安全型强光爆震弹的设计与试验

马永忠，刘加凯,2

(1.武警工程大学 装备管理与保障学院， 西安 710086； 2.西安交通大学 机械工程学院， 西安 710049)

强光爆震弹作为一种大威力非致命弹药，爆炸时能够产生巨大的声响和强烈的闪光，从而对有生目标产生震撼、眩晕、暂时失明等生理效应，使其丧失抵抗能力或干扰其行为能力，在国内外各种反恐作战、平息暴乱、处置群体性事件的行动中发挥了十分重要作用[1-3]。当前我国装备的强光爆震弹，弹体一般采用塑料材料，爆炸时产生带有尖锐棱角的破片，易对人体造成过度伤害。

针对现役手投强光爆震弹使用过程中所存在的问题，开展安全型强光爆震弹的设计与试验研究，在满足战术使用效果的同时，避免对目标造成过度伤害，对于提高强光爆震弹的作战效能，更好地满足部队遂行反恐维稳任务需求，具有较高的军事应用价值。

1 弹药总体设计

本研究所设计的安全型强光爆震弹采用无破片设计方案，其结构主要由击发和保险机构、外壳、内壳和喷口等组成，如图1所示。该弹药采用内、外壳双层腔体结构，内壳装药爆炸，外壳上开喷口，保证声光效果的同时，击发和保险机构与弹体不分离，破片滞留在外壳内部。外壳体使用上盖、中壳、下盖三段式螺纹连接而成，击发和保险机构使用现役通用部件。所设计的新型强光爆震弹爆炸时不产生杀伤性破片，距离炸点1.5 m处，声强需达到140～160 dB，光强需达到3.0×106～5×107cd。

图1 新型爆震弹弹体结构示意图

1) 内壳设计

内壳是新型强光爆震弹的装药壳体，其大小决定了装药量多少，其壳体材料和厚度决定了内壳的强度。内壳需要一定强度集聚能量，并在爆开瞬间泄光泄压。内壳可采用塑料材料，目前主要有聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(如PA66)、ABS等，其中ABS还有多种改性材料[4]。通过对比研究，考虑到内壳材料需要较高的强度和较好的适应性，本研究选用ABS作为内壳材料，其强度和改性具有较高的兼容性，在下一步设计中可以更好地适应课题研究。

2) 外壳设计

新型强光爆震弹中，外壳既是内壳的承载体，又是防止内壳破片飞散的主要部件，因此设计外壳时，既需要考虑强度问题，又要考虑结构问题。在材料的选用上，外壳首先应具有良好的抗爆炸冲击能力，其次需要考虑成本及重量因素，材料主要包括铜、钢、铝等[5]。铜材最贵且密度最大，不适合做新型弹的外壳材料；而钢材密度是铝材的3倍，重量过重；铝合金特别是超硬铝合金既有和钢材相当的强度，又具有铜材的抗腐蚀的特点，密度相对较低，是相对理想的外壳材料。通过对比，选用超硬铝合金7A09作为新型强光爆震弹的外壳材料。

3) 喷口设计

喷口设计主要包括3个指标：位置、数量和直径。由于弹药投掷后，一般侧面着地，若喷口位置在侧面，则可能受力不均而产生跳弹现象。另外爆震弹主要应用于室内，若前后设置喷口，滚至墙壁侧或角落导致一边喷口受堵时，会造成弹体受力不均而产生激射。因此，在外壳上、下盖造圆弧面，与弹轴斜45°开喷口，可以有效适应复杂环境地形。从理论上讲，爆震声响的产生与装药燃气的急速释放和扩散有直接关系，是一个气固两相流问题，因此喷口处的流量和流速越大，声响也就越大，因此，喷口直径并不是越大越好，因为泄爆面积大了，流量增大的同时流速却小了，也不是越小越好，流速虽然提高了，流量却小了。另外，喷口越多，越有利于光强的释放。

4) 药剂配方设计

结合国内外研究资料，选择3种闪光剂作为预选方案：① Mg粉和KClO3，此配方价格便宜，Mg粉作可燃物闪光强度高[6]；② Al粉和硝酸锶，此配方为国外一款成熟弹药配用的闪光剂，需配置一定的硼酸来调节pH值，闪光爆轰性能稳定可靠[7]；③ Al粉和KClO4，这一配方是最新研究的成熟可用配方，其比例在4∶6时，发光强度最高，爆震效果最好。

