“戰(zhàn)斗部投射與毀傷”案例式教學(xué)探索

陳榮 張明冉 李翔宇

[摘 要]文章介紹了“戰(zhàn)斗部投射與毀傷”課程的一個(gè)典型案例—高壓鍋炸彈。該案例貫穿了破片戰(zhàn)斗部的大部分重要知識(shí)點(diǎn)，如破片的形成、破片的衰減和破片的侵徹。結(jié)果表明，鋼球的飛散半徑為647m，鋼釘?shù)娘w散半徑為624m。以將造成人員胸腔貫穿為臨界條件，鋼珠的毀傷半徑達(dá)到131.7m，鋼釘?shù)臍霃綖?60.2m。

[關(guān)鍵詞]案例式教學(xué);毀傷效應(yīng);波士頓爆炸案

[基金項(xiàng)目]2018年國(guó)防科技大學(xué)工程力學(xué)研究生課程體系設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐研究（yjsy2018009）

[作者簡(jiǎn)介]陳 榮（1981—），男，江蘇東臺(tái)人，力學(xué)博士，國(guó)防科技大學(xué)文理學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事材料動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)研究;張明冉（1995—），男，河南信陽(yáng)人，國(guó)防科技大學(xué)軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院2012級(jí)本科生，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù);李翔宇（1980—），男，河南沈丘人，國(guó)防科技大學(xué)文理學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事高效毀傷戰(zhàn)斗部研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] E0-05;G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-11

一、引言

“戰(zhàn)斗部投射與毀傷”是國(guó)防科技大學(xué)開(kāi)設(shè)的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)科技基礎(chǔ)系列課程之一[1]。課程瞄準(zhǔn)戰(zhàn)斗部相關(guān)的科學(xué)原理和基本應(yīng)用（知識(shí)），為軍事指揮的現(xiàn)代化和科學(xué)化奠定物理基礎(chǔ)。課程的教學(xué)目標(biāo)是使這些未來(lái)的基層指揮官掌握和理解常規(guī)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)原理及毀傷效應(yīng)，為作為一名基層指揮員從物理原理來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估敵我雙方態(tài)勢(shì)，做出正確軍事決策奠定科學(xué)基礎(chǔ)。本文在分析課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以“波士頓爆炸案”為例，對(duì)“戰(zhàn)斗部投射與毀傷”的案例式教學(xué)方法進(jìn)行探索。

二、課程特點(diǎn)

課程作為一門(mén)公共課帶有一定的科普性質(zhì)，但是武器毀傷方面的課程涉及的知識(shí)點(diǎn)較廣，部分內(nèi)容的理解有一定的難度。課程知識(shí)體系如圖1所示。

（一）具有一定科普性

相對(duì)于其他課程，戰(zhàn)斗部投射與毀傷作為一門(mén)公共課具有一定的科普性質(zhì)。從戰(zhàn)斗部基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，在講述戰(zhàn)斗部投射的基本方式和爆炸力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講授典型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及其毀傷效應(yīng)，旨在為武器毀傷效應(yīng)在聯(lián)合作戰(zhàn)中的應(yīng)用提供支撐。

（二）知識(shí)涉及面廣

由于戰(zhàn)斗部種類(lèi)眾多，如穿甲彈、破甲彈、穿甲彈及新概念武器等，戰(zhàn)斗部的毀傷元、毀傷方式多種多樣;故本課程涉及的知識(shí)點(diǎn)多，知識(shí)面廣，要求學(xué)生一方面要掌握典型戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)原理，另一方面對(duì)作戰(zhàn)中戰(zhàn)斗部的實(shí)際使用情況及最新發(fā)展的戰(zhàn)斗部有一定了解。

