化學(xué)武器在海洋環(huán)境中的性能研究

穆中國，董文斌，劉 虹，張明虎

(1.海軍大連艦艇學(xué)院水武與防化系，遼寧 大連 116018;2.海軍司令部 軍訓(xùn)部，北京 100841)

0 引言

作為一種威力巨大的大規(guī)模殺傷性武器［1－2］，化學(xué)武器利用毒劑形成大面積的染毒區(qū)域，對人員產(chǎn)生大規(guī)模殺傷作用，一旦在海戰(zhàn)中使用，將會對水面艦艇部隊構(gòu)成巨大威脅。在實際應(yīng)用中，化學(xué)武器的性能受戰(zhàn)場氣象環(huán)境的影響較大，為對化學(xué)武器做出有效的防護，艦艇部隊必須結(jié)合化學(xué)武器在海洋環(huán)境中的性能特點制定防護戰(zhàn)術(shù)，研制各種模擬訓(xùn)練器材。然而，由于海洋氣象環(huán)境較為復(fù)雜，很難借助理論或試驗研究化學(xué)武器在海洋環(huán)境中的性能，目前還未見結(jié)合海洋氣象變化規(guī)律，從理論上研究化學(xué)武器性能的報道。這些難題如不加以解決，不利于艦艇部隊的防化訓(xùn)練朝向?qū)崙?zhàn)化、精確化方向發(fā)展。

本文結(jié)合研究現(xiàn)狀，從理論進行初步研究，首先研究海洋環(huán)境的氣象變化規(guī)律，然后構(gòu)建毒劑云團在海洋環(huán)境中擴散的數(shù)學(xué)模型，最后結(jié)合數(shù)學(xué)模型，通過仿真計算，從理論上研究化學(xué)武器在海洋環(huán)境中的性能。研究結(jié)果對于艦艇部隊制定防護戰(zhàn)術(shù)，模擬實際戰(zhàn)場環(huán)境，構(gòu)建模擬訓(xùn)練器材具有一定意義。

1 海洋風(fēng)速變化規(guī)律

風(fēng)速是影響化學(xué)武器在海洋戰(zhàn)場性能的重要氣象參數(shù)，在自然環(huán)境中，不同高度風(fēng)速的關(guān)系滿足風(fēng)速斷面方程:

式中:u和u1分別為高度z和z1處的風(fēng)速;n為大氣穩(wěn)定度;z0為下墊面粗糙度。

海洋環(huán)境的空氣垂直穩(wěn)定度可近似看成等溫，在等溫條件下，式(1)可用拉庇達爾定律表示為:

在海洋環(huán)境中，海面粗糙度與10 m高的風(fēng)速存在如下關(guān)系［3－5］:

故在等溫條件下，由方程(2)和方程(3)可知海面風(fēng)速的斷面方程為:

整理可得距海面z m處的風(fēng)速與10 m處的風(fēng)速存在如下關(guān)系:

2 海洋大氣擴散系數(shù)

影響化學(xué)武器性能的另一個海洋氣象參數(shù)是大氣擴散系數(shù)，它描述海面上方亂流空氣運動對毒劑云團擴散特性的影響。在海面上方，影響毒劑云團的擴散系數(shù)主要有垂直擴散系數(shù)和水平擴散系數(shù)。

在等溫條件下，距海面zm處的垂直擴散系數(shù)

式中:k為卡門常數(shù)，一般取0.4;z0為粗糙度;u1為1 m高的風(fēng)速。

由式(3)整理可得:

由此可知，若求得10 m高的風(fēng)速，即可求得海面任意高度處的垂直擴散系數(shù)。

萊赫特曼理論認為，一般毒劑云團在水平方向的擴散系數(shù)相等，即:

其中:K0相當(dāng)于13.5 m高處的大氣垂直擴散系數(shù)，故毒劑云團在海洋環(huán)境中的水平擴散系數(shù)

3 化學(xué)武器毒劑濃度擴散數(shù)學(xué)模型

3.1 毒劑云團的初始性質(zhì)

由實驗可知，化學(xué)武器爆炸后，所產(chǎn)生毒劑云團的初始半徑r和初始高度h可由下式計算:

式中:M為化學(xué)武器中的彈藥質(zhì)量;β為毒劑與彈藥的質(zhì)量比。

3.2 毒劑云團濃度數(shù)學(xué)模型

化學(xué)武器(如:化學(xué)炮(炸彈))的爆炸可看成是瞬時體源的一種形式，其在大氣中的傳播濃度，可運用以梯度輸送理論為基礎(chǔ)的萊赫特曼方程和以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的正態(tài)濃度方程來計算［6］，其表達式為:

式中:Q為化學(xué)武器中所裝的毒劑重量;ku為毒劑利用率;k0為在z1參考點處的大氣水平擴散系數(shù);k1為在z1參考點處的大氣垂直擴散系數(shù);z1為參考點距海面的距離;Γ(1+(1/n))為伽馬函數(shù)，在等溫條件下，該函數(shù)為1;u1為參考點z1處的風(fēng)速;u為高度z處的風(fēng)速;r為毒劑云團起始半徑;h為毒劑云團起始高度。

設(shè)研究區(qū)域為海面，參考點z1距海面高度為1 m，式(11)中的x2+y2可看成是研究區(qū)域距爆炸中心距離的平方，以a2表示，由方程(11)可得化學(xué)武器在海面爆炸的毒劑濃度擴散方程:

4 化學(xué)武器在海洋環(huán)境中的性能

4.1 風(fēng)速對化學(xué)武器性能的影響

設(shè)化學(xué)武器的彈藥質(zhì)量為1 kg，毒劑與彈藥質(zhì)量比為0.8，毒劑利用率為90%，研究海面區(qū)域距爆炸中心距離為20 m，參考點(距海面1 m處)的風(fēng)速為2 m/s，4 m/s和 8 m/s。結(jié)合方程(5)、(7)、(8)和(12)，利用Matlab程序編程可求得在等溫條件下，研究海面區(qū)域的毒劑濃度隨風(fēng)速的變化規(guī)律，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 毒劑濃度隨風(fēng)速的變化規(guī)律Fig.1 Variety of toxic agent concentration with wind speed

從仿真計算結(jié)果可以看出，隨著爆后時間的延長，毒劑云團的濃度呈現(xiàn)先急劇增加，再逐漸衰減的變化趨勢。風(fēng)速越大，毒劑濃度的變化趨勢越為劇烈。當(dāng)風(fēng)速較高時，毒劑云團在極短時間內(nèi)便可形成很高的毒劑濃度，對艦艇人員產(chǎn)生很強的殺傷作用，但其毒劑濃度衰減也較快，殺傷作用持續(xù)時間較短。當(dāng)風(fēng)速較小時，毒劑云團需較長的時間才能形成較高的毒劑濃度，其對人員的瞬時殺傷作用較弱，但由于毒劑濃度衰減較慢，其殺傷作用持續(xù)時間較長，可長時間威脅艦艇人員的生命安全。研究表明，化學(xué)武器在不同風(fēng)速的天氣里，展現(xiàn)出不同的戰(zhàn)斗性能，在風(fēng)速較大的天氣，敵人可能會利用化學(xué)武器對實施殺傷性化學(xué)襲擊，通過瞬時形成的高毒劑濃度在短時間內(nèi)大量殺傷人員。在風(fēng)速較小的天氣里，可利用化學(xué)武器造成戰(zhàn)場環(huán)境長時間染毒，迫使人員長時間進行防護，影響其戰(zhàn)斗力，同時消耗防護器材的使用性能。

綜上所述，艦艇部隊要想在海戰(zhàn)中戰(zhàn)勝敵化學(xué)武器襲擊，必須結(jié)合海洋氣象特點做好防護準備工作，在風(fēng)速較大的天氣里，應(yīng)重點檢查艦艇人員的防護速度和對防護器材的操作熟練程度，確保艦艇人員在敵發(fā)動化學(xué)襲擊時，能做到及時正確的防護。在風(fēng)速較小的天氣里，應(yīng)重點檢查個人和集體防護器材的防護性能，確保防護器材能長久防護毒劑云團。

4.2 距離對化學(xué)武器性能的影響

設(shè)化學(xué)武器的彈藥質(zhì)量為1 kg，毒劑與彈藥質(zhì)量比為0.8，毒劑利用率為90%，研究海面區(qū)域距爆炸中心距離為20 m和30 m。參考點(距海面1 m處)的風(fēng)速為2 m/s，結(jié)合方程(5)、(7)、(8)和(12)，利用Matlab程序編程可求得在等溫條件下，距爆炸中心不同距離的海面區(qū)域，毒劑濃度隨時間的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 煙幕濃度隨高度的變化規(guī)律Fig.2 Variety of smoke concentration with height