通过对比，高氯酸钾作为氧化剂具有安全性能好，热稳定性高，有效氧含量较高，吸湿性小，贮存稳定等优点[8]，而Al粉相对较其他金属价格便宜，并通过药剂试验，Al粉和KClO4最适用该弹药的要求。因此采用其最新的成熟配方：Al/KClO4为4∶6。

2 结构参数优化设计

新型强光爆震弹采用双层结构，其声光通过喷口泄出，爆炸时产生的超压对声光效应有较大的影响。本节采用仿真软件分析内壳材料厚度、喷口的数量和直径等结构参数对声光效应的影响，并对其进行优化设计。

所设计的强光爆震弹内壳内径即装药直径为18 mm，高度为52 mm；外壳外径为40 mm，外壳三段总长度为110 mm；喷口与轴向角度为45°，在上、下盖上均匀分布。Al粉和KClO4的装药量为8 g。

2.1 内壳的优化

ABS内壳是新型强光爆震弹的重要部件，通过优化内壳参数来提高声压级是可行的，本节主要研究内壳厚度对弹药超压的影响，即在其他条件不变的情况下，研究喷口处峰值超压随厚度的变化情况。

通过爆炸仿真分析，得到不同内壳厚度(厚度从1 mm间隔0.2 mm增加到4 mm)的弹体在同一喷口处的空气单元超压峰值，如图2所示。从其中可知：在内壳厚度为1～2 mm范围内，随着厚度的增加，喷口处超压峰值缓慢增加；在2～3 mm范围内，随着内壳厚度的增加，超压峰值明显增加；在3～4 mm范围内，喷口处超压峰值基本恒定。这是由于，在1～2 mm范围内，内壳强度很低，爆炸时泄压过早，峰值超压接近于没有内壳爆炸的超压；当内壳厚度增加到2～3 mm时，随着内壳强度的提高，内壳泄压越晚，峰值超压越大；而当内壳厚度达到3 mm以上时，内壳强度足够使所有药剂燃烧完毕，已达到此药量的最大压强，因此增加厚度已不能使超压再明显增加。综上，可以将内壳厚度确定为3 mm，此时，单个喷口处峰值超压达到1 MPa。

图2 随内壳厚度变化的峰值超压曲线

2.2 喷口的优化

2.2.1喷口数量的优化

其他参数不变，内壳厚度取3 mm，喷口数量从2间隔2增加到12。同样，按照2.1节的数据处理方法，得到2～12个喷口所对应的峰值超压如图3所示。由此可知：随着喷口数量的增多，总泄爆面积增大，单个喷口流量减少，会使得单个喷口峰值超压减少。

图3 随喷口数量变化的峰值超压曲线

在自由声场中，当没有外壳体存在时，爆炸峰值声压和峰值超压的关系为[9-10]：

(1)

式中：Lp为峰值声压级；Ppeak为爆炸峰值超压；P0一般为2×10-5Pa。

当有开孔外壳体存在时，爆震弹的声源变为多个，主要是各喷口泄压造成的声音，类似于多个噪声源，其总声压级为所有喷口的声压级之和[10]。

Lps=Lp0+10lg(n)

(2)

式中：Lps为总声压级；Lp0为单个喷口声压级；n为喷口个数。

根据超压衰减公式，当开孔处1 mm为基准位置的总峰值声压级为Lp0时，则1.5 m处峰值声压级Lp可表示为[10]：

(3)

根据式(1)、式(2)和式(3)计算，2～12个喷口所对应的弹药爆炸时的总声压级(单位dB)分别为：234.3 dB，231.3 dB，229.3 dB，227.6 dB，227.2 dB，226.1 dB。可以看出，总声压级随着喷口数量的增加而略有减少。因此可将喷口数量适当增多，有利于增强光学刺激效应。但通过仿真可知：当喷口数量大于8个时，会有特别小的内壳碎片飞出喷口的情况发生。这是由于随着喷口数量的增多，碎片飞出的概率增加。因此将喷口数量确定为8个。

