某單兵無后坐力炮后噴區域危險性綜合評估

龐春橋， 陶鋼， 聞鵬， 李智宇， 任保祥， 王小峰

(南京理工大學 能源與動力工程學院， 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共同的特點，即發射時后方會產生高速燃氣射流，并伴隨沖擊波、火焰以及密封堵蓋碎片形成危險區。對單兵無后坐力炮后噴區域危險性進行綜合評估有利于進一步了解該類型武器的使用性能。在以往的研究中，文獻[1]通過理論和試驗的方法對單兵火箭的后拋物進行了研究；文獻[2]通過數值模擬方法對單兵火箭后噴流場進行了模擬，驗證了液體平衡體的降噪和消焰降溫作用；文獻[3-5]對爆炸傷的各級毀傷元進行了定性分析；文獻[6-7]定量地分析了沖擊波對人體的毀傷作用；文獻[8]總結了爆炸超壓對生物非聽覺器官的毀傷研究；文獻[9]給出了熱流對人體的創傷概率；文獻[10]通過數值模擬方法研究了爆炸沖擊波對肺組織的損傷；文獻[11]通過試驗方法研究了爆炸沖擊波對生物目標的毀傷準則；文獻[12-13]規定了常規兵器發射時，脈沖噪聲和沖擊波對人員聽覺和非聽覺器官損傷的安全限值。然而針對單兵無后坐力炮等類型武器后噴危險區對人員造成的創傷，一直以來缺少系統的綜合評估方法。因此，迫切需要給出一種能夠同時得到后噴危險區中人員創傷類型和創傷概率的科學方法，以便指導該類型武器的操作使用。

本文將試驗方法和概率模型相結合，提出了一種能夠有效評估單兵無后坐力炮發射時后噴危險區內人員創傷的方法。該方法可以同時給出危險區內的人員在受到不同危險源作用時的創傷類型及相應的創傷概率，評估結果更加直觀。本研究可以為單兵無后坐力炮及其同類型武器后噴危險界的確定提供參考，為使用性能提供科學的指導。

1 危險源試驗

單兵無后坐力炮在發射過程中，后噴區域內的危險源主要包含：沖擊波，熱流，高速燃氣噴射時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則，飛行狀態不穩定，難以對其進行定量化分析，因此本文不對其進行分析討論。

1.1 測試系統布置

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 燃氣射流沖量測試系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of gas jet impulse test system

為了有效評估單兵無后坐力炮發射時后噴區域內不同危險源對人員的創傷類型和創傷概率，測試系統布置如圖1和圖2所示。發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，高度與發射器平齊。為了得到扇形危險區內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處同樣進行了超壓測試。對于后噴燃氣射流，應用位移傳感器和滑動炮架設計了氣流沖量測試試驗，具體實施方法如圖2所示，其中擺桿、燃氣擋板和滑塊組成一個整體，在燃氣射流沖量作用下繞右側的支架轉動。通過位移傳感器可以間接測得結構整體的轉動角速度，然后根據角動量定理即可計算得到燃氣射流沖量。測試傳感器分別為瑞士Kistler公司產壓電式石英傳感器、美國Medtherm公司產Gardon型熱流傳感器以及中國上海極典公司產位移傳感器，具體參數如表1所示。數據采集設備為奧地利Dewetron公司產2010型數據采集儀(采樣頻率為50 kHz)。此外，為了更加直觀地得到后噴燃氣射流火焰區大小，利用日本Fastcam公司產 Mini UX50型高速相機(拍攝幀率為8 000幀/s)記錄單兵無后坐力炮發射過程。

1.2 試驗結果

經過對多次測試結果的篩選，去除異常信號后可以得到后噴危險區內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度和持續時間。其中沖擊波超壓按文獻[14]中的方法讀取，熱流強度和持續時間按圖3的方法讀取。具體結果如表2和表3所示。

表1 傳感器參數

圖3 熱流參數Fig.3 Heat flux parameters

表2 后噴區內超壓測試結果

表3 后噴區內熱流測試結果

在試驗過程中，高速相機記錄了某單兵無后坐力炮后噴火焰區域的直徑約為2.18 m，如圖4所示。

圖4 后噴火焰Fig.4 Flame in back-ejection area

根據本文設計的燃氣射流氣流沖量測試方法，對滑塊位移測試數據進行1階求導，得到滑塊的位移和速度隨時間變化曲線如圖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

