某型子母式强光爆震弹开舱方式研究*

王一飞， 马永忠， 罗鸿翔

(1. 武警杭州士官学校， 浙江 杭州 310023； 2. 武警工程大学 装备工程学院， 陕西 西安 710086)

某型子母式强光爆震弹开舱方式研究*

王一飞1， 马永忠2， 罗鸿翔2

(1. 武警杭州士官学校， 浙江 杭州 310023； 2. 武警工程大学 装备工程学院， 陕西 西安 710086)

为解决某型非致命强光爆震弹爆炸时存在金属破片杀伤， 造成人员致伤致残的问题， 开发了子母式强光爆震弹， 母弹在预定的区域开舱抛射出内装子弹， 子弹爆炸完成战斗任务， 母弹在爆炸前脱离， 消除杀伤性破片， 提高了弹药的安全性. 不同的弹药抛撒技术不仅影响了弹药的结构， 同时也决定了弹药的战术性能. 在对开舱起动压力和过盈配合的起动压力的计算基础上， 进行了试验测试， 确定了最佳开舱方式， 对小口径手投子母弹药的设计具有借鉴意义.

子母式； 强光爆震弹； 开舱方式

0 引 言

强光爆震弹凭借着强烈的闪光、 巨大的声响以及强大的冲击波[1-2]， 在反恐作战、 处突维稳中能够发挥较好的战术作用， 但在处置群体性事件中， 会出现强光致盲弹金属击针座致人重伤的现象， 造成政治上的被动， 极大地影响部队战斗力的发挥. 为了适应新形式下处突维稳的要求， 研制更加安全的强光致盲弹迫在眉睫. 子母式弹药结构较为复杂， 涉及的关键技术较多， 其中弹药的开舱抛撒技术是实现子母弹设计的重点和难点， 其不仅决定了弹药的结构， 同时也决定了弹药的战术性能.

某型子母式强光致盲弹弹径较小， 复杂的弹体结构不仅会挤占内部装药空间， 也会降低弹药的可靠性[3-4]. 因此， 选择何种开舱方式就显得尤为重要. 目前， 常见的母弹开舱方式主要有剪切螺纹或连接销开舱、 弹体穿晶断裂开舱、 爆炸螺栓开舱、 导爆索切割开舱、 径向应力波开舱等[5]. 根据该型弹药的实际特点， 结合弹药具体战术要求， 本文采用弹壳底盖与弹壳过盈配合的方式， 利用针刺延期管燃烧后产生的火药气体引燃火焰延期管， 并推动子弹顶开弹壳底座离开弹壳.

1 结构设计

某型子母式强光致盲弹弹体主要由发火机构、 母弹弹体、 母弹底盖、 子弹弹体、 子弹弹盖等部分组成. 弹药的装配图如图 1 所示.

图 1 某型子母式强光致盲弹装配图Fig.1 Assembly of certain detachable flash grenade

弹药作用原理为利用针刺延期管产生的火药气体推动子弹顶开弹壳底盖， 实现子弹抛离. 同时， 引燃火焰延期管， 实现子弹在弹药外部爆炸， 形成强闪电和强声响.

2 开舱起动压力的理论计算

将弹体底部圆孔边沿进行单元格划分， 取弹底一单元体， 用σ1,σ2和σ3表示3对相互垂直主平面上的主应力， 如图 2 所示. 当弹底受力时， 单元体尺寸发生改变，ε1,ε2和ε3表示σ1,σ2和σ33个方向的主应力. 对于各向同性材料， 在小变形条件下， 应用变形叠加原理[6]， 主应变ε2可以看作是各个主应力单独作用时， 在σ2方向上产生的应变叠加的效果. 因此，ε′,ε″和ε‴分别由σ1,σ2和σ3单独作用.

