精確制導(dǎo)武器打擊下隧道建設(shè)安全距離研究

錢 杰， 許 超， 邱偉偉

(1.軍事交通學(xué)院學(xué)員旅6隊(duì)，天津 300161；2.駐武漢鐵路局襄陽軍事代表辦事處，湖北 襄陽 441000)

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精確制導(dǎo)武器打擊下隧道建設(shè)安全距離研究

錢 杰1， 許 超2， 邱偉偉2

(1.軍事交通學(xué)院學(xué)員旅6隊(duì)，天津 300161；2.駐武漢鐵路局襄陽軍事代表辦事處，湖北 襄陽 441000)

摘要：在分析現(xiàn)行規(guī)章計(jì)算安全距離的方法存在不足的基礎(chǔ)上，運(yùn)用爆炸毀傷理論探究了精確制導(dǎo)武器打擊下的毀傷機(jī)理，并選取2 000磅級(jí)GPS制導(dǎo)炸彈GBU-31和20 000磅級(jí)的GBU-43/B作為典型武器，計(jì)算得到隧道與橋梁、臨近隧道等交通重點(diǎn)目標(biāo)之間的安全距離。其計(jì)算方法和結(jié)果可以為隧道分級(jí)貫徹國(guó)防要求及制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；安全距離；精確制導(dǎo)武器；貫徹國(guó)防要求

安全距離即安全防護(hù)距離，是指在打擊某一重點(diǎn)目標(biāo)時(shí)，在一次投彈的情況下，為防止誤傷相鄰重點(diǎn)目標(biāo)或造成兩個(gè)及以上重點(diǎn)目標(biāo)同時(shí)遭到破壞，相鄰重點(diǎn)目標(biāo)之間應(yīng)保持的最小距離。從近幾次高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)來看，對(duì)于交通類重點(diǎn)目標(biāo)，應(yīng)以防常規(guī)武器破壞為主、防核武器破壞為輔，而對(duì)隧道等點(diǎn)(線)狀交通重點(diǎn)目標(biāo)而言，則應(yīng)將精確制導(dǎo)武器打擊作為防護(hù)重心。

1 對(duì)現(xiàn)行規(guī)章確定安全距離存在的不足分析

現(xiàn)行《××技術(shù)規(guī)程》確定隧道與其它重點(diǎn)目標(biāo)之間的安全距離時(shí)，選取艦射巡航導(dǎo)彈BGM-109CⅢ及空射巡航導(dǎo)彈AGM-86C作為典型武器，并取毀傷半徑R=14 m，存在兩方面不足。

1.1 典型武器的選取難以滿足需求

安全距離的確定應(yīng)適應(yīng)武器裝備發(fā)展的需要。從美軍在近幾場(chǎng)高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中所使用的精確制導(dǎo)武器的種類、數(shù)量、爆炸威力及取得的作戰(zhàn)效果來分析，1 000磅級(jí)(1磅=0.454 kg)及以下的精確制導(dǎo)炸彈及巡航導(dǎo)彈等仍然是目前使用最多的制導(dǎo)武器，但2 000磅級(jí)以上制導(dǎo)武器在總投彈中的比例逐步上升，并取得了很好的作戰(zhàn)效果。目前，爆破型制導(dǎo)武器中威力最大的是擁有“炸彈之母”稱號(hào)的GBU-43/B(MOAB)，其圓徑達(dá)到20 000磅級(jí)。由此可見，僅考慮1 000磅級(jí)制導(dǎo)炸彈襲擊時(shí)的安全距離已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的防護(hù)需求。

1.2 毀傷半徑的確定不夠科學(xué)

武器的毀傷半徑是個(gè)相對(duì)的概念，對(duì)不同類型的交通重點(diǎn)目標(biāo)而言，由于毀傷機(jī)理及結(jié)構(gòu)自身的抗毀能力不同，同一類型武器對(duì)不同類型交通重點(diǎn)目標(biāo)的破壞范圍是不同的。而現(xiàn)行規(guī)程沒有針對(duì)不同類型的交通基礎(chǔ)設(shè)施加以區(qū)分，缺乏合理性。

