水下槍榴彈延期解除保險性能指標分析方法

劉 雨，王雨時，聞 泉

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094）

0 引言

蛙人擔負著水下偵察、爆破和執行特殊作戰等任務，多通過潛艇或小艇潛伏出擊，具有突襲特點。蛙人裝備的主要武器有水下槍械，用于水下單兵自衛和進攻，也可用于防御鯊魚和其他危險動物。文獻［1］介紹，當今世界上較為成功的水下槍械有俄羅斯SPP-1（包括SPP-1M）4.5 mm 口徑水下手槍、APS 5.6mm 口徑水下突擊步槍以及德國HK 公司研制的P11水下手槍。SPP-1M 4.5mm 口徑水下手槍有效射程在空氣中為20 m，在水下為11 m；APS 5.6mm 口徑水下突擊步槍在空氣中的有效射程可達100m，在水深5m、20m 和40m 處的有效射程分別只有30m、20m 和10m；德國P11水下手槍在水下的有效射程為15 m。從以上水下槍械性能來看，水下槍械在水中的有效射程集中在10～30 m 之間。

將槍榴彈裝備于蛙人用于水下作戰，利用槍榴彈在水下爆炸過程中產生的沖擊波對敵方造成有效殺傷可增大水下槍械的殺傷威力和殺傷范圍。由于作戰環境的限制及作戰原理的不同，水下槍榴彈的應用不同于普通的水下槍械，會涉及到水下射程與延期解除保險距離、戰斗部威力與射擊精度之間的性能指標難以匹配問題。本文針對此問題，提出了水下槍榴彈延期解除保險性能指標分析方法。

1 水下爆炸沖擊波理論基礎

文獻［2］介紹，水中爆炸產生的沖擊波到來時伴隨有急劇壓力突躍，該壓力通過壓迫作用損傷人體，使人體臟器（胃、腸、肝、脾、腎等）特別是充有空氣的器官受到破壞。爆炸時伴生的峰值超壓是人體受沖擊波作用產生易損性的主要原因之一。峰值超壓一般不單獨用來估計人體對爆轟波的耐受程度，但“在持續時間極短的單脈沖條件下和研究某些生物系統的效應時，可單獨用峰值超壓預測人體對爆轟波的耐受程度”［3］。距爆源較近處的水下爆炸沖擊波超壓作用時間極短，故可單獨用峰值超壓預測人體對爆轟波的耐受程度。水中爆炸沖擊波的超壓峰值的計算公式為［4］：

式（1）中Δp為水中沖擊波超壓峰值，MPa；Q為炸藥藥量，kg；R 為距爆源中心的距離，m；K、α為水中沖擊波超壓系數。

式（1）作為一個經驗公式有其應用的條件，TNT 炸藥的水中爆炸相似系數及應用條件見表1。

表1 TNT炸藥的水中爆炸相似系數和應用條件［4］Tab.1 The factors of shock wave pressure and the applicable condition for underwater explosion of TNT［4］

對不同炸藥的K、α 值，文獻［5］中給出了計算公式并通過計算方法求得了典型炸藥水下爆炸沖擊波壓力K、α的計算值，見表2。

表2 典型炸藥水下爆炸沖擊波壓力K、α 的計算值Tab.2 Calculated results of factors（Kandα）of shock wave pressure for underwater explosion of typical explosives

2 利用水下爆炸沖擊波理論對殺傷半徑與安全距離的確定

2.1 水下爆炸沖擊波殺傷半徑分析

文獻［3］根據對各種動物的試驗數據總結出在短時間超壓作用下造成50% 死亡率的超壓公式：

式中P50為造成50% 死亡率的超壓（MPa）；m為人體質量（g）。

由式（2）可計算出對不同體重的人造成50%死亡率所需的超壓值，見表3。

表3 造成不同體重的人50% 死亡率的超壓值Tab.3 The overpressure which can make people in different weight 50% mortality

取有效殺傷系數k=1.8，通過表3可知對體重為80kg的人造成有效殺傷的超壓值為Δp=kP50=1.8×3.23=5.81 MPa。據此可估計峰值大于6 MPa的水下爆炸沖擊波能導致人體死亡，或造成有效殺傷。根據水中爆炸的相似率，在對敵實施打擊時，要使敵方處于爆炸物的殺傷半徑Ra（此處取殺傷半徑內沖擊波超壓峰值Δp≥6 MPa）之內。

表4為根據式（1）計算出的不同殺傷半徑對應的部分炸藥的裝藥量。從中可以看出，在殺傷半徑相同的情況下，四種炸藥中PBX-1炸藥所需裝藥量最小，而JHL-3炸藥所需的裝藥量最大。當殺傷半徑較小時，四種炸藥所需裝藥量相差不大，如殺傷半徑為1m 時，JHL-3炸藥的裝藥量只比PBX-1炸藥的裝藥量多0.8g；但殺傷半徑較大時，不同炸藥所需的裝藥量相差較大，在殺傷半徑為10 m 時，JHL-3炸藥的裝藥量比PBX-1 炸藥的裝藥量多出約0.8 kg。如果水下槍榴彈需要以較小的裝藥量產生較大的殺傷效果，采用PBX-1炸藥是比較合適的。