燃氣射流擋板與噴口距離/m123滑塊滑動速度/(m·s-1)1.2470.7280.529

2 創傷概率分析

2.1 超壓創傷

沖擊波超壓對人體的創傷與身體部位有很大的關系，因此不同的器官在沖擊波的作用下有著不同的動力學過程。沖擊波對人體的創傷是因為人體內的可壓縮性組織(即含氣器官)會發生體積變化，造成器官迅速扭曲，所以含氣組織最容易受傷，其中肺組織的創傷程度是致命的關鍵因素。沖擊波對人體的創傷主要有肺組織創傷和鼓膜創傷。試驗測得了某單兵無后坐力炮發射時后噴區內不同位置處的超壓值(見圖6)，為了得到后噴區內等值創傷曲線需要對試驗結果作進一步處理分析。

圖6 擬合曲線與試驗數據的對比Fig.6 Comparison of fitting curves and test data

沖擊波在空氣中的傳播具有一定規律，參考爆炸沖擊波衰減規律，對試驗中不同角度下的超壓值采用最小二乘法進行擬合，可以得到相應的擬合公式：

(1)

式中：Δp為超壓(kPa)；R為距離(m)；A、B、C為擬合參數，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.

根據圖6中的對比結果可知，擬合函數得到的結果與試驗測試結果具有很好的一致性，因此，擬合曲線可以代替試驗數據進行沖擊波超壓對人體的創傷評估計算。Alonso等[6]根據沖擊波對人體肺組織創傷和鼓膜創傷的試驗結果利用數學分析方法給出了計算肺組織和鼓膜創傷的PROBIT方程。PROBIT方程與創傷概率Pr之間的關系可以通過(4)式[15]計算得到。

Yl=-77.1+6.91ln (Δp×1 000)，

(2)

Ye=-12.6+1.524ln (Δp×1 000)，

(3)

(4)

式中：Y為PROBIT方程計算得到的參數，即Yl和Ye；u為積分變量的計算微元。

根據(1)式、(2)式和(4)式的依次求解可以得到單兵無后坐力炮發射時，后噴危險區域內沖擊波超壓對人體肺組織的創傷概率等值線(見圖7)。同理，根據(1)式、(3)式和(4)式可以得到危險區內人體鼓膜的創傷概率等值線(見圖8)。

圖7 肺組織創傷概率等值線圖Fig.7 Contour map of lung tissue trauma probability

圖8 鼓膜創傷概率等值線圖Fig.8 Contour map of eardrums trauma probability

根據圖7中的結果可知，某單兵無后坐力炮發射時，后噴危險區對人體肺組織的創傷分布情況。噴管正后方對人體肺組織的創傷最嚴重，肺組織創傷概率大于50%的距離達到2.0 m左右，當距離大于2.5 m時，人體的肺組織創傷概率為0%，由此可知，當人員距離噴口超過2.5 m時，在危險區內的任何角度下肺組織均不會受到傷害。由圖8可知，與肺組織創傷情況類似，噴管正后方鼓膜創傷概率最大，鼓膜創傷概率大于50%的距離在2.5 m以內，相比于肺組織，人體鼓膜更加脆弱，在本文涉及的區域內，不存在鼓膜無傷的情況。

2.2 熱流創傷

單兵無后坐力炮在發射過程中，后方會形成噴火區，人員處于該區域內時會受到熱輻射的傷害，其創傷程度由單位輻射功率和作用時間共同決定。Viano[9]給出了爆炸熱流對人體創傷的PROBIT方程，

Yh=D+Eln (Δt/1 000×(Q×1 000)4/3)，

(5)

式中：Q為熱流強度(kW/m2)；Δt為熱流作用時間(ms)；D、E是由爆炸熱流對人體的創傷試驗獲得的參數。PROBIT方程分為4種情況：1級燒傷、2級燒傷、有防護致死、無防護致死。1級燒傷情況下D=-39.83，E=3.018 6；2級燒傷情況下D=-43.14，E=3.018 8；有防護致死情況下D=-37.23，E=2.56；無防護致死情況下D=-36.38，E=2.56. 根據表2中熱流測試結果，利用(5)式和(4)式可以得到噴火區內熱流對人員的創傷概率，結果如表5所示。

