云爆弹对地面人员综合杀伤的仿真评估研究

刘想炎，黄振贵，陈秋元，吴国袁，李其然，陈志华

(1.南京理工大学 a.能源与动力工程学院; b.瞬态物理国家重点实验室， 南京 210094；2.中国航天科技集团公司八院八部， 上海 200233)

云爆弹自第二次世界大战出现后，由于其在战场打击中不仅能够直接打击到地面上的人员目标，同时因其云雾性能，还能对地上和地下工事内的人员和设备造成毁伤，成为了当今的热点研究方向。从国内外对云爆弹的研究上来看，主要集中在对云爆弹的弹药和结构设计[1-2]、云爆弹的云雾生长规律[3-5]和抛洒特性[6]、云爆弹的超压分布规律[7]以及超压威力评估[8]上的研究。但是随着弹药的发展，云爆弹的杀伤原理不仅仅只有超压作用，当今云爆弹的杀伤机理还包括热辐射、窒息等。但是目前在对于云爆弹的多重杀伤作用的研究上，结合多种杀伤作用形成的仿真评估系统相对较少，而对于实时战场决策来说，打击前对弹药进行杀伤作用评估是必不可少的。

因此，本研究为解决当前云爆弹的综合杀伤评估模型缺失问题，通过结合云爆弹的超压和热辐射作用原理，提出了一种针对地面人员目标的杀伤评估模型，并进行仿真程序的编写，以此为战场实时决策提供依据。

1 综合毁伤模型的建立

1.1 云爆弹作用机理

1.1.1云爆弹对人员目标的综合杀伤过程

云爆弹的杀伤过程从云爆剂的抛洒形成云雾团开始，云雾团点燃后，首先形成一个巨大的火球，火球内部以及火球周围一段距离内的热辐射作用极强，通过热作用直接对人员造成伤亡；同时，云爆弹在爆炸后还会产生以爆炸点为中心的冲击波，当冲击波峰值及其冲量达到人员受伤阈值时，也会对人员造成杀伤。其次，随着云爆剂的燃烧，氧气消耗量变大，同时还会引起云雾区内其他可燃物的燃烧，加大氧气消耗，从而造成严重缺氧，对人员形成窒息作用。

根据文献[9]，云爆弹爆炸后以云雾区为基准，向外依次形成近场和远场，而因为窒息作用主要发生在云雾区内，所以在近场、远场内的窒息作用可以不做考虑。同时在云雾区中还具有很强的超压和热辐射作用，因此在云雾区内超压、热辐射和窒息作用三种效果下人员必然死亡， 则云雾区内的人员杀伤效果可直接评定为致死。故在本次仿真模型的建立中不考虑窒息作用，仅结合超压和热辐射两种杀伤作用建立毁伤模型。

1.1.2超压作用的压力计算和冲量计算

炸药在空气中爆炸后，某点爆轰波的超压峰值会在传播过程中随着与炸点间的距离的增大而衰减。因为在本文的杀伤模型的计算中并未考虑各种杀伤作用的持续时间问题，同时依据文献[8]，对于云爆弹的压力峰值计算可采用与杀爆弹超压分布计算相同的计算方法，所以距爆炸中心任一距离R处的超压峰值的计算公式[10]为

(1)

(2)

式中：R为距炸点的距离(m)；Mw为TNT炸药质量(kg)；冲量I可以根据以下经验公式[11]：

单位，[I]=kg·s/m2。此式适用范围：r>12r0，r0为装药的半径。其中：I为爆炸产生的空气冲击波作用在目标上的冲量；W为该炸药的TNT当量(kg)，其中W=WiQvi/QvTNT；Wi为该炸药的质量；Qvi为该炸药的爆热(J/kg)；QvTNT为TNT的爆热，QvTNT≈4 187 J/kg；r为距爆炸中心的距离(m)；A为由实验确定的系数。

1.1.3热辐射下的热通量计算

云爆弹在飞抵目标上空一定高度时，在抛洒云爆剂后迅速爆炸并形成一个高温火球，在仿真过程中忽略火球的作用时间的长短，直接选用瞬时产生的热通量作为评定对人员杀伤作用的主要参数。热通量计算表达式为[12]

(3)

式中：q为距离为r处目标接收到的热辐射通量(W/m2)；r为测点至爆点的距离(m)；T为火球温度(K)；Wq为基于热通量的TNT当量(kg)。

1.2 杀伤准则

人员在超压作用下的杀伤程度，不仅与超压的大小有关，还与超压作用在人员目标上的时间长短有关，同等超压值下作用的时间长短不同，所造成的人员杀伤程度也会不同，所以综合作用时间和超压作用峰值形成以下杀伤准则，可用公式表示为：

