低侵彻枪弹在明胶内的弹道特性

梁化鹏 沈培辉 刘铁磊

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低侵彻枪弹在明胶内的弹道特性

    作者简介: 梁化鹏(1992-),男,硕士,主要从事终点效应研究. E-mail: 815532008@qq.com;
    通讯作者: 沈培辉, sphjy8@mail.njust.edu.cn
  • 中图分类号: O385; TJ410.2

Ballistic Characteristics of Low Penetration Bullet in Gelatin

    Corresponding author: SHEN Peihui, sphjy8@mail.njust.edu.cn ;
  • CLC number: O385; TJ410.2

  • 摘要: 为提高子弹的低侵彻性,设计了一种新弹型—开花弹。开展开花弹以不同速度侵彻明胶块的实验,研究弹体头部的变形情况,并利用侵彻深度验证了弹丸的低侵彻性能。研究结果表明:开花弹在撞击明胶块的过程中,其头部开裂程度与枪弹的撞击速度有关,且速度越高,弹头变形越大;弹头开裂成“花瓣状”可增大侵彻阻力,有效降低子弹的侵彻深度;开花弹在不同速度区间内均未穿透明胶块,证明该弹具有良好的低侵彻性能;提出了开花弹的运动模型,该模型可以较好地描述开花弹在明胶内的运动过程。
  • 图 1  实验现场示意图

    Figure 1.  Schematic of experimental setup

    图 2  实验用开花弹

    Figure 2.  Shrapnel of experiment

    图 3  侵彻明胶实验结果

    Figure 3.  Experimental results of penetration in gelatin

    图 4  弹丸残体

    Figure 4.  Projectile residue

    图 5  位移-时间曲线

    Figure 5.  Displacement-time curves

    表 1  不同入射速度下弹丸的头部变形

    Table 1.  Head deformation of projectile at different speeds

    Velocity/(m·s–1Maximum cross sectional diameter/mmMagnificationPenetration depth/mm
    41410.21.7353
    61813.52.3366
    82516.22.7341
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    表 2  理论结果和实验结果

