王志剛，郭三學(xué)

(武警工程大學(xué) 裝備工程學(xué)院，陜西 西安 710086)

催淚彈非致命效能分析計(jì)算

王志剛，郭三學(xué)

(武警工程大學(xué) 裝備工程學(xué)院，陜西 西安 710086)

催淚彈是驅(qū)散群體性目標(biāo)最有效的一種非致命防暴彈，特別是爆炸式催淚彈，刺激劑可瞬間釋放，能快速作用于有生目標(biāo)。但在實(shí)際戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用中，催淚彈的非致命效能沒有具體的衡量指標(biāo)，導(dǎo)致其使用沒有科學(xué)依據(jù)。根據(jù)爆炸式催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散特征，應(yīng)用重氣和非重氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算虛源點(diǎn)，將兩種模型有效結(jié)合起來，對(duì)氣溶膠煙霧擴(kuò)散過程進(jìn)行分析研究，得到氣溶膠煙霧擴(kuò)散半徑和濃度變化規(guī)律，分析計(jì)算了單枚催淚彈有效作用區(qū)域，以此作為催淚彈非致命效能的衡量指標(biāo)。研究結(jié)果表明，在風(fēng)速為2 m/s時(shí)，39 s后單枚催淚彈的有效擴(kuò)散面積可達(dá)602.1 m2，且煙霧濃度不低于1 mg/m3，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。

兵器科學(xué)與技術(shù)；催淚彈；非致命效能；分析計(jì)算

0 引言

催淚彈是驅(qū)散群體性目標(biāo)最有效的一種非致命防暴彈。它以燃燒或爆炸的方式(本文研究的是爆炸式催淚彈)，將裝填在彈體內(nèi)的刺激劑裝藥釋放出來，并形成氣溶膠煙霧，刺激有生目標(biāo)的眼睛、皮膚及上呼吸道等器官，使其短時(shí)間失去抵抗能力。目前，在催淚彈非致命效能研究方面，未查到國外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。國內(nèi)方面，郭三學(xué)等[1]對(duì)爆炸式催淚彈的安全性和可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，對(duì)彈體零件強(qiáng)度、爆炸沖擊波、破片及殘骸殺傷性進(jìn)行了理論分析和計(jì)算；朱文坤等[2]提出了對(duì)爆炸式催淚彈非致命效應(yīng)評(píng)價(jià)的方法，將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到非致命效應(yīng)的效能評(píng)估中，對(duì)爆炸式催淚彈的非致命效應(yīng)進(jìn)行了綜合評(píng)估；張振中[3]以粒子的光散射理論為基礎(chǔ)，研究了催淚彈煙幕粒子粒徑濃度的測(cè)量方法,對(duì)催淚彈的非致命效應(yīng)給出了定量評(píng)估。上述文獻(xiàn)均未對(duì)催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散進(jìn)行分析研究，未能對(duì)催淚彈的非致命效能給出一個(gè)具體的衡量指標(biāo)，這導(dǎo)致在實(shí)際處置群體性事件時(shí)，催淚彈的投擲數(shù)量沒有科學(xué)依據(jù)。如果投擲數(shù)量較少，刺激劑濃度達(dá)不到驅(qū)散目標(biāo)的效果；如果投擲數(shù)量過多，刺激劑濃度過大，則可能出現(xiàn)對(duì)目標(biāo)過度作用的現(xiàn)象。

本文根據(jù)爆炸式催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散特征，應(yīng)用重氣擴(kuò)散和非重氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，對(duì)催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散過程進(jìn)行了分析研究，得到了氣溶膠煙霧擴(kuò)散半徑和濃度變化規(guī)律，并分析計(jì)算了單枚催淚彈有效作用區(qū)域，以此作為催淚彈非致命效能的衡量指標(biāo)，為處置群體性事件中催淚彈的科學(xué)使用提供了重要的指導(dǎo)依據(jù)。

1 催淚彈非致命效能準(zhǔn)則模型

催淚彈爆炸后，彈體內(nèi)刺激劑裝藥在瞬時(shí)(通常為毫秒級(jí))釋放出來并形成氣溶膠煙霧，有生目標(biāo)吸入一定濃度的刺激性煙霧后，在短時(shí)間內(nèi)失去抵抗能力。根據(jù)試驗(yàn)情況，以西埃斯(CS)為主要成分的刺激劑濃度為1～5 mg/m3時(shí)，有生目標(biāo)1 min內(nèi)不可忍耐；濃度為10 mg/m3時(shí)，大部分有生目標(biāo)立即不可忍耐；使有生目標(biāo)半數(shù)以上失能的濃度為20 mg/m3；使有生目標(biāo)半數(shù)死亡的濃度為62 000 mg/m3[4]。通常在對(duì)催淚彈非致命效能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，刺激劑濃度不低于1 mg/m3時(shí)，其非致命效能認(rèn)為是有效的。

