云爆超压对火箭车内有生力量毁伤评估研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:基础加强计划技术领域基金项目()山西省基础研究计划资助项目()山西省基础研究计划资助项目()作者简介:周炜智()男硕士研究生:.通信作者:李强()男博士副教授:.:./.云爆超压对火箭车内有生力量毁伤评估研究周炜智 李 强 李 波 杜 烨(中北大学 机电工程学院 太原)摘要:为探究云爆弹超压效应对火箭发射车内有生力量的打击效果基于云爆弹地面威力场实验数据利用 软件计算、探究火箭发射车内的超压分布及规律 通过蒙特卡洛法以及超压杀伤准则提出云爆超压对火箭发射车内有生力量的毁伤评估方法 结合爆炸相似律建立相应的毁伤评估模型分析弹目相对距离对毁伤效果的影响并基于 云爆弹实验数据进行验证 研究结果表明:火箭发射车内当其余条件均一致时跪姿平面车内超压高于坐姿平面副驾驶区域超压高于主驾驶区域火力控制室内超压一致 对于、云爆弹分别在 .、.对车内人员的封锁率由 降为 毁伤评估模型所得结果与实验分析误差小于.可供云爆弹的设计者借鉴关键词:云爆弹火箭发射车目标有限元分析蒙特卡洛杀伤评估本文引用格式:周炜智 李强 李波等.云爆超压对火箭车内有生力量毁伤评估研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言随着科学技术的不断进步武器系统迅速发展 为适应远程化、精确化的作战需求大量高新科技投入到了现代火箭炮武器系统的研发改进中增强了该武器系统的作战能力 现代火箭炮武器系统在射程、覆盖范围及单位火力密度方面拥有较大的优势是火力输出的主要力量之一 因此在作战中火箭炮武器系统也必将成为我军打击的重点目标 但随着火箭炮武器系统轻型化的改革火箭炮在具备一定防护能力的基础上拥有着强大的机动性能极大程度规避点杀伤形式的打击大大增加了我军打击行动的难度在现有的武器系统中云爆弹是一种特殊的面杀伤武器 在作用时首先抛洒云爆剂散布至空气中形成气溶胶云团随后将其引爆形成冲击波效应、热效应、窒息效应等 其中爆炸冲击波是云爆弹主要的毁伤源 加以出色的杀伤范围可对有生力量、软目标造成很大的毁伤威力可有效针对火箭发射车机动性强、反应快的特点威胁火箭发射车内有生力量的生命安全进而达到有效打击火箭炮武器系统的目的为掌握云爆弹毁伤效能准确把握云爆弹在特定作战情形下的毁伤效果许多学者进行了研究 许化珍等提出了云爆弹效能评估数学模型可估算云爆弹的杀伤范围并指出散布均方差对云爆弹杀伤效能的影响 刘想炎等基于云爆弹超压和热辐射效应建立了云爆弹对地面人员的综合毁伤评估模型 叶军等提出了云爆弹冲击波效应对单个地堡内有生力量的封锁评估模型 刘、叶二人分别对相应作战条件下云爆弹的打击效果进行了评估 但如今作战形式多元远程作战趋势明显 火箭炮武器系统作为远程化作战的代表为进行有效打击如何评估云爆弹对目标的毁伤效果成为亟待解决的问题本研究中为解决云爆弹冲击波超压效应对火箭发射车内有生力量的杀伤评估问题从云爆弹在地面超压分布的实验数据出发采用 软件数值模拟计算获得火箭发射车内超压分布场并结合超压杀伤判据提出一种基于蒙特卡洛方法的针对火箭发射车内人员的毁伤评估模型 研究结果可用于云爆弹毁伤效能的评估为云爆弹设计提供参考 车内超压的数值计算方法及等效性验证为探究云爆弹面杀伤特性对火箭发射车目标的打击效果以 装药的 型云爆弹为例研究分析云爆弹在火箭发射车前方不同弹目相对距离下起爆的毁伤效果.