火炮模擬終端對目標(biāo)毀傷定量計算研究*

閔 泉，王法強(qiáng)，曹小陽，張幫亮（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210018）

火炮模擬終端對目標(biāo)毀傷定量計算研究*

閔 泉，王法強(qiáng)，曹小陽，張幫亮
（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210018）

計算火炮毀傷半徑及對目標(biāo)毀傷程度是實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一，對實(shí)兵對抗訓(xùn)練中火力毀傷建模具有重要意義。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用情況，提出一種火炮對目標(biāo)毀傷定量計算方法，該方法通過計算炮彈爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓，進(jìn)而計算火炮毀傷半徑及對目標(biāo)產(chǎn)生的毀傷程度，提高了模擬火力打擊的可信度和科學(xué)性，能較準(zhǔn)確地體現(xiàn)火炮模擬終端在實(shí)兵對抗訓(xùn)練中火力打擊的作用，貼近實(shí)戰(zhàn)。

實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)，火炮，目標(biāo)毀傷，沖擊波，超壓峰值，TNT當(dāng)量

0 引言

目前，我軍正由機(jī)械化條件下軍事訓(xùn)練向信息化條件下軍事訓(xùn)練轉(zhuǎn)型，聯(lián)合訓(xùn)練已成為軍事訓(xùn)練發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)我軍和外軍的大量實(shí)踐證明，“以光代彈”的實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)［1］是一種用于部隊(duì)開展戰(zhàn)術(shù)對抗訓(xùn)練的較為理想的模擬器材。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以切實(shí)增強(qiáng)部隊(duì)的戰(zhàn)場意識，提高對抗訓(xùn)練環(huán)境的逼真性和演訓(xùn)效果，錘煉參訓(xùn)官兵的技戰(zhàn)術(shù)能力，有效促進(jìn)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的生成和提高，是戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的最高形式。

實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)由多種模擬終端組成，其中火炮模擬終端在實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)中占有重要地位，如何較為科學(xué)地計算火炮對目標(biāo)毀傷程度是實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一。本文提出一種火炮模擬終端對目標(biāo)毀傷定量計算的方法，該方法通過采集炮彈爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓，進(jìn)而計算得到炮彈爆炸時的TNT當(dāng)量，最終確定炮彈爆炸毀傷半徑及對不同目標(biāo)產(chǎn)生的毀傷程度。

1 火炮模擬終端

火炮模擬終端是實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)終端的一種，主要采用“打數(shù)據(jù)”的方式模擬火力打擊效果，解決炮兵分隊(duì)遠(yuǎn)程火力對抗和打擊效果仿真難的問題，基本工作原理如下:

①當(dāng)執(zhí)行任務(wù)的分隊(duì)接到射擊命令后，操作手會按照指揮員下達(dá)的射擊諸元操縱武器平臺，從射擊諸元采集器輸入射擊諸元，并發(fā)送到射擊諸元發(fā)射器。

②指揮員通過射擊諸元發(fā)射器選擇影響射擊的彈藥、氣象、目標(biāo)和指揮等參數(shù)，然后進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射后，系統(tǒng)將以上數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)打包后經(jīng)由場區(qū)無線數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸?shù)綄?shí)兵交戰(zhàn)數(shù)據(jù)處理中心。

③對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。實(shí)兵交戰(zhàn)數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理主要包括數(shù)據(jù)處理、彈道計算、目標(biāo)匹配與毀傷計算以及結(jié)果判定等4個步驟。

2 炮彈爆炸定量計算

炮彈根據(jù)其類型可分為爆破彈、殺傷彈和穿甲彈等，不同炮彈爆炸的毀傷距離和對目標(biāo)的毀傷程度不盡相同，其威力主要取決于爆炸時所釋放的能量大小和彈片的殺傷。實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)中，火炮毀傷模型是基于爆破彈的毀傷而建立，因此，殺傷半徑主要由爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的有效距離來確定，而爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的有效殺傷半徑主要由TNT當(dāng)量和目標(biāo)周圍環(huán)境有關(guān)。因此，炮彈爆炸時產(chǎn)生的毀傷可轉(zhuǎn)換為TNT爆炸時沖擊波毀傷來定量計算。

