某單兵無后坐力炮后噴區(qū)域危險性綜合評估

龐春橋， 陶鋼， 聞鵬， 李智宇， 任保祥， 王小峰

(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

0 引言

單兵無后坐力炮等反坦克類型的直瞄武器具有一個共同的特點，即發(fā)射時后方會產(chǎn)生高速燃?xì)馍淞?，并伴隨沖擊波、火焰以及密封堵蓋碎片形成危險區(qū)。對單兵無后坐力炮后噴區(qū)域危險性進(jìn)行綜合評估有利于進(jìn)一步了解該類型武器的使用性能。在以往的研究中，文獻(xiàn)[1]通過理論和試驗的方法對單兵火箭的后拋物進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[2]通過數(shù)值模擬方法對單兵火箭后噴流場進(jìn)行了模擬，驗證了液體平衡體的降噪和消焰降溫作用；文獻(xiàn)[3-5]對爆炸傷的各級毀傷元進(jìn)行了定性分析；文獻(xiàn)[6-7]定量地分析了沖擊波對人體的毀傷作用；文獻(xiàn)[8]總結(jié)了爆炸超壓對生物非聽覺器官的毀傷研究；文獻(xiàn)[9]給出了熱流對人體的創(chuàng)傷概率；文獻(xiàn)[10]通過數(shù)值模擬方法研究了爆炸沖擊波對肺組織的損傷；文獻(xiàn)[11]通過試驗方法研究了爆炸沖擊波對生物目標(biāo)的毀傷準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[12-13]規(guī)定了常規(guī)兵器發(fā)射時，脈沖噪聲和沖擊波對人員聽覺和非聽覺器官損傷的安全限值。然而針對單兵無后坐力炮等類型武器后噴危險區(qū)對人員造成的創(chuàng)傷，一直以來缺少系統(tǒng)的綜合評估方法。因此，迫切需要給出一種能夠同時得到后噴危險區(qū)中人員創(chuàng)傷類型和創(chuàng)傷概率的科學(xué)方法，以便指導(dǎo)該類型武器的操作使用。

本文將試驗方法和概率模型相結(jié)合，提出了一種能夠有效評估單兵無后坐力炮發(fā)射時后噴危險區(qū)內(nèi)人員創(chuàng)傷的方法。該方法可以同時給出危險區(qū)內(nèi)的人員在受到不同危險源作用時的創(chuàng)傷類型及相應(yīng)的創(chuàng)傷概率，評估結(jié)果更加直觀。本研究可以為單兵無后坐力炮及其同類型武器后噴危險界的確定提供參考，為使用性能提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 危險源試驗

單兵無后坐力炮在發(fā)射過程中，后噴區(qū)域內(nèi)的危險源主要包含：沖擊波，熱流，高速燃?xì)鈬娚鋾r的氣流沖量以及密封堵蓋碎片。其中密封堵蓋碎片形狀不規(guī)則，飛行狀態(tài)不穩(wěn)定，難以對其進(jìn)行定量化分析，因此本文不對其進(jìn)行分析討論。

1.1 測試系統(tǒng)布置

圖1 沖擊波及熱流測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of shock wave and heat flux test

圖2 燃?xì)馍淞鳑_量測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of gas jet impulse test system

為了有效評估單兵無后坐力炮發(fā)射時后噴區(qū)域內(nèi)不同危險源對人員的創(chuàng)傷類型和創(chuàng)傷概率，測試系統(tǒng)布置如圖1和圖2所示。發(fā)射器水平置于炮架之上，超壓傳感器及熱流傳感器按圖1所示位置安裝在支架上，高度與發(fā)射器平齊。為了得到扇形危險區(qū)內(nèi)不同位置處的超壓值，除30°方向外，在0°方向的3.00 m、3.75 m、5.00 m處，45°方向的1.00 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、5.00 m處，60°方向的0.58 m、1.00 m、1.50 m處同樣進(jìn)行了超壓測試。對于后噴燃?xì)馍淞?，?yīng)用位移傳感器和滑動炮架設(shè)計了氣流沖量測試試驗，具體實施方法如圖2所示，其中擺桿、燃?xì)鈸醢搴突瑝K組成一個整體，在燃?xì)馍淞鳑_量作用下繞右側(cè)的支架轉(zhuǎn)動。通過位移傳感器可以間接測得結(jié)構(gòu)整體的轉(zhuǎn)動角速度，然后根據(jù)角動量定理即可計算得到燃?xì)馍淞鳑_量。測試傳感器分別為瑞士Kistler公司產(chǎn)壓電式石英傳感器、美國Medtherm公司產(chǎn)Gardon型熱流傳感器以及中國上海極典公司產(chǎn)位移傳感器，具體參數(shù)如表1所示。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為奧地利Dewetron公司產(chǎn)2010型數(shù)據(jù)采集儀(采樣頻率為50 kHz)。此外，為了更加直觀地得到后噴燃?xì)馍淞骰鹧鎱^(qū)大小，利用日本Fastcam公司產(chǎn) Mini UX50型高速相機(jī)(拍攝幀率為8 000幀/s)記錄單兵無后坐力炮發(fā)射過程。

