钢球对肥皂靶的撞击试验

陈 萍，柳 森，李 毅，黄 洁，文雪忠

（中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000）

0 引 言

致伤效应试验是开展创伤弹道学研究的重要方法之一［1－2］，它通过研究投射物（普通枪弹、破片等）击中生物体或生物体模拟物（如明胶、肥皂和泥胶等）后在目标内部的运动规律，获取投射物对生物体组织的贯穿深度、变形和破坏情况等致伤效应和致伤机理，为武器、弹药的设计，以及弹伤防护与诊治水平的提高提供支持。

国内外文献对投射物击中生物体后在体内的运动规律和致伤机理进行了大量研究，研究结果表明：弹头对生物体的杀伤作用主要是由于弹头进入机体形成的瞬时空腔效应带来大量失血和肌肉组织／器官坏死［1，3－5］，图1为普通枪弹对肥皂的瞬时空腔效应结果［6］；此外，弹丸质量、结构和形状，撞击速度，进入机体后的稳定性等对致伤效果也有很大影响，例如，当撞击动能一定时，小质量、高速度的弹丸具有更大的杀伤作用［4，7－8］。

图1 普通枪弹射击肥皂时形成的瞬时空腔效应Fig.1 Trajectory in soap by the test of ordinary shot

然而，上述试验研究中投射物的速度通常小于2km／s，对2km／s以上撞击速度的研究鲜见报道。本文采用肥皂作为生物体模拟物，开展Φ3.0mm钢球对肥皂靶的撞击试验，包括高速撞击（0.96和1.88km／s）和超高速撞击（3.52和4.98km／s）2种试验状态，以比较研究高速和超高速试验状态下弹丸或投射物对生物体模拟物的致伤效果。

1 试验设备与试件

1.1 试验设备

试验在中国空气动力研究与发展中心超高速所的弹道靶研究室开展。该研究室拥有200米自由飞弹道靶、气动物理靶、FD－18C和FD－18A等一系列超高速碰撞靶，配备的发射器口径尺寸依次为50／37、25、16和7.6mm，模型发射速度范围0.2～8.6km／s。本项试验研究在7.6mm超高速碰撞靶［9］上进行。该靶是一座专门用于超高速撞击试验研究的弹道靶设备（见图2），包括发射器、测控系统、序列激光阴影照相系统和靶室／真空4个分系统。其中发射器是一座7.6mm口径二级轻气炮，最高发射速度为7.44km／s，最小可控发射弹丸直径0.5mm；测控系统包括3站TC－100激光测速装置，测速精度优于2.9‰；序列激光阴影照相系统为1套BXL－1序列激光阴影照相设备［10－11］，一次试验中可获得8张不同时刻的试验过程照片。

图2 7.6mm超高速碰撞靶Fig.2 Hypervelocity impact range of 7.6mm

该靶还配备有损伤测量检测系统，该损伤测量检测系统的主设备为三维光学扫描系统，可对靶材的三维外形进行定量测量，以测量试验后靶材的弹坑直径、深度和容积以及弹孔直径和容积等损伤参数。

1.2 试件

弹丸选用Φ3.0mm的钢球，如图3所示。

试验靶材为300mm×300mm×200mm和200mm×200mm×200mm两种规格大小的肥皂块，密度0.98g／cm3，图4为200mm×200mm×200mm 肥皂块在靶室（Ф1m）中的安装图。

图3 试验用钢球Fig.3 Stell balls in test

图4 200mm×200mm×200mm肥皂块在靶室中的安装图Fig.4 The picture of 200mm×200mm×200mm soap fixed in target room

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

试验共进行了4次，具体试验状态参数及结果如表1所示。

2.1.1 高速撞击下肥皂靶的损伤

F3和F4次试验弹丸撞击速度小于2km／s，钢球均贯穿肥皂靶。0.96km／s试验条件下形成长柱状弹孔，弹道比较光滑。1.88km／s试验条件下形成入口大、出口小的喇叭状弹孔，弹道前半段凹凸不平，后半段较光滑。图5是F3次试验肥皂靶损伤情况，图6为高速撞击下肥皂靶弹孔剖面。