本文基于以上兩點(diǎn)不足，利用爆炸毀傷相關(guān)理論，對(duì)隧道建設(shè)時(shí)應(yīng)滿足的安全距離重新進(jìn)行計(jì)算。

2 利用爆炸毀傷理論確定武器毀傷半徑

2.1基本理論公式

隧道建設(shè)應(yīng)滿足的安全距離需求主要取決于彈著點(diǎn)的偏差、武器的毀傷能力以及一次投彈數(shù)量。彈著點(diǎn)偏差越大、武器的毀傷能力越強(qiáng)、一次投彈數(shù)量越多，則安全距離要求就越大。其中，彈著點(diǎn)的偏差不僅與武器的命中精度有關(guān)，還與飛行員的戰(zhàn)斗技能密不可分，而武器的毀傷能力則主要取決于戰(zhàn)斗部裝藥性質(zhì)與裝藥量。參考相關(guān)資料，安全距離可按下式計(jì)算[1]：

(1)

式中：S為安全距離(m)；E為概率偏差(m)，與圓概率偏差ε的換算公式為E=0.572 86ε；R為戰(zhàn)斗部對(duì)防護(hù)目標(biāo)的毀傷半徑(m)；L為投擲多枚彈藥時(shí)的連投長(zhǎng)度(m)。

對(duì)于精確制導(dǎo)武器，一般不考慮連投的情況，安全距離可按下式計(jì)算：

(2)

當(dāng)武器命中精度極高，導(dǎo)致彈著點(diǎn)偏差小于武器的毀傷半徑時(shí)，為確保兩個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)不被同時(shí)炸毀，安全距離宜不小于武器對(duì)兩個(gè)相鄰重點(diǎn)目標(biāo)各自毀傷半徑之和，即：

(3)

2.2 爆炸毀傷基本理論

當(dāng)空襲彈藥爆炸時(shí)，對(duì)目標(biāo)的毀傷是由空氣沖擊波、地震波、爆炸產(chǎn)物等諸多因素的綜合作用所引起的。一般而言，當(dāng)炸藥在空氣中爆炸時(shí)，形成空氣沖擊波的能量約占爆炸總能量的70%，且空氣沖擊波造成的破壞范圍也大于其它因素的破壞范圍[2]。故對(duì)隧道等建筑類目標(biāo)而言，確定毀傷半徑時(shí)應(yīng)主要考慮空氣沖擊波的破壞作用。

空氣沖擊波對(duì)建筑類目標(biāo)產(chǎn)生破壞作用不僅與超壓有關(guān)，還與作用時(shí)間有關(guān)。相應(yīng)地，可以用超壓(ΔP)準(zhǔn)則和超壓—比沖量(ΔP-i)準(zhǔn)則來衡量沖擊波的破壞能力。空襲武器一般都是采用高能量密度的炸藥，對(duì)于這類爆源，采用超壓準(zhǔn)則就隱含地引入了比沖量[3]，故應(yīng)該以超壓準(zhǔn)則來分析其破壞作用，其唯一參數(shù)是沖擊波峰值超壓。沖擊波峰值超壓對(duì)建筑類目標(biāo)的破壞影響如表1所示。

表1 峰值超壓對(duì)建筑物目標(biāo)的破壞影響

2.3 沖擊波峰值超壓的計(jì)算

在無彈殼情況下，球形裝藥(裝藥形狀對(duì)空氣沖擊波的影響只在離爆炸中心較近時(shí)比較大，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)影響很小，空襲武器可以按照球形裝藥的方法進(jìn)行計(jì)算)炸藥在無限空氣介質(zhì)中爆炸時(shí)的峰值超壓可以按照以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

(4)

式中：ΔPm為在空氣中爆炸時(shí)的空氣沖擊波峰值超壓(105Pa)；r為距爆心的距離(m)；ω為TNT當(dāng)量(kg)。

當(dāng)空襲武器用于打擊隧道時(shí)，一般是在地面爆炸，由于地面的阻擋，空氣沖擊波不是向整個(gè)空間傳播，而只向一半無限空間傳播，被沖擊波帶動(dòng)的空氣量也減少一半。炸藥在剛性地面爆炸時(shí)，相當(dāng)于兩倍的裝藥在無限空間爆炸，可用ω′=2ω代替ω進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于普通土壤，可取ω′=1.7～1.8ω進(jìn)行計(jì)算[2]。山區(qū)土質(zhì)達(dá)不到剛性地面的強(qiáng)度，為安全起見，本文選取ω′=1.8ω進(jìn)行計(jì)算，代入公式(4)可得在地面爆炸時(shí)的空氣沖擊波峰值超壓：