1.2 試驗結(jié)果

經(jīng)過對多次測試結(jié)果的篩選，去除異常信號后可以得到后噴危險區(qū)內(nèi)不同位置處的沖擊波超壓，以及圖1中所示熱流傳感器所在位置處的熱流強(qiáng)度和持續(xù)時間。其中沖擊波超壓按文獻(xiàn)[14]中的方法讀取，熱流強(qiáng)度和持續(xù)時間按圖3的方法讀取。具體結(jié)果如表2和表3所示。

表1 傳感器參數(shù)

圖3 熱流參數(shù)Fig.3 Heat flux parameters

表2 后噴區(qū)內(nèi)超壓測試結(jié)果

表3 后噴區(qū)內(nèi)熱流測試結(jié)果

在試驗過程中，高速相機(jī)記錄了某單兵無后坐力炮后噴火焰區(qū)域的直徑約為2.18 m，如圖4所示。

圖4 后噴火焰Fig.4 Flame in back-ejection area

根據(jù)本文設(shè)計的燃?xì)馍淞鳉饬鳑_量測試方法，對滑塊位移測試數(shù)據(jù)進(jìn)行1階求導(dǎo)，得到滑塊的位移和速度隨時間變化曲線如圖5所示，不同位置處的滑塊速度如表4所示。

圖5 滑塊位移及其速度Fig.5 Displacement of slider and its speed

燃?xì)馍淞鲹醢迮c噴口距離/m123滑塊滑動速度/(m·s-1)1.2470.7280.529

2 創(chuàng)傷概率分析

2.1 超壓創(chuàng)傷

沖擊波超壓對人體的創(chuàng)傷與身體部位有很大的關(guān)系，因此不同的器官在沖擊波的作用下有著不同的動力學(xué)過程。沖擊波對人體的創(chuàng)傷是因為人體內(nèi)的可壓縮性組織(即含氣器官)會發(fā)生體積變化，造成器官迅速扭曲，所以含氣組織最容易受傷，其中肺組織的創(chuàng)傷程度是致命的關(guān)鍵因素。沖擊波對人體的創(chuàng)傷主要有肺組織創(chuàng)傷和鼓膜創(chuàng)傷。試驗測得了某單兵無后坐力炮發(fā)射時后噴區(qū)內(nèi)不同位置處的超壓值(見圖6)，為了得到后噴區(qū)內(nèi)等值創(chuàng)傷曲線需要對試驗結(jié)果作進(jìn)一步處理分析。

圖6 擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)的對比Fig.6 Comparison of fitting curves and test data

沖擊波在空氣中的傳播具有一定規(guī)律，參考爆炸沖擊波衰減規(guī)律，對試驗中不同角度下的超壓值采用最小二乘法進(jìn)行擬合，可以得到相應(yīng)的擬合公式：

(1)

式中：Δp為超壓(kPa)；R為距離(m)；A、B、C為擬合參數(shù)，其中0°方向A=208.1、B=-252.7、C=836.7，30°方向A=171.9、B=-1.2、C=46.8，45°方向A=143.8、B=-114.1、C=197.5，60°方向A=85.7、B=-17.1、C=7.7.