(1)

式中：E为弹底材料的弹性模量；μ为弹底材料的泊松比. 则σ2方向上的总应变为

(2)

式中：σ1是由开舱药在弹内燃烧产生的内外压差所产生的， 于是σ1=p3-p1， 其中，p3为开舱药瞬间燃完后， 弹药未开舱前， 弹底盖上的压应力，p1为大气压.

图 2 弹底单元体受力分析Fig.2 Analysis of cell body stress

在σ2和σ3所在的平面上， 根据有限元分析可知[7]， 径向压应力是均布的， 用p表示， 如图 3 所示， 则σ2和σ3为

(3)

图 3 σ2和σ3所在平面应力分布Fig.3 Stress distribution of σ2 and σ3

于是式(2)可化为

(4)

对金属、 工程塑料等材料所制作的弹体进行静爆实验， 在据炸点1 m处所建立的肥皂块墙展现的破坏程度发现， 现今装备部队的非致命弹药采用易破碎的工程塑料， 能够减少杀伤破片的产生， 提高弹药的使用安全性. 但是， 薄壁结构的工程塑料在受到外部压力、 温度变化等影响后极易变形. 因此， 当针刺延期管内部火药燃完时， 弹体内部产生的气压瞬间大于大气压， 弹体底部发生形变，p急剧变小， 弹体内部火药气体推动子弹和弹体底盖， 抛出弹体. 为了便于计算， 可认为p远小于开舱药未燃烧时的压应力， 同时， 参考《机械设计手册》， 工程塑料的摩擦系数较小， 计算过程中忽略摩擦力[8]， 可认为当p=0时， 是子弹抛出的临界值. 于是

(5)

在主应力σ2方向上所产生的径向形变ε2为

(6)

式中：d1为弹体内径；d2为底盖凸台的直径； Δd为过盈量. 于是母弹瞬间开舱， 盖上产生的临界气体压强为

(7)

母弹中的发射药爆炸后， 炸药能量以及母弹在抛掷过程中的动能转化为子弹动能、 母弹壳体动能、 爆炸产物动能及内能. 由于实验设计为地面静爆实验， 所以母弹初始动能为0. 即

(8)

式中：θV为延期药爆炸能；ν1为母弹弹壳爆炸后速度；ν2为子弹爆炸后初速度；E1为爆炸产物内能；E2为爆炸产物动能；M1为母弹弹壳质量；M2为子弹质量. 根据动量守恒得

M1ν1-M2ν2=0.

(9)

爆炸产物内能为

(10)

(11)

式中：r0，r分别为壳体初始半径和膨胀半径；b为形状系数， 对于圆柱壳体，b=2. 由于实验弹体为子弹从底部壳体弹出， 膨胀半径r为无限大， 所以E1≈0， 则

(12)

(13)

式中：q为延期药质量，ν3为爆炸物产物的出弹体速度. 所以

(14)

子弹弹出后， 沿地面作滑动摩擦， 子弹动能转化为摩擦做功， 即

(15)

经查表可知： 子弹壳体材料为聚丙烯， 与地面摩擦系数为0.4～0.6， 取平均系数0.5； 延期药为单基药(硝化棉)， 其爆轰参数为 827 J/g[10]； 子弹质量M2=38 g， 母弹弹壳质量M1=24 g.

如果认为火药气体所有能量转化为子弹和弹体动能， 则此时s一定大于实际值， 同时考虑到s要小于5 m， 可简化计算， 忽略E2的值. 因此， 所设计的弹药实际移动距离必然小于5 m.

3 仿真与分析

过盈配合在加工制造方面要求精度高， 但是结构更加简洁， 对于子母式防暴弹药来说， 是另一种操作性更强的设计选择.

由于采用过盈配合结构的弹药是利用弹体与弹底之间形成挤压和摩擦而达到连接的效果， 因此， 在弹药开舱过程中， 弹体势必会发生膨胀， 不便于计算. 于是， 为更准确地分析弹体与弹底之间的挤压情况， 利用Abaqus有限元分析软件， 对弹底与弹体接触面产生的挤压力进行有限元分析， 对比了两种过盈量的结构， 过盈量分别是0.08 mm和 0.04 mm， 仿真结果如图 4 所示.