    Table 2.  Theoretical results and experimental results

    Incident velocity/(m·s–1Maximum cross sectional diameter/mmPenetration depth/mm
    Theoretical valueExperimental value
    41410.2346353
    61813.5354366
    82516.2308341
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  • [1] 尹生. 中国反恐法制的现状、问题和对策研究 [J]. 当代法学, 2008, 22(3): 12–15
    YIN S. A study on china’s antiterrorism legal mechanism [J]. Contemporary Law Review, 2008, 22(3): 12–15
    [2] 袁国柱. 对第二代小口径枪弹的初步分析 [J]. 现代武器, 1986(8): 5–8
    YUAN G Z. A preliminary analysis of the second generation small caliber bullet [J]. Modern Weapons, 1986(8): 5–8
    [3] 王富耻, 王琳, 李树奎, 等. 空心侵彻弹侵彻金属靶板的细观损伤行为研究 [J]. 兵工学报, 2004, 25(3): 359–362 doi: 10.3321/j.issn:1000-1093.2004.03.025
    WANG F C, WANG L, LI S K, et al. Study on meso damage behavior of hollow penetrator penetrated into metal target plate [J]. Acta Armamentarii, 2004, 25(3): 359–362 doi: 10.3321/j.issn:1000-1093.2004.03.025
    [4] 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 doi: 10.11883/1001-1455(2014)05-0608-07
    LIU K, WU Z L, XU W H, et al. The injury effect of 3 small caliber rifle projectiles [J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 34(5): 608–614 doi: 10.11883/1001-1455(2014)05-0608-07
    [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 Y K, XU C, CHEN A J, et al. Numerical simulation of rifle penetration into gelatin target [J]. Acta Armamentarii, 2013, 34(1): 14–19
    [6] 梁化鹏, 薛建锋, 沈培辉. 低侵彻性枪弹的入水研究 [J]. 高压物理学报, 2018, 32(2): 025104 doi: 10.11858/gywlxb.20170538
    LIANG H P, XUE J F, SHEN P H. Research on the low-penetrating bullets entering water [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2018, 32(2): 025104 doi: 10.11858/gywlxb.20170538
    [7] 梁化鹏, 沈培辉, 刘铁磊. 可变形小口径枪弹侵彻肥皂试验 [J]. 兵器装备工程学报, 2018, 39(2): 83–84
    LIANG H P, SHEN P H, LIU T L. Experiment on penetration of small caliber deformable bullet on the soap [J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2018, 39(2): 83–84
    [8] 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: 76-77.
    LIU Y Q, WANG Z G, MA Y Y. Wound ballistics [M]. Bei Jing: People’s Military Medical Publishing House, 1991: 76-77.
    [9] 莫根林, 吴志林, 冯杰, 等. 步枪弹侵彻明胶的表面受力模型 [J]. 兵工学报, 2014, 35(2): 164–169 doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2014.02.004
    MO G L, WU Z L, FENG J, et al. The force model of the surface of the rifle projectile penetrating the gelatin [J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(2): 164–169 doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2014.02.004
  • [1] 梁化鹏薛建锋沈培辉 . 低侵彻性枪弹的入水研究. 高压物理学报, 2018, 32(2): 025104-1-025104-6. doi: 10.11858/gywlxb.20170538
    [2] 刘坤吴志林徐万和莫根林 . 弹头侵彻明胶运动模型参数研究. 高压物理学报, 2013, 27(5): 677-684. doi: 10.11858/gywlxb.2013.05.004
    [3] 高光发李永池沈玲燕郭扬 . 入射速度对长杆弹垂直侵彻行为的影响规律. 高压物理学报, 2012, 26(4): 449-454. doi: 10.11858/gywlxb.2012.04.014
    [4] 吴乔国文鹤鸣 . 卵形弹撞击厚金属靶的侵彻与贯穿. 高压物理学报, 2013, 27(3): 372-378. doi: 10.11858/gywlxb.2013.03.009
    [5] 王政倪玉山曹菊珍张文金吾根 . 基于速度势侵彻模型的应用研究. 高压物理学报, 2005, 19(1): 10-16 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.01.003
    [6] 王可慧初哲周刚王金海朱玉荣闵涛韩娟妮 . 串联动能侵彻弹侵彻混凝土靶研究. 高压物理学报, 2005, 19(1): 93-96 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.01.016
    [7] 邓云飞张伟曹宗胜陈勇 . 分段弹侵彻效率的数值模拟研究. 高压物理学报, 2011, 25(3): 251-260 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.03.010
    [8] 胡静邓云飞孟凡柱姜颖 , . 分段杆弹侵彻效率的数值模拟. 高压物理学报, 2015, 29(6): 410-418. doi: 10.11858/gywlxb.2015.06.002
    [9] 钟卫洲宋顺成张方举张青平黄西成李思忠卢永刚 . 复合材料弹侵彻混凝土靶的研究. 高压物理学报, 2009, 23(1): 75-80 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.01.013
    [10] 曾鉴荣刘高敏温殿英刘全忠 . 卵形弹侵彻混凝土靶实验研究. 高压物理学报, 1998, 12(1): 67-71 . doi: 10.11858/gywlxb.1998.01.011
    [11] 张伟肖新科郭子涛慕忠成魏刚 . 双层A3钢靶对平头杆弹的抗侵彻性能研究. 高压物理学报, 2012, 26(2): 163-170. doi: 10.11858/gywlxb.2012.02.007
    [12] 练兵蒋建伟门建兵王树有 . 高速长杆弹对混凝土靶侵彻规律的仿真分析. 高压物理学报, 2010, 24(5): 377-382 . doi: 10.11858/gywlxb.2010.05.010
    [13] 张元豪程忠庆侯海量朱锡 . 立方体弹高速侵彻防护液舱剩余特性的数值模拟. 高压物理学报, 2019, 33(1): 015103-1-015103-7. doi: 10.11858/gywlxb.20180576
    [14] 高光发李永池黄瑞源段士伟 . 长径比对长杆弹垂直侵彻能力影响机制的研究. 高压物理学报, 2011, 25(4): 327-332 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.04.007
    [15] 潘强张继春肖清华邹新宽石洪超 . 动能弹对混凝土靶侵彻深度的PSO-SVM预测. 高压物理学报, 2018, 32(2): 025102-1-025102-8. doi: 10.11858/gywlxb.20170577
    [16] 兰彬文鹤鸣 . 钨合金长杆弹侵彻半无限钢靶的数值模拟及分析. 高压物理学报, 2008, 22(3): 245-252 . doi: 10.11858/gywlxb.2008.03.004
    [17] 强洪夫孙新亚王广陈福振石超黄拳章 . 基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟. 高压物理学报, 2018, 32(5): 055102-1-055102-9. doi: 10.11858/gywlxb.20170664
    [18] 覃悦文鹤鸣何涛 . 锥头弹丸撞击下FRP层合板的侵彻与穿透的理论研究. 高压物理学报, 2007, 21(2): 121-128 . doi: 10.11858/gywlxb.2007.02.002
    [19] 王延斌李九红魏雪英俞茂宏 . 高速钨杆弹对脆性靶体的侵彻分析. 高压物理学报, 2005, 19(3): 257-263 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.03.011
    [20] 伍星星刘建湖张伦平赵延杰孟利平陈江涛 . 材料参数拟合方法对弹靶侵彻仿真的影响. 高压物理学报, 2019, 33(4): 1-9. doi: 10.11858/gywlxb.20180661
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-20
  • 录用日期:  2018-03-30
  • 网络出版日期:  2019-03-15
  • 刊出日期:  2019-04-01

