手枪弹侵彻明胶靶标特性的实验研究

黄 珊， 徐 诚， 温垚珂, 豆 恂

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094; 2.内蒙古北方重工集团有限公司，内蒙古 包头 014033 )

手枪弹侵彻明胶靶标特性的实验研究

黄 珊1， 徐 诚1， 温垚珂1, 豆 恂2

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094; 2.内蒙古北方重工集团有限公司，内蒙古 包头 014033 )

为揭示手枪弹对人体的致伤机理，利用压力和高速摄影综合测试系统实验研究手枪弹侵彻明胶过程中压力波和瞬时空腔的特性。实验中选用4℃，10%浓度配比，尺寸为350 mm×250 mm×175 mm的明胶块作为靶标，9 mm 92A手枪弹作为杀伤元，在15 m射距下测量压力波数据和空腔图像。通过对数据进行处理和分析得出以下结论：① 压力波形成两个尖峰状波峰，同步枪弹形成的相似，第一波峰是高速撞击明胶靶标所致，第二波峰是手枪弹快速翻滚释放能量所致，且第二波峰高于第一波峰,最大幅值约为12 MPa；② 4 000 μs时刻瞬时空腔达到最大直径约为73 mm，之后开始收缩并再次膨胀，9 600 μs时刻空腔达到第二次最大直径约为64 mm，比第一次下降了约12%；③ 手枪弹形成的瞬时空腔直径呈半正弦衰减，符合经验公式D=A·ΔE·sin(ωt)，求得系数为：A1=0.05；A2=0.04；ω=900。

手枪弹；明胶；高速摄影；压力波；瞬时空腔

枪弹是现代轻武器最基本的杀伤元，主要的功能是杀伤人员等有生目标，其杀伤威力同枪弹与有生目标材料的相互作用密切相关。创伤弹道学正是研究枪弹、破片等投射物在人体内的运动规律及其对机体影响的一门学科[1]。明胶靶标的密度与肌肉相近，其物理响应也与生物体的肌肉响应相似，因而在轻武器终点效应的研究中被广泛采用[2]。基于实验研究，研究者们提出了投射物对机体的三种主要致伤机理，即直接侵彻作用、压力波作用和瞬时空腔作用。其中压力波峰值和瞬时空腔直径可以进行量化，对于枪弹杀伤威力评估的实现有很大帮助，因此研究杀伤元侵彻明胶过程中压力波和瞬时空腔的形成与发展规律对于阐明致伤机理具有十分重要的意义。钱有林[3]对空腔效应的形成机理及其影响因素进行了研究，并实验验证了空腔效应对肌体创伤的严重程度。温垚珂等[4-5]针对4.8 mm钢球和SS109步枪弹侵彻明胶进行了数值模拟，并通过压力波峰值和瞬时空腔直径实验数据验证了该模型的正确性。曾鑫等[6]针对小口径枪弹撞击防护条件下明胶靶标和猪腿时压力波的特性进行了试验研究，发现了压力波呈指数衰减。刘坤等[7]建立了三种典型小口径步枪弹侵彻明胶时的运动模型，并进行了实验验证，发现5.8 mm步枪弹的创伤效应要优于5.56 mm和5.45 mm两种步枪弹。目前关于步枪弹已经进行了较为系统的杀伤效能实验研究工作，并且制定了相应的评估方法。但是手枪弹在弹形、速度和枪口动能等方面与步枪弹存在很大的差异，所以对肌体产生的压力波和瞬时空腔不同，而以步枪弹实验研究所获得的结论来检验手枪弹的性能不能客观、公正的反应其性能。因此本文选择典型手枪弹92A作为杀伤元，利用压力和高速摄影综合测试系统进行测量。实验研究92A在15 m射距下侵彻明胶时压力波和瞬时空腔的特性，为制定手枪弹杀伤效能评估方法提供数据参考。

1 实验方法

JUSSILA[8]在总结前人工作的基础上，提出了一套完整的10%明胶制备方法和一致性检测标准。现该标准已被各国的研究者广泛接受，因此本文采用4℃，10%浓度配比，尺寸为350 mm×250 mm×175 mm的明胶块作为模拟靶标；杀伤元选择9 mm 92A手枪弹，结构如图1所示，材料为黄铜弹头壳和铅芯铅套，弹头质量为8 g，使用弹道枪发射。弹丸的初始速度为(360±10) m/s，在15 m射距下弹丸基本垂直进入明胶。

