劉想炎，黃振貴，陳秋元，吳國(guó)袁，李其然，陳志華

(1.南京理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院; b.瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司八院八部， 上海 200233)

云爆彈自第二次世界大戰(zhàn)出現(xiàn)后，由于其在戰(zhàn)場(chǎng)打擊中不僅能夠直接打擊到地面上的人員目標(biāo)，同時(shí)因其云霧性能，還能對(duì)地上和地下工事內(nèi)的人員和設(shè)備造成毀傷，成為了當(dāng)今的熱點(diǎn)研究方向。從國(guó)內(nèi)外對(duì)云爆彈的研究上來(lái)看，主要集中在對(duì)云爆彈的彈藥和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-2]、云爆彈的云霧生長(zhǎng)規(guī)律[3-5]和拋灑特性[6]、云爆彈的超壓分布規(guī)律[7]以及超壓威力評(píng)估[8]上的研究。但是隨著彈藥的發(fā)展，云爆彈的殺傷原理不僅僅只有超壓作用，當(dāng)今云爆彈的殺傷機(jī)理還包括熱輻射、窒息等。但是目前在對(duì)于云爆彈的多重殺傷作用的研究上，結(jié)合多種殺傷作用形成的仿真評(píng)估系統(tǒng)相對(duì)較少，而對(duì)于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)決策來(lái)說(shuō)，打擊前對(duì)彈藥進(jìn)行殺傷作用評(píng)估是必不可少的。

因此，本研究為解決當(dāng)前云爆彈的綜合殺傷評(píng)估模型缺失問(wèn)題，通過(guò)結(jié)合云爆彈的超壓和熱輻射作用原理，提出了一種針對(duì)地面人員目標(biāo)的殺傷評(píng)估模型，并進(jìn)行仿真程序的編寫(xiě)，以此為戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)決策提供依據(jù)。

1 綜合毀傷模型的建立

1.1 云爆彈作用機(jī)理

1.1.1云爆彈對(duì)人員目標(biāo)的綜合殺傷過(guò)程

云爆彈的殺傷過(guò)程從云爆劑的拋灑形成云霧團(tuán)開(kāi)始，云霧團(tuán)點(diǎn)燃后，首先形成一個(gè)巨大的火球，火球內(nèi)部以及火球周?chē)欢尉嚯x內(nèi)的熱輻射作用極強(qiáng)，通過(guò)熱作用直接對(duì)人員造成傷亡；同時(shí)，云爆彈在爆炸后還會(huì)產(chǎn)生以爆炸點(diǎn)為中心的沖擊波，當(dāng)沖擊波峰值及其沖量達(dá)到人員受傷閾值時(shí)，也會(huì)對(duì)人員造成殺傷。其次，隨著云爆劑的燃燒，氧氣消耗量變大，同時(shí)還會(huì)引起云霧區(qū)內(nèi)其他可燃物的燃燒，加大氧氣消耗，從而造成嚴(yán)重缺氧，對(duì)人員形成窒息作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，云爆彈爆炸后以云霧區(qū)為基準(zhǔn)，向外依次形成近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，而因?yàn)橹舷⒆饔弥饕l(fā)生在云霧區(qū)內(nèi)，所以在近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)的窒息作用可以不做考慮。同時(shí)在云霧區(qū)中還具有很強(qiáng)的超壓和熱輻射作用，因此在云霧區(qū)內(nèi)超壓、熱輻射和窒息作用三種效果下人員必然死亡， 則云霧區(qū)內(nèi)的人員殺傷效果可直接評(píng)定為致死。故在本次仿真模型的建立中不考慮窒息作用，僅結(jié)合超壓和熱輻射兩種殺傷作用建立毀傷模型。

1.1.2超壓作用的壓力計(jì)算和沖量計(jì)算

炸藥在空氣中爆炸后，某點(diǎn)爆轟波的超壓峰值會(huì)在傳播過(guò)程中隨著與炸點(diǎn)間的距離的增大而衰減。因?yàn)樵诒疚牡臍Ｐ偷挠?jì)算中并未考慮各種殺傷作用的持續(xù)時(shí)間問(wèn)題，同時(shí)依據(jù)文獻(xiàn)[8]，對(duì)于云爆彈的壓力峰值計(jì)算可采用與殺爆彈超壓分布計(jì)算相同的計(jì)算方法，所以距爆炸中心任一距離R處的超壓峰值的計(jì)算公式[10]為

