爆震彈近地動爆沖擊波超壓非致命特性研究

王守仁，馬榮華，于寅業(yè)，付建平，陳智剛

(1. 中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，山西 太原 030051；3. 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

0 引 言

閃光爆震彈作為一款威力較大的非致命彈藥，其爆炸時產(chǎn)生的聲壓及瞬時強光輻射可實現(xiàn)震懾、驅(qū)散、制服、牽制、干擾有生目標(biāo)的目的，在反恐、平息暴亂、群體事件中發(fā)揮著重要作用. 但是，作為一款非致命防暴彈藥，該彈在爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓可能會對有生目標(biāo)的生命安全帶來極大的威脅[1]. 秦華楊等[2]對爆震彈的非致命效應(yīng)進(jìn)行了評估，提出了閃光爆震彈的沖擊波安全半徑的理論分析方法，并通過仿真和試驗驗證了理論分析的正確性； 張國強等[3]利用LS-DYNA軟件分析了某型強光爆震彈的沖擊波超壓致傷特性. 實際作戰(zhàn)中爆震彈對目標(biāo)的攻擊是一個動態(tài)過程，其致傷特性不僅與裝藥量有關(guān)，還與爆震彈的飛行速度、攻擊姿態(tài)、爆點以及毀傷元與地面或目標(biāo)的耦合作用等相關(guān)[4]. 因此，研究爆震彈在動爆條件下的近地爆炸沖擊波特性不僅更貼近實際作戰(zhàn)狀態(tài)，對于爆震彈的非致命性評估也具有重要意義[5-7].

本文利用AUTODYN軟件，對爆震彈近地動爆過程進(jìn)行建模仿真研究，分析了爆震彈在不同運動速度以及不同高度下的沖擊波衰減規(guī)律，可對爆震彈設(shè)計及非致命性評估提供一定的參考.

1 沖擊波傳播特性及致傷標(biāo)準(zhǔn)

1.1 近地爆炸沖擊波傳播特性

裝藥近地爆炸時，沖擊波傳播過程一般分為自由場沖擊波傳播、沖擊波正反射、沖擊波正規(guī)斜反射和馬赫反射4個階段. 如圖 1 所示，裝藥起爆后，瞬間反應(yīng)成為高溫高壓爆轟產(chǎn)物，對周圍空氣進(jìn)行壓縮，形成球面波. 當(dāng)爆炸沖擊波傳達(dá)到剛性地面時，首先發(fā)生規(guī)則反射(正反射和正規(guī)斜反射)，使地面位置處的空氣受壓縮，空氣的密度和壓力急劇上升，形成反射波R，在正規(guī)反射區(qū)內(nèi)，地面上方任何位置將受到兩次沖擊，分別是入射波沖擊和反射波沖擊. 由于反射波是在入射波壓縮之后的流場中傳播，其速度大于入射波陣面速度，不斷追趕前向初始沖擊波. 當(dāng)入射波與地面夾角達(dá)到馬赫反射臨界角，反射波陣面逐漸追趕上入射波陣面，合成馬赫波M. 入射波、反射波和馬赫波的交匯點稱作三波點. 隨傳播距離的增大，三波點逐漸離開地面，交點之下為馬赫反射區(qū)，在馬赫反射區(qū)內(nèi)僅受一次由馬赫波產(chǎn)生的沖擊[8-9].

圖 1 近地爆炸沖擊波傳播過程示意圖Fig.1 Near-ground explosion shock wave propagation process

1.2 沖擊波致傷標(biāo)準(zhǔn)

爆震彈屬于非致命性防暴武器，因而必須將爆震彈的爆炸威力控制在一定范圍內(nèi)，以防止爆震彈對目標(biāo)產(chǎn)生致命威脅. 爆震彈沖擊波對人員的致傷程度取決于沖擊波超壓值的大小：當(dāng)沖擊波超壓峰值大于某一臨界閾值時，人員便會遭受相應(yīng)程度的傷害. 通常將沖擊波對人員傷害的程度分為5級：安全、輕傷、中等傷害、嚴(yán)重傷害、極嚴(yán)重傷害[10]. 表 1 給出了人員致傷程度等級及其對應(yīng)的超壓峰值范圍[11].