图1 92A手枪弹结构图Fig.1 The structure of 92A pistol cartridge

杀伤元靶标前和靶标后速度、明胶内动态压力和瞬时空腔直径是测试的物理参量，根据主要三项测试参数搭建了综合测试系统，具体的实验现场布置如图2所示。实验设备和具体技术参数为：XGK-2002高灵敏度光幕靶，前靶有效靶面为330 mm×400 mm，后靶有效靶面为400 mm×400 mm；高速摄影测量系统Phantom V710，最高帧频70万帧/秒；数据采集系统PXI 6133最高采样率2.5 MS/s，分辨率14位；压力传感器型号为PCB 113B22，固有频率400 kHz，量程0～69 MPa。

图2 实验布置图Fig.2 The experiment layout

实验时首先架设弹道枪，待弹道枪安装好以后在实验台中央布置明胶块，并利用安装在弹道枪上激光瞄准器的标线来调整明胶靶标位置，确保其中心线与弹道线重合；光幕靶布置在明胶靶标前方约1 m处，因为弹丸侵彻明胶过程中会出现溅射现象，需防止靶体受损，靶标前光幕靶的2靶为数据采集仪和高速摄影提供触发信号；压力传感器埋设在明胶靶标中，具体的埋设和布置方法见下文，数据采集仪采集压力传感器的信号，并在专业数据处理软件Flexpro 6.0中进行后处理和分析。

为了保证高速摄影的测量精度，试验时需要保证光线条件优良，因此选择自制照明单元。高速摄像机布设在靶体侧方1.5～2 m距离处，摄像系统光学视轴与弹道方向垂直，保证明胶靶标迎弹面与摄像系统垂直方向成像，拍摄频率为10 000 f/s，曝光时间5 μs，图像分辨率为(512×512)像素，拍摄时长为10 ms。试验布置完成后，在明胶块上方水平放置钢直尺，然后进行调焦保证靶标在镜头视野范围内和画面的清晰度，最后对高速摄影进行静态标定拍摄，以确定两像素间的实际距离。拍摄完成后在Phantom软件下计算图像中测量部位的像素数，通过标定系数乘以像素点数得出测量结果。

为了研究手枪弹侵彻明胶过程中所产生压力波的特性，在靶标顶部沿着弹道线从弹着面开始间隔50 mm埋设一支压力传感器，具体的埋设位置如图3所示，埋入深度约为50 mm，传感器的敏感面正对弹道轴线，测量手枪弹侵彻靶标过程中向弹轴径向方向传播的压力波。传感器的具体埋设方法如下：明胶处于液体状态时，将自制简易模具放置在明胶水中，当明胶凝固时再将模具抽出，这样就在明胶靶标上方留下了间距50 mm、深度50 mm、直径4 mm的圆柱形孔洞；明胶脱模后，调配10%浓度的明胶水，先将明胶水灌入孔洞，再将传感器放入，这样可以有效防止传感器和明胶之间留有气泡，最后将明胶放入4℃的保温箱恒温1 h后即可进行试验[9]。

图3 压力传感器布置图Fig.3 The pressure sensor layout

2 实验结果及分析

2.1 压力波的基本特性

手枪弹侵彻明胶靶标时在其内部产生较为复杂的压力变化，通过观察三组9 mm 92A手枪弹在15 m射距下侵彻明胶靶标过程中的压力曲线如图4所示。由图4可知，发现压力随时间变化曲线中存在2个尖峰，根据实验数据对其形成过程进行了如下的分析与研究。92A手枪弹撞击靶标并行进一段距离后开始失稳而且快速翻滚到一定角度，此过程中能量急剧释放，压力传感器上会首先形成一个幅值可以达到9 MPa左右，上升时间一般在8 μs左右的尖峰状波形，这是手枪弹以360 m/s速度高速撞击明胶靶标所致；此后压力曲线中产生了第二峰值，第二峰值的上升时间较上一个压力尖峰要相对缓慢，一般在25 μs左右但是幅值更高，达到了12 MPa左右，其出现在403 μs，通过观察高速摄影发现正是弹丸刚刚开始失稳翻转时刻，故得出压力第二峰值是弹头翻滚、能量快速释放所致。对比分析了9 mm 92A手枪弹在15 m射距下侵彻350 mm×250 mm×175 mm明胶块和5.56 mm SS109步枪弹在100 m射距下侵彻300 mm×300 mm×300 mm明胶块时的压力波曲线如图5所示。由图5可知，二者在形式上基本一致，都形成两个尖峰状的波形，第一个波形较第二个波形陡峭，且第二个峰值要明显高于第一个。但是5.56 mm SS109步枪弹形成两个尖峰的时间间隔很短，约为140 μs，而9 mm 92A手枪弹形成的两个尖峰的时间间隔约为463 μs，这是因为5.56 mm SS109步枪弹较9 mm 92A手枪弹的长径比大，重心后移，进入明胶后翻滚时间早，迅速形成空腔，所以第二个波峰较早出现。

图4 手枪弹侵彻明胶时典型压力波曲线Fig.4 The typical curve of pressure wave by pistol cartridge penetrating gelatin