（三）多學(xué)科背景的交叉融合性

因?yàn)槲淦鳉芊治錾婕皻?、目?biāo)主體、作戰(zhàn)方式、毀傷方式、毀傷能力等多方面因素，與之相對(duì)應(yīng)的是多元視野與多學(xué)科基礎(chǔ)，包括爆炸力學(xué)、流體力學(xué)、彈藥設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，等等，因此在教學(xué)中會(huì)體現(xiàn)多學(xué)科背景的交叉融合性。

（四）以實(shí)際為基礎(chǔ)，學(xué)以致用

戰(zhàn)斗部投射與毀傷是一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)習(xí)戰(zhàn)斗部的投射與毀傷主要目的是為了實(shí)際作戰(zhàn)，服務(wù)打贏。同時(shí)因?yàn)槟壳昂徒窈笠欢螘r(shí)期的裝備還是以常規(guī)戰(zhàn)斗部為主體，所以講述中以常規(guī)武器戰(zhàn)斗部為主，兼顧核武器和新概念武器。將科學(xué)原理落實(shí)到武器裝備使用的實(shí)際中，培養(yǎng)學(xué)員應(yīng)用課程知識(shí)分析研究實(shí)際案例的能力。

三、典型教學(xué)案例：“波士頓爆炸案”

（一）案例描述

2013年，美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月15日下午2點(diǎn)50分，波士頓國(guó)際馬拉松賽現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生了連環(huán)炸彈襲擊事件，造成4人死亡（其中一位為美籍華人），逾百人受傷，其中多人傷勢(shì)嚴(yán)重。而在馬拉松賽現(xiàn)場(chǎng)遇襲后不久，波士頓警方證實(shí)，該市的肯尼迪總統(tǒng)圖書(shū)館暨博物館也發(fā)生了類(lèi)似的爆炸事件，但所幸無(wú)人傷亡[2]。

而誰(shuí)都沒(méi)想到這次慘重事故的犯罪嫌疑人是三名年僅19歲的在校大學(xué)生，既不是武裝人員又不是恐怖分子的他們到底是怎么造成這次連環(huán)炸彈襲擊事件的，或者說(shuō)，他們究竟用了什么炸彈以至于能造成如此大的傷亡？答案就是高壓鍋炸彈！2013年4月16日，F(xiàn)BI新聞公報(bào)稱(chēng)，2013年4月15日爆炸的兩枚炸彈被分放在兩個(gè)高壓鍋里，并藏在背包中。爆炸后的殘片顯示，制造這兩枚簡(jiǎn)易炸彈的兇手在鍋里放了釘子、鋼珠等材料[3]。

小小高壓鍋為何能擁有如此大的威力，而這種威力的背后又蘊(yùn)含著什么樣的科學(xué)道理？下面我們將對(duì)高壓鍋炸彈基本原理及其毀傷效應(yīng)做出全面分析。

（二）高壓鍋炸彈基本原理

高壓鍋炸彈是基地組織經(jīng)常使用的爆炸裝置，并曾經(jīng)在網(wǎng)上公布過(guò)教程。類(lèi)似裝置也曾在中東、南亞以及北非等地區(qū)的爆炸事件中屢屢現(xiàn)身。該炸彈的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，作為主體的高壓鍋幾乎可以在絕大多數(shù)打折商店買(mǎi)到，鍋內(nèi)部被塞滿獵槍彈、螺釘、子彈，然后通過(guò)外部的引爆裝置引爆。

高壓鍋在正常使用情況下，如果壓力達(dá)到一定的值，當(dāng)出氣閥和安全閥都被堵上，且該高壓鍋仍被繼續(xù)加熱，導(dǎo)致鍋內(nèi)氣壓超過(guò)該高壓鍋所能承受的壓力時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆炸。

往鍋體內(nèi)部放入爆炸物和用于加大殺傷力的碎片，再安裝上計(jì)時(shí)器或者信號(hào)接收器，炸彈就大致完成了（圖2）。由于高壓鍋內(nèi)部的巨大壓力在爆炸時(shí)產(chǎn)生極大的威力，鍋本身和其中填充的碎片會(huì)像手榴彈一樣在爆炸的時(shí)候四處飛濺，造成人員傷亡。

