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(dòng)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(gè)共同的特點(diǎn)，即發(fā)射時(shí)后方會(huì)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(xiǎn)區(qū)。對(duì)單兵無后坐力炮后噴區(qū)域危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)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(yàn)的方法對(duì)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(duì)單兵火箭后噴流場進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了液體平衡體的降噪和消焰降溫作用；文獻(xiàn)[3-5]對(duì)爆炸傷的各級(jí)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(duì)人體的毀傷作用；文獻(xiàn)[8]總結(jié)了爆炸超壓對(duì)生物非聽覺器官的毀傷研究；文獻(xiàn)[9]給出了熱流對(duì)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(duì)肺組織的損傷；文獻(xiàn)[11]通過試驗(yàn)方法研究了爆炸沖擊波對(duì)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(shí)，脈沖噪聲和沖擊波對(duì)人員聽覺和非聽覺器官損傷的安全限值。然而針對(duì)單兵無后坐力炮等類型武器后噴危險(xiǎn)區(qū)對(duì)人員造成的創(chuàng)傷，一直以來缺少系統(tǒng)的綜合評(píng)估方法。因此，迫切需要給出一種能夠同時(shí)得到后噴危險(xiǎn)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(yàn)方法和概率模型相結(jié)合，提出了一種能夠有效評(píng)估單兵無后坐力炮發(fā)射時(shí)后噴危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)人員創(chuàng)傷的方法。該方法可以同時(shí)給出危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的人員在受到不同危險(xiǎn)源作用時(shí)的創(chuàng)傷類型及相應(yīng)的創(chuàng)傷概率，評(píng)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(xiǎn)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(xiǎn)源試驗(yàn)

單兵無后坐力炮在發(fā)射過程中，后噴區(qū)域內(nèi)的危險(xiǎn)源主要包含：沖擊波，熱流，高速燃?xì)鈬娚鋾r(shí)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(duì)其進(jìn)行定量化分析，因此本文不對(duì)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(píng)估單兵無后坐力炮發(fā)射時(shí)后噴區(qū)域內(nèi)不同危險(xiǎn)源對(duì)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(xiǎn)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(duì)于后噴燃?xì)馍淞?，?yīng)用位移傳感器和滑動(dòng)炮架設(shè)計(jì)了氣流沖量測試試驗(yàn)，具體實(shí)施方法如圖2所示，其中擺桿、燃?xì)鈸醢搴突瑝K組成一個(gè)整體，在燃?xì)馍淞鳑_量作用下繞右側(cè)的支架轉(zhuǎn)動(dòng)。通過位移傳感器可以間接測得結(jié)構(gòu)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，然后根據(jù)角動(dòng)量定理即可計(jì)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(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)多次測試結(jié)果的篩選，去除異常信號(hào)后可以得到后噴危險(xiǎn)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(shí)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(shí)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(yàn)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(jì)的燃?xì)馍淞鳉饬鳑_量測試方法，對(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)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(dòng)力學(xué)過程。沖擊波對(duì)人體的創(chuàng)傷是因?yàn)槿梭w內(nèi)的可壓縮性組織(即含氣器官)會(huì)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(duì)人體的創(chuàng)傷主要有肺組織創(chuàng)傷和鼓膜創(chuàng)傷。試驗(yàn)測得了某單兵無后坐力炮發(fā)射時(shí)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果作進(jìn)一步處理分析。

圖6 擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)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(duì)試驗(yàn)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(duì)比結(jié)果可知，擬合函數(shù)得到的結(jié)果與試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊波超壓對(duì)人體的創(chuàng)傷評(píng)估計(jì)算。Alonso等[6]根據(jù)沖擊波對(duì)人體肺組織創(chuàng)傷和鼓膜創(chuàng)傷的試驗(yàn)結(jié)果利用數(shù)學(xué)分析方法給出了計(jì)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(jì)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(jì)算得到的參數(shù)，即Yl和Ye；u為積分變量的計(jì)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(shí)，后噴危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)沖擊波超壓對(duì)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(xiǎn)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(shí)，后噴危險(xiǎn)區(qū)對(duì)人體肺組織的創(chuàng)傷分布情況。噴管正后方對(duì)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(shí)，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(shí)，在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的任何角度下肺組織均不會(huì)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(huì)形成噴火區(qū)，人員處于該區(qū)域內(nèi)時(shí)會(huì)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(shí)間共同決定。Viano[9]給出了爆炸熱流對(duì)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(shí)間(ms)；D、E是由爆炸熱流對(duì)人體的創(chuàng)傷試驗(yàn)獲得的參數(shù)。PROBIT方程分為4種情況：1級(jí)燒傷、2級(jí)燒傷、有防護(hù)致死、無防護(hù)致死。1級(jí)燒傷情況下D=-39.83，E=3.018 6；2級(jí)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(duì)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(gè)不同位置處對(duì)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(duì)人體的創(chuàng)傷越嚴(yán)重，當(dāng)人員處于火球中心位置時(shí)，其發(fā)生1級(jí)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(shí)的后坐力，單兵無后坐力炮在發(fā)射過程中會(huì)向后方噴射大量火藥燃?xì)狻．?dāng)高速運(yùn)動(dòng)的火藥燃?xì)馐艿轿矬w的阻擋作用時(shí)，會(huì)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(dòng)沖量不同，動(dòng)沖量是沖擊波陣面處的壓縮空氣流動(dòng)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(dòng)造成的，相比動(dòng)沖量而言，燃?xì)馍淞鳑_量要大得多。本文設(shè)計(jì)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(gè)整體，在氣流沖量作用下繞圖2中右側(cè)的支架轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)角動(dòng)量定理可知：

Jω=Ftl/2，

(6)

ω=v/l，

(7)

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；ω為轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)速度(m/s)；l為擺桿長度(m)。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算可通過Solidworks軟件輔助完成。本文中涉及的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為163.04 kg·m2，根據(jù)(6)式～(8)式以及表4中的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)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(jì)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(shí)，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(duì)人體模型的終點(diǎn)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(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，且根據(jù)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)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(yàn)方法對(duì)單兵無后坐力炮發(fā)射時(shí)的沖擊波超壓、熱流強(qiáng)度以及燃?xì)馍淞鲊娚鋾r(shí)的氣流沖量進(jìn)行了測試，將試驗(yàn)方法和概率單位模型相結(jié)合，提出了一種能夠有效評(píng)價(jià)單兵無后坐力炮后噴區(qū)域危險(xiǎn)性的綜合評(píng)估方法。得出以下結(jié)論：

1)沖擊波超壓會(huì)對(duì)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(shí)，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(shí)，其發(fā)生1級(jí)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(duì)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(shí)，致命概率>50%的距離達(dá)到3 m. 該危險(xiǎn)源是主要的致命因素。

4)該方法評(píng)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(xiǎn)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)。