某单兵无后坐力炮后喷区域危险性综合评估

庞春桥， 陶钢， 闻鹏， 李智宇， 任保祥， 王小峰

(南京理工大学 能源与动力工程学院， 江苏 南京 210094)

0 引言

单兵无后坐力炮等反坦克类型的直瞄武器具有一个共同的特点，即发射时后方会产生高速燃气射流，并伴随冲击波、火焰以及密封堵盖碎片形成危险区。对单兵无后坐力炮后喷区域危险性进行综合评估有利于进一步了解该类型武器的使用性能。在以往的研究中，文献[1]通过理论和试验的方法对单兵火箭的后抛物进行了研究；文献[2]通过数值模拟方法对单兵火箭后喷流场进行了模拟，验证了液体平衡体的降噪和消焰降温作用；文献[3-5]对爆炸伤的各级毁伤元进行了定性分析；文献[6-7]定量地分析了冲击波对人体的毁伤作用；文献[8]总结了爆炸超压对生物非听觉器官的毁伤研究；文献[9]给出了热流对人体的创伤概率；文献[10]通过数值模拟方法研究了爆炸冲击波对肺组织的损伤；文献[11]通过试验方法研究了爆炸冲击波对生物目标的毁伤准则；文献[12-13]规定了常规兵器发射时，脉冲噪声和冲击波对人员听觉和非听觉器官损伤的安全限值。然而针对单兵无后坐力炮等类型武器后喷危险区对人员造成的创伤，一直以来缺少系统的综合评估方法。因此，迫切需要给出一种能够同时得到后喷危险区中人员创伤类型和创伤概率的科学方法，以便指导该类型武器的操作使用。

本文将试验方法和概率模型相结合，提出了一种能够有效评估单兵无后坐力炮发射时后喷危险区内人员创伤的方法。该方法可以同时给出危险区内的人员在受到不同危险源作用时的创伤类型及相应的创伤概率，评估结果更加直观。本研究可以为单兵无后坐力炮及其同类型武器后喷危险界的确定提供参考，为使用性能提供科学的指导。

1 危险源试验

单兵无后坐力炮在发射过程中，后喷区域内的危险源主要包含：冲击波，热流，高速燃气喷射时的气流冲量以及密封堵盖碎片。其中密封堵盖碎片形状不规则，飞行状态不稳定，难以对其进行定量化分析，因此本文不对其进行分析讨论。

1.1 测试系统布置

图1 冲击波及热流测试示意图Fig.1 Schematic diagram of shock wave and heat flux test

图2 燃气射流冲量测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of gas jet impulse test system

为了有效评估单兵无后坐力炮发射时后喷区域内不同危险源对人员的创伤类型和创伤概率，测试系统布置如图1和图2所示。发射器水平置于炮架之上，超压传感器及热流传感器按图1所示位置安装在支架上，高度与发射器平齐。为了得到扇形危险区内不同位置处的超压值，除30°方向外，在0°方向的3.00 m、3.75 m、5.00 m处，45°方向的1.00 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、5.00 m处，60°方向的0.58 m、1.00 m、1.50 m处同样进行了超压测试。对于后喷燃气射流，应用位移传感器和滑动炮架设计了气流冲量测试试验，具体实施方法如图2所示，其中摆杆、燃气挡板和滑块组成一个整体，在燃气射流冲量作用下绕右侧的支架转动。通过位移传感器可以间接测得结构整体的转动角速度，然后根据角动量定理即可计算得到燃气射流冲量。测试传感器分别为瑞士Kistler公司产压电式石英传感器、美国Medtherm公司产Gardon型热流传感器以及中国上海极典公司产位移传感器，具体参数如表1所示。数据采集设备为奥地利Dewetron公司产2010型数据采集仪(采样频率为50 kHz)。此外，为了更加直观地得到后喷燃气射流火焰区大小，利用日本Fastcam公司产 Mini UX50型高速相机(拍摄帧率为8 000帧/s)记录单兵无后坐力炮发射过程。

1.2 试验结果

经过对多次测试结果的筛选，去除异常信号后可以得到后喷危险区内不同位置处的冲击波超压，以及图1中所示热流传感器所在位置处的热流强度和持续时间。其中冲击波超压按文献[14]中的方法读取，热流强度和持续时间按图3的方法读取。具体结果如表2和表3所示。

