水下爆炸冲击伤阈值与安全距离计算综述

姜 涛,鞠翔宇,吴 德

(海军潜艇学院,山东 青岛 266000)

水下爆炸产生的冲击波等载荷对水下作业潜水员有着极大的安全危害。水下爆破作业时,为避免水下作业人员遭受爆炸冲击伤,需要划定足够大的安全范围,清场水下潜水员和其他水下作业人员,必要时还应事先驱赶海洋生物。目前,水下冲击伤阈值数据多参考国外相关研究结果[1-13],多次引用后,导致数据源头不清,数据的可信性、准确性存疑。同时,水下爆破人员安全范围计算方法较多,其计算结果相差较大,对水下爆破安全距离划定带来诸多不便。我国《爆破安全规程》(GB 6722-2014)对于潜水员水中冲击波安全允许距离的规定中仅明确了装药量小于50 kg水中裸露装药的安全距离为1 200 m[14],对于更小的装药量,没有给出进一步的规定,使得小药量装药爆破作业安全距离划定缺乏依据[14]。为了使水下爆破安全距离计算更加准确,本文追根溯源,力求找到各个计算方法的源头数据,确保数据的准确性。

1 现有研究结论

1.1 国内外研究现状

美国、英国在20世纪70年代,开展了一系列关于水下爆炸对潜水员冲击伤的研究,并致力于得到水下爆炸可能对潜水员的致命伤害和依据此得到的水下爆炸安全距离[7]。国内在十五期间,进行了一系列水下爆炸冲击伤特点及防护的动物试验研究,取得了不少重要数据和结论[15-21]。

1941年至1951年,英国皇家海军生理研究室(Royal Naval Physiological Laboratory )开展了大量的动物和潜水员水下爆炸冲击耐受试验[7]。共有60名潜水员参加了该系列的试验,炸药用量分别为 0.57 kg和11.3 kg(文献未明确炸药种类)。试验中,0.57 kg炸药位于9.1 m水深处,被试潜水员位于水深3.05 m处,潜水员水平距炸药从远至最近33.5 m;11.3 kg炸药位于9.1 m水深处,被试潜水员位于水深15.3 m处,潜水员水平距炸药从远至最近65.5 m。试验中,潜水员身体出现了明显的冲击伤情,对于确定潜水员冲击伤阈值具有极大的指导作用。

1942年,美国官方在Stump Neck组织潜水员水下爆炸耐受试验。7名潜水员位于5.5～6.1 m水深的河底,0.45～4.5 kgTNT位于河底引爆。试验中潜水员穿潜水服,用管供式潜水装具。试验证明,潜水员着管供式潜水装具与自携式潜水装具具有相似的爆炸冲击波感受。

1942年,美国官方在USS WASSUC开展试验。试验中,潜水员位于水下26 m,着干式潜水服,25 kg硝铵炸药位12.2 m水深,潜水员水平距离炸药480 m;136 kg TNT炸药位于18.3 m水深,潜水员水平距离炸药1 234 m。潜水员的感觉仅仅是响声,没有感受到强烈的冲击波。试验给出了潜水员远距离炸药的感受,虽未得到有效阈值信息,但对于后续试验的安全距离预估有一定指导意义。

1970年,美海军弹药试验室等多家机构开展了羊、狗、猴等动物水下爆炸耐受试验,试验得到如下结论[11]:水下爆炸冲量达到40 psi·ms,可以致(羊)中等程度伤害;20 psi·ms可致轻度伤害,5 psi·ms不会引起任何损伤。试验结合冲击波测试手段,给出了动物(羊)的抗水下爆炸冲击波阈值。

1970年,美军潜水手册给出了潜水员水下爆炸冲击波损伤耐受阈值[15]。这一阈值的给出是建立在Bebb和Wright以及美国海军弹药试验室(Naval Ordnance Laboratory)在USS Wassuc舰船和在Stump Neck试验中的结论。手册指出,当水下爆炸冲击波压力大于3.45 MPa(500 psi)时,可造成潜水员肺和消化道的严重损伤,甚至死亡;当水下爆炸冲击波压力超过13.8 MPa(2 000 psi)时,潜水员死亡。手册规定,水下爆炸发生前,潜水员应尽可能地浮出水面和远离爆炸区域。如果潜水员必须留在水中,潜水员承受冲击波压力必须小于0.34 MPa。这是美军建立在已有试验数据的基础上,首次以标准规范的形式给出潜水员水下爆炸冲击波安全阈值。