TNT爆炸時，形成了一團(tuán)瞬間占據(jù)炸藥原有空間的高溫、高壓氣體，這團(tuán)氣體猛烈地推動周圍靜止的空氣，產(chǎn)生一系列的壓縮波向四周傳播，各個壓縮波最終疊加成沖擊波［2］。自由空氣中的理想沖擊波波形即P-t曲線如圖1所示。由圖可見，沖擊波在歷時Ta到達(dá)后，該處壓力經(jīng)過時間Tr由大氣壓力Po突躍至最大值。壓力最大值與Po的差值稱為入射超壓峰值Pso，一般情況下超壓意味著側(cè)向超壓，即壓力是力傳感器與沖擊波相垂直的條件下測量得到的。

圖2 沖擊波超壓示意圖

2.1 峰值超壓計算

1973年，Baker提出用TNT當(dāng)量比例距離估算超壓［3］，即沖擊波超壓可由TNT當(dāng)量mTNT，以及距地面上爆炸源點(diǎn)的距離R來估算，見式（1）所示。

式中:mTNT=E/QTNT，QTNT為TNT的爆炸當(dāng)量能量，一般取平均值4 686 kJ/kg，E為爆炸時產(chǎn)生的能力值。

通過試驗(yàn)研究和理論分析，不少學(xué)者對空氣中TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的入射沖擊波的傳播規(guī)律提出了自己的見解，特別是在沖擊波峰值超壓研究方面總結(jié)出了很多預(yù)測公式，但不同學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測結(jié)果，特別是超壓峰值的預(yù)測結(jié)果，還存在著較大差別，離爆心越近，差別也越大［3-5］。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本文采用文獻(xiàn)［2］中描述沖擊波峰值超壓與比例距離關(guān)系的表達(dá)式，如下:

其中ΔP為Mpa。

2.2 爆炸當(dāng)量計算

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同質(zhì)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時，如果目標(biāo)距爆炸中心的距離R與目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的距離R0之比，與實(shí)際爆炸時產(chǎn)生沖擊波消耗的炸藥量q與基準(zhǔn)TNT炸藥量q0之比的3次方根相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同［6］，即:

式中:α實(shí)際爆炸與試驗(yàn)爆炸的無量綱模擬比。

表1為1 000 kg TNT發(fā)生空中爆炸時，在與爆炸中心不同距離處測得的沖擊波超壓［7］。炮彈爆炸大多數(shù)都是發(fā)生在地面上，因此，計算得到的超壓值應(yīng)是表1的兩倍。這樣，根據(jù)不同型號炮彈爆炸時距離爆炸中心一定位置所測得的超壓通過表1換算得到該炮彈爆炸時的TNT當(dāng)量。

表1 1 000 kg TNT空中爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓

圖3 1 000 kg TNT炸藥當(dāng)量爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓圖

2.3 毀傷半徑及毀傷程度

炮彈毀傷區(qū)域是以R為半徑的圓形區(qū)域，毀傷區(qū)域內(nèi)炮彈會對不同防護(hù)類型終端產(chǎn)生不同級別的毀傷。沖擊波超壓對建筑物的破壞作用和對人員的傷害效果如表2和表3所示。由表2和表3的數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)沖擊波超壓小于19.6 kpa時，對人員、戰(zhàn)場設(shè)施不會造成太大損害，因此，當(dāng)超壓小于該值時所計算出的距離，即確定為炮彈爆炸的毀傷半徑。

表2 地面爆炸時沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

表3 沖擊波超壓對人員的傷害作用

影響炮彈對目標(biāo)毀傷程度的因素有多種，其中目標(biāo)的防御力是其中主要的影響因素之一。實(shí)兵對抗模擬訓(xùn)練系統(tǒng)要素涵蓋直瞄武器、間瞄武器、地爆類武器、戰(zhàn)場防御、防空武器、空中打擊類等多種終端。根據(jù)不同目標(biāo)遭遇打擊時，毀傷程度變化情況不同，本文將各種模擬終端進(jìn)行分類，根據(jù)表2和表3的數(shù)據(jù)可以估算出不同沖擊超壓對各類型終端目標(biāo)所產(chǎn)生的不同毀傷效果。如表4所示:

表4 沖擊波超壓對不同目標(biāo)能產(chǎn)生毀傷的最小超壓數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證上述研究的可用性和有效性，本文參考某型火炮炮彈爆炸時沖擊波的相關(guān)數(shù)據(jù)作了采樣與分析，表5為距離爆炸中心點(diǎn)分別34 m，53 m，100 m的位置上得到超壓值。