图5 F3次试验肥皂靶损伤情况（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 试验状态参数及结果Table 1 Parameters of test state and results

图6 高速撞击下肥皂靶的弹坑剖面Fig.6 Crater section plane of soap target at high impact velocity

出现这种现象的原因，分析认为是弹丸在撞击到靶材表面时产生一种冲击波，这种冲击波是一种很陡峭的压力脉冲，压强值极高，它由撞击界面分别传进弹丸与靶材。由于本文试验条件下弹丸和靶材的密度和材料强度差异很大，在0.96和1.88km／s速度撞击下，弹丸保持其完整性，直至贯穿肥皂靶。由于存在冲击波，弹丸在撞击肥皂靶时产生的冲击波波阵面随弹丸一起运动，弹丸在穿过肥皂靶后很短时间内会产生一种压力震荡，震荡周期很短，且在震荡过程中迅速衰减。同时，在撞击初期，钢球的动能转化为内能，从而造成巨大的入口创伤，随着侵彻深度增加，钢球的动能衰减剧烈，转化的内能也随之降低。因此，在0.96和1.88km／s速度撞击下肥皂靶的损伤由弹孔入口处向出口处减弱，且1.88km／s速度撞击下肥皂靶的损伤比0.96km／s速度下的损伤大得多。

2.1.2 超高速撞击下肥皂靶的损伤

F1和F2次试验中弹丸撞击速度大于2km／s，钢球未贯穿肥皂靶，而是在靶材上形成一个大尺寸半球形弹坑，弹坑边缘翻卷，弹坑底部有许多不规则的小坑，靶材的边缘和背面无变形。图7为F1次试验肥皂靶的损伤情况，图8为超高速撞击下肥皂靶的弹坑剖面。由表1中弹坑尺寸可知，F1和F2次试验肥皂靶弹坑深度和弹坑直径的比值分别为0.59和0.56，说明肥皂靶在钢球超高速撞击下形成的弹坑符合超高速碰撞的成坑特征：即无论什么弹、靶材料，在超高速撞击范围内的弹坑深度与弹坑直径的比值都趋近于0.5［12］。

图7 F1次试验肥皂靶损伤情况（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，钢弹丸和肥皂靶可以看做是流体，冲击压力远大于弹丸和靶材材料强度，材料的惯性效应甚至可压缩效应或相变效应起重要作用。在撞击瞬时，一个强的冲击波由撞击界面分别传进弹丸与靶材，材料发生广泛的塑性变化、融化和气化；在侵彻阶段，弹丸连续破碎，驱动弹坑形成；在成坑阶段，弹丸完全破碎后，由于惯性弹坑继续扩张，直到弹坑周围的能量密度减小到不足以克服材料的变形阻力时，弹坑便停止扩张，达到最大尺寸，之后由于弹性恢复，弹坑尺寸稍有减小，最终形成半球形弹坑。

由此可见，钢球超高速撞击肥皂靶造成的损伤表现为2个方面：一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”，二是由于超高速钢球撞击肥皂靶产生的强烈冲击波，破坏区域大于弹坑区域。如果在实战中，生物体在超高速弹丸的撞击下，大尺寸弹坑带来的“组织移除”，也会给生物体造成严重创伤，而弹丸与生物体相撞产生的强烈冲击波还会引起伤道附近未直接命中组织、器官的坏死以及骨骼折断、碎裂，从而使得生物体的致伤区域远大于弹坑容积。

2.2 损伤分析

试验后采用三维光学扫描系统对弹坑和弹孔进行了扫描，测量得到了弹坑直径、深度和容积以及弹孔的出入口直径和容积等损伤参数（见表1），并对弹坑和弹孔剖面进行了复原（见图6和7）。

图8 超高速撞击下肥皂靶的弹坑剖面Fig.8 Crater section plane of soap target at hypervelocity impact