1995年,Richardson通过研究给出了潜水员体重和冲击阈值之间的关系[7],指出对体重80 kg的潜水员,其50%致死率对应的冲击波冲量为812 kPa·ms;1%致死率对应的冲击波冲量为516 kPa·ms。该文给出了不同潜水员体重与冲击波安全阈值的关系,首次体现了潜水员体质不同带来的冲击波耐受能力的差异。

2014年,B.Capehart等[9]在对自1916年以来的475例潜水员水下爆炸冲击波耐受试验数据进行分析整理的基础上,提出了水下爆炸潜水员50%致死率的冲击波冲量值为600±170 kPa·ms。文中指出,尽管水下爆炸冲击波传播的更远,损伤能力更强,但目前美海军关于水下爆炸冲击损伤风险评估的指导性文件(海军潜水手册)仅以3.44 MPa冲击波超压作为人体致伤的阈值显然与试验数据不符。与空气爆炸冲击波不同,水下爆炸冲击波波形受装药水深、海区水深、水面反射、水底反射、气泡脉动等多种因素影响,因此仅以冲击波压力难以确定潜水员损伤程度。该文明确指出了美军潜水手册规定的以水下冲击波作为安全阈值的局限性,提出了后续研究潜水员水下爆炸冲击安全的主要方向。

国内关于水下爆炸冲击伤的研究起步较晚,前期研究以引用美国相关试验、标准数据为主[1-6]。2000年前后国内开始进行水下爆炸动物冲击波耐受试验。

王正国院士[1]指出,水下人员冲击波安全阈值为压力0.03 MPa(0.3 kg/cm2),人员可能致死的压力为17.6 MPa(176 kg/cm2(250 psi),此处单位换算应存在错误,应为17.6 kg/cm2,即1.76 MPa)。

黎鳌等[2]指出,水下冲击波峰值压力大于3.45 MPa时,可致人员损伤;大于13.75 MPa时,可致人员死亡(应为参考美军潜水手册)。同时指出,空气中能够导致鼓膜破裂的冲击波超压值是34.5 kPa(5 psi),50%鼓膜破裂的冲击波超压值为103.4 kPa(正压作用时间2 ms),约为50%致死率冲击波超压值的1/4-1/5(即50%致死率的冲击波超压值为20.68～25.85 kPa)。

我国在2001年(第十个五年计划)开始对水下爆炸冲击伤问题进行系统研究,通过大量的动物试验数据,得到了动物(狗)水下爆炸冲击伤阈值,为水下爆炸冲击伤的诊断、救治及防护提供了试验依据[16-24]。

1.2 冲击伤安全阈值

水下爆炸引起潜水员冲击伤的主要原因是水下爆炸冲击波载荷的作用。描述水下爆炸冲击波载荷强弱的主要指标为冲击波峰值压力和正压作用时间。冲击波峰值越大,正压作用时间越长,潜水员冲击伤越严重。因此,在水下爆炸冲击伤试验中,均以潜水员承受的冲击波超压峰值,或是冲击波峰值超压与作用时间之乘积,即爆炸冲击波比冲量,作为判断潜水员水下冲击伤的依据。根据潜水员水下冲击伤的严重程度,可将潜水员水下冲击伤分为致死、严重、中等、轻度和无损伤等几个级别,导致潜水员发生与各个级别冲击伤标准对应的最小冲击波峰值超压或比冲量即为各级别冲击伤的阈值。不同标准规范中规定的潜水员水下冲击伤阈值如表1所示。并依据阈值和水下爆炸冲击波载荷计算方法[5],给出1、5、10、50 kg TNT装药水下爆炸对应的安全距离。

表1 潜水员水下冲击伤阈值及对应安全距离

1.3 致死及安全距离计算

1.3.1 致死距离计算

Bebb和Wright根据大量试验,得到水下爆炸冲击波峰值超过12 MPa(冲量700 kPa·ms)或4.3 MPa(冲量4 900 kPa·ms)将致潜水员死亡这一判据,给出了TNT装药量在0.45～136 kg范围内潜水员致死的距离计算公式[7]:

RL=3.17W0.5

(1)