表5 不同距離測得某型火炮的超壓

R=34 m的位置上火炮炮彈爆炸時產(chǎn)生的超壓為297 kpa，結(jié)合表1及式（2）得到該炮彈爆炸時TNT當(dāng)量為:mTNT=5878kg；同理可分別計算R=53m、R=100 m位置上該火炮炮彈爆炸時產(chǎn)生的TNT當(dāng)量分別為:mTNT=4 337 kg、mTNT=4 196 kg，進(jìn)而得到不同位置下峰值超壓如表6所示。

表6 距離爆炸中心不同距離火炮的超壓

同一炮彈爆炸在不同位置計算得到的TNT當(dāng)量存在誤差，根據(jù)相關(guān)研究，超壓峰值的預(yù)測結(jié)果，離爆心越近，差別也越大，如圖4對比所示。因此，本次試驗(yàn)選取測試R=53的位置為依據(jù)，根據(jù)表6，可以認(rèn)為該火炮毀傷半徑為106 m。

圖4 某型火炮爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓圖

結(jié)合表2～表4，可計算不同目標(biāo)距離爆炸中心不同位置所對應(yīng)的不同毀傷程度，如表7所示。

結(jié)果分析如下:

優(yōu)點(diǎn):本文創(chuàng)新了實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)火炮模擬終端模擬炮彈爆炸對目標(biāo)產(chǎn)生毀傷定量計算的方法，對比經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該算法科學(xué)有效、可信度高，可以滿足實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)火炮模擬終端毀傷效能計算要求。

缺點(diǎn):試驗(yàn)中，本文僅考慮爆破彈爆炸時沖擊波產(chǎn)生的傷害，實(shí)際實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)模擬炮彈對目標(biāo)毀傷時還包括彈片的殺傷作用，因此，彈片的殺傷作用及模型也是項(xiàng)目將來研究的重點(diǎn)方向。

表7 該火炮爆炸范圍內(nèi)不同目標(biāo)對應(yīng)的毀傷程度

4 結(jié)論

計算火炮毀傷半徑及對目標(biāo)毀傷程度是實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)的重要研究能容之一。本文通過深入研究TNT爆炸過程，將火炮炮彈爆炸毀傷轉(zhuǎn)換為TNT當(dāng)量加以計算，為火炮模擬終端精確計算火炮毀傷半徑及對目標(biāo)的毀傷程度提供了科學(xué)根據(jù)，具有較高的可信度和較強(qiáng)的實(shí)用價值，可在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

［1］李大為，呂戰(zhàn)強(qiáng).DK07實(shí)兵對抗訓(xùn)練系統(tǒng)［M］.北京:軍事科學(xué)出版社，2013.1.

［2］楊鑫，石少卿，程鵬飛.空氣中TNT爆炸沖擊波超壓峰值的預(yù)測及數(shù)值模擬［J］.爆破，2008，25（1）:15-18.

［3］亨利奇.爆炸動力學(xué)及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1987:504-508.

［4］TOLBA A F F.Response of FRP-retrofitted reinforced concrete panels to blast loading［D］.Canada:Carleton University，2001.

［5］WU C，HAO H.Modeling of smiultaneous ground shockand airblast pressure onnearby structures from surface explosions［J］.Int J Impact Eng，2005，31（6）:699-717.

［6］孔德森，張偉偉，孟慶輝，等.TNT當(dāng)量法估算地鐵恐怖爆炸中的炸藥當(dāng)量［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6（1）: 197-200.

［7］張國偉.爆炸作用原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

Quantitative Calculation for Target Injure of Artillery Simulation Terminal

MIN Quan，WANG Fa-qiang，CAO Xiao-yang，ZHANG Bang-liang
（Nanjing Research Institute on Simulation Technique，Nanjing 210018，China）

It is an important study in the DK system to calculate the damage radius and damage degree of the target，and is quite significant to the fire damage modeling.Based on the actual project application，a quantitative method for target injure is proposed in this paper.This method gets the damage radius and damage degree by calculating Peak Overpressure during blast，and improves the credibility and scientificity of simulated fire strike.It can accurately reflect the role of artillery simulation terminal in live force-on-force training，and is close to the real combat.

DK system，artillery，target injure，shock wave，peak overpressure，TNT Equivalent

E92；TJ<012.4 class="emphasis_bold">012.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A012.4

A

1002-0640（2017）03-0170-04

2016-02-05

2016-04-07

部級基金資助項(xiàng)目（12研-1201B）

閔 泉（1982- ），男，江蘇南京人，副高級工程師。研究方向：指揮訓(xùn)練、計算機(jī)模擬技術(shù)。