根據(jù)圖6中的對比結(jié)果可知，擬合函數(shù)得到的結(jié)果與試驗測試結(jié)果具有很好的一致性，因此，擬合曲線可以代替試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊波超壓對人體的創(chuàng)傷評估計算。Alonso等[6]根據(jù)沖擊波對人體肺組織創(chuàng)傷和鼓膜創(chuàng)傷的試驗結(jié)果利用數(shù)學(xué)分析方法給出了計算肺組織和鼓膜創(chuàng)傷的PROBIT方程。PROBIT方程與創(chuàng)傷概率Pr之間的關(guān)系可以通過(4)式[15]計算得到。

Yl=-77.1+6.91ln (Δp×1 000)，

(2)

Ye=-12.6+1.524ln (Δp×1 000)，

(3)

(4)

式中：Y為PROBIT方程計算得到的參數(shù)，即Yl和Ye；u為積分變量的計算微元。

根據(jù)(1)式、(2)式和(4)式的依次求解可以得到單兵無后坐力炮發(fā)射時，后噴危險區(qū)域內(nèi)沖擊波超壓對人體肺組織的創(chuàng)傷概率等值線(見圖7)。同理，根據(jù)(1)式、(3)式和(4)式可以得到危險區(qū)內(nèi)人體鼓膜的創(chuàng)傷概率等值線(見圖8)。

圖7 肺組織創(chuàng)傷概率等值線圖Fig.7 Contour map of lung tissue trauma probability

圖8 鼓膜創(chuàng)傷概率等值線圖Fig.8 Contour map of eardrums trauma probability

根據(jù)圖7中的結(jié)果可知，某單兵無后坐力炮發(fā)射時，后噴危險區(qū)對人體肺組織的創(chuàng)傷分布情況。噴管正后方對人體肺組織的創(chuàng)傷最嚴(yán)重，肺組織創(chuàng)傷概率大于50%的距離達(dá)到2.0 m左右，當(dāng)距離大于2.5 m時，人體的肺組織創(chuàng)傷概率為0%，由此可知，當(dāng)人員距離噴口超過2.5 m時，在危險區(qū)內(nèi)的任何角度下肺組織均不會受到傷害。由圖8可知，與肺組織創(chuàng)傷情況類似，噴管正后方鼓膜創(chuàng)傷概率最大，鼓膜創(chuàng)傷概率大于50%的距離在2.5 m以內(nèi)，相比于肺組織，人體鼓膜更加脆弱，在本文涉及的區(qū)域內(nèi)，不存在鼓膜無傷的情況。

2.2 熱流創(chuàng)傷

單兵無后坐力炮在發(fā)射過程中，后方會形成噴火區(qū)，人員處于該區(qū)域內(nèi)時會受到熱輻射的傷害，其創(chuàng)傷程度由單位輻射功率和作用時間共同決定。Viano[9]給出了爆炸熱流對人體創(chuàng)傷的PROBIT方程，

Yh=D+Eln (Δt/1 000×(Q×1 000)4/3)，

(5)

式中：Q為熱流強(qiáng)度(kW/m2)；Δt為熱流作用時間(ms)；D、E是由爆炸熱流對人體的創(chuàng)傷試驗獲得的參數(shù)。PROBIT方程分為4種情況：1級燒傷、2級燒傷、有防護(hù)致死、無防護(hù)致死。1級燒傷情況下D=-39.83，E=3.018 6；2級燒傷情況下D=-43.14，E=3.018 8；有防護(hù)致死情況下D=-37.23，E=2.56；無防護(hù)致死情況下D=-36.38，E=2.56. 根據(jù)表2中熱流測試結(jié)果，利用(5)式和(4)式可以得到噴火區(qū)內(nèi)熱流對人員的創(chuàng)傷概率，結(jié)果如表5所示。

表5給出了某單兵無后坐力炮發(fā)射過程中，后噴火焰區(qū)內(nèi)3個不同位置處對人員的創(chuàng)傷情況。根據(jù)以上結(jié)果并參考圖4后噴火焰尺寸可知，越靠近火球中心，熱流對人體的創(chuàng)傷越嚴(yán)重，當(dāng)人員處于火球中心位置時，其發(fā)生1級燒傷的概率將大于46.95%，但是熱流創(chuàng)傷不足以致命。