根据仿真结构发现， 弹底与弹体之间压应力并不是均匀分布的， 这是由于母弹为薄壁圆桶， 母弹底盖与母弹结合后， 母弹尾部呈现喇叭状的扩张结构. 因此， 弹体与弹底之间的压力呈现由外到内逐渐增加的趋势.

根据上述仿真建模， 分别取弹底盖与弹体上存在应力的接触面上3个点， 绘制压力变化图， 如图 5， 图 6 所示.

图 4 过盈量为0.08 mm和0.04 mm结构接触面压力分布图Fig.4 Pressure distribution of the structure with 0.08 mm and 0.04 mm interference

图 5 过盈量为0.08 mm配合结构的弹体与弹底接触面上压力变化图Fig.5 Pressure variation of the structure with 0.08 mm interference in the contact surface

图 6 过盈量为0.04 mm配合结构的弹体与弹底接触面上压力变化图Fig.6 Pressure variation of the structure with 0.04 mm interference in the contact surface

4 试验测试

根据上述分析， 设计了某型子母式强光致盲弹开舱性能试验， 利用理论计算和试验测试， 选择母弹的开舱方式.

考虑弹药战技术指标的要求， 明确子弹最终的停止点要与开舱点之间的距离控制在5 m之内. 因此， 就要求严格控制开舱药所释放的能量. 在弹药设计时， 考虑开舱能量来源主要由延期管点火药和3#小粒黑火药两部分组成， 结合理论计算和试验测试的结果， 最终确定开舱药量.

采用ABS工程塑料与加工工厂合作制作了试验样弹， 弹壳内径为31.7 mm， 壁厚为3 mm. 如图 7 所示， 子弹弹体材料选用ABS工程塑料， 内装细沙. 在子弹壳体上方放置开舱药室， 内装3#小粒黑火药， 母弹弹体和底盖采用过盈配合， 将试验样弹放置在固定点， 测量开舱后模拟子弹与固定点之间的距离.

图 7 试验样弹结构图Fig.7 Structure of the test missile

分别采用0.04 mm和0.08 mm两种尺寸过盈配合结构， 分别加入单个延期管点火药、 延期管点火药+0.1 g黑火药和延期管点火药+0.3 g黑火药3种不同药剂成分在水泥地面上进行对比试验.

根据机械设计手册，h一般为螺纹外径的2倍， 取τ=0.5[σ]， [σ]为ABS塑料的许用应力， [σ]=σs/n，σs为ABS塑料的屈服极限，σs=30.79 MPa，n为安全系数， 取n=5，E=2 GPa，μ=0.36， 计算与试验结果见图 8， 图 9.

图 8 过盈0.04 mm配合计算与试验结果Fig.8 Results of the calculation and the test with 0.04 mm interference

图 9 过盈0.08 mm配合计算与试验结果Fig.9 Results of the calculation and the test with 0.08 mm interference

根据图 8， 图 9 试验结果发现， 采用过盈配合结构的试验样弹均实现开舱， 尤其在采用延期管点火药作为弹药开舱药， 基本能够满足指标要求， 不仅减少了火药量， 也有利于降低子弹抛出时的瞬时速度， 不会对目标人群造成伤害. 但是受弹药加工时制造工艺精度的制约， 开舱距离的变化幅度较大， 稳定性不高.

5 结 论

对比两种尺寸发现， 过盈配合的弹药实现开舱所需的药量较小， 延期管点火药所产生的能量就可以实现开舱， 子弹抛出时瞬时速度较小， 不会对人造成伤害， 但是受生产加工精度的影响， 开舱距离变化幅度较大， 子弹抛出时瞬时速度变化较大， 不易控制.

