榴弹的作用及特点

前已述及，榴弹是依靠炸药爆炸后产生的气体膨胀功、爆炸冲击波和弹丸破片动能来摧毁目标的。前者是榴弹的爆炸破坏（简称爆破）作用，主要对付敌人的建筑物、武器装备及土木工事；后者是榴弹的杀伤破坏（简称杀伤）作用，主要对付敌方的有生力量。通常，把以爆破作用为主的弹丸称为爆破榴弹，把以杀伤作用为主的弹丸称为杀伤榴弹，把两者兼顾者称为杀伤爆破榴弹。

从弹丸的终点效应来说，除了上述的爆破作用和杀伤作用外，由于弹丸在到达目标后尚有存速（落速或末速），弹丸对目标还将产生侵彻作用。其侵彻深度的大小主要取决于弹丸速度、引信装定和目标的性质等。实际上，弹丸的这种侵彻作用，对于爆破榴弹和杀伤爆破榴弹不仅是必然的，而且是必需的。

（1）侵彻作用

榴弹的侵彻作用，是指弹丸利用其动能对各种介质的侵入过程。对于爆破榴弹和杀伤爆破榴弹来说，这种过程具有特殊意义，因为只有在弹丸侵彻至适当深度时爆炸，才能获得最有利的爆破和杀伤效果。在这里将要讨论的侵彻作用，主要就是地面榴弹对土石介质的侵彻。

如图3-2所示，当弹丸以某一落角θc侵入土石介质时，将要受到介质阻力（或抗力）的作用。随着弹丸在介质中的运动，阻力的大小也在不断改变。当弹丸爆炸或弹丸动能耗尽时，弹丸侵彻至最大深度hm。可见，侵彻作用始于弹丸与目标的接触瞬间，结束于弹丸爆炸或弹丸速度为零的瞬间。一般来说，侵彻作用的大小，将由弹丸侵彻行程或深度来衡量。

常把土壤对弹丸运动的阻力分成两个部分。一部分是所谓的静阻力；另一部分是所谓的动阻力。弹丸用在破坏土石介质之间的联系，使介质受到压缩，以及克服摩擦等消耗的能量所对应的阻力被称为静阻力。静阻力与弹丸的横截面积成正比。与弹丸克服介质惯性所消耗的能量对应的阻力被称为动阻力。它除与弹丸的横截面积有关外，还与弹丸速度的平方成正比。这样，阻力表达式常表示为

图3-2　弹丸侵彻过程

式中　dx——弹丸钻入土石部分的最大直径，m；

a——静阻力系数（表3-1）；

b——动阻力系数（表3-1）；

i——弹丸形状系数，其中球形弹i=1，现代尖形弹i=0.9；

v——弹丸在土壤中的运动速度，m/s。若用着速vc代替公式中的v，即得最大阻力。

另一种阻力表达式为

式中　d——弹径，m；

Km——取决于目标性质的系数（表3-2）。

表3-1　各种目标的a，b值

表3-2　Km值

在公式中若用着速vc代替v，则得最大阻力。

这样，根据牛顿第二定律，可以写出弹丸的运动方程：

式中　m——弹丸质量，kg。

若将式（3-2）代入式（3-4）并积分，可得弹丸的侵彻行程：

当v=0时，可得弹丸的最大侵彻行程：

同理可得对应于行程l时的弹丸运动时间的表达式：

若将式（3-3）代入式（3-4），则积分后可得最大行程的另一表达式：

假定弹丸是沿直线运动的，则弹丸距目标表面的垂直深度（图3-2）为

但应指出，由于弹丸在碰击目标时仍然存在章动角δ，因而弹丸在介质中并非完全沿直线运动。对土壤来说，当落角θc小于10°时，旋转弹丸几乎100%发生跳弹；当θc=20°～30°时，弹丸钻入目标后又向上运动，有跳出地面的倾向；当θc=30°～40°时，弹丸在土壤中做来回拐弯的不规则运动；只有当θc＞40°时，弹丸在土壤中的行程才接近直线。但对尾翼式弹来说，除跳弹情况与旋转弹相近外，它在土壤中的行程出现来回拐弯的可能性较小。

尚需说明，弹丸对介质的侵彻，影响着引信零件的受力，关系着弹丸的碰击强度，决定着爆破威力的效果。前两项在引信设计和弹丸设计中必须加以考虑，以保证它们的正常作用；后一项与引信装定的选择有关，早炸将使弹坑很浅，迟炸可能造成“隐炸”（图3-3），破坏效果不大。

