基于Q準(zhǔn)則的燃燒彈熱輻射效果評(píng)估研究

安文書,盧 薇,李紅欣,馬士洲,程萬影

(軍事科學(xué)院防化研究院， 北京 102205)

燃燒武器主要包括噴火器以及各類燃燒彈藥等，利用燃燒劑對(duì)有生目標(biāo)實(shí)施燒傷，對(duì)易燃目標(biāo)實(shí)施引燃、縱火毀傷。隨著新質(zhì)作戰(zhàn)力量建設(shè)不斷增強(qiáng)，燃燒武器的獨(dú)特毀傷作用成為打擊手段的有益補(bǔ)充。例如使用燃燒武器迫使坑道、洞穴、碉堡里面負(fù)隅頑抗的敵人離開工事，繳械投降。燃燒武器作為戰(zhàn)場(chǎng)上的重要裝備，其作用效果評(píng)估是作戰(zhàn)效能評(píng)估的基礎(chǔ)，有必要深入研究，拿出真實(shí)可信的數(shù)據(jù)，促進(jìn)各類武器的融合互補(bǔ)，發(fā)揮其最大作戰(zhàn)效能。

燃燒效應(yīng)主要以對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射等方式作用于目標(biāo)，理論上通常以Baker公式估算燃燒火球的熱效應(yīng)。由于燃燒劑或燃燒武器對(duì)目標(biāo)的縱火毀傷作用是持續(xù)性的，通常采用熱通量準(zhǔn)則(Q準(zhǔn)則)評(píng)價(jià)。但當(dāng)燃燒武器產(chǎn)生的熱輻射作用時(shí)間較短時(shí)，宜采用熱計(jì)量準(zhǔn)則(Q準(zhǔn)則)更為合理。

1 評(píng)估模型及準(zhǔn)則介紹

1.1 建立評(píng)估模型

設(shè)計(jì)模擬燃燒彈，在空中點(diǎn)燃燃燒劑，形成飛行的火球(火柱)對(duì)坑道、洞穴、碉堡等工事里的敵目標(biāo)實(shí)施縱火毀傷。采用正面2 m×2 m，深4 m的混凝土收集靶模擬坑道、洞穴、碉堡等工事，用于評(píng)價(jià)該彈輻射效果，收集靶及熱輻射效果評(píng)價(jià)示意圖如圖1。

圖1 熱輻射效果評(píng)價(jià)示意圖

燃燒彈自收集靶口部作用，分散出燃燒劑形成火球，在慣性作用下，飛入收集靶并在其內(nèi)部蔓延，對(duì)靶部目標(biāo)實(shí)施縱火毀傷，可見燃燒毀傷作用在靶內(nèi)部是持續(xù)性的，而在口部，其輻射作用是瞬時(shí)的。該類型彈藥的主要目的是迫使敵有生力量逃離隱蔽之處并造成一定的縱火毀傷，同時(shí)引燃內(nèi)部易燃物資，由于口部的毀傷作用是掠過性的，口部熱輻射作用最弱，故將試驗(yàn)測(cè)試熱輻射效果的評(píng)估點(diǎn)選在收集靶口部位置。

建立評(píng)估模型，該收集靶為模擬坑道洞穴目標(biāo)，火球自口部飛入時(shí)，考慮重力作用，評(píng)價(jià)測(cè)試點(diǎn)位于口部正面左-右-下三點(diǎn)。作用過程中火球飛入工事內(nèi)，有生目標(biāo)只能向反向逃生，根據(jù)模型空間距離，其反應(yīng)逃離時(shí)間應(yīng)不超過3 s。