把TNT炸藥或其他爆炸物放置在高壓鍋里面，在高壓鍋的頂部安裝雷管。爆炸的威力大小取決于高壓鍋的大小和放置的炸藥的量。制造壓力鍋炸彈的材料都是現(xiàn)成的，炸彈復(fù)雜與否取決于制造者。高壓鍋炸彈的主要優(yōu)點(diǎn)在于可以用爆炸能量較低的炸藥制造出較為猛烈的爆炸。

（三）高壓鍋炸彈毀傷效應(yīng)分析

在波士頓爆炸慘案中，據(jù)幸存者描述，“只聽(tīng)到一聲巨響，然后許多人應(yīng)聲倒地，馬拉松比賽的觀眾很多人臉上瞬間布滿了鮮血”。現(xiàn)場(chǎng)指揮救援官員說(shuō)，“受傷的群眾身上到處是被金屬刺穿和刮傷的痕跡，就如進(jìn)入戰(zhàn)區(qū)一樣”。

當(dāng)高壓鍋爆炸時(shí)，在幾微秒內(nèi)產(chǎn)生的高壓爆轟產(chǎn)物對(duì)其金屬外殼施加數(shù)十萬(wàn)倍大氣壓以上的壓力，這個(gè)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高壓鍋殼體的材料強(qiáng)度，使高壓鍋殼體破裂，產(chǎn)生破片[4]。破片通常是指戰(zhàn)斗部殼體在內(nèi)部炸藥爆炸作用下瞬時(shí)解體而產(chǎn)生的一種殺傷元素，其特性參數(shù)包括破片數(shù)量、破片存速、破片質(zhì)量分布和破片空間分布。破片效應(yīng)則是指這種殺傷元素對(duì)于有生力量、飛機(jī)和車(chē)輛等的殺傷破壞作用[4，5]。而這些利用爆炸方法產(chǎn)生的高速破片群就是造成人員傷亡的主要原因[6]。下面我們通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)體會(huì)高壓鍋炸彈爆炸后的破片威力到底有多大。

1.破片初速。首先將高壓鍋等效為如圖3所示的圓柱體，高140mm，底面直徑240mm，厚度為5mm，材料為304不銹鋼（密度ρ1=7390kg/m3）。

其中鍋內(nèi)十分之九裝填TNT炸藥（密度ρ2= 1630kg/m3），剩余十分之一裝填釘子、鋼珠等材料，這里我們近似地把釘子和鋼珠的密度看為304不銹鋼的密度，由此可以計(jì)算出殼體質(zhì)量M1=ρ1V1=7.393kg，TNT炸藥質(zhì)量C=0.9ρ2V2=7.924kg，釘子、鋼珠質(zhì)量M2=0.1ρ1V2=4.283kg，得到裝藥質(zhì)量比為

β=C/（M1+M2）=0.6787 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

取TNT的古尼常數(shù)=2370m/s，根據(jù)古尼公式可以求出破片的初速度為

說(shuō)明，雖然里面裝的鋼珠、鋼釘?shù)刃纬深A(yù)制破片，因?yàn)楦邏哄伒暮穸容^厚，在此我們?nèi)允褂米匀黄破墓拍峁接?jì)算破片初速。根據(jù)公式計(jì)算出高壓鍋炸彈爆炸后破片的初速度為1687m/s，相當(dāng)于95自動(dòng)步槍初速度的兩倍！可想而知，高壓鍋炸彈威力是多么巨大！

2.破片速度衰減規(guī)律。進(jìn)一步假設(shè)，在這些破片中有兩種典型形式的破片，一是直徑為5mm的鋼珠，一是長(zhǎng)30mm、直徑2mm的鋼釘。如圖4所示，將釘子等效為高30mm、底面直徑2mm的圓柱體，密度和304不銹鋼相同。