式中:RL为致死距离,m;W为TNT炸药量,kg。

美军海军潜水手册依据冲击波峰值超压13.8 MPa潜水员致死阈值条件,给出了水下爆炸致死距离计算公式:

RL=3.17W0.33

(2)

1.3.2 安全距离计算

美军海军潜水手册依据冲击波峰值超压0.34 MPa阈值条件[15],给出了水下爆炸安全距离计算公式:

RS=83.2W0.33

(3)

式中:RS为安全距离,m。

Nedwell等[7]考虑了潜水员水深和装药水深的影响,给出了水下爆炸潜水员安全距离计算公式(见式4)。该公式被英国国家标准使用(BS5607,Code of practice for safe use of explosive in the construction industry,British standards Institude,1998)。

RS=22.5W0.2d0.33h0.33

(4)

式中:d为潜水员水深,m;h为装药水深,m。

《爆破安全规程》GB 6722-2014以及1991交通部颁布的《水运工程爆破技术规范》有相同规定),在水深不大于30 m的水域内进行水下爆破,水中冲击波的安全距离应遵守表2之规定[14]。

表2 《爆破安全规程》之潜水员水下爆炸安全距离

为使小药量装药水下爆破安全距离计算更加准确,用不同安全距离计算方法计算1、5、10、50 kg TNT装药的水下爆破人员安全距离,比较结果如表3所示。当使用TNT外其他炸药时,可依据炸药爆炸威力TNT当量系数进行换算。

2 结果与讨论

2.1 不同试验得到安全阈值差异的原因分析

通过对国内外水下爆炸潜水员冲击伤阈值及安全距离计算方法梳理归纳总结,不同人员研究的结论出入较大,原因有以下几点:

1)潜水员水下损伤程度表述有较大不同。有些试验以出现致死样本作为研究对象,有些试验以全部样本死亡作为研究对象,有些以1%、50%致死率作为研究对象。重伤、轻伤、肺损伤、腹部损伤等不同伤情诊断也存在标准的差异。

2)水下试验时,潜水员和装药水下状态、药量大小、试验水域水深等水文气象条件等不同。如:装药距水底越近,其水底反射作用越强,冲击波载荷越大,反之装药距水面越近,水面对冲击波的截断效应越强,冲击波载荷,尤其是冲击波冲量就会越小;潜水员(或动物试验样本)在水下垂直还是水平状态、面向还是背向爆源等姿态均对试验结果有较大影响;潜水员是否着潜水装具、是否着潜水服,对试验结果影响更大。

3)每次试验的数据均较少,导致个体差异对试验结果影响较大。已有水下爆炸冲击耐受试验,试验样本少则几个,多则几十个,且要考虑不同装药量、不同水深、距爆源不同距离等众多因素,导致每个试验的样本很少。试验样本为潜水员或动物,个体差异难以消除,也对试验结果有较大的影响。

2.2 阈值与安全距离计算方法使用建议

依据对已有国内外潜水员水下爆炸冲击伤阈值和安全计算方法的梳理、归纳、总结,给出如下使用建议:

1)使用爆炸冲击波超压作为冲击波损伤阈值,建议采用美国海军潜水手册中的冲击波压力阈值数值。且由于美国海军潜水手册仅考虑冲击波超压峰值,未考虑正压作用时间,不适于大当量装药水下爆破使用。

2)使用爆炸冲击波冲量作为冲击波损伤阈值,建议使用佩芳、杨志焕、蒋建新等(动物试验)或Richardson(1973、1995)给出的阈值数值,二者阈值差别不大,且有试验数据支撑,可信程度较高。

3)如使用安全距离计算公式计算,小装药量水下爆破建议采用公式(3)计算。大装药量水下爆破建议采用冲量标准(参见上一条建议)计算或使用《爆破安全规程》规定之计算方法。

4)公式(4)虽然增加了水深深度的影响因素,但考虑过于简单,水深过大或过小,均会有较大的误差,不建议使用。

3 结语

通过对水下爆炸冲击伤阈值国内外试验数据的梳理,归纳总结了已有的水下爆炸冲击伤阈值数据,对水下爆炸人员冲击伤安全判据有了比较全面的总结。文中引用的数据均基于试验数据的整理的一手资料,或是国内外相关规范,数据具有较高的准确性。并依据水下爆炸冲击伤的损伤阈值,给出了1、5、10、50 kg小药量装药的安全距离计算方法。