低侵彻枪弹在明胶内的弹道特性

    作者简介:梁化鹏(1992-),男,硕士,主要从事终点效应研究. E-mail: 815532008@qq.com
    通讯作者: 沈培辉, sphjy8@mail.njust.edu.cn
  • 1. 西安现代控制技术研究所,陕西 西安 710065
  • 2. 南京理工大学智能弹药技术国防重点实验室,江苏 南京 210094

摘要: 为提高子弹的低侵彻性,设计了一种新弹型—开花弹。开展开花弹以不同速度侵彻明胶块的实验,研究弹体头部的变形情况,并利用侵彻深度验证了弹丸的低侵彻性能。研究结果表明:开花弹在撞击明胶块的过程中,其头部开裂程度与枪弹的撞击速度有关,且速度越高,弹头变形越大;弹头开裂成“花瓣状”可增大侵彻阻力,有效降低子弹的侵彻深度;开花弹在不同速度区间内均未穿透明胶块,证明该弹具有良好的低侵彻性能;提出了开花弹的运动模型,该模型可以较好地描述开花弹在明胶内的运动过程。

English Abstract

  • 目前,越来越多的犯罪事件发生在人流量较大的场所,为了在第一时间制止犯罪分子,同时防止误伤周围的群众,需要一些停止作用大、制止能力强、侵彻力低的武器装备。而我国目前主要的警用武器装备均存在枪弹的穿透力大,导致停止作用不足的缺点[1-2]。近几年国内学者对多种枪弹的弹道学特性进行了大量研究。王富耻等[3]研究了3种不同弹型的截卵形空心侵彻弹的侵彻效应,结果表明:当侵彻速度较低时,弹体具有良好的结构完整性;侵彻速度较高时,弹体头部发生断裂破坏,并伴有绝热剪切损伤。刘坤等[4]针对SS109 5.56 mm、M74 5.45 mm和87式5.8 mm枪弹进行了杀伤性能评估,使用明胶代替人体肌肉组织进行侵彻实验,结果表明国产5.8 mm枪弹的杀伤性能最优。温垚珂等[5]使用有限元软件对步枪弹侵彻明胶的过程进行了数值模拟,分析了弹头在明胶中的受力、明胶内部等效应力分布及入射攻角对明胶创伤效应的影响。然而目前国内对枪弹低侵彻性能方面的研究还较少。

