水下枪榴弹延期解除保险性能指标分析方法

刘 雨，王雨时，闻 泉

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094）

0 引言

蛙人担负着水下侦察、爆破和执行特殊作战等任务，多通过潜艇或小艇潜伏出击，具有突袭特点。蛙人装备的主要武器有水下枪械，用于水下单兵自卫和进攻，也可用于防御鲨鱼和其他危险动物。文献［1］介绍，当今世界上较为成功的水下枪械有俄罗斯SPP-1（包括SPP-1M）4.5 mm 口径水下手枪、APS 5.6mm 口径水下突击步枪以及德国HK 公司研制的P11水下手枪。SPP-1M 4.5mm 口径水下手枪有效射程在空气中为20 m，在水下为11 m；APS 5.6mm 口径水下突击步枪在空气中的有效射程可达100m，在水深5m、20m 和40m 处的有效射程分别只有30m、20m 和10m；德国P11水下手枪在水下的有效射程为15 m。从以上水下枪械性能来看，水下枪械在水中的有效射程集中在10～30 m 之间。

将枪榴弹装备于蛙人用于水下作战，利用枪榴弹在水下爆炸过程中产生的冲击波对敌方造成有效杀伤可增大水下枪械的杀伤威力和杀伤范围。由于作战环境的限制及作战原理的不同，水下枪榴弹的应用不同于普通的水下枪械，会涉及到水下射程与延期解除保险距离、战斗部威力与射击精度之间的性能指标难以匹配问题。本文针对此问题，提出了水下枪榴弹延期解除保险性能指标分析方法。

1 水下爆炸冲击波理论基础

文献［2］介绍，水中爆炸产生的冲击波到来时伴随有急剧压力突跃，该压力通过压迫作用损伤人体，使人体脏器（胃、肠、肝、脾、肾等）特别是充有空气的器官受到破坏。爆炸时伴生的峰值超压是人体受冲击波作用产生易损性的主要原因之一。峰值超压一般不单独用来估计人体对爆轰波的耐受程度，但“在持续时间极短的单脉冲条件下和研究某些生物系统的效应时，可单独用峰值超压预测人体对爆轰波的耐受程度”［3］。距爆源较近处的水下爆炸冲击波超压作用时间极短，故可单独用峰值超压预测人体对爆轰波的耐受程度。水中爆炸冲击波的超压峰值的计算公式为［4］：

式（1）中Δp为水中冲击波超压峰值，MPa；Q为炸药药量，kg；R 为距爆源中心的距离，m；K、α为水中冲击波超压系数。

式（1）作为一个经验公式有其应用的条件，TNT 炸药的水中爆炸相似系数及应用条件见表1。

表1 TNT炸药的水中爆炸相似系数和应用条件［4］Tab.1 The factors of shock wave pressure and the applicable condition for underwater explosion of TNT［4］

对不同炸药的K、α 值，文献［5］中给出了计算公式并通过计算方法求得了典型炸药水下爆炸冲击波压力K、α的计算值，见表2。

表2 典型炸药水下爆炸冲击波压力K、α 的计算值Tab.2 Calculated results of factors（Kandα）of shock wave pressure for underwater explosion of typical explosives

2 利用水下爆炸冲击波理论对杀伤半径与安全距离的确定

2.1 水下爆炸冲击波杀伤半径分析

文献［3］根据对各种动物的试验数据总结出在短时间超压作用下造成50% 死亡率的超压公式：

式中P50为造成50% 死亡率的超压（MPa）；m为人体质量（g）。

由式（2）可计算出对不同体重的人造成50%死亡率所需的超压值，见表3。

表3 造成不同体重的人50% 死亡率的超压值Tab.3 The overpressure which can make people in different weight 50% mortality

取有效杀伤系数k=1.8，通过表3可知对体重为80kg的人造成有效杀伤的超压值为Δp=kP50=1.8×3.23=5.81 MPa。据此可估计峰值大于6 MPa的水下爆炸冲击波能导致人体死亡，或造成有效杀伤。根据水中爆炸的相似率，在对敌实施打击时，要使敌方处于爆炸物的杀伤半径Ra（此处取杀伤半径内冲击波超压峰值Δp≥6 MPa）之内。

表4为根据式（1）计算出的不同杀伤半径对应的部分炸药的装药量。从中可以看出，在杀伤半径相同的情况下，四种炸药中PBX-1炸药所需装药量最小，而JHL-3炸药所需的装药量最大。当杀伤半径较小时，四种炸药所需装药量相差不大，如杀伤半径为1m 时，JHL-3炸药的装药量只比PBX-1炸药的装药量多0.8g；但杀伤半径较大时，不同炸药所需的装药量相差较大，在杀伤半径为10 m 时，JHL-3炸药的装药量比PBX-1 炸药的装药量多出约0.8 kg。如果水下枪榴弹需要以较小的装药量产生较大的杀伤效果，采用PBX-1炸药是比较合适的。