超压数值计算模型本研究中以俄制 型“龙卷风”式火箭炮系统为研究对象火箭发射车由供 人呈纵列乘坐的驾驶/指挥室和供 人并列操作的火力控制室组成 模型采用拉格朗日网格建立为保证计算效率对模型简化 其中驾驶/指挥室前端车窗以及火力控制室两侧车窗不设置车窗玻璃简化冲击波传播过程 相关参数如表 所示表 火箭发射车模型尺寸 长宽高装甲厚度整车 驾驶/指挥室 火力控制室 云爆弹采用圆柱体结构 考虑到实际情形中弹目相对距离远、冲击波传播距离长为加快求解的速度将模型进行缩减 对于各个弹目相对距离工况将云爆弹与火箭发射车的相对位置固定、装药等效处理并保证等效计算所得车内超压与实验结果一致空气域采用欧拉网格建模模型尺寸为 网格尺寸 边界条件除底面设置为刚性反射其余边界采用 流出边界 数值计算模型如图 所示图 车内超压数值计算模型.材料参数结合文献 的经验本研究中采用 等效模拟云爆弹爆炸所产生的超压效果 爆源状态方程采用 方程描述 火箭发射车材料选用装甲钢采用 状态方程以及 强度模型描述 空气视为理想气体状态气体密度为./比内能取./具体的材料模型及参数如表 表 所示表 状态方程参数 /()/()/./.周炜智等:云爆超压对火箭车内有生力量毁伤评估研究 表 中 为爆轰压力 为初始内能 为比容、为材料的特征参数表 状态方程参数 参考密度/()体积模量/参考温度/比热容/().表 强度模型参数 /./.表 中 为剪切模量为屈服应力为硬化常数 为硬化指数为应变力常数 为热软化指数 为参考温度.计算条件设置为方便分析对车内坐标系进行定义 坐标系原点 的位置如图、图 所示 轴沿车体纵向指向驾驶/指挥室 轴垂直于 轴沿横向指向车尾 轴垂直于 平面以沿竖直方向指向车顶为正且符合右手螺旋定则 因此、轴坐标可分别代表火箭发射车内各点在纵、横、竖向的位置图 人员分布示意图.结合火箭发射车结构功能可知火箭发射车内人员的主要位置分布如图 所示 其中 为主驾驶区、为副驾驶区负责火箭发射车的驾驶和指挥、为火力控制一、二区负责弹道校准以及操纵发射 车内人员姿态可分为坐姿和跪姿 种分别模拟车内人员正常驾驶以及应急躲避状态观测点设置位置如图 所示其中、为主驾驶区、为副驾驶区、为火力控制一区、为火力控制二区、为火力控制室中央 此外 、观测点位于坐姿平面用于测量人员坐姿所受的超压峰值 、观测点位于跪姿平面用于测量人员跪姿所受的超压峰值图 观测点布置示意图.数值计算方法等效性验证由于本文中仅探究云爆弹冲击波超压效应的杀伤效果暂不考虑热效应的影响 当弹目相对距离大于 时超压效应为主导杀伤因素 因此基于实验数据选取云爆弹与火箭发射车弹目相对距离为、的 种工况模拟计算获得各工况下云爆弹在火箭发射车内形成的超压分布场起爆如图 所示位置处的 将计算所得 在车头前端产生的超压与云爆弹在 处的实验数值对比使两者相差小于 从而确定各个相对弹目距离工况下云爆弹超压效果所对应的等效 当量结果如表 所示表 实验数据与等效结果对比 各弹目相对距离工况/等效当量/超压误差分析实验所得超压峰值/计算所得超压峰值/误差/.注:误差 实验所得超压峰值 计算所得超压峰值实验所测超压峰值 考虑到火箭发射车横向长度不超过.且随距离的兵 器 装 备 工 程 学 报:/./增加 产生的冲击波超压衰减效果相较于云爆弹愈加明显 为验证利用 等效模拟云爆弹爆炸冲击波超压分布的合理性以弹目相对距离后.处的超压值为依据对比分析此处等效当量 与云爆弹在空气中产生的冲击波超压值结果汇总于表 表 中计算结果与实验所测超压峰值误差均小于 因此基于本节所述数值计算方法起爆表 中各等效当量的 可分别模拟云爆弹在相应弹目相对距离工况下对火箭发射车内产生的超压效应 车内超压计算结果分析采用第 节所述超压数值计算方法分别起爆表 所示等效当量的 获得弹目相对距离为、时云爆弹在火箭发射车内形成的超压 将计算结果对比分析探究弹目相对距离、乘员姿态以及车内位置 因素对火箭车内的超压分布场的影响.