(Δp-pcr)(I-Icr)=C

式中：Δp为冲击波超压(Pa)；pcr为引起目标破坏的最小临界超压(Pa)；Icr为引起目标破坏的最小临界冲量(Pa)；C为常数，与目标性质和破坏等级有关。

根据文献[12]，超压效应对地面人员目标的毁伤效果范围划分如表1所示。

热辐射作用下，忽略热作用时间，根据文献[12]，可划分出了4种杀伤程度的评判标准如表2所示。

表1 超压杀伤准则压力范围

表2 热辐射杀伤准则

在毁伤作用中，可将超压作用毁伤和热辐射作用毁伤看作两个相互独立的事件，则单发云爆弹对地面人员目标的毁伤概率计算公式为：

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

式中：Pc为超压作用对目标毁伤概率；Pr为热辐射作用对目标毁伤概率；Pcr为单发云爆弹对地面人员目标综合毁伤概率。

1.3 计算机仿真流程

图1为仿真流程，仿真开始时，输入弹药参数和弹目交汇时弹体末状态参数，包括战斗部装药类型、战斗部装药量、云爆剂喷洒半径、爆高和人员姿势。通过输入参数计算战斗部装药量当量和弹目相对距离。然后计算目标点的热通量和超压，按照杀伤准则表计算各个毁伤效应在目标点的杀伤概率，最后计算对目标点的综合效应杀伤概率[13]。使用循环过程，计算所有点的综合效应杀伤概率并输出，最后程序结束。

2 综合毁伤结果的仿真计算

在完成仿真程序的编写后，选择人员姿态均为站立，弹药参数如表3所示。

将上述参数代入仿真系统，得出综合杀伤效果如图2～图4所示。

由图2可以得出在该种情况下热辐射杀伤概率大于10%的面积为17 700 m2，由图3可以得出超压杀伤概率大于10%的面积为6 400 m2，热辐射情况下的杀伤面积和超压情况下的杀伤面积百分比为2.77。由图4可以得出，致死面积为1 020 m2、重度杀伤的面积为2 830 m2，中度杀伤面积为2 510 m2，通过单次打击后，可以根据具体观察的杀伤情况，决定下次打击的位置。

图1 仿真流程框图

表3 弹药基本参数

图2 热辐射毁伤概率

图3 超压毁伤概率图

图4 综合杀伤概率图

从图5中可以得到随着爆炸高度从40 m下降到20 m，爆炸中心的综合杀伤概率从0.688上升到1，同时致死区域范围半径从0 m上升到27.08 m，在致死区域的边缘，杀伤概率呈大变化曲率趋势下降，当杀伤概率为10%时，杀伤范围在83.4～90.3 m。因此可以得出在弹药特性一致的情况下，弹药的炸高主要对致死区域的范围产生影响，弹药炸点越低，致死半径越大，当杀伤半径大于90 m时，杀伤概率几乎相同。

图5 不同爆炸高度的综合杀伤概率曲线

从图6可以看到随着炸药填充量从60～100 kg，爆炸中心的综合杀伤概率从0.612上升到0.839，杀伤概率曲线变化趋势是相似，均在在20～30 m有一转折点，在此点之前的杀伤概率衰减趋势近似符合一次函数下降规律，斜率为 -0.035 6,这是由于在这段区域内，超压和热辐射的衰减程度是最快的，但是当衰减到和外界的相差值相近时，杀伤概率衰减趋势越来越平缓，这就是转折点之后的情况，当杀伤概率到达10%的范围普遍在40.76～48.10 m。因此可以得出云爆剂填充量在其他条件一致的情况下，主要对弹药中心炸点的杀伤概率产生影响，云爆剂填充量越大，中心爆点杀伤概率越大，而远区的杀伤概率则基本相同，云爆剂杀伤作用集中在云雾区。

图6 不同装药量的综合毁伤概率曲线

3 结论

1) 提出了一种在超压和热辐射作用情况下对地面人员的综合杀伤评估模型。

2) 计算出特定情况下云爆弹毁伤概率图，得出该情况下综合致死面积为1 020 m2、重度杀伤面积为2 830 m2、中度杀伤面积为2 510 m2，并且热辐射的作用范围是超压作用范围的2.77倍。

3) 在弹药特性相同的情况下，得到了爆高不同情况下的仿真杀伤概率图。

4) 在其他条件相同的情况下，得出云爆剂填充量是中心爆点杀伤概率的主要影响因素，云爆剂填充量对云雾区外的杀伤概率影响较小。