爆震弹近地动爆冲击波超压非致命特性研究

王守仁，马荣华，于寅业，付建平，陈智刚

(1. 中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2. 中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051；3. 晋西工业集团有限责任公司，山西 太原 030000)

0 引 言

闪光爆震弹作为一款威力较大的非致命弹药，其爆炸时产生的声压及瞬时强光辐射可实现震慑、驱散、制服、牵制、干扰有生目标的目的，在反恐、平息暴乱、群体事件中发挥着重要作用. 但是，作为一款非致命防暴弹药，该弹在爆炸时产生的冲击波超压可能会对有生目标的生命安全带来极大的威胁[1]. 秦华杨等[2]对爆震弹的非致命效应进行了评估，提出了闪光爆震弹的冲击波安全半径的理论分析方法，并通过仿真和试验验证了理论分析的正确性； 张国强等[3]利用LS-DYNA软件分析了某型强光爆震弹的冲击波超压致伤特性. 实际作战中爆震弹对目标的攻击是一个动态过程，其致伤特性不仅与装药量有关，还与爆震弹的飞行速度、攻击姿态、爆点以及毁伤元与地面或目标的耦合作用等相关[4]. 因此，研究爆震弹在动爆条件下的近地爆炸冲击波特性不仅更贴近实际作战状态，对于爆震弹的非致命性评估也具有重要意义[5-7].

本文利用AUTODYN软件，对爆震弹近地动爆过程进行建模仿真研究，分析了爆震弹在不同运动速度以及不同高度下的冲击波衰减规律，可对爆震弹设计及非致命性评估提供一定的参考.

1 冲击波传播特性及致伤标准

1.1 近地爆炸冲击波传播特性

装药近地爆炸时，冲击波传播过程一般分为自由场冲击波传播、冲击波正反射、冲击波正规斜反射和马赫反射4个阶段. 如图 1 所示，装药起爆后，瞬间反应成为高温高压爆轰产物，对周围空气进行压缩，形成球面波. 当爆炸冲击波传达到刚性地面时，首先发生规则反射(正反射和正规斜反射)，使地面位置处的空气受压缩，空气的密度和压力急剧上升，形成反射波R，在正规反射区内，地面上方任何位置将受到两次冲击，分别是入射波冲击和反射波冲击. 由于反射波是在入射波压缩之后的流场中传播，其速度大于入射波阵面速度，不断追赶前向初始冲击波. 当入射波与地面夹角达到马赫反射临界角，反射波阵面逐渐追赶上入射波阵面，合成马赫波M. 入射波、反射波和马赫波的交汇点称作三波点. 随传播距离的增大，三波点逐渐离开地面，交点之下为马赫反射区，在马赫反射区内仅受一次由马赫波产生的冲击[8-9].

图 1 近地爆炸冲击波传播过程示意图Fig.1 Near-ground explosion shock wave propagation process

1.2 冲击波致伤标准

爆震弹属于非致命性防暴武器，因而必须将爆震弹的爆炸威力控制在一定范围内，以防止爆震弹对目标产生致命威胁. 爆震弹冲击波对人员的致伤程度取决于冲击波超压值的大小：当冲击波超压峰值大于某一临界阈值时，人员便会遭受相应程度的伤害. 通常将冲击波对人员伤害的程度分为5级：安全、轻伤、中等伤害、严重伤害、极严重伤害[10]. 表 1 给出了人员致伤程度等级及其对应的超压峰值范围[11].

表 1 超压峰值对人体的危害情况Tab.1 Harm of overpressure peak to human body

2 爆震弹结构及数值模拟

2.1 爆震弹结构

以某型64 mm爆震弹为研究对象，该弹采用高低压发射原理，主要结构由药筒组件和弹丸组件两部分组成(如图 2 所示). 弹体组件由壳体、隔板、爆震剂、传爆药等组成； 药筒组件由延期管、连接体、高压室、低压室、盖盂等组成. 弹体外径64 mm，弹长170 mm，壳体厚3 mm，装药高度95 mm，传爆药柱直径3.8 mm.

图 2 爆震弹结构Fig.2 Detonation grenade structure

2.2 TNT当量换算

实际作战中装药外部都有壳体，而且经常是在运动中爆炸. 爆炸后，炸药释放的能量一部分消耗于壳体的变形、破碎和破片的飞散，另一部分消耗于爆轰产物的膨胀和形成空气冲击波. 本文主要是研究爆震弹的冲击波致伤特性，为了减小计算时间并且保证计算精度，对于带壳装药参数首先根据式(1)换算为裸装药的当量，再根据式(2)换算为TNT当量[12].

柱形带壳装药相当于裸露装药的当量

(1)

式中：m1为裸露装药当量，kg；m为带壳装药质量，kg；α为炸药装填系数；r0和rf分别为壳体初始半径和破裂半径，对于钢壳体通常近似取rf/r0为1.4～1.5，铜壳体可取2.25，脆性材料或预制破片应取小些；γ为多方指数.

对于爆热为QvI的爆震剂装药，装药当量为m1时，其TNT当量为

(2)

式中：QvT为TNT的爆热.