表4 不同杀伤半径对应的不同炸药的装药量Tab.4 The charge of explosives corresponding to different kill radius

2.2 水下爆炸安全距离分析

利用水下爆炸杀伤敌人的同时，更要重视对自我的保护。当与爆炸中心距离小于安全距离Rs时，水下人员会处于不安全的环境中。对于水下生物的保护，文献［6］介绍“在目前试验资料还不够丰富的情况下，为确保安全，一般以0.20 MPa作为水下冲击波超压的安全允许标准”，文献［2］中给出了水中鱼类受水中爆炸冲击波压力而损害的情况，见表5。

从表5来看，以0.20MPa作为水下生物所能耐受的冲击波超压安全允许标准是可以接受的，故此处认为水下人员通过一定的安全防护可以耐受0.20 MPa 水下爆炸冲击波超压的作用。以0.20 MPa确定水下安全距离，式（1）已经不再适用。文献［2］中介绍，“在距爆源足够远处，对水下冲击波峰值小于100 MPa的水下弱冲击波，符合声学近似规律，此时水中冲击波超压随距离呈线性衰减”，即：

式中Pm与P′m分别为距爆心R 和R′处的冲击波超压峰值压力；P0为水中初始静压力。

表5 水中鱼类受水中爆炸冲击波压力损害的情况Tab.5 The status of fish in water damaged by shock wave pressure of underwater explosion

3 水下枪榴弹设计理论分析

为保证水下人员的人身安全，枪榴弹的射程应不小于水下人员距枪榴弹爆炸中心所需的安全距离Rs。以可对目标造成有效杀伤的水下爆炸冲击波超压峰值确定枪榴弹的杀伤半径Ra时，杀伤半径Ra可通过 式（1）得出，进而通过式（3）估算安全距离Rs和枪榴弹所需最小射程L。

表6为JHL-2、JHL-3炸药在不同装药量下的杀伤半径Ra、安全距离Rs及枪榴弹所需的最小射程L。采用5g的JHL-2或JHL-3作为水下枪榴弹的主装药时，杀伤半径约为1.3m，而所需最小射程接近40m。目前水下枪械的有效射程集中在10～30m之间。若以目前水下枪械所能达到的有效射程30m作为优先考虑的设计指标时，水下枪榴弹的杀伤半径约为1m，相较于水下枪械的点射有一定的优势。如果以杀伤半径作为优先考虑的设计指标时，杀伤半径的增大会导致枪榴弹在水下作战中的应用面临着有效射程与延期解除保险距离难以匹配的问题。

延期解除保险距离的确定，有助于探讨水下枪榴弹新的作战方式。解决枪榴弹水下作战应用中有效射程与安全距离难以匹配的问题可采取措施尽可能提高枪榴弹的有效射程，如采用火箭增程（但采用火箭增程有可能会降低命中精度，使精度与杀伤半径匹配不上）。改进防护装备使水下人员能够承受更大爆炸冲击波超压的作用，缩短安全距离，使有效射程满足安全距离的要求。另外可探讨定向能如聚能装药技术辅助解决有效射程与安全距离之间的矛盾。

表6 JHL-2、JHL-3炸药不同药量的杀伤半径、安全距离及所需最小射程Tab.6 The kill radius，the safe distance and the minimum range of JHL-2and JHL-3in different charge

4 结论

本文提出了水下枪榴弹延期解除保险性能指标分析方法。该方法依据水下爆炸产生的冲击波超压峰值估算水下枪榴弹爆炸时的杀伤半径与安全距离。水下枪械所能达到的有效射程为30 m 时，该方法确定的水下枪榴弹的杀伤半径接近1m。如果增大杀伤半径，水下枪榴弹将面临着水下射程过小与延期解除保险距离要求过大、战斗部威力过小与射击精度过低从而难以匹配的矛盾。下一步可从提高枪榴弹的有效射程、改进水下人员的防护装备等方面采取措施。

［1］卞荣宣.世界轻武器100 年［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［2］恽寿榕，赵衡阳.爆炸力学［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［3］张国伟.终点效应及其应用技术［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［4］Cole R H.Underwater Explosion［M］.Princeton NJ：Princeton University Press，1961.

［5］周霖，徐少辉，徐更光.炸药水下爆炸能量输出特性研究［J］.兵工学报，2006，27（2）：235-238.

［6］汪旭光，郑炳旭，张正忠，等.爆破手册［M］.北京：冶金工业出版社，2010.