图5 步枪弹侵彻明胶时典型压力波曲线Fig.5 The typical curve of pressure wave by rifle cartridge penetrating gelatin

2.2 空腔的基本特性

92A手枪弹刚刚进入明胶靶标时，入口处直径会慢慢膨胀增大，通过处理高速摄影图像得出入口直径，具体测量方法如图6所示，获得的数据和变化规律曲线如表1和图7所示，时间从弹头撞击明胶靶标时刻开始计时。第一、二、三组弹头入靶速度分别为360 m/s，351 m/s，356 m/s；出靶速度分别为162 m/s，150 m/s，149 m/s；传递能量分别为413 J，402 J，418 J。

图6 入口直径测量方法Fig.6 The measurement of the imported diameter

侵彻时间/μs入口直径最大值/mm第一组第二组第三组平均值5002226272560026322929700333633348004142374090037363235100030322830

图7 入口直径平均值随侵彻时间变化曲线Fig.7 The curve of the imported diameter changed with penetration time

手枪弹侵彻进入明胶靶标内部平稳前进了约153 mm(此时为500 μs)，之后弹头开始失稳翻转，并与弹道水平线呈一定角度。翻转角度的测量方法主要是确定弹丸中轴线两个端点的坐标，取尖部和底部中心端点坐标为(x1，y1)和(xn，yn)，则着靶入射角度α可以根据式(1)求出(取弹道方向水平线为X轴，垂直弹道水平线向上方向为Y轴)。

(1)

典型时刻的空腔图像和弹头翻转过程示意图分别如图8和图9所示，翻转角度随侵彻时间变化曲线如图10所示。800 μs时刻弹丸沿水平方向翻转至90°，此时空腔开始逐步膨胀，900 μs弹头翻转至120°，1 000 μs回转至90°，1 100 μs回转至60°，1 200 μs回转至45°，1 300 μs回转至30°，1 400 μs回转至20°，1 500 μs时弹头回转至0°(呈水平方向)，1 600 μs时手枪弹穿出靶标，弹头在侵彻明胶靶标整个过程中以垂直方向为基准做来回摆动，瞬时空腔直径从26 mm增大至50 mm。至3 300 μs时刻空腔达到最大值约为73 mm，随后慢慢收缩，7 400 μs空腔降至最小值约为25 mm，9 600 μs空腔达到第二次最大值约为64 mm，比第一次下降了约12%，之后当瞬时空腔减小到一定尺寸后又开始再次膨胀收缩，如此反复直至明胶动能被消耗掉。

图8 9 mm 92A 手枪弹以初速360 m/s侵彻明胶时典型时刻明胶内空腔变化情况(第一组试验)Fig.8 The variation trend of cavity by 9 mm 92A pistol cartridge penetrating gelatin with 360 m/s(the first test)

图9 9 mm 92A 手枪弹侵彻明胶过程示意图Fig.9 The process figure of 9 mm 92A pistol cartridge penetrating gelatin

图10 第一组试验翻转角度随侵彻时间变化曲线 Fig.10 The curve of the rotating degrees changed with penetration time in first test

2.3 侵彻过程中空腔直径的变化规律

手枪弹在侵彻明胶靶标过程中空腔直径会随着侵彻时间的增加呈一定规律变化，实验中测量三组9 mm 92A手枪弹侵彻明胶过程中典型时刻的空腔直径，计算求得平均值如表2所示。

表2 9 mm 92A手枪弹侵彻明胶时空腔直径随侵彻时间变化统计表

针对空腔直径平均值进行了曲线拟合如图11所示,由图11可知,瞬时空腔直径随侵彻时间变化的规律符合式(2)。

D=A1·ΔE·sin(ωt)T:(0～6 999)μs；

D=A2·ΔE·sin(ωt)T:(7 000～10 000)μs

(2)

式中:D为空腔直径；Ai为系数；ΔE为传递能量；ω为空腔收缩率,rad/s；T为侵彻时间。式(2)适用于中国9 mm手枪弹和西方国家9 mm巴拉贝鲁姆弹。

图11 9 mm 92A手枪弹侵彻明胶形成空腔直径随时间变化拟合曲线Fig.11 The changed fitting curve of the cavities’diameter caused by 9 mm 92A pistol cartridge penetrating gelatin

经过计算得出经验公式系数：A1=0.05,A2=0.04,ω=900。

3 结 论

利用压力和高速摄影综合测试系统测试了9 mm 92A手枪弹侵彻明胶靶标过程中的压力波和瞬时空腔图像，并对实验数据进行了处理和分析得出以下结论：

(1)侵彻明胶过程中会形成两个尖峰状波形，第一波峰是高速撞击明胶靶标所致，第二波峰是手枪弹快速翻滚释放能量所致，且第二个波峰峰值要高于第一个，最大幅值约为12 MPa，通过对比5.56 mm SS109步枪弹形成的压力波波形发现二者相近，区别于幅值和持续时间。

(2)4 000 μs时刻瞬时空腔达到最大直径约为73 mm，之后开始收缩并再次膨胀，9 600 μs时刻空腔达到第二次最大直径约为64 mm，比第一次下降了约12%。

(3)手枪弹形成的瞬时空腔直径呈半正弦衰减，符合经验公式D=A·ΔE·sin(ωt)，求得系数为：A1=0.05,A2=0.04,ω=900。

[ 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.