冲击波在火箭发射车内的传播规律由爆炸相似率可知云爆弹在不同弹目相对距离下起爆产生的冲击波在火箭发射车内的传播过程均一致 因此以弹目相对距离为 的工况为例对冲击波传播过程进行分析如图 所示 冲击波首先以图()中箭头所指方向由火箭发射车前端车窗进入驾驶/指挥室并向室内传播如图()所示 在驾驶/指挥室中由于受到车体壁面的约束作用冲击波经壁面反射产生反射波 反射波和入射波的相互作用使得图()中所示驾驶/指挥室内的高压区的范围大于室外的高压区的范围 随后冲击波依次沿图()、图()中箭头所指方向由火箭发射车通风系统以及火力控制室车窗进入火力控制室内并向室内传播.乘员姿态对超压分布的影响冲击波在传播至车内底面时形成反射继而向反方向传播 跪姿平面与室内底面的距离较近反射波作用效应更加明显使得当其余条件均一致时乘员跪姿所受的超压始终高于坐姿如图 所示图 弹目相对距离为 时压力云图随时间的变化.图 弹目相对距离为 时车内区域的压力云图.周炜智等:云爆超压对火箭车内有生力量毁伤评估研究 图 展示了不同弹目相对距离下车内同一位置坐、跪姿平面超压峰值的差异 对比分析各位置处坐、跪姿平面的超压峰值可知火箭发射车内主、副驾驶区处乘员跪姿所受超压高于坐姿乘员的 火力控制一、二区处乘员跪姿所受超压高于坐姿乘员的.火箭发射车内位置对超压分布的影响图 为不同弹目相对距离下驾驶/指挥室内坐、跪姿平面的超压分布场 考虑到驾驶/指挥室内乘员呈横向分布故对驾驶/指挥室内超压随横向距离(轴)的变化进行分析 图 中表明驾驶/指挥室内坐、跪姿平面的超压分布的规律均为:随着横向距离的增加超压峰值先衰减后增加在坐姿或跪姿平面内副驾驶区域的超压将高于主驾驶区域超压的 为探究图 趋势变化的机理以弹目相对距离为 工况为例对驾驶/指挥室坐姿平面内各处超压随时间的变化进行分析 图 展示了该工况下对应观测点 的超压时间曲线图 超压峰值和弹目相对距离关系曲线.图 驾驶/指挥室内超压随横向距离变化关系图./兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 弹目相对距离为 时各观测点的超压时间曲线.图 中随着时间的推移观测点 依次出现超压峰值点、且超压峰值递减符合冲击波传播过程中超压衰减规律 但观测点、的超压 时间曲线均出现 个峰值且超压峰值 结合冲击波传播理论、为入射波超压峰值点、为反射波超压峰值点 通过冲击波传播过程可知在驾驶/指挥室横向末端产生高压区域如图 ()、图()中、区域所示证明冲击波在驾驶/指挥室横向末端反射使得驾驶/指挥室内副驾驶区的超压高于主驾驶对于火力控制室内的超压分布场由于火力控制室内乘员呈纵向分布对火力控制室内超压分布沿纵向(轴)进行分析如图 所示 图 中在同一姿态平面内随着纵向距离的增加火力控制室内超压峰值先减小后增大 结合.节中冲击波在火力控制室内的传播过程可知冲击波由两侧同时进入室内传播至中间位置处发生叠加如图()、图()所示使得室内同一姿态平面内超压的最小值与最大值之比大于 此外由于火箭发射车通风系统的存在驾驶/指挥室内的冲击波将穿透通风系统并传播至火力控制室内与空气中传播至室内的冲击波叠加如图()中区域所示导致火力控制一区的超压峰值略高于火力控制二区.故忽略冲击波穿透通风系统所引起的超压 因此结合以上 点可认为火力控制一、二区同一姿态平面内的超压一致图 火力控制室内超压随纵向距离变化关系.毁伤评估模型的建立及验证为研究云爆弹超压对火箭发射车内人员的毁伤效应本文中采用蒙特卡洛方法建立毁伤评估模型 首先明确冲击波超压对有生力量的杀伤判据、构造火箭发射车内人员状态的随机问题 其次根据已知概率分布随机抽样并结合第 节所得车内超压分布确定车内人员状态以及受伤等级 通过不断重复试验以频率表示概率获得云爆弹对火箭发射车内人员的封锁率构建毁伤评估模型并验证.超压对有生力量的杀伤判据云爆弹对有生力量的易损性主要取决于爆炸时伴生的超压峰值和瞬时风动压的幅度与持续时间 文献给出了人员不同伤亡程度时的毁伤超压阈值见表 所示表 冲击波超压对人的杀伤判据 超压峰值/杀伤情况.