基于Q准则的燃烧弹热辐射效果评估研究

安文书,卢 薇,李红欣,马士洲,程万影

(军事科学院防化研究院， 北京 102205)

燃烧武器主要包括喷火器以及各类燃烧弹药等，利用燃烧剂对有生目标实施烧伤，对易燃目标实施引燃、纵火毁伤。随着新质作战力量建设不断增强，燃烧武器的独特毁伤作用成为打击手段的有益补充。例如使用燃烧武器迫使坑道、洞穴、碉堡里面负隅顽抗的敌人离开工事，缴械投降。燃烧武器作为战场上的重要装备，其作用效果评估是作战效能评估的基础，有必要深入研究，拿出真实可信的数据，促进各类武器的融合互补，发挥其最大作战效能。

燃烧效应主要以对流、传导、辐射等方式作用于目标，理论上通常以Baker公式估算燃烧火球的热效应。由于燃烧剂或燃烧武器对目标的纵火毁伤作用是持续性的，通常采用热通量准则(Q准则)评价。但当燃烧武器产生的热辐射作用时间较短时，宜采用热计量准则(Q准则)更为合理。

1 评估模型及准则介绍

1.1 建立评估模型

设计模拟燃烧弹，在空中点燃燃烧剂，形成飞行的火球(火柱)对坑道、洞穴、碉堡等工事里的敌目标实施纵火毁伤。采用正面2 m×2 m，深4 m的混凝土收集靶模拟坑道、洞穴、碉堡等工事，用于评价该弹辐射效果，收集靶及热辐射效果评价示意图如图1。

图1 热辐射效果评价示意图

燃烧弹自收集靶口部作用，分散出燃烧剂形成火球，在惯性作用下，飞入收集靶并在其内部蔓延，对靶部目标实施纵火毁伤，可见燃烧毁伤作用在靶内部是持续性的，而在口部，其辐射作用是瞬时的。该类型弹药的主要目的是迫使敌有生力量逃离隐蔽之处并造成一定的纵火毁伤，同时引燃内部易燃物资，由于口部的毁伤作用是掠过性的，口部热辐射作用最弱，故将试验测试热辐射效果的评估点选在收集靶口部位置。

建立评估模型，该收集靶为模拟坑道洞穴目标，火球自口部飞入时，考虑重力作用，评价测试点位于口部正面左-右-下三点。作用过程中火球飞入工事内，有生目标只能向反向逃生，根据模型空间距离，其反应逃离时间应不超过3 s。

1.2 选取评估准则

热辐射毁伤准则主要有热通量(q)准则，热剂量(Q)准则，热通量-热剂量(q-Q)准则，热通量-时间(q-t)准则，热剂量-时间(Q-t)准则，由于热剂量是热通量的累积，故q-Q，q-t，Q-t是等效的。对于燃烧药剂，评价其热辐射效果，选用热通量准则(q准则)较为合适。对于该类燃烧弹来说，由于飞行速度、作用方式等因素影响，其火球持续时间短暂，评价其热辐射效果，选用热剂量准则(Q准则)较为合适。据此，本文中采用上述两种评估准则进行分析。

1.2.1热通量准则

热通量准则以目标接受的热通量作为衡量目标是否被破坏的参数。当目标接受的热通量等于或大于目标被破坏的临界热通量时，目标被伤害破坏。根据ISO13506—2标准，加载于普通服装外表面的热通量达到84 kW/m2能够导致人员烧伤。因此，本文的热通量准则为热通量(q)数据不小于84 kW/m2。

1.2.2热剂量准则

热剂量准则以目标接受的热剂量作为衡量目标是否被破坏的参数。当目标接受的热剂量等于或大于目标被破坏的临界热剂量时，目标被伤害破坏。根据瞬态火灾作用下的热伤害破坏的临界热剂量，如表1所示，考虑本文前述的评估模型，假设有生目标的3 s逃离时间即热剂量作用时间。

表1 热剂量准则

2 辐射效果估算

燃烧弹作用后形成火球，本质上为液态燃烧剂气化着火产生，对火球和持续时间的研究，在军事及安全评估领域均有应用。模拟弹燃烧剂装填量为1.6 kg，采用适用可燃物为10 kg以下的Hasegawa和Sato模型：

