安 710049)

強光爆震彈作為一種大威力非致命彈藥，爆炸時能夠產生巨大的聲響和強烈的閃光，從而對有生目標產生震撼、眩暈、暫時失明等生理效應，使其喪失抵抗能力或干擾其行為，在國內外各種反恐作戰、平息暴亂、處置群體性事件的行動中發揮了十分重要作用[1]。但我國當前裝備的強光爆震彈，在爆炸過程產生的破片易對有生目標造成過度傷害，主要表現在兩方面：一是爆炸時擊發和保險機構等金屬部件不能被炸碎，而是以整體高速向外飛行，經常會對處置對象造成較大傷害；二是彈體采用ABS合成材料，爆炸時產生帶有尖銳棱角的破片，易對人員造成殺傷。

因此，開展強光爆震彈的安全性設計，在滿足戰術使用效果的同時，避免對目標造成過度傷害，對于提高強光爆震彈的作戰效能，更好地滿足部隊遂行反恐維穩任務需求，具有較高的軍事應用價值。

1 結構設計

1.1 設計原則與思路

針對現役手投強光爆震彈使用過程中所存在的問題，開展強光爆震彈的安全性設計，重點解決以下問題：爆炸時不能產生殺傷性破片，同時要有良好的聲、光效應；采用通用化、系列化、模塊化設計，與現役強光爆震彈主要零部件通用，最大限度降低生產成本。

針對上述問題，設想了3種解決方案和思路[2-3]：有破片但無殺傷力，例如：紙質破片；破片完全破碎。例如：找到一種材料，在爆炸前性能穩定，爆炸時又能完全溶化或破碎，不會形成殺傷性破片；無破片設計方案，例如：采用內、外殼結構，內殼裝藥爆炸，外殼開孔，保證聲光效果的同時，擊發和保險機構與彈體不分離，破片滯留在外殼內部。

對于第1種方案，由于紙質破片強度不高，爆震聲壓級很難達到戰技指標要求。對于第2種方案，此類材料很難找到或者成本較高。因此本文選擇第3種開孔外殼和內殼相結合的雙層腔體結構設計方案，所設計的新型強光爆震彈爆炸時不產生殺傷性破片，距離炸點1.5 m處，聲壓級達到140～160 dB。

1.2 設計方案

本文所設計的強光爆震彈彈體結構由擊發和保險機構、外殼、內殼和噴口等組成，外殼體使用上蓋、中殼、下蓋三段式螺紋連接而成，如圖1所示。擊發和保險機構使用現役通用部件，因此本文主要對內殼、外殼和噴口進行設計。

圖1 新型爆震彈彈體結構示意圖

1) 內殼設計。內殼是新型強光爆震彈的裝藥殼體，其大小決定了裝藥量多少，其殼體材料和厚度決定了內殼的強度。內殼需要一定強度集聚能量，并在爆開瞬間泄光泄壓。內殼可采用塑料材料，目前主要有聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(如PA66)、ABS等，其中ABS還有多種改性材料[4]。通過對比研究，考慮內殼材料需要較高的強度和較好的適應性，本文選用ABS作為內殼材料，其強度和改性具有較高的兼容性，在下一步設計中可以更好的適應課題研究。

2) 外殼設計。新型強光爆震彈中，外殼既是內殼的承載體，又是防止內殼破片飛散的主要部件，因此設計外殼時，既需要考慮強度問題，又要考慮結構問題。為了便于在外殼上面開孔加工，并裝入內殼，因此將外殼設計成由上蓋、中殼、下蓋三段式連接而成，不管在哪個部位開孔，都便于加工。

在材料的選用上，外殼首先應具有良好的抗爆炸沖擊能力，其次需要考慮成本及重量因素。常用抗沖擊材料主要有銅材、鋼材及鋁材[5]。銅材最貴且密度最大，不適合作為彈體外殼材料；而鋼材密度是鋁材的3倍，重量過重；鋁合金特別是超硬鋁合金既有和鋼材相當的強度，又具有銅材的抗腐蝕的特點，密度相對較低，是相對理想的外殼材料。因此，本文選用超硬鋁合金7A09作為新型強光爆震彈的外殼材料。

3) 噴口設計。噴口設計主要包括3個指標：位置、數量和直徑。由于彈藥投擲后，一般側面著地，若噴口位置在側面，則可能受力不均而產生跳彈現象。另外爆震彈主要應用于室內，若前后設置噴口，滾至墻壁側或角落導致一邊噴口受堵時，會造成彈體受力不均而產生激射。因此，在外殼上、下蓋造圓弧面，使用斜開噴口，可以有效適應復雜環境地形。從理論上講，爆震聲響的產生與裝藥燃氣的急速釋放和擴散有直接關系，是一個氣固兩相流問題，因此噴口處的流量和流速越大，聲響也就越大，因此，噴口直徑并不是越大越好，因為泄爆面積大了，流量增大的同時流速卻小了，也不是越小越好，流速雖然提高了，流量卻小了；綜合分析，噴口的數量和直徑，暫定為上下蓋各開10個φ4的小孔，均勻分布，具體數量和直徑需要通過仿真來進一步優化。

