閔 泉，王法強，曹小陽，張幫亮（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210018）

火炮模擬終端對目標毀傷定量計算研究*

閔 泉，王法強，曹小陽，張幫亮
（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210018）

計算火炮毀傷半徑及對目標毀傷程度是實兵對抗訓練系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一，對實兵對抗訓練中火力毀傷建模具有重要意義。根據(jù)實際項目應用情況，提出一種火炮對目標毀傷定量計算方法，該方法通過計算炮彈爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓，進而計算火炮毀傷半徑及對目標產(chǎn)生的毀傷程度，提高了模擬火力打擊的可信度和科學性，能較準確地體現(xiàn)火炮模擬終端在實兵對抗訓練中火力打擊的作用，貼近實戰(zhàn)。

實兵對抗訓練系統(tǒng)，火炮，目標毀傷，沖擊波，超壓峰值，TNT當量

0 引言

目前，我軍正由機械化條件下軍事訓練向信息化條件下軍事訓練轉(zhuǎn)型，聯(lián)合訓練已成為軍事訓練發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)我軍和外軍的大量實踐證明，“以光代彈”的實兵對抗訓練系統(tǒng)［1］是一種用于部隊開展戰(zhàn)術(shù)對抗訓練的較為理想的模擬器材。該系統(tǒng)的應用可以切實增強部隊的戰(zhàn)場意識，提高對抗訓練環(huán)境的逼真性和演訓效果，錘煉參訓官兵的技戰(zhàn)術(shù)能力，有效促進部隊戰(zhàn)斗力的生成和提高，是戰(zhàn)術(shù)訓練的最高形式。

實兵對抗訓練系統(tǒng)由多種模擬終端組成，其中火炮模擬終端在實兵對抗訓練系統(tǒng)中占有重要地位，如何較為科學地計算火炮對目標毀傷程度是實兵對抗訓練系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一。本文提出一種火炮模擬終端對目標毀傷定量計算的方法，該方法通過采集炮彈爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓，進而計算得到炮彈爆炸時的TNT當量，最終確定炮彈爆炸毀傷半徑及對不同目標產(chǎn)生的毀傷程度。

1 火炮模擬終端

火炮模擬終端是實兵對抗訓練系統(tǒng)終端的一種，主要采用“打數(shù)據(jù)”的方式模擬火力打擊效果，解決炮兵分隊遠程火力對抗和打擊效果仿真難的問題，基本工作原理如下:

①當執(zhí)行任務的分隊接到射擊命令后，操作手會按照指揮員下達的射擊諸元操縱武器平臺，從射擊諸元采集器輸入射擊諸元，并發(fā)送到射擊諸元發(fā)射器。

②指揮員通過射擊諸元發(fā)射器選擇影響射擊的彈藥、氣象、目標和指揮等參數(shù)，然后進行發(fā)射。發(fā)射后，系統(tǒng)將以上數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)打包后經(jīng)由場區(qū)無線數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸?shù)綄嵄粦?zhàn)數(shù)據(jù)處理中心。

③對數(shù)據(jù)進行分析處理。實兵交戰(zhàn)數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)進行分析處理主要包括數(shù)據(jù)處理、彈道計算、目標匹配與毀傷計算以及結(jié)果判定等4個步驟。

2 炮彈爆炸定量計算

炮彈根據(jù)其類型可分為爆破彈、殺傷彈和穿甲彈等，不同炮彈爆炸的毀傷距離和對目標的毀傷程度不盡相同，其威力主要取決于爆炸時所釋放的能量大小和彈片的殺傷。實兵對抗訓練系統(tǒng)中，火炮毀傷模型是基于爆破彈的毀傷而建立，因此，殺傷半徑主要由爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的有效距離來確定，而爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的有效殺傷半徑主要由TNT當量和目標周圍環(huán)境有關(guān)。因此，炮彈爆炸時產(chǎn)生的毀傷可轉(zhuǎn)換為TNT爆炸時沖擊波毀傷來定量計算。