2.3 仿真模型建立

如图 3 所示，仿真计算采用多物质欧拉求解器，模型为二维轴对称模型，计算域由炸药和空气两部分组成. 选用TNT柱形裸装药进行计算，引爆方式为底端起爆，装药质量为119 g，装药密度ρ=1.63 g/cm3，炸高H分别取3 m，4 m和 5 m. 采用分步计算方法，先建立二维轴对称空爆模型，映射模型中空气域尺寸为195 mm×614 mm，网格尺寸为1 mm×1 mm，映射后的计算空气域尺寸为H×5 000 mm，网格尺寸为 10 mm×10 mm. 设置空气域的下边界为刚性地面，其余边界设置为Flow-out流出边界，沿地面水平方向距离爆心每隔0.5 m设置一个观测点，高度方向上取地面处和距离地面1.5 m高处分别设置观测点.

(a) 映射前

(b) 映射后图 3 仿真计算模型示意图Fig.3 Simulation model diagram

2.4 材料模型参数

TNT炸药和空气采用AUTODYN自带材料库中的材料，空气采用理想气体状态方程来描述，该方程在模拟气体运动中的应用很多，其将压力和能量联系起来，具体如下：

p=(R-1)ρe,

(3)

式中：R为理想气体常数；ρ为空气初始密度；e为空气比内能. 具体参数如表 2 所示.

表 2 空气状态方程参数Tab.2 Air state equation parameters

TNT炸药主要采用JWL状态方程来描述，该方程的一般压力形式为

(4)

表 3 TNT炸药状态方程参数Tab.3 State equation parameters of TNT explosive

3 结果分析

图 4 为爆震弹在3 m高空起爆，运动速度为100 m/s条件下，冲击波传播过程的压力云图.

(a) 1 ms

(b) 2 ms

(c) 8 ms

(d) 12 ms图 4 冲击波传播过程压力云图Fig.4 Pressure cloud diagram of shock wave propagation process

图 5 为地面和距离地面1.5 m高处，水平距离分别为1 m, 2 m，3 m, 4 m和5 m处观测点对应的超压-时程曲线.

(a) 地面处

(b) 距离地面1.5 m高处图 5 水平距离1 m，2 m，3 m，4 m和5 m处的超压-时程曲线Fig.5 Overpressure-time history curves at horizontal distances of 1 m, 2 m, 3 m, 4 m and 5 m

由图 4、图 5 可以看出，在6 ms时，爆炸产生的冲击波到达刚性地面，首先开始发生正反射，形成反射冲击波； 随着冲击波运动方向与地面倾角的增大，开始发生正规斜反射. 受装药质量及爆炸高度的影响，在水平距离5 m内未发生马赫反射，整个冲击波传播过程和压力衰减符合近地动爆的普遍规律.

为了研究该爆震弹在不同运动速度下的冲击波超压毁伤规律，取爆心为距离地面3 m高处，计算得到运动速度分别为0 m/s, 30 m/s, 60 m/s, 90 m/s和120 m/s等5种工况下爆炸产生的冲击波超压峰值衰减规律，如图 6 所示.

(a) 地面处

(b) 距离地面1.5 m高图 6 不同运动速度下超压峰值随距离变化的曲线Fig.6 The variation curve of overpressure peak with distance under different motion speeds

结合图 7 可以看出：静爆条件下，该爆震弹在地面处和距离地面1.5 m高处产生的冲击波在水平方向5 m范围之内均可以达到对人员中等及以下的致伤效果； 随运动速度的增加，相较于静爆条件下，超压值的整体增益效果有所增加，最高可达到10%，导致水平距离小范围内冲击波加强，对人体达到严重损伤. 动爆条件对冲击波的增益效果整体上随距离的传播会逐渐减小，局部回升是由于地面反射导致压力突增； 在距离地面1.5 m高处的动爆超压增益效果变化规律在水平距离 4 m～5 m内出现反转，不再具有增益效果，这是由于随动爆速度增加，冲击波衰减速度加快，导致该处超压峰值反而低于静爆条件下的超压峰值.

(a) 地面处

(b) 距离地面1.5 m高图 7 不同运动速度下超压峰值增益百分比随距离变化的曲线Fig.7 Curves of peak overpressure gain percentage versus distance at different speeds

图 8 为在100 m/s动爆条件下，起爆高度分别为3 m, 4 m和5 m时冲击波超压峰值衰减曲线. 可以看出，随着起爆高度的增加，冲击波本身到达地面时的入射波强度在逐渐减小，相应的冲击波地面反射强度也随之减小，导致在冲击波超压峰值衰减过程中的曲线回升幅度不再明显，甚至消失. 结合表 1 分析可得，当爆震弹起爆高度为3 m时，在水平距离2 m内可造成人员中等及以上损伤； 起爆高度为4 m时，除在爆震弹正下方会造成人员中等损伤外，在水平距离2.5 m外的人员安全无伤； 而当起爆高度为5 m时，爆震弹超压基本不会对下方人群造成伤害.

(a) 地面处

(b) 距离地面1.5 m高图 8 不同高度爆点超压峰值随距离变化的曲线Fig.8 Curve of overpressure peak value versus distance at different heights

4 结 论

1) 动爆条件对冲击波的增益效果整体上随传播距离的增大而逐渐减小. 随着运动速度的增加，超压值整体增益效果有所增加； 随着起爆高度的增加，冲击波本身到达地面时的入射波强度在逐渐减小，相应的冲击波地面反射强度也在减小.

2) 在100 m/s动爆条件下，爆震弹起爆高度为3 m时，在水平距离2 m内可造成人员中等及以上损伤； 起爆高度为4 m时，除在爆震弹正下方会造成人员中等损伤外，在水平距离2.5 m外的人员安全无伤； 而当起爆高度为5 m时，爆震弹超压基本不会对下方人群造成伤害.