其中，Ma為飛行馬赫數(shù)，其迎風(fēng)面積即釘子尾部的圓面積A2=2.83E-5m2。帶入公式（4）計(jì)算得到鋼釘?shù)乃俣人p規(guī)律（圖5）。以0.1m/s作為停止飛行的臨界速度，得出鋼球的飛散半徑為647m，鋼釘?shù)娘w散半徑為624m。

3.破片毀傷特性?？植酪u擊如造成人員受傷會(huì)達(dá)到更大的恐怖威脅的效果，我們對(duì)高壓鍋炸彈的威力分析也主要考慮人員損傷。破片對(duì)有生目標(biāo)的殺傷，就其本質(zhì)而言，主要是對(duì)活組織的一種機(jī)械破壞作用。破片的動(dòng)能主要消耗在貫穿機(jī)體組織及對(duì)傷道周?chē)M織的損傷上。對(duì)于同樣的創(chuàng)傷，不同形狀、質(zhì)量的破片，造成同等創(chuàng)傷所需的動(dòng)能有很大差別。一般來(lái)說(shuō)，大破片殺傷需要較大的動(dòng)能，但各種破片的比動(dòng)能卻非常接近。從文獻(xiàn)可知貫穿狗胸腔的致傷比動(dòng)能ecritical為112.8J/cm2，我們用該參數(shù)來(lái)估算對(duì)人員的損傷，由此計(jì)算貫穿人體胸腔的臨界速度。

其中，Ap為侵徹面積。對(duì)于鋼珠取圓面面積A1= 5.03E-5m2，計(jì)算得到鋼珠的貫穿臨界速度為232.9m/s。

對(duì)于鋼釘，其侵徹面為前端尖頭部分侵徹面積為3.14E-6m2，計(jì)算得到鋼釘貫穿臨界速度為77.6m/s。將這兩個(gè)臨界值放入圖4中可以得到，鋼珠和鋼釘對(duì)人員的毀傷半徑分別為131.7m和160.2m。

四、結(jié)論

本文介紹了“戰(zhàn)斗部投射與毀傷”的一個(gè)典型案例—高壓鍋炸彈。該案例應(yīng)用了破片戰(zhàn)斗部的大部分重要知識(shí)點(diǎn)，如破片的形成、破片的衰減和破片的侵徹。結(jié)果表明，鋼球的飛散半徑為647m，鋼釘?shù)娘w散半徑為624m。以將造成人員胸腔貫穿為臨界條件，鋼珠的毀傷半徑達(dá)到131.7m，鋼釘?shù)臍霃綖?60.2m。

參考文獻(xiàn)

[1]李翔宇，盧芳云，蔣邦海，等.《武器戰(zhàn)斗部投射與毀傷》課程建設(shè)初探[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2011，34（B11）：61-62，69.

[2]波士頓爆炸案已致兩死近百傷 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)爆炸物[EB/OL].http：//news.sohu.com/20130416/n372795931.shtml. 2013-4-16.

[3]波士頓爆炸案，李昌鈺負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)檢查，并獲得重要證據(jù)：壓力鍋蓋[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1676210215387148095&wfr=spider&for=pc. 2013-08-28.

[4]陶短房.高壓鍋引發(fā)的恐懼—警惕恐怖襲擊武器的“白菜化”[J].坦克裝甲車(chē)輛，2016（22）：17-20.

[5]盧芳云，蔣邦海，翔宇，等.武器戰(zhàn)斗部投射與毀傷[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[6]盧芳云，李翔宇，林玉亮.戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

Abstract： This paper introduces a typical case of Warhead Projection And Damage Course—pressure cooker bomb. This case exhibits most important knowledge points of fragment warhead： fragment formation， fragment attenuation and fragment penetration. The results show that the explosive radius of steel ball is 647m and that of steel nail is 624m. Under the critical condition of penetrating the chest cavity， the destructive radius of steel ball is 131.7m， and that of steel nail is 160.2m.

Key words： case teaching; damage effect; Boston Marathon Bombings