馬永忠，趙法棟

(武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院, 西安 710086)

強(qiáng)光爆震彈是一種依靠彈體爆炸時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈聲響和炫目的閃光，使人暫時(shí)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(qiáng)行驅(qū)散等處突維穩(wěn)任務(wù)中發(fā)揮著重要作用，因其作用威力大、驅(qū)散效果好[3]，在各國(guó)警憲部隊(duì)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(jìn)一步增強(qiáng)其便攜性、安全性和非致命性一直是該類彈藥研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[4-5]。如美國(guó)的7290型爆震彈采用鋼制金屬外殼，爆炸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何破片，不僅增強(qiáng)了其非致命性，而且彈體可回收再利用，但也增加了全彈質(zhì)量，給攜帶、投擲帶來(lái)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(zhì)量，其閃光強(qiáng)度明顯降低；法國(guó)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(huì)產(chǎn)生殺傷性破片，其0446型聲光彈則采用了預(yù)制破片的方法來(lái)控制破片的殺傷能力。

國(guó)內(nèi)采用的強(qiáng)光爆震彈為圓柱形結(jié)構(gòu)，彈體較大、不便攜帶、不利于隱蔽使用；爆炸會(huì)發(fā)生擊發(fā)座整體激射，造成殺傷人員的不良后果；保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)容易被拉脫，造成意外擊發(fā)，從而導(dǎo)致傷亡事故。

為解決上述問(wèn)題，本文采用卵形彈體結(jié)構(gòu)、雙延期管串聯(lián)點(diǎn)傳火方式設(shè)計(jì)了小型強(qiáng)光爆震彈；基于LS-DYNA仿真平臺(tái)對(duì)其聯(lián)接座分離過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬以驗(yàn)證其非致命性；最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)彈藥的安全性和可靠性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于人手持握和投擲，小型強(qiáng)光爆震彈的彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為卵形，并在彈體中部聯(lián)接座部位采用凹凸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(lián)接座和爆炸體三部分構(gòu)成，其中爆炸體由二級(jí)延期點(diǎn)火體、下蓋和閃光劑組成，如圖1所示。

1.聯(lián)接座; 2.二級(jí)延期點(diǎn)火體; 3.下蓋; 4.引信;5.拉環(huán)鎖定扣; 6.一級(jí)分離點(diǎn)火管; 7.閃光劑

1) 引信設(shè)計(jì)

目前，手投防暴彈均采用翻板擊針式發(fā)火和保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)[6]，為增強(qiáng)彈藥零部件的通用性，降低生產(chǎn)成本，本文的發(fā)火機(jī)構(gòu)與保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)主要零部件均采用通用件。同時(shí)，為了提高彈藥攜行安全性，參照手榴彈引信結(jié)構(gòu)，在原保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中設(shè)置了拉環(huán)鎖定扣。平時(shí)狀態(tài)下，保險(xiǎn)拉環(huán)被拉環(huán)鎖定扣鎖住，使用時(shí)，需要首先旋轉(zhuǎn)拉環(huán)脫離拉環(huán)鎖定扣，才能拔出保險(xiǎn)銷，這樣就確保了彈藥在貯存、運(yùn)輸、攜行時(shí)的勤務(wù)安全性。

本文的發(fā)火機(jī)構(gòu)除具有發(fā)火、延期功能外，還設(shè)計(jì)有分離、點(diǎn)火功能。其上設(shè)計(jì)有一級(jí)分離點(diǎn)火管，其輸出端裝藥為具有較大產(chǎn)氣量的開(kāi)倉(cāng)藥。該點(diǎn)火管被刺燃后，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，使聯(lián)接座與爆炸體分離，同時(shí)點(diǎn)燃二級(jí)延期點(diǎn)火體。

2) 爆炸體設(shè)計(jì)

爆炸體是彈藥的主體，它要有足夠的強(qiáng)度，確保分離過(guò)程中結(jié)構(gòu)完好，不得有明顯變形，更不能出現(xiàn)殉爆現(xiàn)象；分離后要能正常發(fā)火，爆炸時(shí)要具有良好的聲光效應(yīng)，保證足夠的威懾效果，同時(shí)在安全范圍內(nèi)爆炸產(chǎn)生的破片不會(huì)對(duì)人員造成傷害。