2 仿真分析

2.1 模型的建立

在強光爆震彈的安全性設計中，重點改進的是彈體的內、外殼雙層空腔結構，在進行彈藥爆炸仿真過程中，為了減少不必要的計算，將模型進行如下假設簡化：

1) 模型的擊發機構對爆炸過程影響忽略不計，爆炸起爆點設在藥劑最上沿中心。

2) 螺紋使用添加固連失效的平面代替，效果一致。

3) 彈藥為軸對稱模型，爆炸仿真模型建立四分之一模型，減少計算量。

4) 為了討論沖擊波超壓的影響，還需在模型外建立空氣模型。

通過以上合理假設、簡化，模型建立后如圖2所示。內殼厚度2 mm，內徑即裝藥直徑為18 mm，高度為52 mm；外殼厚度3 mm，外徑為40 mm，外殼三段總長度為110 mm；噴口直徑為4 mm，與軸向角度為45°，數量10個。彈體裝藥為Al粉和KClO4，其比例為4∶6，裝藥量為8 g。

圖2 彈體1/4模型示意圖

2.2 網格的劃分和參數設置

在LS-DYNA中，爆炸模型常采用Solid 164單元，其一般使用映射六面體單元，可以得到較高效率和精度。而像彈藥這種帶曲面的實體，映射網格有一定難度。但在前處理中，對于不規則體，使用掃略網格可以快速進行六面體網格劃分。

在爆炸仿真過程中，彈體裝藥和ABS內殼的主要仿真參數如表1和表2所列。

表1 彈體裝藥的主要仿真參數

表2 ABS內殼的主要仿真參數

2.3 仿真結果分析

2.3.1結構分析

主要分析爆炸過程中內殼破片分散情況，破片與外殼作用情況及螺紋連接處強度。在強光爆震彈起爆的500 μs時間內，煙火劑集聚能量，破開內殼，內殼破片分散過程如圖3所示。從后處理動畫中可知：在0～40 μs之間，爆轟波沒有傳遞到內殼壁上，內殼基本沒有變形；40 μs后，ABS殼體開始向外變形；在80 μs左右，內殼上部開始破裂，此后逐漸向下傳遞破裂現象；在200 μs時，內殼ABS頂部被螺紋連接固定在上蓋上，圓周部向四周破碎飛散，底部破片呈向下運動趨勢。

圖3 破片分散過程圖

破片飛散后與外殼作用主要分為兩部分：第1部分是內殼圓周部破片與中殼作用，破片被中殼擋住，擠壓、變形、減速，最終滯留外殼體內部。中殼只有極小彈性變形，沒有發生破壞；第2部分是內殼底部大型破片在爆炸力的驅動下，以極大加速向外殼體底部飛去。從圖3(e)可以看到：內殼底部破片絕大部分被下蓋擋住，下蓋變形較小，下蓋與中殼的螺紋連接沒有脫落。極少部分破片從噴口飛出，但其具有偶然性，加之破片質量小于0.01 g，初速小于150 m/s，速度在1 m處衰減至100 m/s以下，屬于非殺傷性破片。綜上所述，可以得出：爆炸破片被外殼體擋住無殺傷性破片，上、下蓋螺紋連接沒有失效，外殼體沒有發生破壞。

2.3.2聲壓分析

新型強光爆震彈采用雙層結構，其聲光通過噴口泄出，噴口的設置對光能量影響不大，但對爆震彈的聲壓效應影響較大。

當沒有外殼體存在時，爆炸峰值聲壓和峰值超壓的關系為[6-7]

(1)

式中：Lp為峰值聲壓級；Ppeak為爆炸峰值超壓；P0一般為2×10-5Pa。

當有開孔外殼體存在時，爆震彈的聲源變為多個，主要是各噴口泄壓造成的聲音，類似于多個噪聲源，其總聲壓級為所有噴口的聲壓級之和：

Lps=Lp0+10lg(n)

(2)

式中：Lps為總聲壓級；Lp0為單個噴口聲壓級；n為噴口個數。

根據超壓衰減公式，當開孔處1 mm為基準位置的總峰值聲壓級為Lp0時，則1.5 m處峰值聲壓級Lp可表示為

(3)

也就是說，當需要作用于1.5 m處人耳的聲壓級為140～160 dB時，新型強光爆震彈在噴口處1 mm的總聲壓級為216～236 dB。

圖4所示為爆炸時彈體在351 μs時的超壓云圖。從結果動畫中可以得到：70 μs前，煙火劑產生的超壓被束縛在ABS殼內；70 μs后，內殼開裂，壓力從內殼傳遞到外殼體；在200 μs左右，超壓逐漸從外殼體噴口泄出。符合爆炸超壓傳遞現象。

圖4 彈體超壓云圖

在噴口處取超壓最大的空氣單元16658，其超壓曲線如圖5所示，峰值超壓約為0.2 MPa，根據式(1)換算成峰值聲壓級為200 dB，上下蓋共計20個噴口，根據式(2)計算疊加聲壓級為213 dB，則根據式(3)1.5 m處聲壓級為137 dB，接近預期戰技指標。下一步，通過優化設計參數，使超壓、聲壓滿足預期的戰技指標。