1.2 選取評(píng)估準(zhǔn)則

熱輻射毀傷準(zhǔn)則主要有熱通量(q)準(zhǔn)則，熱劑量(Q)準(zhǔn)則，熱通量-熱劑量(q-Q)準(zhǔn)則，熱通量-時(shí)間(q-t)準(zhǔn)則，熱劑量-時(shí)間(Q-t)準(zhǔn)則，由于熱劑量是熱通量的累積，故q-Q，q-t，Q-t是等效的。對(duì)于燃燒藥劑，評(píng)價(jià)其熱輻射效果，選用熱通量準(zhǔn)則(q準(zhǔn)則)較為合適。對(duì)于該類燃燒彈來說，由于飛行速度、作用方式等因素影響，其火球持續(xù)時(shí)間短暫，評(píng)價(jià)其熱輻射效果，選用熱劑量準(zhǔn)則(Q準(zhǔn)則)較為合適。據(jù)此，本文中采用上述兩種評(píng)估準(zhǔn)則進(jìn)行分析。

1.2.1熱通量準(zhǔn)則

熱通量準(zhǔn)則以目標(biāo)接受的熱通量作為衡量目標(biāo)是否被破壞的參數(shù)。當(dāng)目標(biāo)接受的熱通量等于或大于目標(biāo)被破壞的臨界熱通量時(shí)，目標(biāo)被傷害破壞。根據(jù)ISO13506—2標(biāo)準(zhǔn)，加載于普通服裝外表面的熱通量達(dá)到84 kW/m2能夠?qū)е氯藛T燒傷。因此，本文的熱通量準(zhǔn)則為熱通量(q)數(shù)據(jù)不小于84 kW/m2。

1.2.2熱劑量準(zhǔn)則

熱劑量準(zhǔn)則以目標(biāo)接受的熱劑量作為衡量目標(biāo)是否被破壞的參數(shù)。當(dāng)目標(biāo)接受的熱劑量等于或大于目標(biāo)被破壞的臨界熱劑量時(shí)，目標(biāo)被傷害破壞。根據(jù)瞬態(tài)火災(zāi)作用下的熱傷害破壞的臨界熱劑量，如表1所示，考慮本文前述的評(píng)估模型，假設(shè)有生目標(biāo)的3 s逃離時(shí)間即熱劑量作用時(shí)間。

表1 熱劑量準(zhǔn)則

2 輻射效果估算

燃燒彈作用后形成火球，本質(zhì)上為液態(tài)燃燒劑氣化著火產(chǎn)生，對(duì)火球和持續(xù)時(shí)間的研究，在軍事及安全評(píng)估領(lǐng)域均有應(yīng)用。模擬彈燃燒劑裝填量為1.6 kg，采用適用可燃物為10 kg以下的Hasegawa和Sato模型：

D=5。25W0.314

(1)

t=1.07W0.181

(2)

其中，D為火球直徑(m)；t為持續(xù)時(shí)間(s)；W為燃燒劑質(zhì)量(kg)。

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算火球直徑為6.08 m，持續(xù)時(shí)間1.165 s。上述模型中火球擴(kuò)散成長數(shù)據(jù)是在無約束情況下計(jì)算得出。而在實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試中，燃燒彈分散后形成火球，在慣性作用下火球并未完全形成，便已經(jīng)進(jìn)入收集靶內(nèi)部，這與采用模型估算火球直徑有一定差別。由于燃燒彈作用后并不能立即達(dá)到毀傷效果，有生目標(biāo)會(huì)反向逃生，所以火球燃燒持續(xù)時(shí)間僅做參考。

根據(jù)Baker模型，不考慮大氣損耗，假設(shè)：火球成長過程不變；傳導(dǎo)及對(duì)流過程遠(yuǎn)小于輻射傳熱過程；火球密度和體積穩(wěn)定；單位質(zhì)量燃燒劑釋放能量與燃燒劑種類無關(guān)，得出經(jīng)驗(yàn)式(3)和式(4)：

(3)

(4)

其中，q為熱通量(W/m2)；Q為熱劑量(J/m2)；T為火球溫度(K)；L為目標(biāo)至火球中心距離(m)；G為常量0.958×10-7；bG為常量2.04×10-4；F為常量161.7。

根據(jù)上述模型估算燃燒彈形成火球的熱通量和熱劑量，其中，火球溫度(T)為燃燒劑靜態(tài)測(cè)試溫度1 000 ℃(1 273 K)，目標(biāo)至火球中心距離(L)為收集靶正面寬度的1/2，即 1 m。計(jì)算結(jié)果熱通量為46.88 kW/m2，熱劑量為522 J/m2。

