炮射溫壓彈對(duì)人員目標(biāo)的毀傷效能研究*

高旭東,郭 敏,孫 韜,劉 娟

(1南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京 210094;2 63961部隊(duì),北京 100010)

0 引言

現(xiàn)有對(duì)云爆(溫壓)彈藥威力的研究多針對(duì)液體云爆彈和液固混合型云爆彈[1-2],對(duì)于固體藥劑的溫壓彈威力研究不多[3]。對(duì)于同樣的設(shè)計(jì)約束條件下(如相同的戰(zhàn)斗部體積或者質(zhì)量),溫壓戰(zhàn)斗部和一般殺爆戰(zhàn)斗部對(duì)于目標(biāo)(如人員)的殺傷威力到底有何差異,應(yīng)該如何全面衡量兩者的毀傷效能,目前尚未見到公開的研究報(bào)道。文中將采用計(jì)算分析的方法對(duì)炮射溫壓彈和殺爆彈的威力特性進(jìn)行分析和對(duì)比,希望對(duì)于炮射溫壓彈藥的設(shè)計(jì)和毀傷效能分析提供理論參考。

1 溫壓彈對(duì)人員目標(biāo)的毀傷效應(yīng)

1.1 沖擊波毀傷效應(yīng)

溫壓彈一個(gè)重要特性就是其沖擊波能夠在空間和時(shí)間上具有比普通殺爆彈更大的作用范圍。沖擊波對(duì)人員目標(biāo)的毀傷效應(yīng)通常用超壓峰值、正壓作用時(shí)間和沖量三個(gè)參量來度量。目前工程上應(yīng)用最多的是采用超壓峰值對(duì)人員目標(biāo)的毀傷判斷準(zhǔn)則。理論分析和試驗(yàn)研究表明,同樣的超壓值如果持續(xù)的時(shí)間不同,破壞效應(yīng)也不同,而持續(xù)時(shí)間與爆炸量有關(guān)。

1.2 破片毀傷效應(yīng)

溫壓彈在高膛壓身管發(fā)射彈藥上應(yīng)用時(shí),必須設(shè)計(jì)為較厚的彈壁,并將導(dǎo)致兩種效果:一是其沖擊波威力受較厚彈壁的影響造成較大損失,相比薄壁溫壓彈減小了沖擊波殺傷威力;另一方面較厚彈壁產(chǎn)生大量破片又形成了較強(qiáng)的破片殺傷效應(yīng)。兩者的綜合威力與一般殺爆彈相比如何評(píng)價(jià)是彈藥設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的問題。

破片對(duì)人員目標(biāo)殺傷威力的衡量方法有多種[4-5],包括破片數(shù)量、破片初速、破片穿透能力、殺傷半徑、密集殺傷半徑、扇形靶密集殺傷面積、疏散殺傷面積、球形靶殺傷面積等。其中球形靶殺傷面積是相對(duì)更綜合、更全面的衡量方法,其綜合了破片的初速分布、質(zhì)量分布、空間密度分布、速度衰減以及目標(biāo)的受彈面積、姿態(tài)和彈目交匯條件等因素,能夠最充分的說明彈藥威力,能衡量不同射擊條件下的毀傷效果,能計(jì)算彈藥對(duì)不同類型目標(biāo)的殺傷威力及其變化規(guī)律。

1.3 熱毀傷效應(yīng)

溫壓彈爆炸時(shí)產(chǎn)生比一般殺爆彈更大、持續(xù)時(shí)間更長的溫度場,其對(duì)人員目標(biāo)的熱毀傷效應(yīng)可采用溫度場高溫范圍和持續(xù)時(shí)間作為主要威力衡量指標(biāo),并可用熱通量毀傷準(zhǔn)則、熱劑量準(zhǔn)則和熱通量-熱計(jì)量準(zhǔn)則來評(píng)價(jià)熱毀傷效應(yīng)。

熱通量準(zhǔn)則是指當(dāng)目標(biāo)受到的熱通量大于或等于引起目標(biāo)破壞所需的臨界熱通量時(shí),目標(biāo)就被破壞;否則目標(biāo)不被破壞;熱通量準(zhǔn)則適用于熱通量的作用時(shí)間比目標(biāo)達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間長的條件,熱通量準(zhǔn)則的關(guān)鍵是確定熱通量的臨界值。熱劑量準(zhǔn)則是以目標(biāo)接受到的熱強(qiáng)度大于或者等于目標(biāo)破壞的臨界熱強(qiáng)度時(shí)目標(biāo)就被破壞,熱強(qiáng)度準(zhǔn)則適用于作用于目標(biāo)的熱通量持續(xù)時(shí)間非常短以至于目標(biāo)接受到的熱量來不及散失掉。熱通量-熱劑量準(zhǔn)則是指目標(biāo)能否被破壞必須以熱通量和熱強(qiáng)度兩個(gè)參量來組合決定的一種判斷方法。

1.4 窒息毀傷效應(yīng)