图8是试验条件下弹坑和弹孔形状参数与弹丸撞击速度的关系图。从图中可以看出，弹坑和弹孔直径、容积及弹坑的深度与弹丸撞击速度相关，均随弹丸撞击速度的增加而增加。弹丸撞击速度分别为0.96、1.88、3.52和4.98km／s时，肥皂靶的弹坑容积分别为22249.96、89658.50、238295.20和361376.41mm3；肥皂靶的弹坑和弹孔入口的直径分别为28.75、43.35、90.84和106.09mm。

前文已经提到，撞击产生的冲击波是影响肥皂靶成坑／孔的重要因素，冲击波的初始参数取决于材料的密度、压缩性与撞击速度［13］，为更好地描述本文试验条件下，肥皂靶的损伤特征与弹靶材料强度和冲击强度之间的关系，引入一个无量纲参数，将其定义为：

其中，S表示强度。α靶材表示靶材材料强度与冲击压力的比值，α弹丸表示弹丸材料强度与冲击压力的比值。当α靶材≪1，α弹丸≪1，即冲击压力远大于弹丸和靶材材料强度时，钢球撞击肥皂靶形成经典超高速碰撞半球形弹坑，且弹丸在撞击肥皂靶过程中发生变形和连续破碎，在弹坑底部形成许多不规则的小坑（F1和F2次试验）。

当α靶材≪1，α弹丸～1，即冲击压力远大于靶材材料强度、与弹丸材料强度相当时，钢球撞击肥皂靶过程中保持完整，形成喇叭状弹坑／弹孔（F3次试验）。

当α靶材≪1，α弹丸≫1，即冲击压力远大于靶材材料强度、远小于弹丸材料强度时，钢球撞击肥皂靶过程中保持完整，形成经典低速撞击长柱状弹坑／弹孔（F4次试验）。

当α靶材≫1，α弹丸≪1，即冲击压力远小于靶材材料强度、远大于弹丸材料强度时，现象与低密度和低强度的弹丸撞击较高密度和高强度的靶材的情况相同，此时由于弹丸极易变形和破碎，弹坑深度较弹坑直径小的多，弹坑呈浅碟形（如超高速飞行器再入大气层中雨滴对防热材料的侵蚀等）。

图9 弹坑和弹孔形状参数与弹丸撞击速度的关系Fig.9 Relation between velocity and shape parameter of crater and hole

3 结束语

通过在气动中心超高速所的7.6mm超高速碰撞靶上进行钢球撞击肥皂靶的试验研究，得到以下结论：

（1）高速试验条件下，钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果，形成长柱状（0.96km／s）和喇叭状（1.88km／s）弹孔；超高速试验条件下，钢球撞击肥皂靶仅形成大尺寸的半球形弹坑；

（2）肥皂靶在超高速钢球撞击下的损伤是大尺寸弹坑导致其“体积移除”。因此生物目标体在超高速弹丸的撞击下，大尺寸弹坑带来的“组织移除”会给使生物体造成严重创伤；

（3）超高速钢球撞击肥皂靶产生强烈的冲击波，破坏区域大于弹坑区域。分析认为，超高速弹丸击中生物目标后，除了直接导致其“组织移除”外，弹丸与生物体相撞产生的强烈冲击波还会引起伤道附近未直接命中组织、器官的坏死以及骨骼折断、碎裂。

在下一步的工作中，我们需要测量肥皂靶内部不同部位的冲击应力，对冲击强度进行估算，并将其与靶材和弹丸的强度进行对比，进行定量分析。

致谢：本文作者衷心感谢谢爱民、宋强、郑蕾、罗庆、刘晓龙、廖富强、石建芝和廖强等同志在试验中的帮助以及周智炫同志在文章撰写中给予的宝贵建议。

［1］刘荫秋，王正国，马玉媛.创伤弹道学［M］.北京：人民军医出版社，1991.Liu Yinqiu，Wang Zhengguo，Ma Yuyuan.Wound ballistics［M］.Beijing：People’s Military Medical Press，1991.