D=5。25W0.314

(1)

t=1.07W0.181

(2)

其中，D为火球直径(m)；t为持续时间(s)；W为燃烧剂质量(kg)。

根据式(1)和式(2)计算火球直径为6.08 m，持续时间1.165 s。上述模型中火球扩散成长数据是在无约束情况下计算得出。而在实际试验测试中，燃烧弹分散后形成火球，在惯性作用下火球并未完全形成，便已经进入收集靶内部，这与采用模型估算火球直径有一定差别。由于燃烧弹作用后并不能立即达到毁伤效果，有生目标会反向逃生，所以火球燃烧持续时间仅做参考。

根据Baker模型，不考虑大气损耗，假设：火球成长过程不变；传导及对流过程远小于辐射传热过程；火球密度和体积稳定；单位质量燃烧剂释放能量与燃烧剂种类无关，得出经验式(3)和式(4)：

(3)

(4)

其中，q为热通量(W/m2)；Q为热剂量(J/m2)；T为火球温度(K)；L为目标至火球中心距离(m)；G为常量0.958×10-7；bG为常量2.04×10-4；F为常量161.7。

根据上述模型估算燃烧弹形成火球的热通量和热剂量，其中，火球温度(T)为燃烧剂静态测试温度1 000 ℃(1 273 K)，目标至火球中心距离(L)为收集靶正面宽度的1/2，即 1 m。计算结果热通量为46.88 kW/m2，热剂量为522 J/m2。

3 辐射效果试验

3.1 试验准备

为了较为准确评估燃烧弹热辐射效果，用热流密度传感器测试热通量值，建立图1所示收集靶进行动态射击试验。试验用热流密度传感器置于洞口左、下、右3个方向，距中心1 m，记录传感器产生电压值并转换为热通量值。试验记录时间10 s，采样率1 000 Hz，预先记录3 s，热流密度传感器参数见表2，试验前传感器通过校准比对，保证试验评价准确性。

表2 热流密度传感器参数

3.2 试验结果

燃烧剂的静态测试试验中，采用热流密度测试时要求至少1个测试点采集的数据满足要求。本文中试验所用的燃烧剂其静态测试热通量均超过84 kW/m2的要求。

试验在满足密集度指标基础上进行，共进行两发试验，测试数据如图2、图3所示。

试验中第1发弹在收集靶口部作用，形成火球后大部分燃烧剂进入靶内部，测试结果显示热流密度数值快速上升，短时间持续后快速下降。第2发弹在收集靶口部偏右侧作用，形成火球后部分燃烧剂没有完全进入收集靶内部，落在口部右侧的燃烧剂持续燃烧，3 s后仍持续形成数个热通量峰值。

图2 第1发试验数据

图3 第2发试验数据

由于热剂量是热通量的累积，可以采用梯形积分式(5)计算热剂量值，测试及计算结果见表3。

(5)

式(5)中:Q为热剂量(J/m2)；q为热通量(W/m2)；t为测试时间(s)；i为测试点。

表3 测试及计算结果

两发均有两个点热通量值达到热通量准则要求，动态试验效果与静态试验类似，第1发下方数据偏大，第2发右侧数据偏大。可以看出，热通量大小与测试点距火球中心的距离相关，与燃烧剂质量相关，而测试数据均大于模型估算值，利用热通量无法准确评估毁伤程度，前文所提及的热通量模型不适用燃烧弹瞬态火球毁伤评估测试。

第1发火球掠过工事口部，热剂量最小值87.5 kJ/m2，达到致人疼痛至一度烧伤程度，说明燃烧弹作用后在火球掠过的瞬间能够扰乱敌方行动。第2发右侧、下方热剂量分别为194.8 kJ/m2和237.6 kJ/m2，达到致人轻伤至二度烧伤的程度，说明燃烧弹准确作用目标后能够瘫痪敌人行动。

4 结论

热剂量准则(Q准则)对于评价某型燃烧弹的热辐射效果较为理想。该试验将燃烧武器置于想定战场环境下评估作用效果，评估方法及数据可以作为燃烧武器战场效能评估的基础，能够在一定程度上克服定性评价燃烧破坏伤害效果的缺陷。