[ 2 ] 程可.轻武器杀伤元对明胶靶标侵彻的数值仿真研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[ 3 ] 钱有林.空腔效应初探[J].兵工学报弹箭分册,1988(2):23-31. QIAN Youlin. Exploration and rockets of cavity effect [J]. Acta Armamentarii:Projectiles and Rockets,1988(2):23-31.

[ 4 ] 温垚珂,徐诚，陈爱军,等.球形破片高速侵彻明胶靶标的数值模拟[J].弹道学报,2012,24(3):25-30. WEN Yaoke,XU Cheng,CHEN Aijun, et al.Numerical simulation of spherical fragments penetrating into ballistic gelatin at high velocity[J].Journal of Ballistics,2012,24(3):25-30.

[ 5 ] 温垚珂,徐诚，陈爱军,等.步枪弹侵彻明胶靶标的数值模拟[J].兵工学报,2013,34(1):14-19. WEN Yaoke, XU Cheng, CHEN Aijun, et al. Numerical simulation of the penetration of bullet on gelatin target[J].Acta Armamentarii,2013,34(1):14-19.

[ 6 ] 曾鑫,周克栋,赫雷,等.非侵彻条件下猪体和明胶靶内压力衰减试验研究[J].振动与冲击,2014,33(8):96-99. ZENG Xin,ZHOU Kedong,HE Lei, et al.Test for pressure attenuation in targets of landrace and gelatin under non-penetration condition[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(8):96-99.

[ 7 ] 刘坤,吴志林,徐万和,等.3种小口径步枪弹的致伤效应[J].爆炸与冲击,2014,34(5):608-614. LIU Kun, WU Zhilin, XU Wanhe, et al.Wounding effects of three kinds of small caliber rifle cartridges[J].Journal of Explosion and Shock Waves,2014,34(5):608-614.

[ 8 ] JUSSILA J. Preparing ballistic gelatine—review and proposal for a standard method[J]. Forensic Science International, 2004, 141(2): 91-98.

[ 9 ] 黄珊,王浩圣,王舒,等.典型小口径枪弹侵彻明胶压力波特性的实验研究[J].弹道学报,2013, 5(1):62-67. HUANG Shan,WANG Haosheng,WANG Shu, et al.Experimental study on the characters of the pressure wave in a typical small caliber bullet penetrating gelatin process[J].Journal of Ballistics,2013,5(1):62-67.

Experimental study on the characters in a pistol cartridge penetrating gelatin

HUANGShan1,XUCheng1,WENYaoke1,DOUXun2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.Inner Mongolia North Heavy Industries Group Co.,Ltd., Baotou 014033，China)

In order to reveal the injury mechanism to human body from a pistol cartridge, the characteristics of pressure wave and the temporary cavity in the process of pistol cartridge penetrating gelatin were studied by a pressure and high-speed photography comprehensive testing system. In this study, 4 ℃, 10% concentration ratio, size of 350 mm×250 mm×175 mm gelatin was used as target; 9 mm 92A pistol cartridge was used as a killing element. Three groups of pressure wave data and cavity images were obtained in 15 m shooting range. The following conclusions could be made from the experiments. ① The pressure wave generated two spike waves, which was similar to a rifle bullet’s waveform. The first wave was caused by pistol cartridge impacting gelatin targets with high speed, and the second was caused by its quickly rolling and releasing energy. The second was higher than the first. The maximum amplitude was about 12 MPa. ② The maximum diameter of the temporary cavity was about 73 mm at 4 000 μs, then it contracted and expanded again, the second maximum diameter was about 64 mm at 9 600 μs, and it reduced by 12%. ③ The diameter of the temporary cavity caused by the pistol cartridge was attenuating as half sine wave curve with the penetration time, in line with the experience formulaD=A·ΔE·sin(ωt) and the coefficient was obtained as:A1=0.05,A2=0.04, andω=900.

pistol cartridge; gelatin; high-speed photography; pressure wave; temporary cavity

国家自然科学基金项目(11502119)

2016-05-04 修改稿收到日期：2016-07-18

黄珊 男，博士生，1979年生

徐诚 男，教授，博士生导师，1962年生

TJ303.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.002