云爆彈對地面人員綜合殺傷的仿真評估研究

劉想炎，黃振貴，陳秋元，吳國袁，李其然，陳志華

(1.南京理工大學 a.能源與動力工程學院; b.瞬態物理國家重點實驗室， 南京 210094；2.中國航天科技集團公司八院八部， 上海 200233)

云爆彈自第二次世界大戰出現后，由于其在戰場打擊中不僅能夠直接打擊到地面上的人員目標，同時因其云霧性能，還能對地上和地下工事內的人員和設備造成毀傷，成為了當今的熱點研究方向。從國內外對云爆彈的研究上來看，主要集中在對云爆彈的彈藥和結構設計[1-2]、云爆彈的云霧生長規律[3-5]和拋灑特性[6]、云爆彈的超壓分布規律[7]以及超壓威力評估[8]上的研究。但是隨著彈藥的發展，云爆彈的殺傷原理不僅僅只有超壓作用，當今云爆彈的殺傷機理還包括熱輻射、窒息等。但是目前在對于云爆彈的多重殺傷作用的研究上，結合多種殺傷作用形成的仿真評估系統相對較少，而對于實時戰場決策來說，打擊前對彈藥進行殺傷作用評估是必不可少的。

因此，本研究為解決當前云爆彈的綜合殺傷評估模型缺失問題，通過結合云爆彈的超壓和熱輻射作用原理，提出了一種針對地面人員目標的殺傷評估模型，并進行仿真程序的編寫，以此為戰場實時決策提供依據。

1 綜合毀傷模型的建立

1.1 云爆彈作用機理

1.1.1云爆彈對人員目標的綜合殺傷過程

云爆彈的殺傷過程從云爆劑的拋灑形成云霧團開始，云霧團點燃后，首先形成一個巨大的火球，火球內部以及火球周圍一段距離內的熱輻射作用極強，通過熱作用直接對人員造成傷亡；同時，云爆彈在爆炸后還會產生以爆炸點為中心的沖擊波，當沖擊波峰值及其沖量達到人員受傷閾值時，也會對人員造成殺傷。其次，隨著云爆劑的燃燒，氧氣消耗量變大，同時還會引起云霧區內其他可燃物的燃燒，加大氧氣消耗，從而造成嚴重缺氧，對人員形成窒息作用。

根據文獻[9]，云爆彈爆炸后以云霧區為基準，向外依次形成近場和遠場，而因為窒息作用主要發生在云霧區內，所以在近場、遠場內的窒息作用可以不做考慮。同時在云霧區中還具有很強的超壓和熱輻射作用，因此在云霧區內超壓、熱輻射和窒息作用三種效果下人員必然死亡， 則云霧區內的人員殺傷效果可直接評定為致死。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超壓作用的壓力計算和沖量計算

炸藥在空氣中爆炸后，某點爆轟波的超壓峰值會在傳播過程中隨著與炸點間的距離的增大而衰減。因為在本文的殺傷模型的計算中并未考慮各種殺傷作用的持續時間問題，同時依據文獻[8]，對于云爆彈的壓力峰值計算可采用與殺爆彈超壓分布計算相同的計算方法，所以距爆炸中心任一距離R處的超壓峰值的計算公式[10]為

(1)

(2)

式中：R為距炸點的距離(m)；Mw為TNT炸藥質量(kg)；沖量I可以根據以下經驗公式[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為爆炸產生的空氣沖擊波作用在目標上的沖量；W為該炸藥的TNT當量(kg)，其中W=WiQvi/QvTNT；Wi為該炸藥的質量；Qvi為該炸藥的爆熱(J/kg)；QvTNT為TNT的爆熱，QvTNT≈4 187 J/kg；r為距爆炸中心的距離(m)；A為由實驗確定的系數。

1.1.3熱輻射下的熱通量計算

云爆彈在飛抵目標上空一定高度時，在拋灑云爆劑后迅速爆炸并形成一個高溫火球，在仿真過程中忽略火球的作用時間的長短，直接選用瞬時產生的熱通量作為評定對人員殺傷作用的主要參數。熱通量計算表達式為[12]

(3)

式中：q為距離為r處目標接收到的熱輻射通量(W/m2)；r為測點至爆點的距離(m)；T為火球溫度(K)；Wq為基于熱通量的TNT當量(kg)。

1.2 殺傷準則

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

(Δp-pcr)(I-Icr)=C

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

根據文獻[12]，超壓效應對地面人員目標的毀傷效果范圍劃分如表1所示。

熱輻射作用下，忽略熱作用時間，根據文獻[12]，可劃分出了4種殺傷程度的評判標準如表2所示。

表1 超壓殺傷準則壓力范圍

表2 熱輻射殺傷準則

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相互獨立的事件，則單發云爆彈對地面人員目標的毀傷概率計算公式為：

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

式中：Pc為超壓作用對目標毀傷概率；Pr為熱輻射作用對目標毀傷概率；Pcr為單發云爆彈對地面人員目標綜合毀傷概率。

1.3 計算機仿真流程

圖1為仿真流程，仿真開始時，輸入彈藥參數和彈目交匯時彈體末狀態參數，包括戰斗部裝藥類型、戰斗部裝藥量、云爆劑噴灑半徑、爆高和人員姿勢。通過輸入參數計算戰斗部裝藥量當量和彈目相對距離。然后計算目標點的熱通量和超壓，按照殺傷準則表計算各個毀傷效應在目標點的殺傷概率，最后計算對目標點的綜合效應殺傷概率[13]。使用循環過程，計算所有點的綜合效應殺傷概率并輸出，最后程序結束。

2 綜合毀傷結果的仿真計算

在完成仿真程序的編寫后，選擇人員姿態均為站立，彈藥參數如表3所示。

將上述參數代入仿真系統，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，通過單次打擊后，可以根據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

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，同時致死區域范圍半徑從0 m上升到27.08 m，在致死區域的邊緣，殺傷概率呈大變化曲率趨勢下降，當殺傷概率為10%時，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，彈藥的炸高主要對致死區域的范圍產生影響，彈藥炸點越低，致死半徑越大，當殺傷半徑大于90 m時，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是相似，均在在20～30 m有一轉折點，在此點之前的殺傷概率衰減趨勢近似符合一次函數下降規律，斜率為 -0.035 6,這是由于在這段區域內，超壓和熱輻射的衰減程度是最快的，但是當衰減到和外界的相差值相近時，殺傷概率衰減趨勢越來越平緩，這就是轉折點之后的情況，當殺傷概率到達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，主要對彈藥中心炸點的殺傷概率產生影響，云爆劑填充量越大，中心爆點殺傷概率越大，而遠區的殺傷概率則基本相同，云爆劑殺傷作用集中在云霧區。

圖6 不同裝藥量的綜合毀傷概率曲線

3 結論

1) 提出了一種在超壓和熱輻射作用情況下對地面人員的綜合殺傷評估模型。

2) 計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殺傷概率的主要影響因素，云爆劑填充量對云霧區外的殺傷概率影響較小。