表 1 超壓峰值對人體的危害情況Tab.1 Harm of overpressure peak to human body

2 爆震彈結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬

2.1 爆震彈結(jié)構(gòu)

以某型64 mm爆震彈為研究對象，該彈采用高低壓發(fā)射原理，主要結(jié)構(gòu)由藥筒組件和彈丸組件兩部分組成(如圖 2 所示). 彈體組件由殼體、隔板、爆震劑、傳爆藥等組成； 藥筒組件由延期管、連接體、高壓室、低壓室、蓋盂等組成. 彈體外徑64 mm，彈長170 mm，殼體厚3 mm，裝藥高度95 mm，傳爆藥柱直徑3.8 mm.

圖 2 爆震彈結(jié)構(gòu)Fig.2 Detonation grenade structure

2.2 TNT當(dāng)量換算

實際作戰(zhàn)中裝藥外部都有殼體，而且經(jīng)常是在運動中爆炸. 爆炸后，炸藥釋放的能量一部分消耗于殼體的變形、破碎和破片的飛散，另一部分消耗于爆轟產(chǎn)物的膨脹和形成空氣沖擊波. 本文主要是研究爆震彈的沖擊波致傷特性，為了減小計算時間并且保證計算精度，對于帶殼裝藥參數(shù)首先根據(jù)式(1)換算為裸裝藥的當(dāng)量，再根據(jù)式(2)換算為TNT當(dāng)量[12].

柱形帶殼裝藥相當(dāng)于裸露裝藥的當(dāng)量

(1)

式中：m1為裸露裝藥當(dāng)量，kg；m為帶殼裝藥質(zhì)量，kg；α為炸藥裝填系數(shù)；r0和rf分別為殼體初始半徑和破裂半徑，對于鋼殼體通常近似取rf/r0為1.4～1.5，銅殼體可取2.25，脆性材料或預(yù)制破片應(yīng)取小些；γ為多方指數(shù).

對于爆熱為QvI的爆震劑裝藥，裝藥當(dāng)量為m1時，其TNT當(dāng)量為

(2)

式中：QvT為TNT的爆熱.

2.3 仿真模型建立

如圖 3 所示，仿真計算采用多物質(zhì)歐拉求解器，模型為二維軸對稱模型，計算域由炸藥和空氣兩部分組成. 選用TNT柱形裸裝藥進(jìn)行計算，引爆方式為底端起爆，裝藥質(zhì)量為119 g，裝藥密度ρ=1.63 g/cm3，炸高H分別取3 m，4 m和 5 m. 采用分步計算方法，先建立二維軸對稱空爆模型，映射模型中空氣域尺寸為195 mm×614 mm，網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm，映射后的計算空氣域尺寸為H×5 000 mm，網(wǎng)格尺寸為 10 mm×10 mm. 設(shè)置空氣域的下邊界為剛性地面，其余邊界設(shè)置為Flow-out流出邊界，沿地面水平方向距離爆心每隔0.5 m設(shè)置一個觀測點，高度方向上取地面處和距離地面1.5 m高處分別設(shè)置觀測點.

(a) 映射前

(b) 映射后圖 3 仿真計算模型示意圖Fig.3 Simulation model diagram

2.4 材料模型參數(shù)

TNT炸藥和空氣采用AUTODYN自帶材料庫中的材料，空氣采用理想氣體狀態(tài)方程來描述，該方程在模擬氣體運動中的應(yīng)用很多，其將壓力和能量聯(lián)系起來，具體如下：

p=(R-1)ρe,

(3)

式中：R為理想氣體常數(shù)；ρ為空氣初始密度；e為空氣比內(nèi)能. 具體參數(shù)如表 2 所示.

表 2 空氣狀態(tài)方程參數(shù)Tab.2 Air state equation parameters

TNT炸藥主要采用JWL狀態(tài)方程來描述，該方程的一般壓力形式為

(4)

表 3 TNT炸藥狀態(tài)方程參數(shù)Tab.3 State equation parameters of TNT explosive

3 結(jié)果分析

圖 4 為爆震彈在3 m高空起爆，運動速度為100 m/s條件下，沖擊波傳播過程的壓力云圖.

(a) 1 ms

(b) 2 ms

(c) 8 ms

(d) 12 ms圖 4 沖擊波傳播過程壓力云圖Fig.4 Pressure cloud diagram of shock wave propagation process

圖 5 為地面和距離地面1.5 m高處，水平距離分別為1 m, 2 m，3 m, 4 m和5 m處觀測點對應(yīng)的超壓-時程曲線.