2.2.2喷口直径的优化

其他参数不变，内壳厚度取3 mm，喷口数量取8个，为了便于实际加工，喷口直径由3 mm间隔1 mm增加到6 mm，分别进行仿真。仿真表明：随着喷口直径增大，喷口的峰值超压呈减少趋势，但变化幅值较小。这是由于喷口直径增大，泄爆面积增大，峰值超压随之减少。当喷口直径为6 mm时，碎片飞出较多。为了保证外壳尽可能快地泄爆，将喷口直径选取为5 mm。

优化后的内壳厚度为3 mm，上、下盖的喷口数量为8个，喷口直径为5 mm，此时，喷口处峰值超压为0.98 MPa，换算到1.5 m处总声压级为149.8 dB，符合强光爆震弹战技指标要求。

3 试验与评估

依据弹药设计方案制作了实弹。利用实弹分别开展结构可靠性试验和声光威力试验。通过试验，验证和评估所设计的安全型强光爆震弹的性能是否可靠安全，检验仿真优化的结果是否符合实际。

3.1 结构可靠性试验

结构可靠性测试重点考察弹药结构的可行性、爆炸后外壳体是否发生破裂以及复杂地形的适应性等。

为了观测在不同地形情况下强光爆震弹是否会激射造成杀伤，选取不同地形来做结构可靠性试验。选择以下两种场地：① 开阔平地：地面平整空地，无障碍；② 室内外角落：由于室内爆炸会有一定的危险性，因此选取室外角落模拟室内角落进行试验。

为每个场地准备10枚弹药，依次在两个场地进行试验，爆炸后弹体效果图如图4所示。试验结果表明：① 所有弹药爆炸正常，外壳体不发生破裂，外壳螺纹连接没有失效，破片被滞留在弹体内部。说明所设计弹药结构具有可行性，外壳体基本不发生变形，初步验证了仿真的有效性及仿真参数的正确性。② 在角落爆炸的弹药，弹体平均位移0.57 m，最大位移1.24 m，说明弹体不会因为投掷在角落等复杂地形，部分喷口受堵而激射造成杀伤。

图4 爆炸后弹体效果图

3.2 声光威力试验

通过试验，测试所设计弹药的声光强度是否符合战技指标要求。

在自由声场中，当测出距离声源L1(m)处的声压级Lp1(dB)时，可根据以下公式计算出距离声源任意L2(m)处的声压级Lp2(dB)。

(4)

辐射光源的照度E和发光强度I的关系为：

I=E×R2

(5)

式中:E表示测量照度(lx)；I表示发光强度(cd)；R为测试距离(m)。

场地：试验场地测试距离应满足安全要求且场地平坦并为自由声场。

气象：无雨雪，温度-10 ℃～50 ℃天气，湿度应不大于75%。风速超过2.5 m/s时，需在声传感器上附加球形挡风罩后试验。风速超过5.4 m/s时，不能进行试验。

环境：噪声应小于或等于60 dB。

在试验场地，按图5所示进行场地布置，依次拉发5枚试验弹，采用的声光威力测试系统，进行数据的收集和分析。

图5 声光测试系统布置示意图

基于上述试验，将收集5枚弹药的声强、光强进行处理，得到如表1所示。

表1 声光强度测试数据

从表1中可以得到：强光爆震弹的平均闪光强度为1.57×107cd，处于3.0×106～5×107cd，满足预期战术指标场的要求，而5组试验弹距离炸点1.5 m处的声强最大值为154.4 dB，最小值为148.6 dB，平均声强为151.7 dB，和仿真结果基本一致，说明了爆轰参数计算的正确性，该声强处于140～160 dB，满足预期战术指标场的要求。

4 结论

为提高强光爆震弹的安全性，防止破片对有生目标造成过度伤害，本研究采用无破片弹体设计方案，选用开孔外壳和内壳相结合的双层腔体结构，对新型强光爆震弹进行了结构设计。利用仿真软件分析了内壳材料厚度、喷口的数量和直径等对声压效应的影响，并对结构参数进行了优化。在此基础上，加工样弹并开展了结构可靠性试验和声光威力试验。试验结果表明：弹药爆炸时外壳体不发生破裂，破片被滞留在弹体内部，不会产生杀伤性破片，并具有较好的复杂环境适应性；强光爆震弹的平均闪光强度为1.57×107cd，平均声强为151.7 dB，满足战技指标要求。