［2］王正国.创伤弹道学研究的思考［J］.中华创伤杂志，2000，16（3）：133－134.Wang Zhengguo.Thinking on wound ballistics research［J］.Chinese Journal of Traumatology，2000，16（3）：133－134.

［3］王昌仁.球形破片对生物目标的致伤作用和杀伤判据［J］.兵工学报，1992，（2）：75－78.Wang Changren.Spherical fragment against biological target－s wounding effect and lethality criterion［J］.Ordnance Journal，1992，（2）：75－78.

［4］杨军.论暂时空腔的形成及影响因素［J］.广东公安科技，2003，（4）：18－21.Yang Jun.The formation and influence factors on temporarycavity［J］.Guangdong Public Security Science and Technolo－gy，2003，（4）：18－21.

［5］罗少敏，黄拱武，陈爱军.球形弹丸侵彻明胶数值仿真分析［J］.计算机仿真，2012，29（11）：79－82.Luo Shaomin，Huang Gongwu，Chen Aijun.Numerical simulation analysis of spherical projectiles penetrating gelatin［J］.Computer simulation，2012，29（11）：79－82.

［6］创伤弹道学.红十字国际委员会［OL］.［2009－03－12］.http：／／www.docin.com／p－48104295.html Wound ballistics.The International Committee of the Red C－ross［OL］.［2009－03－12］.http：／／www.docin.com／p－48104295.html

［7］李阿楠，安纯前，王东为.弹丸对有生目标杀伤机理的探讨［J］.武警工程学院学报，2003，19（2）：66－68.Li Anan，An Chunqian，Wang Dongwei.To explore the projectile target destr－uction mechanism［J］.Journal of Engineering College of Armed Police Force，2003，19（2）：66－68.

［8］孙俊志，欧日华，李树军.步枪弹的终点效应与机体的创伤效应研究［J］.华北工学院学报，1999，20（2）：145－149.Sun Junzhi，Ou Rihua，Li Shujun.A study on the terminal ballistics effects and wounding effects of bullets［J］.Journal of North China Institute of Technology，1999，20（2）：145－149.

［9］柳森，李毅.Whipple防护屏弹道极限参数试验［J］.宇航学报，2004，03：205－207.Liu Sen，Li Yi.Ballistic limit parameter tests of the Whipple shiled［J］.Journal of Astronautics，2004，03：205－207.

［10］柳森，谢爱民，黄洁，等.超高速碰撞过程碎片云的八序列激光阴影照相技术［C］.第八届全国流动显示会议论文集，2010，08：112－118.Liu Sen，Xie Aimin，Huang Jie.Technique of eight sequenceslaser shadowgraph applied in the showing debric cloud of h－ypervelocity［C］.The Eighth National Symposium on flow vi－sualization，2010.08：112－118.

［11］柳森，谢爱民，黄洁，等.超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相［J］.实验流体力学，2010，24（1）：1－5.Liu Sen，Xie Aimin，Huang Jie.Four sequences shadowgraphfor the visualization of hypervelocity impact debris cloud［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2010，24（1）：1－5.

［12］张庆明，黄风雷.超高速碰撞动力学引论［M］.北京：科学出版社，2000，01：79.Zhang Qingming，Huang Fenglei.The introduction of hypervelocity impact dynamics［M］.Beijing：Science Press，2000，01：79.

［13］马晓青.冲击动力学［M］.北京：北京理工大学出版社，1992，07：151－180.Ma Xiaoqing.Impact dynamics［M］.Beijing：Beijing Institute of Tech－nology press，1992，07：151－180.

［14］王正国.创伤弹道学的新认识［J］.人民军医，1991，10：3－5.Wang Zhengguo.New understanding of wound ballistics［J］.People’s Military Medical，1991，10：3－5.

［15］马晓青，韩峰.高速碰撞动力学［M］.长沙：国防科技大学出版社，1998，05.Ma Xiaoqing，Han Feng.Hypervelocity impact dynamics［M］.Changsha：National University of Defense Technology Press，1998.05