3种小口径步枪弹的致伤效应＊

刘 坤，吴志林，徐万和，莫根林

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094；2.南京造币有限公司，江苏 南京211100）

20世纪60年代初，M16小口径步枪被成功设计出后，小口径班用武器便以体积小、质量轻、精度高、后坐力小及弹头初速大、杀伤效果好而受到青睐，M193枪弹随M16装备部队，从此揭开了小口径枪弹序幕。70年代，苏联开始小口径枪弹的研究工作，正式定型并列装供AK74突击步枪使用的5.45mm枪弹。80年代初，北约组织成员国通过选型实验，正式确定比利时改进的SS109枪弹为第2种制式枪弹，可配各种枪型使用；同时，中国也相应研制出5.8mm步枪弹。步枪、轻机枪弹药向小口径方向发展，其明显优点是：全弹重减轻25%左右，可提高弹药携带量；枪口动能小、后坐冲量小，射弹单发及连发精度好；弹形较好，存速能力强，弹头直径小，断面比动能大，侵彻钢板、木板性能较好［1－4］。小口径枪弹出现后，许多学者对其致伤效应开展研究。傅荣向［5］通过对M193、SS109、5.45mm步枪弹、5.8mm普通弹和56式7.62mm普通弹侵彻生物和肥皂靶标实验，对小口径枪弹致伤效果展开研究，认为小口径枪弹杀伤威力优于56式7.62mm普通弹；刘宏勋等［6］通过 M193、SS109、5.8mm步枪弹侵彻钢板和肥皂靶标实验，对3种小口径枪弹威力进行了评测，认为5.8mm步枪弹穿透能力较好；马式曾［7］从弹壳、弹头及内外弹道性能3个方面对SS109和5.45mm步枪弹进行了对比分析，认为5.45mm步枪弹综合性能占有一定优势。可见，目前对3种小口径枪弹致伤效应的研究均从实验角度出发，而基于运动模型对小口径枪弹的致伤效应的理论分析未见报道。

基于前期就弹头侵彻明胶平面运动模型已开展大量工作［8－9］，本文中对SS109 5.56mm、M74式5.45mm、87式5.8mm等3种小口径步枪弹的致伤效应展开理论研究，并对其致伤效果进行对比评测；同时，对3种步枪弹侵彻明胶实验结果进行对比分析，以期为轻武器弹药设计提供理论指导。

1 3种小口径步枪弹致伤效应理论分析

为获得3种典型小口径步枪弹致伤效应，本节将对各步枪弹结构特点、性能参数及明胶中运动规律进行理论分析。

1.1 结构特点

3种小口径步枪弹弹头结构在设计上均具有初速高、质量小、头弧尖长、长径比大的特点，如图1所示，结构参数如表1所示。

图1 小口径步枪弹结构图Fig.1 Sketch of rifle bullet

表1 弹头结构参数Table 1 Parameters of rifle bullet structure

1.1.1 SS109 5.56mm 弹

SS109弹头为尖头、锥底、钢／铅芯复合结构、铜被甲［10－12］。弹头结构如图1（a）所示。该弹结构特点为：（1）弧形部半径较大，可改善弹形；（2）弹头长径比较大，增加了弹头质量系数及提高存速能力；（3）线膛缠距缩短，提高飞行稳定性；（4）采用钢／铅芯复合结构弹芯，弹尖部有空腔，可兼顾侵彻和杀伤作用。

1.1.2 M74式5.45mm弹

M74式5.45mm弹为钢铅复合结构，弹头结构如图1（b）所示。该弹性能和结构设计特点为［13］：（1）弹尖部有约3mm长空腔；（2）弹头弧形部半径较大，约为口径的11倍，有利于减小飞行阻力，长径比和质量系数较大，可提高存速、存能能力；（3）具有良好侵彻能力和杀伤效果，弹头较长，侵入目标后易翻滚，能造成较大创伤，且弹尖部空腔可调整弹头重心，击中目标时钢芯与铅套前冲发生变形，增大弹头不稳定性，提高杀伤效果。

1.1.3 87式5.8mm普通弹

87式5.8mm普通弹采用全被甲弹头，结构为尖头、锥底，由淬硬钢芯、铅套覆铜钢被甲组成，具有较强侵彻能力［14－17］。弹头结构如图1（c）所示。该弹在性能上具有以下优点［1］：（1）初速高，弹道更低伸；（2）弹头重，枪口动能大，中远距离存速能力强。