表1 传感器参数

图3 热流参数Fig.3 Heat flux parameters

表2 后喷区内超压测试结果

表3 后喷区内热流测试结果

在试验过程中，高速相机记录了某单兵无后坐力炮后喷火焰区域的直径约为2.18 m，如图4所示。

图4 后喷火焰Fig.4 Flame in back-ejection area

根据本文设计的燃气射流气流冲量测试方法，对滑块位移测试数据进行1阶求导，得到滑块的位移和速度随时间变化曲线如图5所示，不同位置处的滑块速度如表4所示。

图5 滑块位移及其速度Fig.5 Displacement of slider and its speed

燃气射流挡板与喷口距离/m123滑块滑动速度/(m·s-1)1.2470.7280.529

2 创伤概率分析

2.1 超压创伤

冲击波超压对人体的创伤与身体部位有很大的关系，因此不同的器官在冲击波的作用下有着不同的动力学过程。冲击波对人体的创伤是因为人体内的可压缩性组织(即含气器官)会发生体积变化，造成器官迅速扭曲，所以含气组织最容易受伤，其中肺组织的创伤程度是致命的关键因素。冲击波对人体的创伤主要有肺组织创伤和鼓膜创伤。试验测得了某单兵无后坐力炮发射时后喷区内不同位置处的超压值(见图6)，为了得到后喷区内等值创伤曲线需要对试验结果作进一步处理分析。

图6 拟合曲线与试验数据的对比Fig.6 Comparison of fitting curves and test data

冲击波在空气中的传播具有一定规律，参考爆炸冲击波衰减规律，对试验中不同角度下的超压值采用最小二乘法进行拟合，可以得到相应的拟合公式：

(1)

式中：Δp为超压(kPa)；R为距离(m)；A、B、C为拟合参数，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.

根据图6中的对比结果可知，拟合函数得到的结果与试验测试结果具有很好的一致性，因此，拟合曲线可以代替试验数据进行冲击波超压对人体的创伤评估计算。Alonso等[6]根据冲击波对人体肺组织创伤和鼓膜创伤的试验结果利用数学分析方法给出了计算肺组织和鼓膜创伤的PROBIT方程。PROBIT方程与创伤概率Pr之间的关系可以通过(4)式[15]计算得到。

Yl=-77.1+6.91ln (Δp×1 000)，

(2)

Ye=-12.6+1.524ln (Δp×1 000)，

(3)

(4)

式中：Y为PROBIT方程计算得到的参数，即Yl和Ye；u为积分变量的计算微元。

根据(1)式、(2)式和(4)式的依次求解可以得到单兵无后坐力炮发射时，后喷危险区域内冲击波超压对人体肺组织的创伤概率等值线(见图7)。同理，根据(1)式、(3)式和(4)式可以得到危险区内人体鼓膜的创伤概率等值线(见图8)。

图7 肺组织创伤概率等值线图Fig.7 Contour map of lung tissue trauma probability

图8 鼓膜创伤概率等值线图Fig.8 Contour map of eardrums trauma probability

根据图7中的结果可知，某单兵无后坐力炮发射时，后喷危险区对人体肺组织的创伤分布情况。喷管正后方对人体肺组织的创伤最严重，肺组织创伤概率大于50%的距离达到2.0 m左右，当距离大于2.5 m时，人体的肺组织创伤概率为0%，由此可知，当人员距离喷口超过2.5 m时，在危险区内的任何角度下肺组织均不会受到伤害。由图8可知，与肺组织创伤情况类似，喷管正后方鼓膜创伤概率最大，鼓膜创伤概率大于50%的距离在2.5 m以内，相比于肺组织，人体鼓膜更加脆弱，在本文涉及的区域内，不存在鼓膜无伤的情况。

2.2 热流创伤

单兵无后坐力炮在发射过程中，后方会形成喷火区，人员处于该区域内时会受到热辐射的伤害，其创伤程度由单位辐射功率和作用时间共同决定。Viano[9]给出了爆炸热流对人体创伤的PROBIT方程，

Yh=D+Eln (Δt/1 000×(Q×1 000)4/3)，

(5)