死亡周炜智等:云爆超压对火箭车内有生力量毁伤评估研究.车内有生力量状态分析火箭发射车主要有发射以及行驶 种状态设 种状态发生的概率均为 在分析火箭发射车行驶状态时考虑到火箭发射车行驶速度相较于冲击波传播速度可忽略不计将行驶状态的火箭发射车同发射状态视为静止 因此在本研究中火箭发射车的状态仅影响着人员的分布火箭发射车在执行作战任务时需有 名炮班成员 其中 人呈纵列坐在前部的驾驶/指挥室中另外 人并排坐在底盘前部的火力控制室中 但当火箭发射车进入战斗状态时车内炮班成员可能由于支援、伤亡等因素而导致人手不足 当车内不满员时行驶状态的火箭发射车人员将集中分布于驾驶/指挥室且优先处于主驾驶位置发射状态的火箭发射车人员将集中分布于火力控制室中 因此可对火箭发射车内人员分布情况做出假设结果如表、表 所示表 火箭发射车行驶状态车内人员分布统计 人数概率/主驾驶区副驾驶区火力控制一区火力控制二区二选一表 火箭发射车发射状态车内人员分布统计 人数概率/主驾驶区副驾驶区火力控制一区火力控制二区二选一 对于各个位置处的车内人员均有坐姿和跪姿 种姿态且设 种姿态发生的概率均为.封锁结果计算图 为云爆弹对火箭发射车内有生力量的毁伤评估流程 基于.节内容对车内人员的数量、位置以及姿态随机抽样 结合第 节车内超压分布的仿真计算结果以及表 所示的判定依据确定云爆弹对车内人员的杀伤等级 将杀伤结果与封锁条件进行比对判断是否成功封锁火箭发射车内有生力量 重复以上过程 次获得不同弹目相对距离条件下云爆弹对火箭发射车内有生力量的封锁率 以火箭发射车内有生力量全部死亡为成功封锁火箭发射车的判定标准基于图 所示流程对不同弹目相对距离的情况分别模拟计算 次所得结果表 所示图 毁伤评估流程框图.表 装药云爆弹对各弹目相对距离车内人员封锁率 弹目相对距离/封锁率/弹目相对距离/封锁率/.由表 中数据可知云爆弹对火箭发射车内有生力量的封锁率随弹目相对距离的增加而递减 对于 装药的云爆弹在弹目相对距离小于 时火箭发射车内有生力兵 器 装 备 工 程 学 报:/./量全部死亡云爆弹可对火箭发射车成功封锁 在弹目相对距离大于.时车内有生力量均存活将丧失对火箭发射车的封锁能力 当弹目相对距离为在弹目相对距离为.结合第 节中车内超压的分布规律可知随着弹目相对距离的增加云爆弹将依次丧失对火力控制二区、一区、主驾驶区以及副驾驶区内坐、跪姿人员封锁能力从而导致对火箭发射车内有生力量的封锁率下降.毁伤评估模型的建立由爆炸相似率可知相似的爆炸现象之间在几何和力学上具有相同的规律性 因此可通过表 中封锁率随弹目相对距离的变化趋势得出几何相似云爆弹的毁伤评估模型并结合云爆超压的衰减规律对模型修正完善建立适用性强的云爆超压对火箭发射车内有生力量的毁伤评估模型由表 中数据可得云爆超压对车内人员的封锁率随弹目相对距离的变化规律符合 ()式()中:为云爆弹对火箭发射车内有生力量的封锁率为弹目相对距离、为模型常数、为封锁范围分段点对于云雾爆轰区外冲击波超压的衰减规律符合爆炸相似律有 ()()()()式()中:为冲击波超压 为炸药装药量 为冲击波传播距离、为衰减系数考虑到云爆弹分布爆炸超压衰减缓慢且实测地面超压受马赫杆的影响 为准确表达云爆剂质量以及冲击波传播距离对地面超压的关系对式()进行修正 .().().()()式()中:为云爆剂装药量为 当量比可直接反映各距离 处云爆弹的冲击波超压威力且满足 /最终结合式()与式()通过最小二乘法得出式()中函数模型常数获得云爆弹对火箭发射车内有生力量的毁伤评估模型:.().()根据式()可以直接以车内有生力量死亡为封锁依据通过云爆弹装药质量以及 当量比直接判断云爆弹在各个弹目距离下对火箭车内有生力量的毁伤效能.