高旭東,郭 敏,孫 韜,劉 娟

(1南京理工大學智能彈藥技術(shù)國防重點學科實驗室,南京 210094;2 63961部隊,北京 100010)

0 引言

現(xiàn)有對云爆(溫壓)彈藥威力的研究多針對液體云爆彈和液固混合型云爆彈[1-2],對于固體藥劑的溫壓彈威力研究不多[3]。對于同樣的設計約束條件下(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)斗部對于目標(如人員)的殺傷威力到底有何差異,應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道。文中將采用計算分析的方法對炮射溫壓彈和殺爆彈的威力特性進行分析和對比,希望對于炮射溫壓彈藥的設計和毀傷效能分析提供理論參考。

1 溫壓彈對人員目標的毀傷效應

1.1 沖擊波毀傷效應

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

1.2 破片毀傷效應

溫壓彈在高膛壓身管發(fā)射彈藥上應用時,必須設計為較厚的彈壁,并將導致兩種效果: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的破片殺傷效應。兩者的綜合威力與一般殺爆彈相比如何評價是彈藥設計人員所關(guān)心的問題。

破片對人員目標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,能計算彈藥對不同類型目標的殺傷威力及其變化規(guī)律。

1.3 熱毀傷效應

溫壓彈爆炸時產(chǎn)生比一般殺爆彈更大、持續(xù)時間更長的溫度場,其對人員目標的熱毀傷效應可采用溫度場高溫范圍和持續(xù)時間作為主要威力衡量指標,并可用熱通量毀傷準則、熱劑量準則和熱通量-熱計量準則來評價熱毀傷效應。

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

1.4 窒息毀傷效應

溫壓彈的窒息毀傷效應在密閉空間作用效果更為突出?？刹捎糜卸練怏w準則、氧濃度準則、濃度-時間準則來衡量。有毒氣體準則是指,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胞窒息性氣體等非單純窒息性氣體,當其在空氣中的濃度達到或者超過某個值時就會對人體造成傷害。氧濃度準則是指,若爆炸產(chǎn)生氣體多為CO2、NO2之類的單純窒息性氣體時,會導致爆炸后環(huán)境中的氧濃度降低,當其達到或低于某一值時,就會對人體造成危害。濃度-時間準則是結(jié)合有毒氣體濃度和人體吸入時間兩個因素來考慮有毒氣體對人體的傷害,濃度越大、吸入時間越長,受傷害程度越嚴重。

1.5 影響毀傷效能的條件

溫壓彈對人員目標的毀傷效能同時取決于多種條件:1)外部環(huán)境條件:環(huán)境因素是非常復雜多樣的,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)人員目標特征:暴露或穿著防護服等;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)彈藥設計方式:薄壁彈或厚壁彈、自然破片或預制破片等。

2 溫壓彈模型的基本參數(shù)

為評價溫壓彈對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),設計了三種溫壓彈模型: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 溫壓彈超壓對人員目標毀傷效能分析

根據(jù)該溫壓炸藥超壓試驗數(shù)據(jù)擬合的公式,同時考慮彈藥破片所耗的炸藥能量,計算了三種溫壓彈模型和殺爆彈在引信觸發(fā)模式作用時地面超壓峰值隨爆心距離變化曲線,如圖1所示?？梢钥闯?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)于超壓峰值對暴露人員的毀傷準則的取值范圍,不同的文獻上說法有一定差異,文中取超壓在0.05MPa以上時可對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 溫壓彈破片對人員目標毀傷效能分析

采用戰(zhàn)斗部破片初速分布計算方法[6-7]分別對三種溫壓彈模型和殺爆彈的破片初速進行了分析,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算方法[8]得到的四種彈藥的破片飛散角情況?？梢钥闯?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?？梢钥闯?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)斗部對暴露人員殺傷面積計算方法,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,人員目標為立姿,以98J動能標準作為人員殺傷準則,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,這是因為其破片總數(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人員目標綜合毀傷效能分析

同時考慮破片和超壓對暴露人員目標的毀傷作用,取超壓 0.05MPa以上對人員目標毀傷概率為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的殺傷面積計算結(jié)果。對比圖5和圖6,四種彈藥的殺傷面積變化趨勢、特性均與不考慮超壓時相類似,但殺傷面積的絕對值均有小幅度增加。這是因為對于地面的暴露人員,在超壓毀傷的范圍內(nèi),其破片都有較大的殺傷概率。當然對于密閉空間內(nèi),這種情況是不一樣的。

為進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)外擴或內(nèi)縮,但是其大致形狀和變化趨勢是基本一致的,這是因為四種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人員目標的各種毀傷效應,計算比較了三種炮射溫壓彈模型與殺爆彈模型對人員目標的超壓和破片的毀傷效能,研究表明對于人員目標而言,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,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)化設計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人員目標的毀傷效能,但具體量化分析主要考慮了超壓效應和破片效應,對熱毀傷效應和窒息毀傷效應未做詳細計算;該項工作僅限于某口徑彈藥模型的分析,尚未對更多的模型和裝藥情況進行更廣泛的研究;研究結(jié)論與溫壓彈藥的應用條件相關(guān),不一定適用于其它情況如在密閉空間內(nèi)作用等;該項工作目前主要基于理論分析和工程計算,尚需試驗驗證。

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