1.2 性能参数

3种步枪弹中，SS109 5.56mm步枪弹采用淬火钢芯和铅芯，即钢／铅芯复合结构弹芯；M74式5.45mm步枪弹由弹头壳、铅套和钢芯组成，钢芯质量相对增大，弹尖部有空腔；87式5.8mm普通弹结构为尖头、锥底，由覆铜钢被甲、铅套和淬硬钢芯组成，性能参数如表2所示。

表2 弹头运动参数Table 2 Parameters of rifle bullet motion

表中：v0为弹头初速，E为枪口动能，i为弹形系数，λ为长径比，λs为弧形部分半径与口径之比。

由表1～2可知，87式5.8mm普通弹相较SS109 5.56mm和M74式5.45mm步枪弹弹头较重，初速较高，枪口动能大。根据空气动力学原理，弹头初速增加，能增大飞行距离，使弹道更低伸，减少外界条件对弹头飞行影响，增大杀伤力和对目标贯穿能力。

根据刘宏勋等［6］、郭守伟等［16－17］对3种小口径步枪弹实验研究可知，600m距离上侵彻2mm冷轧钢板加松木板构成的复合目标时87式5.8mm普通弹侵入木板深度达140mm，分别深于M74式5.45mm和SS109 5.56mm步枪弹24和54mm。

综上可知，从性能参数的对比可知，87式5.8mm普通弹相较M74式5.45mm和SS109 5.56mm步枪弹，直射距离、同等距离内侵彻力、杀伤威力及中远距离存速能力较强。

1.3 明胶中运动规律

1.3.1 运动模型

弹头在明胶中运动初始阶段，形成空腔的“颈部”，可看作稳定飞行阶段，轨迹近似水平。若弹头偏角大于10°，认为“翻滚”阶段开始。弹头速度方向将发生变化，不再近似水平，运动方程可表示为［8－9］：

式中：m为弹头质量，ρ为明胶密度，v为弹头速度，CD0为阻力系数，C1为常数，A0为弹头特征面积（取弹头最大横截面积，A0＝πd2／4），δ为攻角，ψ为偏角，攻角δ与偏角ψ间的关系为x为弹头质心速度在x方向分量，vy＝y为弹头质心速度在y方向分量；Ib为弹头赤道转动惯量，CL0为升力系数，CM0为翻滚力矩系数，Czz为偏航阻尼力矩系数导数，l为弹头长度，d为弹头直径。

1.3.2 算例与分析

为保证理论分析和实验的可对比性，模型计算的初始条件和实验所测得的弹头运动参数相同。SS109 5.56mm步枪弹入靶速度为833.2m／s，初始攻角为1.4°，初始偏角为2.5°；M74式5.45mm步枪弹入靶速度为884.2m／s，初始攻角为1°，初始偏角为1.84°；87式5.8mm 步枪弹入靶速度为847.5m／s，初始攻角为1°，初始偏角为1.3°。通过式（1）弹头侵彻明胶运动模型，可得3种小口径步枪弹侵彻位移－时间、速度－侵彻位移关系曲线分别如图2～3所示。由图2中可知，3种小口径步枪弹在靶标中运动理论时间分别为445、449和490μs；

图2 侵彻位移－时间关系曲线Fig.2 Relation between penetration depth and time

图3 速度－侵彻位移曲线Fig.3 Relation between velocity and penetration depth

y方向偏移－侵彻位移关系曲线和偏角－位移关系曲线分别如图4～5所示。由图4可知，y方向偏移最大值分别为0.010、0.013和0.014m。由图5可知，出靶角度分别为87.4°、174.8°和247.9°。

图4 y方向偏移－侵彻位移关系曲线Fig.4 Relation between drift in ydirection and penetration depth

图5 偏角－侵彻位移关系曲线Fig.5 Relation between yaw angle and penetration depth

弹头在明胶中运动初始阶段，即形成空腔的“颈部”阶段。3种小口径枪弹“颈部”阶段曲线如图6所示。角速度－位移曲线和加速度－位移曲线分别如图7～8所示。由图6～8可知，3种小口径步枪弹“颈部”长度分别为0.169、0.149和0.131m；对比图3中可知，“颈部”阶段 结 束 时 速 度 分 别 为 696.9、750.0 和726.9m／s；出靶速度分别为417.4、384.1和355.4m／s。当侵彻位移分别为0.30、0.29和0.26m时，角速度分别达到最大值11 120、17 592和19 677rad／s；侵彻位移分别为0.289、0.255和0.226m时，加速度分别达到最大值1 923、2 399和2 363km／s2。

图6 小口径枪弹“颈部”长度对比Fig.6 Comparison between the length of“narrow channel”