(1)

(2)

式中：R為距炸點(diǎn)的距離(m)；Mw為T(mén)NT炸藥質(zhì)量(kg)；沖量I可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式[11]：

單位，[I]=kg·s/m2。此式適用范圍：r>12r0，r0為裝藥的半徑。其中：I為爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波作用在目標(biāo)上的沖量；W為該炸藥的TNT當(dāng)量(kg)，其中W=WiQvi/QvTNT；Wi為該炸藥的質(zhì)量；Qvi為該炸藥的爆熱(J/kg)；QvTNT為T(mén)NT的爆熱，QvTNT≈4 187 J/kg；r為距爆炸中心的距離(m)；A為由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。

1.1.3熱輻射下的熱通量計(jì)算

云爆彈在飛抵目標(biāo)上空一定高度時(shí)，在拋灑云爆劑后迅速爆炸并形成一個(gè)高溫火球，在仿真過(guò)程中忽略火球的作用時(shí)間的長(zhǎng)短，直接選用瞬時(shí)產(chǎn)生的熱通量作為評(píng)定對(duì)人員殺傷作用的主要參數(shù)。熱通量計(jì)算表達(dá)式為[12]

(3)

式中：q為距離為r處目標(biāo)接收到的熱輻射通量(W/m2)；r為測(cè)點(diǎn)至爆點(diǎn)的距離(m)；T為火球溫度(K)；Wq為基于熱通量的TNT當(dāng)量(kg)。

1.2 殺傷準(zhǔn)則

人員在超壓作用下的殺傷程度，不僅與超壓的大小有關(guān)，還與超壓作用在人員目標(biāo)上的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，同等超壓值下作用的時(shí)間長(zhǎng)短不同，所造成的人員殺傷程度也會(huì)不同，所以綜合作用時(shí)間和超壓作用峰值形成以下殺傷準(zhǔn)則，可用公式表示為：

(Δp-pcr)(I-Icr)=C

式中：Δp為沖擊波超壓(Pa)；pcr為引起目標(biāo)破壞的最小臨界超壓(Pa)；Icr為引起目標(biāo)破壞的最小臨界沖量(Pa)；C為常數(shù)，與目標(biāo)性質(zhì)和破壞等級(jí)有關(guān)。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，超壓效應(yīng)對(duì)地面人員目標(biāo)的毀傷效果范圍劃分如表1所示。

熱輻射作用下，忽略熱作用時(shí)間，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，可劃分出了4種殺傷程度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表1 超壓殺傷準(zhǔn)則壓力范圍

表2 熱輻射殺傷準(zhǔn)則

在毀傷作用中，可將超壓作用毀傷和熱輻射作用毀傷看作兩個(gè)相互獨(dú)立的事件，則單發(fā)云爆彈對(duì)地面人員目標(biāo)的毀傷概率計(jì)算公式為：

Pcr=1-(1-Pc)(1-Pr)

式中：Pc為超壓作用對(duì)目標(biāo)毀傷概率；Pr為熱輻射作用對(duì)目標(biāo)毀傷概率；Pcr為單發(fā)云爆彈對(duì)地面人員目標(biāo)綜合毀傷概率。

1.3 計(jì)算機(jī)仿真流程

圖1為仿真流程，仿真開(kāi)始時(shí)，輸入彈藥參數(shù)和彈目交匯時(shí)彈體末狀態(tài)參數(shù)，包括戰(zhàn)斗部裝藥類型、戰(zhàn)斗部裝藥量、云爆劑噴灑半徑、爆高和人員姿勢(shì)。通過(guò)輸入?yún)?shù)計(jì)算戰(zhàn)斗部裝藥量當(dāng)量和彈目相對(duì)距離。然后計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的熱通量和超壓，按照殺傷準(zhǔn)則表計(jì)算各個(gè)毀傷效應(yīng)在目標(biāo)點(diǎn)的殺傷概率，最后計(jì)算對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的綜合效應(yīng)殺傷概率[13]。使用循環(huán)過(guò)程，計(jì)算所有點(diǎn)的綜合效應(yīng)殺傷概率并輸出，最后程序結(jié)束。