表4 不同殺傷半徑對應的不同炸藥的裝藥量Tab.4 The charge of explosives corresponding to different kill radius

2.2 水下爆炸安全距離分析

利用水下爆炸殺傷敵人的同時，更要重視對自我的保護。當與爆炸中心距離小于安全距離Rs時，水下人員會處于不安全的環境中。對于水下生物的保護，文獻［6］介紹“在目前試驗資料還不夠豐富的情況下，為確保安全，一般以0.20 MPa作為水下沖擊波超壓的安全允許標準”，文獻［2］中給出了水中魚類受水中爆炸沖擊波壓力而損害的情況，見表5。

從表5來看，以0.20MPa作為水下生物所能耐受的沖擊波超壓安全允許標準是可以接受的，故此處認為水下人員通過一定的安全防護可以耐受0.20 MPa 水下爆炸沖擊波超壓的作用。以0.20 MPa確定水下安全距離，式（1）已經不再適用。文獻［2］中介紹，“在距爆源足夠遠處，對水下沖擊波峰值小于100 MPa的水下弱沖擊波，符合聲學近似規律，此時水中沖擊波超壓隨距離呈線性衰減”，即：

式中Pm與P′m分別為距爆心R 和R′處的沖擊波超壓峰值壓力；P0為水中初始靜壓力。

表5 水中魚類受水中爆炸沖擊波壓力損害的情況Tab.5 The status of fish in water damaged by shock wave pressure of underwater explosion

3 水下槍榴彈設計理論分析

為保證水下人員的人身安全，槍榴彈的射程應不小于水下人員距槍榴彈爆炸中心所需的安全距離Rs。以可對目標造成有效殺傷的水下爆炸沖擊波超壓峰值確定槍榴彈的殺傷半徑Ra時，殺傷半徑Ra可通過 式（1）得出，進而通過式（3）估算安全距離Rs和槍榴彈所需最小射程L。

表6為JHL-2、JHL-3炸藥在不同裝藥量下的殺傷半徑Ra、安全距離Rs及槍榴彈所需的最小射程L。采用5g的JHL-2或JHL-3作為水下槍榴彈的主裝藥時，殺傷半徑約為1.3m，而所需最小射程接近40m。目前水下槍械的有效射程集中在10～30m之間。若以目前水下槍械所能達到的有效射程30m作為優先考慮的設計指標時，水下槍榴彈的殺傷半徑約為1m，相較于水下槍械的點射有一定的優勢。如果以殺傷半徑作為優先考慮的設計指標時，殺傷半徑的增大會導致槍榴彈在水下作戰中的應用面臨著有效射程與延期解除保險距離難以匹配的問題。

延期解除保險距離的確定，有助于探討水下槍榴彈新的作戰方式。解決槍榴彈水下作戰應用中有效射程與安全距離難以匹配的問題可采取措施盡可能提高槍榴彈的有效射程，如采用火箭增程（但采用火箭增程有可能會降低命中精度，使精度與殺傷半徑匹配不上）。改進防護裝備使水下人員能夠承受更大爆炸沖擊波超壓的作用，縮短安全距離，使有效射程滿足安全距離的要求。另外可探討定向能如聚能裝藥技術輔助解決有效射程與安全距離之間的矛盾。

表6 JHL-2、JHL-3炸藥不同藥量的殺傷半徑、安全距離及所需最小射程Tab.6 The kill radius，the safe distance and the minimum range of JHL-2and JHL-3in different charge

4 結論

本文提出了水下槍榴彈延期解除保險性能指標分析方法。該方法依據水下爆炸產生的沖擊波超壓峰值估算水下槍榴彈爆炸時的殺傷半徑與安全距離。水下槍械所能達到的有效射程為30 m 時，該方法確定的水下槍榴彈的殺傷半徑接近1m。如果增大殺傷半徑，水下槍榴彈將面臨著水下射程過小與延期解除保險距離要求過大、戰斗部威力過小與射擊精度過低從而難以匹配的矛盾。下一步可從提高槍榴彈的有效射程、改進水下人員的防護裝備等方面采取措施。

［1］卞榮宣.世界輕武器100 年［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［2］惲壽榕，趙衡陽.爆炸力學［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［3］張國偉.終點效應及其應用技術［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［4］Cole R H.Underwater Explosion［M］.Princeton NJ：Princeton University Press，1961.

［5］周霖，徐少輝，徐更光.炸藥水下爆炸能量輸出特性研究［J］.兵工學報，2006，27（2）：235-238.

［6］汪旭光，鄭炳旭，張正忠，等.爆破手冊［M］.北京：冶金工業出版社，2010.