溫壓彈的窒息毀傷效應(yīng)在密閉空間作用效果更為突出。可采用有毒氣體準(zhǔn)則、氧濃度準(zhǔn)則、濃度-時(shí)間準(zhǔn)則來衡量。有毒氣體準(zhǔn)則是指,若溫壓彈爆炸產(chǎn)生氣體大部分為CO、H2S、NOX之類的血液窒息性氣體和細(xì)胞窒息性氣體等非單純窒息性氣體,當(dāng)其在空氣中的濃度達(dá)到或者超過某個(gè)值時(shí)就會(huì)對(duì)人體造成傷害。氧濃度準(zhǔn)則是指,若爆炸產(chǎn)生氣體多為CO2、NO2之類的單純窒息性氣體時(shí),會(huì)導(dǎo)致爆炸后環(huán)境中的氧濃度降低,當(dāng)其達(dá)到或低于某一值時(shí),就會(huì)對(duì)人體造成危害。濃度-時(shí)間準(zhǔn)則是結(jié)合有毒氣體濃度和人體吸入時(shí)間兩個(gè)因素來考慮有毒氣體對(duì)人體的傷害,濃度越大、吸入時(shí)間越長,受傷害程度越嚴(yán)重。

1.5 影響毀傷效能的條件

溫壓彈對(duì)人員目標(biāo)的毀傷效能同時(shí)取決于多種條件:1)外部環(huán)境條件:環(huán)境因素是非常復(fù)雜多樣的,特別是環(huán)境的開放性或封閉型,如地面、戰(zhàn)壕、工事、坑道、山洞、掩體、城區(qū)、山谷等;2)人員目標(biāo)特征:暴露或穿著防護(hù)服等;3)引信工作條件:引信為觸發(fā)模式、近炸模式或者延期作用模式,引信為彈頭起爆、彈體起爆或偏心起爆等;4)彈藥設(shè)計(jì)方式:薄壁彈或厚壁彈、自然破片或預(yù)制破片等。

2 溫壓彈模型的基本參數(shù)

為評(píng)價(jià)溫壓彈對(duì)人員毀傷的威力特性,以裝填梯黑50炸藥的某殺爆彈為基本模型,采用某溫壓炸藥(固體云爆劑),設(shè)計(jì)了三種溫壓彈模型:模型1直接將原殺爆彈的裝藥替換成溫壓炸藥;模型2保持全彈質(zhì)量和弧形部外形不變,圓柱部彈壁由殺爆彈的13.5mm減為8mm,圓柱部相比殺爆彈增長59mm;模型3保持全彈質(zhì)量和弧形部外形不變,彈壁減為7mm,圓柱部增長79mm。表1為三種溫壓彈模型與殺爆彈的有關(guān)參數(shù)。

表1 三種溫壓彈模型與殺爆彈參數(shù)

3 溫壓彈超壓對(duì)人員目標(biāo)毀傷效能分析

根據(jù)該溫壓炸藥超壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的公式,同時(shí)考慮彈藥破片所耗的炸藥能量,計(jì)算了三種溫壓彈模型和殺爆彈在引信觸發(fā)模式作用時(shí)地面超壓峰值隨爆心距離變化曲線,如圖1所示。可以看出:1)三種溫壓彈模型的超壓均明顯高于殺爆彈模型的超壓;2)模型2和模型3由于裝藥量相差不大,超壓曲線比較接近;3)模型1的超壓曲線介于殺爆彈和另兩種模型之間;4)與溫壓彈模型相比,殺爆彈的超壓衰減曲線在距離爆心較近的區(qū)域更“陡”一些。

關(guān)于超壓峰值對(duì)暴露人員的毀傷準(zhǔn)則的取值范圍,不同的文獻(xiàn)上說法有一定差異,文中取超壓在0.05MPa以上時(shí)可對(duì)人員形成中等程度以上的傷害。三種溫壓彈模型的超壓毀傷面積分別為殺爆彈的2.72倍、4.33倍和4.67倍,說明溫壓彈模型相比殺爆彈在超壓毀傷能力上有大幅度提高。

4 溫壓彈破片對(duì)人員目標(biāo)毀傷效能分析

采用戰(zhàn)斗部破片初速分布計(jì)算方法[6-7]分別對(duì)三種溫壓彈模型和殺爆彈的破片初速進(jìn)行了分析,圖2為四種彈藥的破片初速沿彈藥軸線無量綱長度的分布曲線。計(jì)算結(jié)果表明:1)三種溫壓彈模型的破片初速分布與殺爆彈的曲線形狀非常相似;2)由于溫壓炸藥的爆速和哥耐常數(shù)低于梯黑50炸藥,模型1的初速分布曲線明顯低于殺爆彈;3)模型2和模型3與殺爆彈相比,雖然溫壓炸藥的爆速和哥耐常數(shù)低,但是兩種模型的炸藥裝填比遠(yuǎn)高于殺爆彈,其彈壁要比殺爆彈薄得多,因此其破片初速曲線仍然高于殺爆彈;4)模型3的裝填比相比模型2稍大一些,因此其初速曲線稍高于模型2。