在各種塑料材料中ABS材料具有良好的強(qiáng)度[7]，可保證殼體的強(qiáng)度要求，確保爆炸時(shí)有足夠的初始?jí)毫?，以取得良好的聲光效?yīng)。因此，本文所設(shè)計(jì)的爆炸體由ABS材料注塑成型。具體由殼體和裝藥兩部分構(gòu)成。殼體由二級(jí)延期點(diǎn)火體和下蓋構(gòu)成，其中二級(jí)延期點(diǎn)火體的中孔內(nèi)壓裝延期藥，下蓋內(nèi)散裝閃光劑。

3) 聯(lián)接座設(shè)計(jì)

聯(lián)接座是擊發(fā)座與爆炸體的聯(lián)接部位，將其聯(lián)接成一個(gè)整體。在保證彈藥的使用勤務(wù)性要求基礎(chǔ)上，要盡量降低聯(lián)接座與爆炸體的聯(lián)接強(qiáng)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(shí)要避免從聯(lián)接座與擊發(fā)座的聯(lián)接處分離或產(chǎn)生氣體泄漏。

本文采用ABS塑料[7]為聯(lián)接座材料，注塑加工成型，聯(lián)接座與爆炸體、擊發(fā)座采用螺紋聯(lián)接。為達(dá)到上述聯(lián)接強(qiáng)度要求，其上下螺紋采用相同螺距，但上螺紋與擊發(fā)座的聯(lián)接長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于下螺紋與爆炸體的聯(lián)接長(zhǎng)度，同時(shí)在上螺紋處涂環(huán)氧樹(shù)脂膠以進(jìn)一步增強(qiáng)其聯(lián)接強(qiáng)度。

綜上，該彈的作用原理是：投擲時(shí)，旋轉(zhuǎn)拉環(huán)脫離拉環(huán)鎖定扣，拔出保險(xiǎn)銷投擲后，在扭轉(zhuǎn)彈簧作用下，保險(xiǎn)柄脫落、擊針板翻轉(zhuǎn)擊發(fā)刺燃針刺延期點(diǎn)火管，經(jīng)過(guò)延期后，一級(jí)分離點(diǎn)火管發(fā)火，產(chǎn)生高溫高壓氣體，聯(lián)接座與爆炸體分離拋出，火藥氣體同時(shí)引燃二級(jí)延期點(diǎn)火體中的點(diǎn)火藥，再次延期后，二級(jí)延期點(diǎn)火體發(fā)火，激勵(lì)閃光劑爆炸，爆炸體殼體破碎，產(chǎn)生巨大聲響和強(qiáng)閃光。

2 基于LS-DYNA的聯(lián)接座剪切分離過(guò)程分析

實(shí)現(xiàn)彈體爆炸前聯(lián)接座的可靠分離，消除擊發(fā)座整體激射現(xiàn)象，進(jìn)一步確保彈藥的非致命性是本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。為深入論證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性，本文采用有限元分析的方法對(duì)其剪切分離過(guò)程進(jìn)行研究。

聯(lián)接座與爆炸體的分離問(wèn)題屬于爆炸與沖擊問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是多物質(zhì)流體彈塑性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在各種有限元分析平臺(tái)中，LS-DYNA在分析各種爆炸、結(jié)構(gòu)撞擊、沖擊等動(dòng)態(tài)非線性問(wèn)題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[8]，本文就以該軟件為仿真平臺(tái)。

2.1 物理模型的建立

由于不需要考慮二級(jí)延期點(diǎn)火體的爆炸問(wèn)題，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文只建立了一級(jí)分離點(diǎn)火管腔室及開(kāi)倉(cāng)藥模型。

建立平面模型。按照所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，繪制的平面模型如圖2所示，該模型由開(kāi)倉(cāng)藥、聯(lián)接座和空氣三部分構(gòu)成。其中，螺紋部分按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的螺紋規(guī)格建模，聯(lián)接長(zhǎng)度為6 mm，螺距為1.5 mm。

沿Y軸旋轉(zhuǎn)生成1/4三維模型。

圖2 平面模型

該彈結(jié)構(gòu)對(duì)稱，采用四邊形網(wǎng)格有利于快速建立網(wǎng)格模型，提高精度。此外，采用映射網(wǎng)格劃分，對(duì)于炸藥部位，為了保證計(jì)算的精度，將網(wǎng)格劃分的更加細(xì)密。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)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(jié)點(diǎn)的穿透，還對(duì)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜索。

設(shè)置對(duì)稱邊界條件，即在建立的坐標(biāo)系中選擇YZ面施加UX約束，選擇XY面施加UZ約束(相當(dāng)于施加了YZ、XY對(duì)稱邊界條件)。