(a) 地面處

(b) 距離地面1.5 m高處圖 5 水平距離1 m，2 m，3 m，4 m和5 m處的超壓-時程曲線Fig.5 Overpressure-time history curves at horizontal distances of 1 m, 2 m, 3 m, 4 m and 5 m

由圖 4、圖 5 可以看出，在6 ms時，爆炸產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)剛性地面，首先開始發(fā)生正反射，形成反射沖擊波； 隨著沖擊波運動方向與地面傾角的增大，開始發(fā)生正規(guī)斜反射. 受裝藥質(zhì)量及爆炸高度的影響，在水平距離5 m內(nèi)未發(fā)生馬赫反射，整個沖擊波傳播過程和壓力衰減符合近地動爆的普遍規(guī)律.

為了研究該爆震彈在不同運動速度下的沖擊波超壓毀傷規(guī)律，取爆心為距離地面3 m高處，計算得到運動速度分別為0 m/s, 30 m/s, 60 m/s, 90 m/s和120 m/s等5種工況下爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值衰減規(guī)律，如圖 6 所示.

(a) 地面處

(b) 距離地面1.5 m高圖 6 不同運動速度下超壓峰值隨距離變化的曲線Fig.6 The variation curve of overpressure peak with distance under different motion speeds

結(jié)合圖 7 可以看出：靜爆條件下，該爆震彈在地面處和距離地面1.5 m高處產(chǎn)生的沖擊波在水平方向5 m范圍之內(nèi)均可以達(dá)到對人員中等及以下的致傷效果； 隨運動速度的增加，相較于靜爆條件下，超壓值的整體增益效果有所增加，最高可達(dá)到10%，導(dǎo)致水平距離小范圍內(nèi)沖擊波加強，對人體達(dá)到嚴(yán)重?fù)p傷. 動爆條件對沖擊波的增益效果整體上隨距離的傳播會逐漸減小，局部回升是由于地面反射導(dǎo)致壓力突增； 在距離地面1.5 m高處的動爆超壓增益效果變化規(guī)律在水平距離 4 m～5 m內(nèi)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，不再具有增益效果，這是由于隨動爆速度增加，沖擊波衰減速度加快，導(dǎo)致該處超壓峰值反而低于靜爆條件下的超壓峰值.

(a) 地面處

(b) 距離地面1.5 m高圖 7 不同運動速度下超壓峰值增益百分比隨距離變化的曲線Fig.7 Curves of peak overpressure gain percentage versus distance at different speeds

圖 8 為在100 m/s動爆條件下，起爆高度分別為3 m, 4 m和5 m時沖擊波超壓峰值衰減曲線. 可以看出，隨著起爆高度的增加，沖擊波本身到達(dá)地面時的入射波強度在逐漸減小，相應(yīng)的沖擊波地面反射強度也隨之減小，導(dǎo)致在沖擊波超壓峰值衰減過程中的曲線回升幅度不再明顯，甚至消失. 結(jié)合表 1 分析可得，當(dāng)爆震彈起爆高度為3 m時，在水平距離2 m內(nèi)可造成人員中等及以上損傷； 起爆高度為4 m時，除在爆震彈正下方會造成人員中等損傷外，在水平距離2.5 m外的人員安全無傷； 而當(dāng)起爆高度為5 m時，爆震彈超壓基本不會對下方人群造成傷害.

(a) 地面處

(b) 距離地面1.5 m高圖 8 不同高度爆點超壓峰值隨距離變化的曲線Fig.8 Curve of overpressure peak value versus distance at different heights

4 結(jié) 論

1) 動爆條件對沖擊波的增益效果整體上隨傳播距離的增大而逐漸減小. 隨著運動速度的增加，超壓值整體增益效果有所增加； 隨著起爆高度的增加，沖擊波本身到達(dá)地面時的入射波強度在逐漸減小，相應(yīng)的沖擊波地面反射強度也在減小.

2) 在100 m/s動爆條件下，爆震彈起爆高度為3 m時，在水平距離2 m內(nèi)可造成人員中等及以上損傷； 起爆高度為4 m時，除在爆震彈正下方會造成人員中等損傷外，在水平距離2.5 m外的人員安全無傷； 而當(dāng)起爆高度為5 m時，爆震彈超壓基本不會對下方人群造成傷害.