2 綜合毀傷結(jié)果的仿真計(jì)算

在完成仿真程序的編寫(xiě)后，選擇人員姿態(tài)均為站立，彈藥參數(shù)如表3所示。

將上述參數(shù)代入仿真系統(tǒng)，得出綜合殺傷效果如圖2～圖4所示。

由圖2可以得出在該種情況下熱輻射殺傷概率大于10%的面積為17 700 m2，由圖3可以得出超壓殺傷概率大于10%的面積為6 400 m2，熱輻射情況下的殺傷面積和超壓情況下的殺傷面積百分比為2.77。由圖4可以得出，致死面積為1 020 m2、重度殺傷的面積為2 830 m2，中度殺傷面積為2 510 m2，通過(guò)單次打擊后，可以根據(jù)具體觀察的殺傷情況，決定下次打擊的位置。

圖1 仿真流程框圖

表3 彈藥基本參數(shù)

圖2 熱輻射毀傷概率

圖3 超壓毀傷概率圖

圖4 綜合殺傷概率圖

從圖5中可以得到隨著爆炸高度從40 m下降到20 m，爆炸中心的綜合殺傷概率從0.688上升到1，同時(shí)致死區(qū)域范圍半徑從0 m上升到27.08 m，在致死區(qū)域的邊緣，殺傷概率呈大變化曲率趨勢(shì)下降，當(dāng)殺傷概率為10%時(shí)，殺傷范圍在83.4～90.3 m。因此可以得出在彈藥特性一致的情況下，彈藥的炸高主要對(duì)致死區(qū)域的范圍產(chǎn)生影響，彈藥炸點(diǎn)越低，致死半徑越大，當(dāng)殺傷半徑大于90 m時(shí)，殺傷概率幾乎相同。

圖5 不同爆炸高度的綜合殺傷概率曲線

從圖6可以看到隨著炸藥填充量從60～100 kg，爆炸中心的綜合殺傷概率從0.612上升到0.839，殺傷概率曲線變化趨勢(shì)是相似，均在在20～30 m有一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在此點(diǎn)之前的殺傷概率衰減趨勢(shì)近似符合一次函數(shù)下降規(guī)律，斜率為 -0.035 6,這是由于在這段區(qū)域內(nèi)，超壓和熱輻射的衰減程度是最快的，但是當(dāng)衰減到和外界的相差值相近時(shí)，殺傷概率衰減趨勢(shì)越來(lái)越平緩，這就是轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后的情況，當(dāng)殺傷概率到達(dá)10%的范圍普遍在40.76～48.10 m。因此可以得出云爆劑填充量在其他條件一致的情況下，主要對(duì)彈藥中心炸點(diǎn)的殺傷概率產(chǎn)生影響，云爆劑填充量越大，中心爆點(diǎn)殺傷概率越大，而遠(yuǎn)區(qū)的殺傷概率則基本相同，云爆劑殺傷作用集中在云霧區(qū)。

圖6 不同裝藥量的綜合毀傷概率曲線

3 結(jié)論

1) 提出了一種在超壓和熱輻射作用情況下對(duì)地面人員的綜合殺傷評(píng)估模型。

2) 計(jì)算出特定情況下云爆彈毀傷概率圖，得出該情況下綜合致死面積為1 020 m2、重度殺傷面積為2 830 m2、中度殺傷面積為2 510 m2，并且熱輻射的作用范圍是超壓作用范圍的2.77倍。

3) 在彈藥特性相同的情況下，得到了爆高不同情況下的仿真殺傷概率圖。

4) 在其他條件相同的情況下，得出云爆劑填充量是中心爆點(diǎn)殺傷概率的主要影響因素，云爆劑填充量對(duì)云霧區(qū)外的殺傷概率影響較小。