    弹丸撞击软介质时受到的侵彻阻力主要与弹丸速度、弹丸与介质的有效接触面积及介质特性有关。基于该理论,本研究在传统5.8 mm制式弹结构基础上,设计一种空心开花型低侵彻弹。该弹击中目标后,弹头开裂变形,从而改变弹丸与介质的有效接触面积,使开花弹在低速侵彻下的有效接触面积小,侵彻阻力小,在高速侵彻下的有效接触面积大,侵彻阻力大,最终达到开花弹在低速和高速侵彻条件下的侵彻深度始终控制在一定范围内的效果[6-7]。通过开展开花弹侵彻明胶块的实验研究,得到不同入射速度下子弹的侵彻深度,从而直观地验证子弹的低侵彻特性。

    • 弹丸的侵彻阻力主要与弹丸速度、弹头形状和介质特性有关。弹体侵彻软介质时,弹头与介质的有效接触面积越大,弹体受到的侵彻阻力越大。

      因此,弹丸的侵彻阻力可表示为[8]

      $ma = F = \frac{1}{2}\rho S{c_1}{v^2} + {c_2}Sv + S{\sigma _{\rm Y}}$

      式中:ρmFSvaσY分别表示介质密度、弹丸质量、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,c1c2为常数。

      从(1)式可以看出,弹体受到的阻力主要与弹丸速度v以及弹体与介质的有效接触面积$S$有关。在弹丸速度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,弹形保持良好,存速能力强,弹丸会直接穿透介质。本研究通过改进传统制式弹结构,设计了一种新型的低侵彻弹,所利用的低侵彻机理是采用紫铜为全弹材料。紫铜偏软,塑性好,通过在弹丸头部开设凹槽,使弹丸在撞击目标介质后其头部沿凹槽处发生开裂,形成花瓣状的二次弹头,从而增大了弹丸与目标介质的有效接触面积(约1.5~2.0倍),因此开花弹在介质中运动时受到的侵彻阻力远大于传统制式弹,进而达到降低侵彻性能的目的。

    • 明胶材料具有与生物组织(例如肌肉)相似的力学性能,在反映子弹与组织的能量传递方面具有直观、易测等优点,近年来国内外在研究枪弹对人体的毁伤特性和鉴定其威力特性等方面均采用明胶作为人体肌肉组织的替代物。大量实验表明,4 ℃下质量分数为10%的明胶材料的密度及黏弹性与人体肌肉组织较为接近,实验后的弹道轨迹以及弹头变形情况与生物软组织吻合良好。因此,本实验采用配比为1∶3∶6的明胶、冷水和热水制备明胶块,并放入4 ℃恒温箱中备用。为研究开花弹的低侵彻特性,以40 cm长的明胶块作为实验标准,未穿透则证明子弹具有良好的低侵彻特性。选用的明胶模具尺寸为20 cm×20 cm×40 cm,以5.8 mm弹道枪作为发射平台进行弹体侵彻明胶块实验,实验现场布置如图1所示。采用XX火药作为发射药,通过装药量控制弹体着靶速度,用锡箔靶和双通道测试仪测量子弹撞击明胶块的速度。

      图  1  实验现场示意图

      Figure 1.  Schematic of experimental setup

      实验中开花弹的直径为5.8 mm,长径比为5,质量为5.2 g,弹丸头部开有矩形槽,边长为1.6 mm,如图2所示。

      图  2  实验用开花弹

      Figure 2.  Shrapnel of experiment

      为了验证开花弹无论以何种速度击中目标,都能达到制止作用而不会产生贯穿,通过改变装药量,分别进行了开花弹在低速(414 m/s)、中速(618 m/s)和高速(825 m/s)下侵彻明胶块的实验研究,以模拟子弹在不同距离击中目标的结果。

