可变形小口径枪弹侵彻肥皂试验

梁化鹏，沈培辉，刘铁磊

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室， 南京 210094)

致伤效应试验是开展创伤弹道学研究的重要方法之一。通过进行弹丸射击生物或者其模拟物(如明胶、肥皂等)的试验，研究弹丸对人员的杀伤效应和致伤机理，为武器设计提供有力基础。弹丸进入生物组织后，会形成瞬间空腔从而对生物的肌肉组织及器官造成损伤，由于弹丸射击生物试验成本较大，因此通常采用非生物试验法进行相关研究，通过获取模拟物的破坏情况，判定武器弹药的毁伤能力。国内外相关学者对弹丸射击生物模拟物进行了大量研究，Janzon B等[1]使用AK4和M16A1两种步枪射击动物组织和软肥皂进行对比研究，结果表明软肥皂可以有效的代替生物组织进行弹丸的毁伤研究；陈菁等[2]采用肥皂作为非生物靶模拟生物机体组织，研究了投射物侵彻机体时瞬时创伤面的温度变化规律；陈萍等[3]为研究高速钢球对人体组织的损伤效应，使用肥皂为人体模拟物，进行了φ3.0 mm钢球的撞击试验，得到了钢球撞击肥皂的损伤规律。

近几年，随着对枪弹结构研究的深入，很多学者对低侵彻枪弹进行了相关研究，但大多局限在仿真或者理论研究的基础上，对其相关的试验研究少之又少。文献[4]在传统5.8 mm枪弹结构基础上设计了矩形槽开花弹，并与制式弹进行了侵彻水箱的对比试验研究，验证了开花弹的低侵彻性能，但试验结果并不直观。本文通过进行开花弹与制式弹侵彻肥皂靶的试验，进一步研究了开花弹的低侵彻及毁伤特性。

1 弹丸的低侵彻性

弹丸撞击目标介质后受到的侵彻阻力主要与弹体速度，弹头形状和目标的性质有关。弹丸侵彻软介质时弹头形状影响着弹体与软介质的有效接触面积，有效接触面积越大，弹体受到的侵彻阻力越大。

子弹在软介质中运动时，受到的阻力大小为[5]：

其中：ρ、m、F、S、v、a、σY分别表示介质密度、弹丸质量、所受阻力、弹丸与介质的有效接触面积、速度、加速度和介质的剪切屈服强度；c1、c2为常数。

从式中可以看出，弹体受到的阻力主要与弹丸的速度v和弹体与介质的有效接触面积S有关。在弹丸的速度v一定时，弹体与介质的有效接触面积越大，弹丸受到的阻力F越大。传统的制式弹撞击目标介质后，在侵彻阻力作用下，弹体变形较小，存速能力强，弹丸会直接穿透介质。本文设计的开花弹撞击目标后弹丸头部会沿凹槽处发生开裂，形成花瓣状的二次弹头，增大了弹丸与目标介质的有效接触面积(约为2倍)，达到增大侵彻阻力，实现弹丸低侵彻特性的目的。

2 实验设计

本文实验中采用肥皂介质模拟生物组织。因为肥皂具有与生物肌肉组织相似的力学性能，且试验成本较低，试验结果较直观。以5.8 mm弹道枪作为发射平台进行弹体侵彻肥皂试验，肥皂靶直径为46 mm，长度为82 mm，试验现场布置如图1所示。试验用开花弹如图2所示。

3 试验结果及分析

弹丸撞击肥皂靶试验结果如图3，图3(a)为制式弹撞击肥皂靶，从图中可以看出，制式弹将肥皂靶击穿，入射面弹坑较小，约为7.2 mm，弹丸穿透肥皂靶，靶背面弹坑也不大，约为6.8 mm，形成入口，出口都较小的喇叭状弹孔。图3(b)为开花弹撞击肥皂靶，从图中可以看出，开花弹撞击肥皂靶后未击穿，侵彻深度为382 mm，入射面弹坑较制式弹大，约为11.6 mm。

图4表示了两种弹丸撞击肥皂靶的弹道。从图中可以看出，制式弹撞击肥皂靶后，肥皂靶内破坏较小，弹道最大空腔直径为15.7 mm；开花弹撞击肥皂靶后，肥皂靶内破坏程度较大，弹道最大空腔直径达到26.9 mm。可见，开花弹将更多的能量传递到介质中，对介质造成更大的破坏，因此，弹丸的侵彻能力大大降低。

图5为开花弹撞击肥皂靶后的弹丸残体，开花弹撞击肥皂靶后，弹丸头部开裂成花瓣状，弹体最大横截面直径为12.76 mm。由于制式弹将肥皂靶穿透故未能收集到弹丸残体。从图中可以看出，开花弹撞击肥皂靶后，由于弹丸头部开有矩形凹槽，弹丸撞击目标后，弹丸除了受到弹体轴向的侵彻阻力外，目标介质进入弹头凹槽内，还受到来自凹槽内介质的径向拉应力，并在弹头矩形槽边界处存在应力集中现象。当拉应力达到弹体材料的抗拉强度时，弹丸头部会沿矩形槽的轴向边界发生拉裂，弹头开裂的部分在侵彻阻力作用下向后外翻，最终形成花瓣状的二次弹头。由于形成的二次弹头使弹丸与目标介质的有效接触面积增大，使弹丸受到的侵彻阻力也增大，使目标介质的破坏程度也大大增加，因此，开花弹较制式弹撞击肥皂时的侵彻深度更低，对靶板的破坏程度更大。

4 结论

对开花弹和制式弹进行了侵彻肥皂靶的对比试验，结果表明：制式弹穿透肥皂靶，入射弹坑和射出弹坑都较小，肥皂靶内部破坏较小，弹道最大空腔直径为15.7 mm；开花弹未穿透肥皂靶，侵彻深度为382 mm，入射弹坑更大，靶板内部破坏程度大，弹道最大空腔直径达26.9 mm，开花弹撞击靶板后弹头开裂成花瓣状，弹体最大横截面直径为12.76 mm，为弹体直径的2.2倍，增大了弹丸与介质的有效接触面积，进而增大了侵彻阻力，使弹体将更多的能量传递到介质中，对肥皂靶的破坏程度更大，试验表明开花弹具有良好的低侵彻性能和高毁伤能力。

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[1] JANZON B.Soft soap as a tissue simulant medium for wound ballistic studies investigated by comparative firings with assault rifles AK4 and M16A1 into live,anesthetized animals[J].Acta chirurgica Scandinavica.Supplementum.1981.508:79-88.

[2] 陈菁,李兵仓,王建民.红外热像仪用于高速投射物致伤局部温度变化的研究[J].激光与红外,2001,31(1):39-41.

[3] 陈萍,柳森,李毅,等.钢球对肥皂靶的撞击试验[J].实验流体力学,2014,28(4):94-98.

[4] 梁化鹏，沈培辉，薛建锋，等.可变形小口径枪弹的侵彻特性研究[J].兵器装备工程学报，2016(12):64-67.

[5] YOO Y H,YANG D Y.Finite element modeling of the high-velocity impact forging process by the explicit time integration method [J].Journal of Materials Technology,1997,63:718-723.