聯(lián)接座剪切分離過(guò)程涉及開(kāi)倉(cāng)藥、空氣和聯(lián)接座3種材料。

1) 開(kāi)倉(cāng)藥。采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，狀態(tài)方程采用*EOS_JWL。JWL狀態(tài)方程能夠精準(zhǔn)地描述爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中爆轟氣體產(chǎn)物的能量特性、壓力和體積。其狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示[9]。

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

表1 開(kāi)倉(cāng)藥狀態(tài)方程參數(shù)

3) 聯(lián)接座。聯(lián)接座采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，隨動(dòng)硬化的塑性材料模型，參數(shù)如表3所示。極限塑性應(yīng)變?nèi)?.06。

表2 空氣材料模型參數(shù)

表3 聯(lián)接座材料模型參數(shù)

2.3 生成K文件求解

由于聯(lián)接座螺紋連接處為ABS材料注塑而成，彈性模量高、機(jī)械性能好、流動(dòng)性差，因此，當(dāng)一級(jí)延期藥爆炸產(chǎn)生的火藥氣體在聯(lián)接座內(nèi)快速膨脹時(shí)對(duì)螺紋連接處產(chǎn)生較大沖擊應(yīng)力，其垂直于螺紋接觸面方向的分力強(qiáng)度達(dá)到屈服極限既可使聯(lián)接座“拔脫”，而不會(huì)發(fā)生較大塑性變形。

由屈服準(zhǔn)則公式：

f(?ij)=c

(1)

其中，c只與材料性質(zhì)有關(guān)。

當(dāng)

(2)

高溫高壓火藥氣體沖開(kāi)聯(lián)接座，完成分離。其中，F(xiàn)為火藥沖力，α為螺紋坡度，S0為螺紋受力面積。

考慮爆炸過(guò)程時(shí)間非常短，設(shè)置求解時(shí)間為0.4 ms，求解步數(shù)設(shè)置為400步，并將炸藥的起爆點(diǎn)設(shè)置在炸藥軸線上側(cè)。

2.4 結(jié)果分析

1) 聯(lián)接座分離過(guò)程分析。圖4為聯(lián)接座分離過(guò)程的Mises應(yīng)力云圖?？梢钥闯?，在分離過(guò)程中，聯(lián)接座、彈體有明顯變形，但均未破壞，聯(lián)接座和爆炸體連接螺紋發(fā)生了完全拔脫。

由于腔室內(nèi)火藥氣體對(duì)聯(lián)接座和爆炸體有一個(gè)來(lái)回的沖擊作用，聯(lián)接座頂部和爆炸體底部均有一個(gè)明顯的振動(dòng)效應(yīng)，其速度變化曲線如圖5和圖6。

由于腔室內(nèi)部沖擊波對(duì)擊發(fā)座和彈體持續(xù)的一個(gè)沖擊效應(yīng)，爆炸體振動(dòng)頻率較為緩慢，但振幅更大，正負(fù)方向速度差可達(dá)40 m/s，而擊發(fā)座振動(dòng)頻率較高，振幅較小，正負(fù)方向速度差約為17.5 m/s。

圖4 聯(lián)接座分離過(guò)程Mises應(yīng)力云圖

圖5 聯(lián)接座頂部速度-時(shí)間曲線

圖6 爆炸體底部速度-時(shí)間曲線

2) 螺紋變化分析。圖7、圖8分別是內(nèi)外螺紋徑向位移-時(shí)間曲線。

圖7 內(nèi)螺紋徑向位移-時(shí)間曲線

圖8 外螺紋徑向位移-時(shí)間曲線

由圖8可知，在腔室內(nèi)氣體膨脹時(shí)，聯(lián)接座螺紋連接處也發(fā)生一定程度的膨脹，致使聯(lián)接座被拔脫。與此過(guò)程相對(duì)應(yīng)，內(nèi)、外螺紋也會(huì)伴隨氣體膨脹發(fā)生徑向位移。由此可知，聯(lián)接座拔脫過(guò)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(guò)程中所需克服的實(shí)際剪切力應(yīng)小于螺紋屈服極限。

圖9表示了t=0.24 ms時(shí)內(nèi)外螺紋的變形。

圖9 內(nèi)外螺紋的變形(t=0.24 ms)

可以看出：內(nèi)、外螺紋面均因?yàn)閺较蛭灰贫l(fā)生一定程度的塑性變形，外螺紋的變形更加明顯，但沒(méi)有嚴(yán)重畸形破壞，依舊可以二次使用。分別選取內(nèi)螺紋和外螺紋單元，繪制Mises應(yīng)力變化曲線(圖10、圖11)。