圖3為采用破片飛散角分布計(jì)算方法[8]得到的四種彈藥的破片飛散角情況。可以看出:1)四種彈藥的飛散角相差不大,其中模型1和殺爆彈的飛散角曲線非常近,而模型2和模型3的飛散角曲線也非常接近,初步分析可能是彼此的壁厚和彈藥結(jié)構(gòu)更接近的緣故;2)上述兩組曲線在圓柱部相同位置相差約2°左右,即彈壁薄、裝填比更大的模型2和模型3的飛散角稍大一些。

基于Mott模型[4-5]計(jì)算的三種溫壓彈模型和殺爆彈的破片質(zhì)量分布如圖4所示。可以看出:1)模型1由于溫壓炸藥的爆速低,其破片分布明顯表現(xiàn)出平均質(zhì)量大,破片總數(shù)量少,其10g以下的破片數(shù)量比殺爆彈少,10g以上的破片數(shù)量比殺爆彈多;2)模型2和殺爆彈的破片質(zhì)量分布曲線最接近,其4g以下的破片數(shù)量比殺爆彈略多一些,4g以上的殺爆彈略少一些;3)模型3由于彈壁薄、裝填比大,相比殺爆彈而言其破片平均質(zhì)量明顯小很多,破片總數(shù)量增加很多。

根據(jù)破片式戰(zhàn)斗部對(duì)暴露人員殺傷面積計(jì)算方法,假定彈藥引信為觸發(fā)模式,彈藥落速500m/s,落角為30°～70°之間,人員目標(biāo)為立姿,以98J動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)作為人員殺傷準(zhǔn)則,圖5給出了三種溫壓彈模型和殺爆彈的球形靶殺傷面積計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?1)模型1的殺傷面積明顯低于殺爆彈,這是因?yàn)槠淦破倲?shù)量很小且破片初速很低的緣故;2)模型2和模型3的殺傷面積高于殺爆彈約15%左右,分析原因主要是兩種溫壓彈模型的破片數(shù)量和破片速度都高于殺爆彈的緣故;3)模型2和模型3的殺傷面積相差不大;4)殺傷面積隨著落角的增大而呈現(xiàn)近似線性增加,但是模型1在落角大于60°后殺傷面積幾乎沒有變化。

5 溫壓彈超壓和破片對(duì)人員目標(biāo)綜合毀傷效能分析

同時(shí)考慮破片和超壓對(duì)暴露人員目標(biāo)的毀傷作用,取超壓 0.05MPa以上對(duì)人員目標(biāo)毀傷概率為100%,低于0.05MPa為0,圖6給出了考慮超壓與破片綜合毀傷作用時(shí)的殺傷面積計(jì)算結(jié)果。對(duì)比圖5和圖6,四種彈藥的殺傷面積變化趨勢(shì)、特性均與不考慮超壓時(shí)相類似,但殺傷面積的絕對(duì)值均有小幅度增加。這是因?yàn)閷?duì)于地面的暴露人員,在超壓毀傷的范圍內(nèi),其破片都有較大的殺傷概率。當(dāng)然對(duì)于密閉空間內(nèi),這種情況是不一樣的。

為進(jìn)一步觀察殺傷范圍的分布,以30°落角為例,圖7～圖10給出了殺爆彈和三種溫壓彈模型的綜合殺傷等概率曲線和云圖。對(duì)比可以看出:等值線中心靠近爆心區(qū)域內(nèi),四種彈藥模型的超壓毀傷范圍有明顯差異;破片殺傷概率等值曲線隨四種彈藥殺傷面積的變化而呈現(xiàn)外擴(kuò)或內(nèi)縮,但是其大致形狀和變化趨勢(shì)是基本一致的,這是因?yàn)樗姆N彈藥模型的破片初速分布曲線、飛散角曲線都相類似的緣故。

6 結(jié)論

分析了炮射溫壓彈對(duì)人員目標(biāo)的各種毀傷效應(yīng),計(jì)算比較了三種炮射溫壓彈模型與殺爆彈模型對(duì)人員目標(biāo)的超壓和破片的毀傷效能,研究表明對(duì)于人員目標(biāo)而言,炮射溫壓彈相比普通殺爆彈在大幅度提高超壓威力的同時(shí),也能保證較高的破片威力。研究結(jié)果可為炮射溫壓彈的優(yōu)化設(shè)計(jì)和毀傷效能分析提供參考。

圖7 四種彈藥的殺傷概率等值云圖

文中討論炮射溫壓彈對(duì)人員目標(biāo)的毀傷效能,但具體量化分析主要考慮了超壓效應(yīng)和破片效應(yīng),對(duì)熱毀傷效應(yīng)和窒息毀傷效應(yīng)未做詳細(xì)計(jì)算;該項(xiàng)工作僅限于某口徑彈藥模型的分析,尚未對(duì)更多的模型和裝藥情況進(jìn)行更廣泛的研究;研究結(jié)論與溫壓彈藥的應(yīng)用條件相關(guān),不一定適用于其它情況如在密閉空間內(nèi)作用等;該項(xiàng)工作目前主要基于理論分析和工程計(jì)算,尚需試驗(yàn)驗(yàn)證。

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