由計算結(jié)果可以看出，在海洋戰(zhàn)場環(huán)境中，距離爆炸中心越近，毒劑濃度變化趨勢越為平緩，從毒劑濃度的分布規(guī)律可以看出，距爆炸中心的距離僅增加10 m，最高毒劑濃度降低了近5倍，隨著爆后時間的延長，毒劑的不斷擴散，距離對毒劑濃度的影響逐漸變小，最后在不同距離范圍內(nèi)，毒劑濃度基本接近。研究表明，在敵人使用化學(xué)武器后，艦艇如能迅速機動遠離爆炸中心，可有效減輕毒劑云團在爆炸初期對人員的瞬時殺傷作用。

4.3 化學(xué)武器在海洋與陸地環(huán)境的性能對比

設(shè)化學(xué)武器的彈藥質(zhì)量為1 kg，毒劑與彈藥質(zhì)量比為0.8，毒劑利用率為90%，研究海面區(qū)域距爆炸中心距離為20 m，參考區(qū)域(距海面和地面的距離為1 m)的風(fēng)速為2 m/s，化學(xué)武器的使用環(huán)境分別為海洋、平坦陸地(粗糙度為0.01)，有低矮植被的陸地(粗糙度為0.05)。結(jié)合方程(5)、(7)、(8)和(12)，利用Matlab程序編程可求得在等溫條件下，在不同施放環(huán)境中，毒劑濃度隨時間的變化規(guī)律(見圖3)。

從計算結(jié)果可以看出，在有低矮植被的陸地環(huán)境中，毒劑濃度變化趨勢最為劇烈，化學(xué)武器使用之后，毒劑云團在極短時間內(nèi)便可形成很高的毒劑濃度，對人員產(chǎn)生很強的瞬時殺傷作用，但其毒劑濃度衰減也較快，殺傷作用持續(xù)時間較短;平坦陸地環(huán)境次之;在海洋環(huán)境中，毒劑濃度變化更為平緩一些，瞬時殺傷作用相對弱一些，由于毒劑濃度衰減緩慢，其殺傷作用持續(xù)時間更長一些。施放環(huán)境對最高毒劑濃度影響不大，在3種施放環(huán)境中，毒劑云團所能達到的最高毒劑濃度基本相同。研究表明，化學(xué)武器在陸地和海洋環(huán)境中存在著較大的性能差別，在陸地環(huán)境中，低矮植被的存在有助于提高化學(xué)武器瞬時殺傷作用，應(yīng)防止敵人利用此特點發(fā)動殺傷性化學(xué)襲擊，化學(xué)武器在海洋環(huán)境中盡管瞬時殺傷作用稍弱一些，但其殺傷作用持續(xù)時間更長，比在陸地環(huán)境中威力更大，水面艦艇部隊要想有效應(yīng)對敵化學(xué)武器襲擊，必須結(jié)合海洋環(huán)境自身特點制定防護方案，應(yīng)確保防護器材的防護性能更加優(yōu)良，能長時間對毒劑云團加以防護。

圖3 在海洋和陸地環(huán)境中，毒劑濃度的變化規(guī)律Fig.3 Variety of toxic agent concentration in ocean and land

5 結(jié)語

本文結(jié)合海洋氣象環(huán)境特點和毒劑擴散數(shù)學(xué)模型，研究了化學(xué)武器在海洋環(huán)境中的性能，得出如下結(jié)論:

1)在施放條件相同的情況下，風(fēng)速越大，化學(xué)武器在爆炸初期的瞬時殺傷作用越強，殺傷作用持續(xù)時間越短。

2)在施放條件相同的情況下，隨著距爆炸中心距離的增加，化學(xué)武器的瞬時殺傷作用明顯減弱。

3)在施放條件相同的情況下，化學(xué)武器在陸地和海洋環(huán)境中存在較大的性能差異，其在陸地環(huán)境中的瞬時殺傷作用更強一些，在海洋環(huán)境中的殺傷作用持續(xù)時間更長一些，化學(xué)武器在海洋環(huán)境中的威力更大一些。

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