    • 实验结果见图3,开花弹在低速、中速和高速撞击条件下均未穿透明胶块。开花弹以414 m/s的速度撞击明胶时,明胶未被穿透,剩余弹体长度为17.0 mm,弹丸的侵彻深度为353 mm;开花弹以618 m/s撞击明胶时,明胶未被穿透,剩余弹体长度为12.7 mm,弹丸的侵彻深度为366 mm;开花弹以825 m/s的速度撞击明胶时,明胶未被穿透,剩余弹体长度为11.2 mm,弹丸侵彻深度为341 mm。从实验结果中可以看出,开花弹在不同速度区间内均具有良好的低侵彻性能。

      图  3  侵彻明胶实验结果

      Figure 3.  Experimental results of penetration in gelatin

      收集到的开花弹弹丸残体如图4所示,弹丸残体的最大直径见表1。从图4中可以看出,弹丸头部的变形程度与子弹撞击速度有关。开花弹以414 m/s较低速度撞击明胶块时,弹丸头部部分开裂,矩形槽沿径向略微膨胀,弹丸头部最大横截面处直径为10.2 mm,约为弹体直径的1.7倍;以618 m/s撞击时,弹丸头部开裂成4瓣并伴有外翻现象,但头部凹槽没有开裂完全,仍有清晰的孔洞,此时弹丸头部最大横截面处直径为13.5 mm,是弹体直径的2.3倍;以825 m/s撞击时,弹头沿矩形槽轴向边界完全开裂成“花瓣状”,且凹槽完全消失,此时弹丸头部最大横截面处直径为16.2 mm,达到弹体直径的2.7倍。实验结果表明:开花弹在低速入射时,初速低,弹头变形小,子弹运动过程中受到的侵彻阻力相对较小;在高速入射时,初速高,弹头变形大,子弹运动过程中受到很大的侵彻阻力,从而达到子弹在高速入射时的侵彻深度接近低速下的侵彻深度,即实现子弹的低侵彻特性。

      图  4  弹丸残体

      Figure 4.  Projectile residue

      Velocity/(m·s–1Maximum cross sectional diameter/mmMagnificationPenetration depth/mm
      41410.21.7353
      61813.52.3366
      82516.22.7341

      表 1  不同入射速度下弹丸的头部变形

      Table 1.  Head deformation of projectile at different speeds

    • 弹丸撞击明胶时,弹丸与介质发生能量传递,明胶介质改变原来的静止状态,内部发生运动,此时为克服介质的惯性将产生惯性阻力;明胶属于黏弹性介质,弹丸在明胶介质内运动时将受到来自介质的黏性剪切力,即黏性阻力;同时,明胶介质还具有一定的自身抗力。因此,弹丸撞击明胶介质的阻力模型可表示为[9]

      $m\frac{{{\rm d}v}}{{\rm d}t} = F = \frac{1}{2}\rho S{c_1}{v^2} + {c_2}Sv + S{\sigma _{\rm Y}}$

      式中:等号右边3项分别为惯性抗力、黏性抗力和明胶抗力;c1c2分别为惯性阻力系数和黏性阻力系数。

      ${k_1} = (1/2)\rho {c_1}$${k_2} = {c_2}$,得到

      $m\,{\rm d}v = \left( {{k_1}S{v^2} + {k_2}Sv + S{\sigma _{\rm Y}}} \right){\rm d}t$

      对(3)式进行积分,得到弹丸在明胶介质中运动的距离$x$与时间t的关系

      $ x = \frac{{2m\,\ln \left\{ {\cos \left[ {\left( {\sqrt {\dfrac{{ - {k}_2^2{{S}^2} + 2{k_1}{S^2}{\sigma _{\rm Y}}}}{m}} } \right)t - \dfrac{1}{2}{{C}_2}\sqrt { - k_2^2{{S}^2} + 2{k_1}{S^2}} } \right]} \right\} - {k_2}St}}{{2{k_1}S}} + {C_1} $