毁伤评估模型的验证为验证毁伤评估模型的有效性以 云爆弹为例将毁伤评估模型所得结果与地面超压实验数据结论对比通过分析两者误差进行验证首先基于毁伤评估模型由 装药云爆弹的 当量比以及装药质量获得该云爆弹对各弹目相对距离火箭发射车内有生力量的封锁率结果如图 所示 装药的云爆弹可对 范围内火箭车目标完全封锁在 .范围内封锁率迅速下降并在弹目相对距离为.时封锁率减为 图 各弹目相对距离下火箭发射车内有生力量的封锁率.其次为减小验证计算量选取图 中不同封锁范围内弹目相对距离为、这 个特征工况进行验证通过对 云爆弹静爆实验数据仿真分析获得各个工况实际封锁率并将实验分析结果与毁伤评估模型所得结果进行对比两者相差在左右证明了毁伤评估模型的有效性和适用性结果如表 所示表 装药云爆弹对火箭车内人员封锁率计算结果 弹目相对距离/当量比毁伤评估模型所得结果/实验分析结果/误差/.周炜智等:云爆超压对火箭车内有生力量毁伤评估研究 结论基于云爆弹在地面超压分布场的实测数据提出一种计算云爆弹在车内所形成超压分布场的数值方法并验证了该方法的等效性 通过分析不同因素对车内超压分布场的影响确定了车内超压的分布规律 并结合超压对人员的杀伤判据采用蒙特卡洛方法提出了该云爆弹超压效应对火箭发射车内有生力量的毁伤评估模型得到以下结论:)在同一位置起爆不同等效当量的 以此模拟 型云爆弹在对应各弹目相对距离情形中的超压威力该方法计算所得超压与实验结果两者误差小于 可有效模拟云爆弹攻击火箭发射车时的超压效果)对于云爆弹在火箭发射车内的超压分布场在其余条件均一致时跪姿乘员所受超压高于坐姿在驾驶/指挥室中副驾驶区域乘员所受超压高于主驾驶区域在火力控制室中各区域所受超压一致)以有生力量全部死亡为标准基于蒙特卡洛法可得 型云爆弹可成功封锁 范围内的火箭发射车随着弹目相对距离的增加该云爆弹将逐渐丧失对火力控制二区、一区、主驾驶区以及副驾驶区内人员的封锁能力直至在弹目距离为.时将丧失对火箭发射车的封锁能力)基于爆炸相似律提出云爆超压效应对火箭发射车内有生力量的毁伤评估模型 该模型可根据云爆弹装药量及其 当量比确定对各弹目相对距离处车内人员的封锁率并由 云爆弹实验数据验证了该模型的有效性参考文献:杨树兴.陆军多管火箭武器的发展与思考.兵工学报():.():.():.李越李兵仓.云爆弹/温压弹的杀伤因素及杀伤特点的研究进展.创伤外科杂志():./.():.:.:.():./.:.许化珍彭朝晖李向东.云爆弹杀伤效能研究.弹箭与制导学报():.():.刘想炎黄振贵陈秋元等.云爆弹对地面人员综合杀伤的仿真评估研究.兵器装备工程学报():.():.叶军刘天宇曹欣芹等.某型云爆弹对地堡目标有生力量杀伤仿真研究.火力与指挥控制():.():.赵志国李建赵海平等.某二次起爆型云爆战斗部防窜火技术研究.弹箭与制导学报():.():.王耀冬宣兆龙俞卫博等.国外火箭弹提高性能的技术方法概述.飞航导弹():.():./.():.赵新颖王伯良李席等.温压炸药爆炸冲击波在爆炸堡内的传播规律.含能材料():.():.(下转第 页)兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.张志豪.液氧煤油发动机数值计算与燃烧不稳定分析.大连:大连理工大学./.:./.().:.马列波聂万胜.隔板片数量对液体火箭发动机燃烧不稳定性的影响.导弹与航天运载技术():.():.李丹琳田原孙纪国.隔板对燃烧室声学特性的影响.航空动力学报():.():.樊晓波.燃烧室的声学特性分析及声抑制装置的研究.西安:西北工业大学.:.():.刘旺李敬轩杨立军.隔板喷嘴吸声机理研究.载人航天():.():.科学编辑张榛 博士(中国航天科技集团有限公司五院 所 高级工程师)责任编辑 徐佳忆(上接第 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