3 輻射效果試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了較為準(zhǔn)確評(píng)估燃燒彈熱輻射效果，用熱流密度傳感器測(cè)試熱通量值，建立圖1所示收集靶進(jìn)行動(dòng)態(tài)射擊試驗(yàn)。試驗(yàn)用熱流密度傳感器置于洞口左、下、右3個(gè)方向，距中心1 m，記錄傳感器產(chǎn)生電壓值并轉(zhuǎn)換為熱通量值。試驗(yàn)記錄時(shí)間10 s，采樣率1 000 Hz，預(yù)先記錄3 s，熱流密度傳感器參數(shù)見表2，試驗(yàn)前傳感器通過校準(zhǔn)比對(duì)，保證試驗(yàn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。

表2 熱流密度傳感器參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

燃燒劑的靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)中，采用熱流密度測(cè)試時(shí)要求至少1個(gè)測(cè)試點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)滿足要求。本文中試驗(yàn)所用的燃燒劑其靜態(tài)測(cè)試熱通量均超過84 kW/m2的要求。

試驗(yàn)在滿足密集度指標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行，共進(jìn)行兩發(fā)試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

試驗(yàn)中第1發(fā)彈在收集靶口部作用，形成火球后大部分燃燒劑進(jìn)入靶內(nèi)部，測(cè)試結(jié)果顯示熱流密度數(shù)值快速上升，短時(shí)間持續(xù)后快速下降。第2發(fā)彈在收集靶口部偏右側(cè)作用，形成火球后部分燃燒劑沒有完全進(jìn)入收集靶內(nèi)部，落在口部右側(cè)的燃燒劑持續(xù)燃燒，3 s后仍持續(xù)形成數(shù)個(gè)熱通量峰值。

圖2 第1發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 第2發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于熱劑量是熱通量的累積，可以采用梯形積分式(5)計(jì)算熱劑量值，測(cè)試及計(jì)算結(jié)果見表3。

(5)

式(5)中:Q為熱劑量(J/m2)；q為熱通量(W/m2)；t為測(cè)試時(shí)間(s)；i為測(cè)試點(diǎn)。

表3 測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

兩發(fā)均有兩個(gè)點(diǎn)熱通量值達(dá)到熱通量準(zhǔn)則要求，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)效果與靜態(tài)試驗(yàn)類似，第1發(fā)下方數(shù)據(jù)偏大，第2發(fā)右側(cè)數(shù)據(jù)偏大。可以看出，熱通量大小與測(cè)試點(diǎn)距火球中心的距離相關(guān)，與燃燒劑質(zhì)量相關(guān)，而測(cè)試數(shù)據(jù)均大于模型估算值，利用熱通量無法準(zhǔn)確評(píng)估毀傷程度，前文所提及的熱通量模型不適用燃燒彈瞬態(tài)火球毀傷評(píng)估測(cè)試。

第1發(fā)火球掠過工事口部，熱劑量最小值87.5 kJ/m2，達(dá)到致人疼痛至一度燒傷程度，說明燃燒彈作用后在火球掠過的瞬間能夠擾亂敵方行動(dòng)。第2發(fā)右側(cè)、下方熱劑量分別為194.8 kJ/m2和237.6 kJ/m2，達(dá)到致人輕傷至二度燒傷的程度，說明燃燒彈準(zhǔn)確作用目標(biāo)后能夠癱瘓敵人行動(dòng)。

4 結(jié)論

熱劑量準(zhǔn)則(Q準(zhǔn)則)對(duì)于評(píng)價(jià)某型燃燒彈的熱輻射效果較為理想。該試驗(yàn)將燃燒武器置于想定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下評(píng)估作用效果，評(píng)估方法及數(shù)據(jù)可以作為燃燒武器戰(zhàn)場(chǎng)效能評(píng)估的基礎(chǔ)，能夠在一定程度上克服定性評(píng)價(jià)燃燒破壞傷害效果的缺陷。