（2）爆破作用

弹丸在目标处的爆炸，是从炸药的爆轰开始的。通常认为，引信起作用后，弹丸壳体内的炸药被瞬时引爆，产生高温、高压的爆轰产物。该爆轰产物猛烈地向四周膨胀，一方面使弹丸壳体变形、破裂，形成破片，并赋予破片以一定的速度向外飞散；另一方面，高温、高压的爆轰产物作用于周围介质或目标本身，使目标遭受破坏。

弹丸在空气中爆炸时，爆轰产物猛烈膨胀，压缩周围的空气，产生空气冲击波。空气冲击波在传播过程中将逐渐衰减，最后变为声波。空气冲击波的强度，通常用空气冲击波峰值超压（即空气冲击波峰值压强与大气压强之差）Δpm来表征。

球形TNT炸药在空气中爆炸时，其空气冲击波峰值超压可按下式计算

图3-3　隐炸

式中　m——炸药质量，kg；

r——到爆炸中心的距离，m。

空气冲击波峰值超压越大，其破坏作用也越大。冲击波超压对目标的破坏作用如表3-3所示。

表3-3　空气冲击波对目标的破坏作用

如图3-4所示，当弹丸在岩土中爆炸时，爆轰产物强烈压缩周围的岩土介质，使其结构遭到完全破坏，岩土颗粒被压碎。整个岩土因受爆轰产物的挤压而发生径向运动，形成一个空腔，我们称之为气室或空穴。与空穴相邻的是强烈压缩区。该区域内原来的岩土结构完全被破坏和压碎。随着与爆炸中心间的距离增大，爆轰产物的能量将传给更多的介质，压缩应力迅速下降。当压缩应力值小于岩土介质的抗压强度时，岩土不再被压碎，而是基本上保持其原有的结构。但是，随着岩土介质的径向运动，介质中每一环层都将受到拉应力的作用。如果拉伸应力超过岩土的抗拉强度，则会出现从爆炸中心向外辐射的径向裂缝。由于岩土的抗拉强度远小于其抗压强度，因而在强烈压缩区之外出现了拉伸应力的破坏区，我们称之为破碎区。该区的破坏范围比前者大。在破碎区之外，压缩应力和拉伸应力已不足以使岩土结构破坏，只能产生介质质点的震动。离爆炸中心越远，震动的幅度越小，最后衰减为零。这一区域被称为震撼区。

以上所述，是弹丸在无限岩土介质中的爆炸情况。在这种情况下，强烈压缩区的半径ry和破碎区半径rp可分别按如下公式计算

图3-4　弹丸在岩土中爆炸

1—空穴；2—强烈压缩区；3—破碎区；4—震撼区。

式中　Ky——压缩系数（表3-4）；

Kp——破碎系数（表3-4）；

m——炸药质量，kg。

表3-4　岩土中的Ky和Kp值m·kg-3

当弹丸在有限岩土介质中爆炸时，如果弹丸与岩土表面较接近或炸药量加大，那么破碎区将逐渐接近于岩土表面。由于在岩土表面处没有外层的阻力，所以弹丸爆炸时岩土很容易向上运动，形成漏斗坑（图3-5）。图中爆炸中心到岩土自由表面的垂直距离被称为最小抵抗线，并用h表示。漏斗坑口部半径用R表示。

从爆炸时岩土运动的过程来看，在弹丸爆炸后的一段时间内，最小抵抗线OA处的地面首先突起，同时不断向周围扩展。上升的高度和扩展的范围随时间的增加而增加，但范围扩展到一定的程度就停止了，而高度却继续上升。在这一段时间内，漏斗坑内的岩土虽已破碎，但地面仍然保持整体向上的运动。其外形如鼓包（钟形），故被称为鼓包运动阶段（图3-6）。当地面上升到最小抵抗线高度的1～2倍时，鼓包顶部破裂，爆轰产物与岩土碎块一起向外飞散，此即鼓包破裂飞散阶段。此后，岩土块在空气中飞行，并在重力和空气阻力作用下落到地面，形成抛掷堆积阶段。

图3-5　抛掷漏斗坑

图3-6　鼓包的运动

就鼓包运动速度来看，在最小抵抗线OA方向上岩土块的运动速度最大；离OA越远，速度越小，在B点（即漏斗坑边缘处）速度最小。

抛掷爆破可根据抛掷指数（n=R/h）的大小分为以下几种情况：

①当n＞1时为加强抛掷爆破。此时的漏斗坑被称为加强型漏斗坑。在这种情况下，漏斗坑顶角大于90°。(www.xing528.com)