表5 4種情況下的熱流創(chuàng)傷概率

2.3 燃?xì)馍淞鲃?chuàng)傷

為了平衡發(fā)射時的后坐力，單兵無后坐力炮在發(fā)射過程中會向后方噴射大量火藥燃?xì)狻．?dāng)高速運(yùn)動的火藥燃?xì)馐艿轿矬w的阻擋作用時，會在物體表面形成很大的氣流沖量，造成結(jié)構(gòu)的破壞和人體的損傷。值得關(guān)注的是，該沖量與沖擊波動沖量不同，動沖量是沖擊波陣面處的壓縮空氣流動造成的，而燃?xì)馍淞鳑_量是發(fā)射藥的燃燒產(chǎn)物高速流動造成的，相比動沖量而言，燃?xì)馍淞鳑_量要大得多。本文設(shè)計了一種測試單兵無后坐力炮后噴燃?xì)馍淞鳉饬鳑_量的裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)構(gòu)中擺桿的尺寸為長3 m，直徑0.016 m；燃?xì)鈸醢逦挥跀[桿正中心，尺寸為0.15 m×0.15 m×0.006 m；滑塊的尺寸為0.1 m×0.1 m×0.216 m. 擺桿、燃?xì)鈸醢搴突瑝K組成一個整體，在氣流沖量作用下繞圖2中右側(cè)的支架轉(zhuǎn)動。根據(jù)角動量定理可知：

Jω=Ftl/2，

(6)

ω=v/l，

(7)

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；ω為轉(zhuǎn)動角速度(rad/s)；F為作用在燃?xì)鈸醢迳系牧?N)；v為滑塊運(yùn)動速度(m/s)；l為擺桿長度(m)。

轉(zhuǎn)動慣量的計算可通過Solidworks軟件輔助完成。本文中涉及的轉(zhuǎn)動慣量為163.04 kg·m2，根據(jù)(6)式～(8)式以及表4中的試驗結(jié)果計算可知噴管正后方不同距離處燃?xì)馍淞鞯臍饬鳑_量值I，

I=Ft/S，

(8)

式中：S為燃?xì)馍淞鲹醢宓拿娣e(m2)。I的計算結(jié)果如表6所示。

表6 燃?xì)馍淞鞯臍饬鳑_量

當(dāng)人體受到燃?xì)馍淞鳑_擊時，準(zhǔn)確的殺傷判據(jù)目前還沒有。目前的損傷數(shù)據(jù)主要來源于汽車事故和炸藥爆炸對人體模型的終點效應(yīng)，具體創(chuàng)傷準(zhǔn)則如表7所示。人體在燃?xì)馍淞鳑_擊作用下會發(fā)生運(yùn)動，且根據(jù)動量定理可知：

ISp=mpvp，

(9)

式中：Sp為人體截面積(m2)；mp為成年男性體質(zhì)量(kg)；vp為人體運(yùn)動速度(m/s)。

表7 撞擊創(chuàng)傷準(zhǔn)則[16]

當(dāng)人員處于站立狀態(tài)時的截面積為0.5 m2，成年男性體重為70 kg，通過表6、(9)式及對比表7中的創(chuàng)傷準(zhǔn)則可以得到人體在某單兵無后坐力炮后噴燃?xì)馍淞髯饔孟碌膭?chuàng)傷結(jié)果，如表8所示。

表8 燃?xì)馍淞鲃?chuàng)傷概率

3 結(jié)論

本文通過試驗方法對單兵無后坐力炮發(fā)射時的沖擊波超壓、熱流強(qiáng)度以及燃?xì)馍淞鲊娚鋾r的氣流沖量進(jìn)行了測試，將試驗方法和概率單位模型相結(jié)合，提出了一種能夠有效評價單兵無后坐力炮后噴區(qū)域危險性的綜合評估方法。得出以下結(jié)論：

1)沖擊波超壓會對人的鼓膜和肺組織造成創(chuàng)傷，且噴管正后方的創(chuàng)傷程度最大，肺組織創(chuàng)傷概率大于50%的距離達(dá)到2 m左右，當(dāng)距離大于2.5 m時，人體的肺組織創(chuàng)傷概率為0%. 相比于肺組織，人體鼓膜更加脆弱，在本文研究涉及的區(qū)域內(nèi)，不存在鼓膜無傷的情況。

2)越靠近噴火區(qū)域中心熱流強(qiáng)度越高，當(dāng)人員處于火球中心位置時，其發(fā)生1級燒傷的概率將大于46.95%，但是熱流創(chuàng)傷不足以致命。

3)高速燃?xì)馍淞鳟a(chǎn)生的氣流沖量對人體的創(chuàng)傷具有致命性，特別是當(dāng)人體頭部受到撞擊時，致命概率>50%的距離達(dá)到3 m. 該危險源是主要的致命因素。

4)該方法評估結(jié)果更加直觀，可以為單兵無后坐力炮及其同類型武器后噴危險區(qū)域的確定提供依據(jù)，為使用性能提供科學(xué)的指導(dǎo)。