此外， 考虑到弹药的非致命性以及战术指标要求弹药开舱距离不大于5 m等因素， 弹底盖与母弹弹体之间采用过盈配合， 过盈量为0.04 mm， 利用延期管点火药为弹药提供开舱时所需的能量， 不再添加黑火药.

[1] 赵陕东， 马永忠. 非致命武器与警用器材[M]. 北京： 兵器工业出版社， 2005.

[2] 霸书红， 焦清介， 杜志明. 强光致盲弹药技术的研究[J]. 含能材料， 2006， 14(2)： 118-121.

Ba Shuhong， Jiao Qingjie， Du Zhiming. The research of the flash blinding technology[J]. Journal of Energetic Materials， 2006， 14(2)： 118-121. (in Chinese)

[3] 李玉平， 刘玉存， 于雁武. 烟火药做功能力测试研究[J]. 含能材料， 2010， 18(4)： 402-404.

Li Yuping， Liu Yucun， Yu Yanwu. Power test of pyrotechnics by lead black method[J]. Journal of Energetic Materials， 2010， 18(4)： 402-404. (in Chinese)

[4] 王一飞， 马永忠. 起动压力的理论计算和实验方法[J]. 黑龙江科技信息， 2013， 18(26)： 154-155.

Wang Yifei， Ma Yongzhong. The starting pressure of the theoretical calculation and the experimental method[J]. Heilongjiang Science and Technology Information， 2013， 18(26)： 154-155. (in Chinese)

[5] 黄蓓， 王浩， 陶如意. 带导向管的子母弹活塞式抛撒弹道建模及数值仿真[J]. 兵工学报， 2009， 30(12)： 1584-1589.

Huang Bei， Wang Hao， Tao Ruyi. Ballistic modeling and numerical simulation of cluster bomb with piston dispensing and guiding tube [J]. Acta Armamentarii， 2009， 30(12)： 1584-1589. (in Chinese)

[6] 王帅， 陶如意， 王浩， 等. 子母弹内燃式气囊抛撒内弹道建模及数值仿真[J]. 弹道学报， 2009， 21(3)： 57-60.

Wang Shuai， Tao Ruyi， Wang Hao， et al. Interior ballistic modeling and numerical simulation for the internal combustion gasbag of cluster muniton[J]. Journal of Ballistics， 2009, 21(3)： 57-60. (in Chinese)

[7] 钱林方. 火炮弹道学[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 2009.

[8] Qian L F. Artillery ballistics[M]. Beijing： Beijing Institute of Technology Press， 2009.

[9] 翁春生， 王浩. 计算内弹道学[M]. 北京： 国防工业出版社， 2006.

[10] 金志明. 枪炮内弹道学[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 2004.

ResearchonOpeningWayofCertainDetachableFlashGrenade

WANG Yi-fei1, MA Yong-zhong2, LUO Hong-xiang2

(1. Hangzhou Noncommissioned Officer Academy of CAPF, Hangzhou 310023, China；2. College of Equipment Engineering, Engineering University of CAPF, Xi’an 710086, China)

Aimed to the injury and disability issues were caused by the metal fragments of the certain flash grenade, the detachable flash grenade was developed. The main grenade threw the submunition in the predetermined area, then the submunition exploded. Before the blast, the main grenade was threw out without the destruction fragmentation. And the safety of the grenade was improved. The difference of the munition dispersion technology not only affects the structure of the munition, but also decides the tactical performance of the munition. Based on the theoretical calculation of the opening pressure and the calculation of the interference fit of the opening pressure, the best opening way is confirmed by the experimental test. It’s important for the design of the small-caliber detachable grenade.

detachable type; flash grenade; opening way

1673-3193(2017)03-0327-06

2016-09-18

王一飞(1988-)， 男， 助教， 硕士， 主要从事非致命武器的研究.

TJ012.1

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.014