图7 角速度－侵彻位移关系曲线Fig.7 Relation between angular speed and penetration depth

图8 加速度－侵彻位移关系曲线Fig.8 Relation between acceleration and penetration depth

从结构特点、性能参数、明胶中运动规律3方面对致伤效应进行了对比研究。结果表明，87式5.8mm普通弹相较M74式5.45mm和SS109 5.56mm步枪弹，直射距离、同等距离内侵彻力、杀伤威力及中远距离存速能力较强；明胶中“颈部”长度较短，速度衰减快，易翻滚，出靶偏角大；传递给目标能量及形成的永久空腔较大，能量传递高，致伤效果好，综合性能具有一定优势。

2 实验验证与结果分析

2.1 实验方法

为验证3种小口径枪弹致伤效应理论分析结果，进行步枪弹侵彻明胶靶标实验。采用5.56、5.45和5.8mm弹道枪作为发射平台，共射击6发，分别选取SS109 5.56mm、M74式5.45mm、87式5.8mm步枪弹各2发。把明胶作为靶标（尺寸为300mm×300mm×300mm）。采用3台高速摄像机进行拍摄，水平方向放置2台（其中1台用于拍摄明胶空腔），竖直方向放置1台（与水平方向高速摄像机配合测量攻角）。

实验原理及场景如图9所示，天幕靶置于距离靶标2m处测量入靶速度，靶标沿弹道方向置于综合靶架上，光幕和气体灯置于距离明胶侧1m处（气体灯置于光幕后），高速摄影机置于距离明胶另一侧1.5m处，确保高速摄影机镜头轴线与弹道在同一平面内，且与弹道方向垂直。

图9 实验装置布置图Fig.9 Schematic of experimental device

2.2 结果与分析

以弹头入靶时刻为计时起点，出靶时刻为计时终点，3种小口径步枪弹侵彻明胶运动过程如图10所示。图11为3种小口径步枪弹侵彻明胶“颈部”长度对比，由图11中可知，相较而言5.8mm普通弹“颈部”长度较小。

图10 小口径步枪弹侵彻明胶过程Fig.10 Process of small caliber rifle cartridge penetrating into gelatin

图11 小口径枪弹“颈部”长度对比Fig.11 Comparison of the“narrow channel”length

3种小口径步枪弹侵彻靶标实测时间分别为476、486和430μs；5.8mm普通弹在攻角较其他2种小口径步枪弹略小的情况下，出靶偏角较大，SS109 5.56mm步枪弹“颈部”阶段长度为0.172m，相对误差为1.7%；出靶速度为390.2m／s，相对误差为6.9%；出靶偏角为101.1°，相对误差为13%。M74式5.45mm步枪弹“颈部”阶段结束略早，在侵彻位移为0.141m时进入“翻滚”阶段，相对误差为5.7%；出靶速度为368.4m／s，相对误差为4.3%；出靶角度为197.9°，相对误差为11.6%。87式5.8mm普通弹“颈部”长度较短，为0.118m，相对误差为11%；出靶速度为350.1m／s，相对误差为1.5%；出靶角度高达235°，相对误差为5.2%。3种小口径步枪弹传递给明胶靶标的能量如表3所示，E为弹头总能量，ΔE为传递给靶标的能量。可见，87式5.8mm步枪弹能量传递率比其他2种弹高。

3种枪弹在设计上都具有高速度、小质量、头弧尖长、长径比大、重心后移、易翻滚、能量释放率高等特点，根据创伤弹道学理论可知，肌体致伤决定性因素包括能量释放率及其在肌体中的翻滚能力。实验结果显示：5.8mm 普通弹相较SS109 5.56mm、M74式5.45mm步枪弹，“颈部”长度较短，速度衰减较快，弹头翻滚较快，传递给明胶靶标能量较大，致伤效果较好，较好验证了理论分析结果。

表3 弹头在明胶靶中能量的传递Table 3 Transferred energy of cartridge in the process of penetrating in gelatin

3 结 论

基于弹头侵彻明胶平面运动模型，对SS109 5.56mm、M74式5.45mm和5.8mm3种小口径步枪弹致伤效应进行研究。根据龙格－库塔法原理对致伤效应进行数值计算，得出3种小口径步枪弹侵彻位移、速度、偏角、y方向偏移、“颈部”长度、角速度和加速度变化规律，对其致伤效应进行对比分析，并进行各杀伤元侵彻明胶实验，得出各时刻速度v、位移x、偏角ψ的实测值，并将理论值与实测值进行对比分析，并得出结论：理论分析结果与实测值一致性较好，我国87式5.8mm普通弹杀伤性能优于SS109 5.56mm、M74式5.45mm步枪弹，致伤效果较好。3种小口径步枪弹致伤效应的对比研究可为弹药设计和战伤救治提供依据。

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