(5)

公式(5)是在無彈殼的情況下計(jì)算得到空氣沖擊波峰值超壓值，實(shí)際上，空襲彈藥都是帶彈殼的，爆炸產(chǎn)生的能量不可能完全用來形成空氣沖擊波，而是有一部分通過轉(zhuǎn)化為其它形式的能量得以釋放，形成空氣沖擊波的炸藥當(dāng)量按下式計(jì)算[2]：

(6)

式中：α為戰(zhàn)斗部裝填系數(shù)；r0為裝藥半徑；rm為破片達(dá)到最大速度時(shí)的半徑，鋼殼彈體rm≈1.5 r0。

求出ωbe后，替代公式(5)中的ω值進(jìn)行計(jì)算，即可得到離爆心r處的峰值超壓值。

3 確定隧道建設(shè)安全距離賦值與計(jì)算

3.1典型武器的選取

美國(guó)是世界上頭號(hào)軍事強(qiáng)國(guó)，也是近幾十年發(fā)動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)最頻繁的國(guó)家。從美軍現(xiàn)役常用制導(dǎo)彈藥的種類和型號(hào)來分析，采用爆破型戰(zhàn)斗部的制導(dǎo)武器圓徑主要有250磅、500磅、1 000磅和2 000磅等。其中，GBU-43/B(MOAB)是為數(shù)不多的2 000磅級(jí)以上制導(dǎo)武器類型之一，也是美軍研制用來專門對(duì)付洞穴及隧道的新式武器。本文選取美軍在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中使用最多的2 000磅級(jí)GPS制導(dǎo)炸彈GBU-31和爆炸威力最大的GBU-43/B作為典型武器，其主要技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2 GBU-31和GBU-43/B部分技術(shù)性能參數(shù)

3.2 毀傷半徑計(jì)算

結(jié)合表2，取rm=1.5 r0，α=0.48，ω=514.8 kg，代入公式(6)可得GBU-31爆炸時(shí)形成沖擊波的炸藥當(dāng)量為232.1 kg；取rm=1.5 r0，α=0.9， ω=9 328 kg，代入公式(6)可得GBU-43/B爆炸時(shí)形成沖擊波的炸藥當(dāng)量為7 967 kg。

由公式(5)可知，當(dāng)爆炸時(shí)形成沖擊波的炸藥當(dāng)量確定后，沖擊波峰值超壓是距爆心距離r的一元函數(shù)，結(jié)合表1及公式(5)，可以計(jì)算得出GBU-31與GBU-43/B破壞不同目標(biāo)時(shí)的毀傷半徑，如表3所示。

表3 GBU-31與GBU-43/B破壞不同目標(biāo)時(shí)的毀傷半徑　m

3.3 安全距離計(jì)算

隧道與軍事重點(diǎn)目標(biāo)以及機(jī)場(chǎng)、鐵路站場(chǎng)等面狀交通重點(diǎn)目標(biāo)的安全距離宜考慮普通彈藥連投的情況，安全距離宜不小于x m。這一安全距離值大于考慮制導(dǎo)武器打擊時(shí)的安全距離值，因而不需要再重復(fù)計(jì)算制導(dǎo)武器打擊時(shí)的安全距離。故只計(jì)算隧道與點(diǎn)、線狀重點(diǎn)目標(biāo)的安全距離，主要是隧道與橋梁和臨近隧道之間的安全距離。

3.3.1 隧道與橋梁之間

確定重點(diǎn)隧道與重點(diǎn)橋梁之間的安全距離應(yīng)同時(shí)考慮打擊隧道時(shí)不誤傷橋梁和打擊橋梁時(shí)不誤傷隧道兩種情況，毀傷半徑宜從武器打擊時(shí)對(duì)橋梁和隧道各自的破壞范圍中取最大值。