式中：Q为热流强度(kW/m2)；Δt为热流作用时间(ms)；D、E是由爆炸热流对人体的创伤试验获得的参数。PROBIT方程分为4种情况：1级烧伤、2级烧伤、有防护致死、无防护致死。1级烧伤情况下D=-39.83，E=3.018 6；2级烧伤情况下D=-43.14，E=3.018 8；有防护致死情况下D=-37.23，E=2.56；无防护致死情况下D=-36.38，E=2.56. 根据表2中热流测试结果，利用(5)式和(4)式可以得到喷火区内热流对人员的创伤概率，结果如表5所示。

表5给出了某单兵无后坐力炮发射过程中，后喷火焰区内3个不同位置处对人员的创伤情况。根据以上结果并参考图4后喷火焰尺寸可知，越靠近火球中心，热流对人体的创伤越严重，当人员处于火球中心位置时，其发生1级烧伤的概率将大于46.95%，但是热流创伤不足以致命。

表5 4种情况下的热流创伤概率

2.3 燃气射流创伤

为了平衡发射时的后坐力，单兵无后坐力炮在发射过程中会向后方喷射大量火药燃气。当高速运动的火药燃气受到物体的阻挡作用时，会在物体表面形成很大的气流冲量，造成结构的破坏和人体的损伤。值得关注的是，该冲量与冲击波动冲量不同，动冲量是冲击波阵面处的压缩空气流动造成的，而燃气射流冲量是发射药的燃烧产物高速流动造成的，相比动冲量而言，燃气射流冲量要大得多。本文设计了一种测试单兵无后坐力炮后喷燃气射流气流冲量的装置，结构如图2所示。结构中摆杆的尺寸为长3 m，直径0.016 m；燃气挡板位于摆杆正中心，尺寸为0.15 m×0.15 m×0.006 m；滑块的尺寸为0.1 m×0.1 m×0.216 m. 摆杆、燃气挡板和滑块组成一个整体，在气流冲量作用下绕图2中右侧的支架转动。根据角动量定理可知：

Jω=Ftl/2，

(6)

ω=v/l，

(7)

式中：J为转动惯量(kg·m2)；ω为转动角速度(rad/s)；F为作用在燃气挡板上的力(N)；v为滑块运动速度(m/s)；l为摆杆长度(m)。

转动惯量的计算可通过Solidworks软件辅助完成。本文中涉及的转动惯量为163.04 kg·m2，根据(6)式～(8)式以及表4中的试验结果计算可知喷管正后方不同距离处燃气射流的气流冲量值I，

I=Ft/S，

(8)

式中：S为燃气射流挡板的面积(m2)。I的计算结果如表6所示。

表6 燃气射流的气流冲量

当人体受到燃气射流冲击时，准确的杀伤判据目前还没有。目前的损伤数据主要来源于汽车事故和炸药爆炸对人体模型的终点效应，具体创伤准则如表7所示。人体在燃气射流冲击作用下会发生运动，且根据动量定理可知：

ISp=mpvp，

(9)

式中：Sp为人体截面积(m2)；mp为成年男性体质量(kg)；vp为人体运动速度(m/s)。

表7 撞击创伤准则[16]

当人员处于站立状态时的截面积为0.5 m2，成年男性体重为70 kg，通过表6、(9)式及对比表7中的创伤准则可以得到人体在某单兵无后坐力炮后喷燃气射流作用下的创伤结果，如表8所示。

表8 燃气射流创伤概率

3 结论

本文通过试验方法对单兵无后坐力炮发射时的冲击波超压、热流强度以及燃气射流喷射时的气流冲量进行了测试，将试验方法和概率单位模型相结合，提出了一种能够有效评价单兵无后坐力炮后喷区域危险性的综合评估方法。得出以下结论：

1)冲击波超压会对人的鼓膜和肺组织造成创伤，且喷管正后方的创伤程度最大，肺组织创伤概率大于50%的距离达到2 m左右，当距离大于2.5 m时，人体的肺组织创伤概率为0%. 相比于肺组织，人体鼓膜更加脆弱，在本文研究涉及的区域内，不存在鼓膜无伤的情况。

2)越靠近喷火区域中心热流强度越高，当人员处于火球中心位置时，其发生1级烧伤的概率将大于46.95%，但是热流创伤不足以致命。

3)高速燃气射流产生的气流冲量对人体的创伤具有致命性，特别是当人体头部受到撞击时，致命概率>50%的距离达到3 m. 该危险源是主要的致命因素。

4)该方法评估结果更加直观，可以为单兵无后坐力炮及其同类型武器后喷危险区域的确定提供依据，为使用性能提供科学的指导。