假設(shè)在爆炸點(diǎn)煙霧初始濃度為C0，煙霧沿風(fēng)向方向擴(kuò)散、漂移，一段時(shí)間后擴(kuò)散區(qū)域刺激性煙霧濃度分別為Cd、Cs、Ci. 20 mg/m3≤Cd

圖1 催淚彈非致命效能準(zhǔn)則模型Fig.1 Non-lethal efficiency criterion model of tear bomb

失能區(qū)：該區(qū)域內(nèi)煙霧中刺激劑濃度很高，大多數(shù)有生目標(biāo)有嚴(yán)重反應(yīng)，基本失去抵抗能力，脫離后經(jīng)清洗數(shù)小時(shí)內(nèi)可恢復(fù)正常。

反應(yīng)區(qū)：該區(qū)域內(nèi)煙霧中刺激劑濃度較高，有生目標(biāo)有一定反應(yīng)，脫離后經(jīng)清洗半小時(shí)內(nèi)可恢復(fù)正常。

無效區(qū)：該區(qū)域內(nèi)煙霧中刺激劑濃度較低，對(duì)有生目標(biāo)刺激較輕，反應(yīng)可忽略不計(jì)[5]。

2 催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散模型分析

催淚彈爆炸后形成的氣溶膠煙霧，密度大于空氣，屬于重氣云。在擴(kuò)散初始階段, 由于受重氣效應(yīng)的影響，煙霧半徑迅速增大。一段時(shí)間后，隨著大量空氣的卷入，煙霧內(nèi)部密度降低, 重氣效應(yīng)逐漸減弱直到消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧庠疲藭r(shí)大氣湍流逐漸控制煙霧的擴(kuò)散，最終整個(gè)煙霧內(nèi)部呈高斯分布[6]。

2.1 重氣階段擴(kuò)散模型

在重氣擴(kuò)散階段基于如下假設(shè)[7]：

1)煙霧外形呈正圓柱形，初始半徑為r0，高度為h0，且h0=2r0；

2)初始時(shí)刻煙霧內(nèi)部的濃度、溫度均勻分布；

3)擴(kuò)散過程不考慮溫度的變化，忽略熱傳遞、熱對(duì)流及熱輻射；

4)遵守理想氣體狀態(tài)方程;

5)在水平方向上，大氣擴(kuò)散系數(shù)呈各向同性；

6)擴(kuò)散過程中風(fēng)速的大小、方向保持不變；

7)煙霧中心移動(dòng)的速度等于風(fēng)速。

在重氣擴(kuò)散階段，煙霧受其自身重力沉降引起徑向蔓延，其擴(kuò)散半徑r由(1)式給出：

(1)

式中：r為t時(shí)刻煙霧的擴(kuò)散半徑；k為重力沉降系數(shù)，通常取1；g為引力常數(shù)；h為t時(shí)刻煙霧的高度；ρp為t時(shí)刻煙霧的密度；ρa(bǔ)為空氣的密度。

假設(shè)在擴(kuò)散過程中重氣煙霧和環(huán)境之間沒有熱量交換，重氣煙霧的浮力將守恒，即

g(ρp-ρa(bǔ))/ρa(bǔ)V=g(ρ0-ρa(bǔ))/ρa(bǔ)V0，

(2)

式中：V為擴(kuò)散任意時(shí)刻體積；ρ0為煙霧初始密度；V0為煙霧初始體積。

將(2)式代入(1)式中進(jìn)行積分得

(3)

根據(jù)Thorney島氣體泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)[7]，在重氣擴(kuò)散過程中煙霧體積V、煙霧初始體積V0與煙霧下風(fēng)方向距源點(diǎn)距離有如下關(guān)系：

【劇情回顧】《天龍八部》里的“六脈神劍”乃大理段氏的最高武學(xué)，由不同的手指隔空激發(fā)內(nèi)力，變化精微。吐蕃國師鳩摩智就是為了搶到這門絕學(xué)，一直苦苦糾纏男主角段譽(yù)。

(4)

式中：x是煙霧下風(fēng)方向距源點(diǎn)距離(x=ut，u是風(fēng)速)。

煙霧在t時(shí)刻濃度Ct由(5)式確定:

Ct=C0V0/V.