(1)視鋼筋混凝土橋和隧道同為防地震鋼筋混凝土建筑物，由表3可知GBU-31和GBU-43/B對(duì)這類建筑物的毀傷半徑分別為14.8～16.9 m和48.2～55 m，根據(jù)公式(2)計(jì)算得到鋼筋混凝土橋和隧道之間的安全距離分別為73.2～75.3 m和106.6～113.4 m。

(2)計(jì)算重點(diǎn)隧道與鋼架橋的安全距離時(shí)，若按照打擊隧道時(shí)不誤傷鋼架橋計(jì)算，由表3可知GBU-31和GBU-43/B對(duì)鋼架橋的毀傷半徑分別為12.4～14.8 m和40.4～48.2 m，同理計(jì)算得到安全距離分別為70.8～73.2 m和98.8～106.6 m；若按打擊鋼架橋時(shí)不誤傷隧道計(jì)算，GBU-31和GBU-43/B對(duì)隧道的毀傷半徑分別為14.8～16.9 m和48.2～55 m，則安全距離分別為73.2～75.3 m和106.6～113.4 m。綜上，安全距離宜取兩種情況下的較大值。

3.3.2 隧道與隧道之間

(1)對(duì)于并行設(shè)置的公路隧道與鐵路隧道之間和上下行分離式鐵路隧道雙洞之間的安全距離，根據(jù)之前的計(jì)算結(jié)果，防GBU-31和GBU-43/B襲擊時(shí)的安全距離分別為73.2～75.3 m和106.6～113.4 m。

(2)對(duì)于分離式獨(dú)立雙洞公路隧道，由于雙洞之間需要修建車行橫通道，考慮到橫通道的建設(shè)費(fèi)用，雙洞線間距不宜過大，但應(yīng)滿足雙洞不被同時(shí)炸毀的要求，雙洞線間距宜不小于毀傷直徑，僅考慮防2 000磅級(jí)制導(dǎo)彈藥的需求時(shí)，其安全距離為29.6～33.8 m。

4 結(jié)束語

保持重點(diǎn)隧道與其它交通重點(diǎn)目標(biāo)之間的安全距離，是隧道建設(shè)貫徹國(guó)防要求的一項(xiàng)重要內(nèi)容。通過計(jì)算在防2 000磅級(jí)和20 000磅級(jí)制導(dǎo)炸彈打擊下，隧道與不同交通重點(diǎn)目標(biāo)之間應(yīng)保持的安全距離，為隧道建設(shè)過程中分級(jí)貫徹國(guó)防要求提供參考依據(jù)，對(duì)提高隧道和其它交通重點(diǎn)目標(biāo)在武器打擊時(shí)的生存能力具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

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A Study of the Safe Distance for the Construction of Tunnels Probably to be Attacked by Precision-Guided Weapons

Qian Jie1,Xu Chao2,Qiu Weiwei2

( 1.Team 6 of the Students Brigade of the Military Traffic Institute of the PLA of China,Tianjin 300161,China;2.Office of the Military Representative Stationed to Xiangyang of the Wuhan Railway Bureau,Xiangyang 441000,China )

Abstract:Upon the basis of analyzing the shortcomings of the existing methods of the norms in calculating the safe distance,the destroying and damaging mechanism of the precision-guided weapon is explored in the paper by means of the blasting-caused-destroying-and-damaging theory.With bombs of the 2000-pound-grade GPS-guided GBU-31 and the 20000-pound-grade GBU-43-B chosen as the typical weapons,the safe distances between a tunnel and a bridge, a tunnel and another neighboring tunnel, and a tunnel and other important traffic routes or other traffic facilities,are obtained through calculations.Both the calculated results and the calculating methods may serve as a useful reference for drafting corresponding standards and grading tunnels in carrying out the requirements in national defense.

Key words:tunnel;safe distance;precision-guided weapon;carry out the requirements in national defense

中圖分類號(hào)：U458

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0037-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.010

作者簡(jiǎn)介：錢杰(1995—)，男，學(xué)生421186703@qq.com

收稿日期：2016-01-28