圖5 16658單元超壓曲線

3 優化設計

新型強光爆震彈的初步方案經第2節的仿真分析，驗證了方案的有效性，但其許多參數如內殼厚度、噴口數量及直徑等關鍵參數還需要進一步優化選取，以滿足戰技指標。

3.1 ABS內殼的優化

ABS內殼是新型強光爆震彈的重要部件，通過優化內殼參數來提高聲壓級是可行的，本節主要研究內殼厚度對新型彈的影響，即在其他條件不變的情況下，研究噴口處峰值超壓隨厚度的變化情況。

通過爆炸仿真分析，得到不同內殼厚度(厚度從1 mm間隔0.2 mm增加到4 mm)的彈體在同一噴口處的空氣單元超壓峰值，如圖6所示。從圖6中可知：在內殼厚度為1～2 mm范圍內，隨著厚度的增加，噴口處超壓峰值緩慢增加；在2～3 mm范圍內，隨著內殼厚度的增加，超壓峰值明顯增加；在3～4 mm范圍內，噴口處超壓峰值基本恒定。這是由于在1～2 mm范圍內，內殼強度很低，爆炸時泄壓過早，峰值超壓接近于沒有內殼爆炸的超壓；當內殼厚度增加到2～3 mm時，隨著內殼強度的提高，內殼泄壓越晚，峰值超壓越大；而當內殼厚度達到3 mm以上時，內殼強度足夠使所有藥劑燃燒完畢，已達到此藥量的最大壓強，因此增加厚度已不能使超壓再明顯增加。綜上，可以將初步方案的內殼厚度2 mm優化到3 mm，此時，單個噴口處峰值超壓達到1 MPa。

圖6 超壓峰值隨內殼厚度變化曲線

3.2 噴口的優化

新型強光爆震彈中，噴口是泄出聲光能量的主要部位，不能過多，導致聲光能量不集中，達不到爆震效果；不能過大，過大的噴口有可能導致過大的破片從孔洞飛出致人傷亡；還不能過小，過小可能導致孔洞被堵死導致彈體激射。因此，需要對噴口數量和直徑進行優化。

3.2.1噴口數量的優化

其他參數不變，內殼厚度取3 mm，噴口數量從2間隔2增加到12。同樣，按照3.1節的數據處理方法，得到峰值超壓隨噴口數量的變化如圖7所示。

圖7 峰值超壓隨噴口數量的變化曲線

從圖7中可以得到：隨著噴口數量的增多，總泄爆面積增大，單個噴口流量減少，會使得單個噴口峰值超壓減少。但由于噴口數量是增多的，所以爆炸后總的聲壓級需要根據噴口數量和單個噴口峰值超壓具體計算得到。根據式(2)計算，2～12個噴口總聲壓級(單位dB)分別為：234.3 dB、231.3 dB、229.3 dB、227.6 dB、227.2 dB、226.1 dB。可以看出，總聲壓級隨著噴口數量的增加而減少，但變化幅值較小。因此可將噴口數量適當增多，有利于增強光學刺激效應。但通過仿真可知：當噴口數量大于8個時，會有特別小的內殼碎片飛出噴口的情況發生。這是由于隨著噴口數量的增多，碎片飛出的概率增加。因此將初步方案中噴口數量由10個優化為8個。

3.2.2噴口直徑的優化

其他參數不變，內殼厚度取3 mm，噴口數量取8個，為了便于實際加工，噴口直徑由3 mm間隔1 mm增加到6 mm，分別進行仿真。仿真表明：隨著噴口直徑增大，噴口的峰值超壓呈減少趨勢，但變化幅值較小。這是由于噴口直徑增大，泄爆面積增大，峰值超壓隨之減少。當噴口直徑為6 mm時，碎片飛出較多。為了保證外殼能盡可能快的泄爆，將噴口直徑選取為5 mm。

優化后的內殼厚度為3 mm，上、下蓋的噴口數量為8個，噴口直徑為5 mm，此時，噴口處峰值超壓為0.98 MPa，換算到1.5 m處總聲壓級為149.8 dB，符合強光爆震彈戰技指標要求。

4 結論

本文采用無破片設計方案，即強光爆震彈在爆炸發出聲光效應的同時，不產生殺傷性破片。本文采用開孔外殼和內殼相結合的雙層腔體彈體結構，選用ABS、超硬鋁合金作為內、外殼材料，并對外殼噴口的位置、數量和直徑進行了初步設計。利用LS-DYNA軟件對爆炸過程中彈體的結構和聲壓進行了仿真分析，表明所設計的強光爆震彈在爆炸過程中不會產生殺傷性破片，同時在距離彈藥1.5 m處聲壓級為137 dB，接近預期戰技指標。對設計方案進行了優化，使得距離彈藥1.5 m處的聲壓級可達到149.8 dB，滿足了預期戰技指標要求，為強光爆震彈的安全設計、試制驗證、安全使用，提供了經仿真優化的指導性安全設計方案和數據。