②当n=1时为标准抛掷爆破。此时的漏斗坑被称为标准型漏斗坑。在这种情况下，漏斗坑顶角等于90°。

③当0.75＜n＜1时为减弱抛掷爆破。此时的漏斗坑被称为减弱型漏斗坑。在这种情况下，漏斗坑倾角小于90°。

④当n＜0.75时为松动爆破。此时没有岩土抛掷现象，不形成漏斗坑。这种情况下的爆破被称为隐炸。

大量的实验研究表明，抛掷漏斗坑的尺寸与炸药质量、炸药性能、爆破深度和岩土性质有关。漏斗坑的体积V可以用式（3-13）表达：

式中　α——决定漏斗坑体积的系数。

当n=2～2.25时，α=1.16；n=1～1.5时，α=1.52。

漏斗坑的体积与漏斗坑的类型有关。从爆破效果来说，有一最有利的爆破深度存在。这样，弹丸就应侵彻到最有利的爆破深度爆炸，以获得最好的爆破效果。最有利的爆破深度可按式（3-14）计算：

式中　m——炸药质量，kg；

Kc——与岩土特性有关的系数，其中对一般土壤可取为0.7～1.0，对混凝土或岩石可取为3.0～5.0。

（3）杀伤作用

当弹丸爆炸时，弹体将形成许多具有一定动能的破片。这些破片主要是用来杀伤敌方的有生力量（人员或马匹等），但也可以用来毁伤敌方的器材和设备等。从破片的主要作用出发，通常把破片对目标的作用称为榴弹的杀伤作用。弹丸爆炸后，破片经过空间飞行到达目标表面，进而撞击人体的效应属于“终点弹道学”的范畴，而穿入人体后的致伤效应与致伤原理则属于“创伤弹道学”的研究对象。随着科学技术的发展，杀伤破片和杀伤元素（如钢珠、钢箭等）的应用发展很快，创伤弹道的理论和实验也有所发展，这对认识和提高榴弹的杀伤作用很有帮助。

破片侵入人体后，一方面是向前运动，造成人体组织被穿透、断离或撕裂，从而形成伤道。当破片动能较大时，破片可产生贯穿伤；当破片动能较小时，破片可留于人体内而形成盲伤。有时速度较大的破片遇到密度大的脏器（如骨骼等）时还可能发生拐弯，或者将其击碎，从而形成“二次破片”，引起软组织的广泛损伤。另一方面，由于冲击压力的作用，它将迫使伤道周围的组织迅速向四周位移，形成暂时性的空腔（其最大直径可比原伤道大几倍或几十倍），从而造成软组织的挤压、移位挫伤或粉碎性骨折等。

破片致伤的伤情既取决于破片本身的致伤力，又与所伤组织或脏器的部位和结构有关。破片本身的致伤力，包括破片动能、质量、速度、形状、体积和运动稳定性等，其中以速度最为重要。由于在动能相同的条件下，质量轻而速度高的破片，其能量释放快，致伤效果好，因而国外对破片多控制在1g以下。

对有生力量的杀伤，目前我国已有一个较为可靠的致死或致伤的能量标准，而常使用的标准是78.48 J。日本根据过去的实战统计和大量的动物实验，对人和马提出了如表3-5所示的杀伤标准。

表3-5　对人、马的杀伤标准

弹丸破片的形成过程是极为复杂的，影响因素有很多，欲从理论上对此进行充分的描述尚有困难。目前，主要还是借助于实验的方法进行研究和分析。

图3-7　弹丸爆炸过程示意

（a）爆炸前；（b）爆炸过程中

如图3-7所示，当引信引爆后，炸药的爆轰将以波的形式（爆轰波）自口部向右传播。紧跟在爆轰波后面的是由于弹体变形等而产生的稀疏波。爆轰波以1010Pa的压力冲击弹体，在冲击点Ⅰ处压力最大，稀疏波所到之处压力急速下降。当爆轰波达到弹底时，弹丸内装的炸药全部爆轰完毕。弹体在爆轰产物的作用下，从冲击点开始，沿内表面产生塑性变形，同时弹体迅速向外膨胀。弹体出现裂缝后，爆轰产物即从裂缝向外流动，作用于弹体内表面的压力急速下降。弹体裂缝全部形成后，即以破片的形式以一定的速度向四周飞散。

弹丸由起爆到炸药爆轰结束所经历的时间，同弹体由开始变形到全部破裂成破片所经历的时间相比是很短的，约为后者的1/4。例如，122 mm的榴弹由起爆到炸药爆轰结束约需60μs，而弹体由塑性变形到全部形成破片则需250μs左右。但对于很长的弹体来说，在炸药尚未爆轰结束时，弹体的起爆端就可能发生破裂，从而影响杀伤破片的形成。在这种情况下，应当对传爆系列采取措施，尽量避免上述情况的出现。