圖10 內(nèi)螺紋Mises應(yīng)力-時(shí)間曲線

圖11 外螺紋Mises應(yīng)力-時(shí)間曲線

內(nèi)、外螺紋Mises應(yīng)力隨時(shí)間變化趨勢(shì)差不多，但外螺紋最大Mises應(yīng)力值為21.8 MPa，比內(nèi)螺紋大，說(shuō)明在整個(gè)拔脫過(guò)程外螺紋受力更大，這也進(jìn)一步證實(shí)：外螺紋表面塑性變形比內(nèi)螺紋更大。

3) 壓強(qiáng)變化規(guī)律。選取腔室中間部位單元繪制壓強(qiáng)變化曲線(圖12)?？梢钥闯觯河捎谡ㄋ幍谋?，腔室內(nèi)壓強(qiáng)迅速增大到1.35 MPa，然后在沖擊過(guò)程中由于能量的損耗，腔室壓強(qiáng)迅速減小直至成0，此時(shí)，聯(lián)接座和彈體完全拔脫。

圖12 腔室壓強(qiáng)時(shí)間變化曲線

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 聯(lián)接座分離試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證聯(lián)接座分離的可靠性，本文用經(jīng)配重的填砂彈作為爆炸體進(jìn)行整彈裝配，依靠?jī)蓚€(gè)固定桿分別固定在水泥地面與泥土地面上進(jìn)行聯(lián)接座分離試驗(yàn)(試驗(yàn)布置如圖13所示)，測(cè)試分離情況及分離距離(分離效果如圖14所示)，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖13 聯(lián)接座分離試驗(yàn)布置

圖14 聯(lián)接座分離效果

試驗(yàn)地面測(cè)試彈數(shù)/枚分離情況聯(lián)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(jié)果表明：分離率達(dá)100%，無(wú)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(yàn)

彈體破片是影響彈藥非致命性的另一個(gè)重要因素，因此本文采用靜爆法(其試驗(yàn)布置如圖15所示)在封閉空間內(nèi)將實(shí)彈固定在中央固定臺(tái)上進(jìn)行拉發(fā)引爆。收集分析彈體破片數(shù)質(zhì)量分布規(guī)律，并與某型手投強(qiáng)光爆震彈進(jìn)行對(duì)比。破片如圖16、試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

圖15 彈體破碎性/破片安全性試驗(yàn)布置

圖16 某型手投強(qiáng)光爆震彈彈體破片(左)與小型強(qiáng)光爆震彈彈體破片(右)對(duì)比

破片質(zhì)量區(qū)間/g某型手投強(qiáng)光爆震彈數(shù)量平均質(zhì)量百分比/%小型強(qiáng)光爆震彈數(shù)量平均質(zhì)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(zhì)量區(qū)間上的破片數(shù)占總破片數(shù)的比例

結(jié)果表明：某型手投強(qiáng)光爆震彈的擊發(fā)座沒(méi)有被炸碎，仍保持完整，其余破片的質(zhì)量都小于2 g；小型手投強(qiáng)光爆震彈的破片質(zhì)量都小于1 g。

為進(jìn)一步考核破片的殺傷性，本文參照GJB3287—1998《防暴彈藥定型試驗(yàn)規(guī)程》[10]，采用能否穿透25 mm厚紅松木靶板法作為致傷判據(jù)，對(duì)10枚爆炸體進(jìn)行靜爆安全性測(cè)試。其中紅松木靶板以扇形布設(shè)，距爆心1 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，爆炸體產(chǎn)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(huì)對(duì)半徑1 m處人員造成殺傷，達(dá)到了安全半徑1 m的戰(zhàn)技指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文采用卵形彈體結(jié)構(gòu)、雙延期管串聯(lián)點(diǎn)傳火方式設(shè)計(jì)的小型強(qiáng)光爆震彈，有效解決了現(xiàn)有強(qiáng)光爆震彈彈體較大，攜行不便，不利于隱蔽使用的問(wèn)題。小型強(qiáng)光爆震彈采用的雙延期管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，與采用單個(gè)針刺延期管結(jié)構(gòu)相比，大幅度降低了彈藥出現(xiàn)瞬發(fā)(無(wú)延期時(shí)間)的概率，確保了投擲安全性，這是該彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的突出優(yōu)點(diǎn)。小型強(qiáng)光爆震彈的爆炸殼體產(chǎn)生的最大破片重量不超過(guò)1 g。靜爆試驗(yàn)表明：爆炸破片未穿透距爆心1 m處25 mm厚紅松木板，達(dá)到了安全半徑1 m的戰(zhàn)技指標(biāo)要求。