火炮模拟终端对目标毁伤定量计算研究*

闵 泉，王法强，曹小阳，张帮亮（南京模拟技术研究所，南京 210018）

火炮模拟终端对目标毁伤定量计算研究*

闵 泉，王法强，曹小阳，张帮亮
（南京模拟技术研究所，南京 210018）

计算火炮毁伤半径及对目标毁伤程度是实兵对抗训练系统的重要研究内容之一，对实兵对抗训练中火力毁伤建模具有重要意义。根据实际项目应用情况，提出一种火炮对目标毁伤定量计算方法，该方法通过计算炮弹爆炸时产生的冲击波超压，进而计算火炮毁伤半径及对目标产生的毁伤程度，提高了模拟火力打击的可信度和科学性，能较准确地体现火炮模拟终端在实兵对抗训练中火力打击的作用，贴近实战。

实兵对抗训练系统，火炮，目标毁伤，冲击波，超压峰值，TNT当量

0 引言

目前，我军正由机械化条件下军事训练向信息化条件下军事训练转型，联合训练已成为军事训练发展的必然趋势。根据我军和外军的大量实践证明，“以光代弹”的实兵对抗训练系统［1］是一种用于部队开展战术对抗训练的较为理想的模拟器材。该系统的应用可以切实增强部队的战场意识，提高对抗训练环境的逼真性和演训效果，锤炼参训官兵的技战术能力，有效促进部队战斗力的生成和提高，是战术训练的最高形式。

实兵对抗训练系统由多种模拟终端组成，其中火炮模拟终端在实兵对抗训练系统中占有重要地位，如何较为科学地计算火炮对目标毁伤程度是实兵对抗训练系统的重要研究内容之一。本文提出一种火炮模拟终端对目标毁伤定量计算的方法，该方法通过采集炮弹爆炸时产生的冲击波超压，进而计算得到炮弹爆炸时的TNT当量，最终确定炮弹爆炸毁伤半径及对不同目标产生的毁伤程度。

1 火炮模拟终端

火炮模拟终端是实兵对抗训练系统终端的一种，主要采用“打数据”的方式模拟火力打击效果，解决炮兵分队远程火力对抗和打击效果仿真难的问题，基本工作原理如下:

①当执行任务的分队接到射击命令后，操作手会按照指挥员下达的射击诸元操纵武器平台，从射击诸元采集器输入射击诸元，并发送到射击诸元发射器。

②指挥员通过射击诸元发射器选择影响射击的弹药、气象、目标和指挥等参数，然后进行发射。发射后，系统将以上数据和GPS定位数据打包后经由场区无线数据网传输到实兵交战数据处理中心。

③对数据进行分析处理。实兵交战数据处理中心对数据进行分析处理主要包括数据处理、弹道计算、目标匹配与毁伤计算以及结果判定等4个步骤。

2 炮弹爆炸定量计算

炮弹根据其类型可分为爆破弹、杀伤弹和穿甲弹等，不同炮弹爆炸的毁伤距离和对目标的毁伤程度不尽相同，其威力主要取决于爆炸时所释放的能量大小和弹片的杀伤。实兵对抗训练系统中，火炮毁伤模型是基于爆破弹的毁伤而建立，因此，杀伤半径主要由爆炸所产生的冲击波的有效距离来确定，而爆炸所产生的冲击波的有效杀伤半径主要由TNT当量和目标周围环境有关。因此，炮弹爆炸时产生的毁伤可转换为TNT爆炸时冲击波毁伤来定量计算。

TNT爆炸时，形成了一团瞬间占据炸药原有空间的高温、高压气体，这团气体猛烈地推动周围静止的空气，产生一系列的压缩波向四周传播，各个压缩波最终叠加成冲击波［2］。自由空气中的理想冲击波波形即P-t曲线如图1所示。由图可见，冲击波在历时Ta到达后，该处压力经过时间Tr由大气压力Po突跃至最大值。压力最大值与Po的差值称为入射超压峰值Pso，一般情况下超压意味着侧向超压，即压力是力传感器与冲击波相垂直的条件下测量得到的。

图2 冲击波超压示意图

2.1 峰值超压计算

1973年，Baker提出用TNT当量比例距离估算超压［3］，即冲击波超压可由TNT当量mTNT，以及距地面上爆炸源点的距离R来估算，见式（1）所示。

式中:mTNT=E/QTNT，QTNT为TNT的爆炸当量能量，一般取平均值4 686 kJ/kg，E为爆炸时产生的能力值。

通过试验研究和理论分析，不少学者对空气中TNT炸药爆炸产生的入射冲击波的传播规律提出了自己的见解，特别是在冲击波峰值超压研究方面总结出了很多预测公式，但不同学者的经验公式预测结果，特别是超压峰值的预测结果，还存在着较大差别，离爆心越近，差别也越大［3-5］。结合实际项目经验，本文采用文献［2］中描述冲击波峰值超压与比例距离关系的表达式，如下:

其中ΔP为Mpa。

2.2 爆炸当量计算

试验数据表明，不同质量的同类炸药发生爆炸时，如果目标距爆炸中心的距离R与目标与基准爆炸中心的距离R0之比，与实际爆炸时产生冲击波消耗的炸药量q与基准TNT炸药量q0之比的3次方根相等，则所产生的冲击波超压相同［6］，即:

式中:α实际爆炸与试验爆炸的无量纲模拟比。

表1为1 000 kg TNT发生空中爆炸时，在与爆炸中心不同距离处测得的冲击波超压［7］。炮弹爆炸大多数都是发生在地面上，因此，计算得到的超压值应是表1的两倍。这样，根据不同型号炮弹爆炸时距离爆炸中心一定位置所测得的超压通过表1换算得到该炮弹爆炸时的TNT当量。

表1 1 000 kg TNT空中爆炸时产生的冲击波超压

图3 1 000 kg TNT炸药当量爆炸时产生的冲击波超压图

2.3 毁伤半径及毁伤程度

炮弹毁伤区域是以R为半径的圆形区域，毁伤区域内炮弹会对不同防护类型终端产生不同级别的毁伤。冲击波超压对建筑物的破坏作用和对人员的伤害效果如表2和表3所示。由表2和表3的数据可以得到，当冲击波超压小于19.6 kpa时，对人员、战场设施不会造成太大损害，因此，当超压小于该值时所计算出的距离，即确定为炮弹爆炸的毁伤半径。

表2 地面爆炸时冲击波超压对建筑物的破坏作用

表3 冲击波超压对人员的伤害作用

影响炮弹对目标毁伤程度的因素有多种，其中目标的防御力是其中主要的影响因素之一。实兵对抗模拟训练系统要素涵盖直瞄武器、间瞄武器、地爆类武器、战场防御、防空武器、空中打击类等多种终端。根据不同目标遭遇打击时，毁伤程度变化情况不同，本文将各种模拟终端进行分类，根据表2和表3的数据可以估算出不同冲击超压对各类型终端目标所产生的不同毁伤效果。如表4所示:

表4 冲击波超压对不同目标能产生毁伤的最小超压数

3 试验结果与分析

为验证上述研究的可用性和有效性，本文参考某型火炮炮弹爆炸时冲击波的相关数据作了采样与分析，表5为距离爆炸中心点分别34 m，53 m，100 m的位置上得到超压值。

表5 不同距离测得某型火炮的超压

R=34 m的位置上火炮炮弹爆炸时产生的超压为297 kpa，结合表1及式（2）得到该炮弹爆炸时TNT当量为:mTNT=5878kg；同理可分别计算R=53m、R=100 m位置上该火炮炮弹爆炸时产生的TNT当量分别为:mTNT=4 337 kg、mTNT=4 196 kg，进而得到不同位置下峰值超压如表6所示。

表6 距离爆炸中心不同距离火炮的超压

同一炮弹爆炸在不同位置计算得到的TNT当量存在误差，根据相关研究，超压峰值的预测结果，离爆心越近，差别也越大，如图4对比所示。因此，本次试验选取测试R=53的位置为依据，根据表6，可以认为该火炮毁伤半径为106 m。

图4 某型火炮爆炸时产生的冲击波超压图

结合表2～表4，可计算不同目标距离爆炸中心不同位置所对应的不同毁伤程度，如表7所示。

结果分析如下:

优点:本文创新了实兵对抗训练系统火炮模拟终端模拟炮弹爆炸对目标产生毁伤定量计算的方法，对比经验数据，该算法科学有效、可信度高，可以满足实兵对抗训练系统火炮模拟终端毁伤效能计算要求。

缺点:试验中，本文仅考虑爆破弹爆炸时冲击波产生的伤害，实际实兵对抗训练系统模拟炮弹对目标毁伤时还包括弹片的杀伤作用，因此，弹片的杀伤作用及模型也是项目将来研究的重点方向。

表7 该火炮爆炸范围内不同目标对应的毁伤程度

4 结论

计算火炮毁伤半径及对目标毁伤程度是实兵对抗训练系统的重要研究能容之一。本文通过深入研究TNT爆炸过程，将火炮炮弹爆炸毁伤转换为TNT当量加以计算，为火炮模拟终端精确计算火炮毁伤半径及对目标的毁伤程度提供了科学根据，具有较高的可信度和较强的实用价值，可在实际工程项目中得到应用。

［1］李大为，吕战强.DK07实兵对抗训练系统［M］.北京:军事科学出版社，2013.1.

［2］杨鑫，石少卿，程鹏飞.空气中TNT爆炸冲击波超压峰值的预测及数值模拟［J］.爆破，2008，25（1）:15-18.

［3］亨利奇.爆炸动力学及其应用［M］.北京:科学出版社，1987:504-508.

［4］TOLBA A F F.Response of FRP-retrofitted reinforced concrete panels to blast loading［D］.Canada:Carleton University，2001.

［5］WU C，HAO H.Modeling of smiultaneous ground shockand airblast pressure onnearby structures from surface explosions［J］.Int J Impact Eng，2005，31（6）:699-717.

［6］孔德森，张伟伟，孟庆辉，等.TNT当量法估算地铁恐怖爆炸中的炸药当量［J］.地下空间与工程学报，2010，6（1）: 197-200.

［7］张国伟.爆炸作用原理［M］.北京:国防工业出版社，2006.

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 文献标识码：A012.4

A

1002-0640（2017）03-0170-04

2016-02-05

2016-04-07

部级基金资助项目（12研-1201B）

闵 泉（1982- ），男，江苏南京人，副高级工程师。研究方向：指挥训练、计算机模拟技术。