表5給出了某單兵無后坐力炮發射過程中，后噴火焰區內3個不同位置處對人員的創傷情況。根據以上結果并參考圖4后噴火焰尺寸可知，越靠近火球中心，熱流對人體的創傷越嚴重，當人員處于火球中心位置時，其發生1級燒傷的概率將大于46.95%，但是熱流創傷不足以致命。

表5 4種情況下的熱流創傷概率

2.3 燃氣射流創傷

為了平衡發射時的后坐力，單兵無后坐力炮在發射過程中會向后方噴射大量火藥燃氣。當高速運動的火藥燃氣受到物體的阻擋作用時，會在物體表面形成很大的氣流沖量，造成結構的破壞和人體的損傷。值得關注的是，該沖量與沖擊波動沖量不同，動沖量是沖擊波陣面處的壓縮空氣流動造成的，而燃氣射流沖量是發射藥的燃燒產物高速流動造成的，相比動沖量而言，燃氣射流沖量要大得多。本文設計了一種測試單兵無后坐力炮后噴燃氣射流氣流沖量的裝置，結構如圖2所示。結構中擺桿的尺寸為長3 m，直徑0.016 m；燃氣擋板位于擺桿正中心，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、燃氣擋板和滑塊組成一個整體，在氣流沖量作用下繞圖2中右側的支架轉動。根據角動量定理可知：

Jω=Ftl/2，

(6)

ω=v/l，

(7)

式中：J為轉動慣量(kg·m2)；ω為轉動角速度(rad/s)；F為作用在燃氣擋板上的力(N)；v為滑塊運動速度(m/s)；l為擺桿長度(m)。

轉動慣量的計算可通過Solidworks軟件輔助完成。本文中涉及的轉動慣量為163.04 kg·m2，根據(6)式～(8)式以及表4中的試驗結果計算可知噴管正后方不同距離處燃氣射流的氣流沖量值I，

I=Ft/S，

(8)

式中：S為燃氣射流擋板的面積(m2)。I的計算結果如表6所示。

表6 燃氣射流的氣流沖量

當人體受到燃氣射流沖擊時，準確的殺傷判據目前還沒有。目前的損傷數據主要來源于汽車事故和炸藥爆炸對人體模型的終點效應，具體創傷準則如表7所示。人體在燃氣射流沖擊作用下會發生運動，且根據動量定理可知：

ISp=mpvp，

(9)

式中：Sp為人體截面積(m2)；mp為成年男性體質量(kg)；vp為人體運動速度(m/s)。

表7 撞擊創傷準則[16]

當人員處于站立狀態時的截面積為0.5 m2，成年男性體重為70 kg，通過表6、(9)式及對比表7中的創傷準則可以得到人體在某單兵無后坐力炮后噴燃氣射流作用下的創傷結果，如表8所示。

表8 燃氣射流創傷概率

3 結論

本文通過試驗方法對單兵無后坐力炮發射時的沖擊波超壓、熱流強度以及燃氣射流噴射時的氣流沖量進行了測試，將試驗方法和概率單位模型相結合，提出了一種能夠有效評價單兵無后坐力炮后噴區域危險性的綜合評估方法。得出以下結論：

1)沖擊波超壓會對人的鼓膜和肺組織造成創傷，且噴管正后方的創傷程度最大，肺組織創傷概率大于50%的距離達到2 m左右，當距離大于2.5 m時，人體的肺組織創傷概率為0%. 相比于肺組織，人體鼓膜更加脆弱，在本文研究涉及的區域內，不存在鼓膜無傷的情況。

2)越靠近噴火區域中心熱流強度越高，當人員處于火球中心位置時，其發生1級燒傷的概率將大于46.95%，但是熱流創傷不足以致命。

3)高速燃氣射流產生的氣流沖量對人體的創傷具有致命性，特別是當人體頭部受到撞擊時，致命概率>50%的距離達到3 m. 該危險源是主要的致命因素。

4)該方法評估結果更加直觀，可以為單兵無后坐力炮及其同類型武器后噴危險區域的確定提供依據，為使用性能提供科學的指導。