      将初始条件$x(0) = 0$$x'(0) = {v_0}$代入(4)式中,得到

      $ x = \frac{{ - {k_2}St - 2m\ln \left( {\dfrac{{\sqrt {{k_2^2{S}}/{k_1} - 4{\sigma _{\rm Y}}} }}{{2\sqrt {{\sigma _{\rm Y}} + {k_2}{v_0} + {k_1}{v_0}} }}} \right) + 2m\,{\rm{ln}}\left\{ {\cos \left[ {\dfrac{{\sqrt {k_2^2 - 4{k_1}{\sigma _{\rm Y}}} }}{{2m}}St - \arccos \left( {\dfrac{{\sqrt {{k_2^2S}/{k_1} - 4{\sigma _{\rm Y}}} }}{{2\sqrt {{\sigma _{\rm Y}} + {k_2}{v_0} + {k_1}v_0^2} }}} \right)} \right]} \right\}}}{2{k_1}{S}} $

      由于惯性阻力系数${c_1}$和黏性阻力系数${c_2}$可视为与弹丸直径无关的系数,因此,采用文献[4]的实验参数:明胶介质的剪切屈服强度${\sigma _{\rm Y}} $=0.02 MPa,密度$\rho $=1.06 g/cm3${c_1}$=0.24,${c_2}$=3316。

      根据实验结果,开花弹低速、中速和高速撞击明胶块后得到的子弹最大横截面直径分别为10.2、13.5和16.2 mm;由于子弹撞击明胶后的头部变形过程很短,因此近似认为变形是瞬态的,将子弹变形后的最大横截面积视为弹丸与介质的有效接触面积,代入(5)式中,得到弹丸的位移-时间曲线,如图5所示。

      图  5  位移-时间曲线

      Figure 5.  Displacement-time curves

      理论结果和实验结果的对比如表2所示。从表2中可以看出,弹丸速度为618 m/s时理论和实验侵彻深度均为最大值,825 m/s时均为最小值,理论结果和实验结果的变化趋势完全相同。对比两组侵彻深度数据可以发现,理论结果都比实验结果偏小。这是因为在理论计算中忽略了弹头的变形过程,只考虑了弹丸稳定侵彻阶段时的状态,即假设子弹以开裂后的状态在明胶中运动,因此理论值会小于实验值。此外,理论与实验结果的误差较小,说明该模型可以较好地描述弹丸在明胶中的运动过程。

      Incident velocity/(m·s–1Maximum cross sectional diameter/mmPenetration depth/mm
      Theoretical valueExperimental value
      41410.2346353
      61813.5354366
      82516.2308341

      表 2  理论结果和实验结果

      Table 2.  Theoretical results and experimental results

    • 通过开展开花弹以不同速度侵彻明胶块的实验研究,直观地验证了开花弹的低侵彻性能,得到如下主要结论。

      (1)弹丸头部开槽后,在侵彻过程中弹头发生形变,增大了弹丸与介质之间的有效接触面积,增大侵彻阻力,从而有效提升了弹丸的低侵彻性能。低速侵彻下,开花弹的弹形保持良好,弹丸头部变形小,最大横截面直径为弹体直径的1.7倍;中速侵彻下,弹丸头部变形程度有所增大,最大横截面直径为弹体直径的2.3倍;高速侵彻下,弹丸受到的侵彻阻力很大,弹头变形后最大横截面直径达到弹体直径的2.7倍。

      (2)开花弹在不同速度区间内均未穿透明胶块,低速(414 m/s)下其侵彻深度为353 mm,中速(618 m/s)下侵彻深度为366 mm,高速(825 m/s)下侵彻深度为341 mm。

      (3)提出了开花弹在明胶中运动的理论模型,得到了弹丸位移与时间的关系,将理论结果和实验结果进行对比,证明了该模型能较好地描述开花弹侵彻明胶的运动过程。

参考文献 (9)

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