(5)

2.2 非重氣階段擴(kuò)散模型

判斷重氣云向非重氣云轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)則有很多，如ε準(zhǔn)則、Ri準(zhǔn)則、Vf準(zhǔn)則等[8]。其中ε準(zhǔn)則是采用密度差比較法，即當(dāng)煙霧密度與周圍空氣的密度差小于等于0.001 kg/m3時(shí), 認(rèn)為煙霧已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧庠?，這種方法判據(jù)直接，計(jì)算也較為簡便，因此本文采用ε準(zhǔn)則。在非重氣擴(kuò)散階段，沿風(fēng)向方向某一時(shí)刻任意一點(diǎn)處的煙霧濃度計(jì)算式[9]為

(6)

式中：C為任意點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的濃度值，x、y、z分別為下風(fēng)方向、側(cè)風(fēng)方向、垂直地面方向到煙霧中心距離坐標(biāo)；Q為源強(qiáng)(刺激劑含量)；σx、σy、σz為擴(kuò)散參數(shù)。

2.3 虛源點(diǎn)確定

2.4 模型計(jì)算

圖2 某型爆炸式催淚彈Fig.2 A type of explosive tear bomb

圖3 某型催淚彈爆炸效果Fig.3 Explosion effect of tear bomb

表1 初始參數(shù)值Tab.1 Initial parameter values

將表1中各數(shù)值代入(3)式～(5)式，計(jì)算重氣擴(kuò)散階段的煙霧擴(kuò)散半徑、煙霧體積和煙霧平均濃度，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2計(jì)算結(jié)果可看出，在重氣擴(kuò)散階段，煙霧擴(kuò)散半徑和體積逐漸增大，煙霧平均濃度逐漸減小。

根據(jù)ε準(zhǔn)則，將(ρp-ρa(bǔ))=0.001 kg/m3代入(2)式，計(jì)算得煙霧體積為2 013.52 m3，比照表2，這與擴(kuò)散時(shí)間為29 s時(shí)煙霧體積十分接近，因此可認(rèn)為擴(kuò)散時(shí)間在29 s時(shí)，煙霧由重氣轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧?。此轉(zhuǎn)變點(diǎn)距爆炸源點(diǎn)58 m，經(jīng)計(jì)算，虛源點(diǎn)在轉(zhuǎn)變點(diǎn)上游處17.4 m.

表2 重氣擴(kuò)散階段煙霧參數(shù)計(jì)算結(jié)果(u=2 m/s)Tab.2 Calculated results of smoke parameters at heavy gas diffusion stage(u=2 m/s)

在非重氣擴(kuò)散階段，利用(6)式計(jì)算煙霧中心濃度和濃度不低于1 mg/m3的煙霧半徑rc，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 非重氣擴(kuò)散階段煙霧參數(shù)計(jì)算結(jié)果(u=2 m/s)Tab.3 Calculated results of smoke parameters at non-heavy gas diffusion stage(u=2 m/s)

由表3計(jì)算結(jié)果可看出，在非重氣擴(kuò)散階段，煙霧中心濃度逐漸降低，濃度不低于1 mg/m3的煙霧半徑rc在逐漸減小。在擴(kuò)散時(shí)間為39 s時(shí)，煙霧中心濃度已接近于1 mg/m3，此時(shí)，煙霧中心距源點(diǎn)78 m.

3 催淚彈非致命效能分析計(jì)算

依據(jù)前述刺激劑對(duì)有生目標(biāo)的刺激閾值，本文取1 mg/m3為非致命效能最低濃度。因此單枚催淚彈的非致命效能可視為其刺激劑濃度在不小于1 mg/m3時(shí)煙霧擴(kuò)散漂移所覆蓋過的面積，稱之為有效作用區(qū)域。依據(jù)表2、表3煙霧擴(kuò)散半徑，單枚催淚彈有效作用區(qū)域如圖4所示。

圖4 單枚催淚彈有效作用區(qū)域Fig.4 Effective action area of a tear bomb

圖4中，S1為重氣擴(kuò)散階段煙霧所覆蓋面積(m2)，S2為非重氣擴(kuò)散階段煙霧所覆蓋面積(m2)。因此單枚催淚彈有效作用區(qū)域?yàn)镾=S1+S2.

通過對(duì)催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散特性分析發(fā)現(xiàn)，煙霧擴(kuò)散半徑變化與沿風(fēng)向擴(kuò)散距離成2次函數(shù)關(guān)系，重氣擴(kuò)散階段和非重氣擴(kuò)散階段函數(shù)表達(dá)式分別由x1、x2表示：

x1=ar2+w，

(7)

(8)