TNT爆炸時，形成了一團瞬間占據(jù)炸藥原有空間的高溫、高壓氣體，這團氣體猛烈地推動周圍靜止的空氣，產(chǎn)生一系列的壓縮波向四周傳播，各個壓縮波最終疊加成沖擊波［2］。自由空氣中的理想沖擊波波形即P-t曲線如圖1所示。由圖可見，沖擊波在歷時Ta到達后，該處壓力經(jīng)過時間Tr由大氣壓力Po突躍至最大值。壓力最大值與Po的差值稱為入射超壓峰值Pso，一般情況下超壓意味著側(cè)向超壓，即壓力是力傳感器與沖擊波相垂直的條件下測量得到的。

圖2 沖擊波超壓示意圖

2.1 峰值超壓計算

1973年，Baker提出用TNT當量比例距離估算超壓［3］，即沖擊波超壓可由TNT當量mTNT，以及距地面上爆炸源點的距離R來估算，見式（1）所示。

式中:mTNT=E/QTNT，QTNT為TNT的爆炸當量能量，一般取平均值4 686 kJ/kg，E為爆炸時產(chǎn)生的能力值。

通過試驗研究和理論分析，不少學者對空氣中TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的入射沖擊波的傳播規(guī)律提出了自己的見解，特別是在沖擊波峰值超壓研究方面總結(jié)出了很多預測公式，但不同學者的經(jīng)驗公式預測結(jié)果，特別是超壓峰值的預測結(jié)果，還存在著較大差別，離爆心越近，差別也越大［3-5］。結(jié)合實際項目經(jīng)驗，本文采用文獻［2］中描述沖擊波峰值超壓與比例距離關(guān)系的表達式，如下:

其中ΔP為Mpa。

2.2 爆炸當量計算

試驗數(shù)據(jù)表明，不同質(zhì)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時，如果目標距爆炸中心的距離R與目標與基準爆炸中心的距離R0之比，與實際爆炸時產(chǎn)生沖擊波消耗的炸藥量q與基準TNT炸藥量q0之比的3次方根相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同［6］，即:

式中:α實際爆炸與試驗爆炸的無量綱模擬比。

表1為1 000 kg TNT發(fā)生空中爆炸時，在與爆炸中心不同距離處測得的沖擊波超壓［7］。炮彈爆炸大多數(shù)都是發(fā)生在地面上，因此，計算得到的超壓值應是表1的兩倍。這樣，根據(jù)不同型號炮彈爆炸時距離爆炸中心一定位置所測得的超壓通過表1換算得到該炮彈爆炸時的TNT當量。

表1 1 000 kg TNT空中爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓

圖3 1 000 kg TNT炸藥當量爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓圖

2.3 毀傷半徑及毀傷程度

炮彈毀傷區(qū)域是以R為半徑的圓形區(qū)域，毀傷區(qū)域內(nèi)炮彈會對不同防護類型終端產(chǎn)生不同級別的毀傷。沖擊波超壓對建筑物的破壞作用和對人員的傷害效果如表2和表3所示。由表2和表3的數(shù)據(jù)可以得到，當沖擊波超壓小于19.6 kpa時，對人員、戰(zhàn)場設(shè)施不會造成太大損害，因此，當超壓小于該值時所計算出的距離，即確定為炮彈爆炸的毀傷半徑。

表2 地面爆炸時沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

表3 沖擊波超壓對人員的傷害作用

影響炮彈對目標毀傷程度的因素有多種，其中目標的防御力是其中主要的影響因素之一。實兵對抗模擬訓練系統(tǒng)要素涵蓋直瞄武器、間瞄武器、地爆類武器、戰(zhàn)場防御、防空武器、空中打擊類等多種終端。根據(jù)不同目標遭遇打擊時，毀傷程度變化情況不同，本文將各種模擬終端進行分類，根據(jù)表2和表3的數(shù)據(jù)可以估算出不同沖擊超壓對各類型終端目標所產(chǎn)生的不同毀傷效果。如表4所示:

表4 沖擊波超壓對不同目標能產(chǎn)生毀傷的最小超壓數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

為驗證上述研究的可用性和有效性，本文參考某型火炮炮彈爆炸時沖擊波的相關(guān)數(shù)據(jù)作了采樣與分析，表5為距離爆炸中心點分別34 m，53 m，100 m的位置上得到超壓值。

表5 不同距離測得某型火炮的超壓

R=34 m的位置上火炮炮彈爆炸時產(chǎn)生的超壓為297 kpa，結(jié)合表1及式（2）得到該炮彈爆炸時TNT當量為:mTNT=5878kg；同理可分別計算R=53m、R=100 m位置上該火炮炮彈爆炸時產(chǎn)生的TNT當量分別為:mTNT=4 337 kg、mTNT=4 196 kg，進而得到不同位置下峰值超壓如表6所示。

表6 距離爆炸中心不同距離火炮的超壓

同一炮彈爆炸在不同位置計算得到的TNT當量存在誤差，根據(jù)相關(guān)研究，超壓峰值的預測結(jié)果，離爆心越近，差別也越大，如圖4對比所示。因此，本次試驗選取測試R=53的位置為依據(jù)，根據(jù)表6，可以認為該火炮毀傷半徑為106 m。

圖4 某型火炮爆炸時產(chǎn)生的沖擊波超壓圖

結(jié)合表2～表4，可計算不同目標距離爆炸中心不同位置所對應的不同毀傷程度，如表7所示。

結(jié)果分析如下:

優(yōu)點:本文創(chuàng)新了實兵對抗訓練系統(tǒng)火炮模擬終端模擬炮彈爆炸對目標產(chǎn)生毀傷定量計算的方法，對比經(jīng)驗數(shù)據(jù)，該算法科學有效、可信度高，可以滿足實兵對抗訓練系統(tǒng)火炮模擬終端毀傷效能計算要求。

缺點:試驗中，本文僅考慮爆破彈爆炸時沖擊波產(chǎn)生的傷害，實際實兵對抗訓練系統(tǒng)模擬炮彈對目標毀傷時還包括彈片的殺傷作用，因此，彈片的殺傷作用及模型也是項目將來研究的重點方向。

表7 該火炮爆炸范圍內(nèi)不同目標對應的毀傷程度

4 結(jié)論

計算火炮毀傷半徑及對目標毀傷程度是實兵對抗訓練系統(tǒng)的重要研究能容之一。本文通過深入研究TNT爆炸過程，將火炮炮彈爆炸毀傷轉(zhuǎn)換為TNT當量加以計算，為火炮模擬終端精確計算火炮毀傷半徑及對目標的毀傷程度提供了科學根據(jù)，具有較高的可信度和較強的實用價值，可在實際工程項目中得到應用。

［1］李大為，呂戰(zhàn)強.DK07實兵對抗訓練系統(tǒng)［M］.北京:軍事科學出版社，2013.1.

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Quantitative Calculation for Target Injure of Artillery Simulation Terminal

MIN Quan，WANG Fa-qiang，CAO Xiao-yang，ZHANG Bang-liang
（Nanjing Research Institute on Simulation Technique，Nanjing 210018，China）

It is an important study in the DK system to calculate the damage radius and damage degree of the target，and is quite significant to the fire damage modeling.Based on the actual project application，a quantitative method for target injure is proposed in this paper.This method gets the damage radius and damage degree by calculating Peak Overpressure during blast，and improves the credibility and scientificity of simulated fire strike.It can accurately reflect the role of artillery simulation terminal in live force-on-force training，and is close to the real combat.

DK system，artillery，target injure，shock wave，peak overpressure，TNT Equivalent

E92；TJ<012.4 class="emphasis_bold">012.4 文獻標識碼：A012.4

A

1002-0640（2017）03-0170-04

2016-02-05

2016-04-07

部級基金資助項目（12研-1201B）

閔 泉（1982- ），男，江蘇南京人，副高級工程師。研究方向：指揮訓練、計算機模擬技術(shù)。