弹丸爆炸后，生成的破片是不均匀的，其中圆柱部产生的破片数量最多，占70%左右。图3-8所示为弹丸在静止引爆下破片的飞散情况。由于破片主要产生在圆柱部，所以弹丸落角的不同，将会影响杀伤破片的分布。若弹丸垂直爆炸，则破片分布近似为圆形，具有较大的杀伤面积；若弹丸爆炸时具有一定的倾角，则只有两侧的破片被有效地利用，而上下方的破片则飞向天空和土中，因此破片的有效杀伤区域近似为一矩形，面积较小（图3-9）。

图3-8　破片的飞散

图3-9　落角不同时的杀伤范围

由于弹体在膨胀过程中获得了很高的变形速度，故破片具有很高的速度，而且当破片向外飞散时，由于爆轰产物的作用，破片还略有加速。但破片所受的空气阻力很快与爆轰产物的作用相平衡，此时破片速度达到最大值，我们称其为破片初速v0。破片初速与弹体材料、炸药性能和质量有关，一般为600～1 000 m/s。

不难理解，离弹丸爆炸点越远，破片的密度越小，速度越小，目标被杀伤的可能性也越小。

当目标为战壕内的步兵时，若用着发射击，破片向四周飞散，往往不能实施有效的杀伤（图3-10）。为了杀伤这类目标，可以采用小射角的跳弹射击。射角小，弹丸的落角也小，一般当落角小于20°时，弹丸就会在地面上滑过一条沟而跳飞起来在空中爆炸，从而杀伤隐蔽在战壕中的敌人（图3-11）。实施跳弹射击时，引信应当装定为延期。跳弹射击的有利炸高，对122 mm榴弹为5～10 m。一般来说，弹丸在空中爆炸可以使杀伤作用提高一倍以上，而且声音响，对敌人的震撼作用大。但是对于头部强度不足的弹丸，不能采用跳弹射击。地面榴弹配用时间引信或非触发引信来实施空炸射击时，不仅不受地形的限制，而且杀伤威力更大。

图3-10　对战壕内的步兵无法实施有效的杀伤

图3-11　跳弹射击时的杀伤情况

杀伤弹爆炸后在空间构成一个立体杀伤区。其大小、形状由弹丸的破片飞散角、方位角和杀伤半径限定。有效杀伤半径随目标的易损性不同而不同。

弹体在爆炸后形成的破片总数N及其按质量的分布规律，是衡量弹体破碎程度的标志，同时也是计算弹丸杀伤作用的重要依据。用理论方法预先估计弹丸爆炸后产生的破片总数及质量分布是一个十分困难的问题，至今尚未得到解决。在工程计算中，常用如下的经验公式计算1 g以上的破片总数N：

式中　M——弹体金属与炸药质量之和，kg；

α——炸药装填系数（即α=m/M）。此式适用于壳体壁厚较大的弹丸和战斗部。

对于壳体壁厚较薄、装填TNT炸药的弹丸或战斗部，可以应用下述公式来近似估算破片数：

式中　r——壳体内半径，mm；

l——壳体长度，mm；

δ——壳体厚度，mm。

破片平均质量估计值的表达式：

式中　ms——金属壳体的质量，g；

k——壳体质量损失系数，其值在0.80～0.85。

一般钢质整体式壳体在充分破裂后所形成的破片，大致为长方形，其长、宽、厚尺寸的比例大约为5∶2∶1。破片质量分布规律的经验公式为：

式中　mi——质量小于等于mfi的破片总质量，g；

mfi——大于1 g的任一破片质量，g；

B，α——取决于壳体材料的常数，其中对于钢材料分别为0.045 4和0.8。

预制破片和预控破片都是靠爆炸驱动抛射的。预制破片弹丸在爆炸后其破片总质量仅损失10%左右，所要求的破片速度越高，质量损失越大；而预控破片弹丸爆炸后的质量损失在10%～15%。

此外，破片初速v0也是衡量弹丸杀伤作用的重要参数。对于圆柱形弹体，其破片初速可用如下公式进行计算：

式中　E——单位质量炸药的能量，kJ；

m——炸药质量，kg；

M——弹体质量，kg。

（4）燃烧作用

榴弹的燃烧作用是指弹丸利用炸药爆炸时产生的高温爆轰产物对目标的引燃作用。其作用效果主要根据目标的易燃程度以及炸药的成分而定。在炸药中含有铝粉、镁粉或锆粉等成分时，爆炸时具有较强的纵火作用。