式中：a、b、w均為常數(shù)。

所以，單枚催淚彈有效作用區(qū)域?yàn)?/p>

4 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

煙霧濃度的測(cè)量采用通量法。這種方法是在沿風(fēng)向(x軸)距離源點(diǎn)等間距的扇形圓柱面建立采樣網(wǎng)點(diǎn)，測(cè)量通過取樣網(wǎng)上氣溶膠煙霧的質(zhì)量。采樣系統(tǒng)包括采樣器、采樣器固定裝置、抽氣動(dòng)力源和傳輸管道等。采樣器由采樣頭、流量調(diào)節(jié)器及污染物接收容器組成。在試驗(yàn)中沿風(fēng)向(x軸)分別在重氣擴(kuò)散階段20 m、30 m、40 m、50 m處和非重氣擴(kuò)散階段60 m、68 m、76 m處設(shè)置采樣網(wǎng)點(diǎn)，通過x軸上的采樣點(diǎn)測(cè)量煙霧中心濃度，通過與風(fēng)向(x軸)垂直方向上的采樣點(diǎn)測(cè)量在何處(即擴(kuò)散半徑)煙霧濃度為1 mg/m3，由此可得到擴(kuò)散半徑，測(cè)試采樣點(diǎn)距地面高度1.5 m. 測(cè)試時(shí)仍使用某型爆炸式催淚彈，環(huán)境風(fēng)速測(cè)定為2～2.5 m/s，風(fēng)向恒定，圖5、圖6為測(cè)量結(jié)果與理論分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

圖5 擴(kuò)散過程煙霧濃度隨距離變化Fig.5 Smoke concentration vs. distance

圖6 擴(kuò)散過程煙霧半徑隨距離變化Fig.6 Smoke radius vs. distance

由圖5、圖6看出，試驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算變化趨勢(shì)一致，符合催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散規(guī)律，但試驗(yàn)測(cè)量值略小于理論計(jì)算值，這是因?yàn)樵跓熿F擴(kuò)散過程中，由于空氣吸卷的作用，重氣效應(yīng)在逐漸降低，對(duì)煙霧濃度和擴(kuò)散半徑有一定的影響。

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，單枚催淚彈氣溶膠煙霧實(shí)際有效擴(kuò)散區(qū)域面積為573.7 m2，試驗(yàn)結(jié)果與理論誤差為4.7%. 在實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)用中，對(duì)于面打擊非致命武器來講，該誤差不會(huì)影響戰(zhàn)術(shù)效果。

5 結(jié)論

1)催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散具有重氣擴(kuò)散和非重氣擴(kuò)散的綜合特征，通過建立虛源點(diǎn)，將兩種過程有效結(jié)合起來，對(duì)催淚彈氣溶膠煙霧擴(kuò)散的面積進(jìn)行了計(jì)算，通過試驗(yàn)對(duì)比，這種分析計(jì)算方法的結(jié)果符合催淚彈煙霧擴(kuò)散的規(guī)律，為催淚彈的非致命效應(yīng)評(píng)估提供了有效的技術(shù)手段。

2)根據(jù)擴(kuò)散模型，在風(fēng)速為2 m/s下，擴(kuò)散時(shí)間在39 s時(shí)，煙霧可擴(kuò)散到78 m，且濃度不低于1 mg/m3，有效擴(kuò)散面積可達(dá)到602.1 m2，試驗(yàn)測(cè)試有效擴(kuò)散面積為573.7 m2. 在實(shí)際處置大規(guī)模群體性事件時(shí)，為指揮員正確運(yùn)用戰(zhàn)術(shù)、科學(xué)控制催淚彈的使用數(shù)量提供了有效參考依據(jù)。

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Analysis and Calculation of Non-lethal Efficiency of Tear bomb

WANG Zhi-gang，GUO San-xue

(School of Equipment Engineering, Engineering University of CAPF, Xi’an 710086, Shaanxi, China)

The tear bomb is a kind of most effective non-lethal riot bomb for dispersing group targets. Especially for explosive tear bomb, its stimulating agent can be released instantaneously to act on living targets rapidly. But in practical tactical application, no correct measure index is for the non-lethal effectiveness of tear bomb, thus leading to no scientific basis for the use of tear bomb. According to the diffusion characteristics of aerosol smoke, the mathematical models of heavy and non-heavy gas diffusions are used. The two models are combined effectively by calculating the virtual source point. The diffusion process of aerosol smoke is analyzed and studied to get the variation laws of diffusion radius and concentration of aerosol smoke. The effective area of single tear bomb is analyzed and calculated, which is considered as the measure index of non-lethal effectiveness of tear bomb. The results show that, when the wind speed is 2 m per second, the effective diffusion area of a tear bomb can be achieved 602.1 m2after 39 s, and the smoke concentration is no less than 1 mg/m3, the calculated results are consistent with the experimental results.

ordnance science and technology; tear bomb; non-lethal efficiency; analysis and calculation

2016-02-02

國家社會(huì)科學(xué)基金軍事學(xué)項(xiàng)目(GBJ003-242)

王志剛(1977—)，男，博士研究生。E-mail:wjwzg7736@eyou.com

郭三學(xué)(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:guosanxue@tom.com

TJ416

A

1000-1093(2017)01-0059-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.01.008