人體軀干沖擊波超壓測試方法研究

李 岡，蔡 萌，徐冰川，尤文斌，胡 濱，劉偉巍

(1.中國華陰兵器試驗中心, 陜西 華陰 714200； 2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 太原 030051)

1 引言

爆炸沖擊波是彈藥爆炸工作過程中的重要毀傷元，能夠?qū)θ藛T造成致命性的傷害。爆炸沖擊波在空氣中是立體傳播的，對人員的毀傷也是整體的。目前，國內(nèi)爆炸沖擊波的試驗測試方法主要參考國軍標(biāo)(GJB)，其測試方法基本相同，采用單個傳感器單點測量的方法，即在距離爆心一定距離和方位上布置傳感器，獲取該點處的沖擊波壓力。此外，采用國軍標(biāo)中測量方法測得的數(shù)據(jù)與人體實際上承受的壓力載荷有著明顯不同，主要原因是人體所承受的壓力載荷來自不同方向，還與人體的體形、周圍環(huán)境有關(guān)。

針對沖擊波致?lián)p傷的問題，國內(nèi)外開展了大量的試驗及數(shù)值模擬方面的研究工作。Bowen等基于開展動物試驗，利用沖擊波超壓值和正壓作用時間，提出了著名的Bowen創(chuàng)傷曲線。美國陸軍醫(yī)療研究與裝備司令部(USAMRMC)和美國陸軍納蒂克士兵研發(fā)工程中心(USANSRDEC)自20世紀(jì)80年代開始，啟動了爆炸肺損傷研究項目，大約使用了1 000多只綿羊來研究爆炸對它們的影響。地雷、簡易爆炸裝置(IED)等爆炸產(chǎn)生的強大沖擊波對車輛乘員造成巨大的傷害，北約制訂了方法標(biāo)準(zhǔn)AEP-55 Volume 2，將壓力傳感器放置于Hybrid III假人的胸部，并對人員胸部所承受的爆炸沖擊波的測試方法進行了介紹。周杰等采用運用有限元程序，分析了人體胸部所承受的爆炸沖擊波作用的力學(xué)過程。

本研究中基于設(shè)計的人體軀干測試模型，進行了爆炸試驗，測量了模擬人站立狀態(tài)下所承受的爆炸沖擊波壓力載荷，對測試結(jié)果進行了分析，建立了一種用于人體軀干爆炸沖擊波測量方法，以便準(zhǔn)確測試和評估爆炸沖擊波對人體的損傷，為武器彈藥爆炸威力參數(shù)測試及毀傷效能評估提供支撐。

2 試驗裝置及方法

2.1 試驗裝置

作為人體軀干的替代物，依據(jù)人體尺寸，設(shè)計并加工一個模擬人體胸腔部的測試圓筒，如圖1所示。人體軀干模擬測試圓筒主要由高強度鋁加工而成，其高度為762 mm、直徑為305 mm、圓筒厚度為20 mm，并在圓筒高度一半周向處均勻設(shè)置4個傳感器，用以測量前、后、左、右4個方向上的沖擊波壓力。為模擬人體站立時的姿態(tài)，傳感器距地面主要參考人體胸部高度，根據(jù)文獻[13]可知，傳感器高度為人身高的0.72倍，支撐架高度為879 mm。

圖1 人體軀干裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a simplified torso surrogate

2.2 試驗條件

測試炸藥采用TNT炸藥，長徑比為1∶1，藥柱質(zhì)量為0.2 kg，傳爆藥柱為“82”傳爆藥，由8號電雷管引爆。

試驗場地選在爆炸堡中進行。將0.2 kg的藥柱放置在支架上，模擬人體軀干裝置的傳感器采用PCB公司的ICP型113B28壁面式壓力傳感器，固有頻率大于500 kHz，上升時間小于1 μs，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為DEWETRON公司的數(shù)據(jù)采集儀，采樣頻率設(shè)置為1 MHz；同時布置2支PCB公司的ICP型137B23自由場壓力傳感器，其固有頻率大于500 kHz，上升時間小于1 μs，使用CJB-V-01自存儲式?jīng)_擊波測試儀，采樣頻率設(shè)置為1 MHz。圖2為試驗現(xiàn)場布置示意圖。本次試驗共設(shè)置2種不同的工況，具體工況設(shè)置如表1所示。在試驗工況1中，定義正對沖擊波傳播方向的傳感器為編號1、角度0°，平行于沖擊波傳播方向的傳感器為編號2、角度90°和編號4、角度270°，背對沖擊波傳播方向的傳感器為編號3、角度180°，傳感器1與爆心的水平距離為2 m且與爆心同高；在工況2中，將人體軀干裝置逆時針旋轉(zhuǎn)45°放置，炸高設(shè)置為0.84 m，其余與工況1保持一致；自由場壓力傳感器為編號5和6，距爆心為2 m。

圖2 試驗現(xiàn)場布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

表1 試驗工況Table 1 Experimental parameters

3 試驗結(jié)果及分析討論

3.1 試驗結(jié)果與分析

采用Origin軟件對沖擊波壓力曲線進行處理，并對測試曲線進行篩選，去除明顯不合理的異常信號，按照圖3沖擊波典型曲線進行特征參數(shù)進行判讀。具體實測結(jié)果如表2所示。

圖3 沖擊波典型曲線Fig.3 Blast wave parameters

圖4為自由場壓力傳感器實測的沖擊波超壓曲線，并對其進行積分獲得的沖量隨時間的變化趨勢曲線。從圖4中可以看出，空中各測點的沖擊波壓力波形均出現(xiàn)了雙峰，根據(jù)近地爆炸沖擊波傳播規(guī)律可知，所有測點均位于三波點上方，其中第一峰為沖擊波入射壓力，第二峰為地面反射壓力。

圖4 沖擊波超壓、沖量曲線Fig.4 Blast overpressure and impulse with time

從表2中可以看出，測點5、6與爆心距離相同，但超壓峰值差異較大，除試驗現(xiàn)場安裝誤差外，主要是由于圓柱形裝藥爆炸時具有明顯的方向性導(dǎo)致的。此外，在近距離爆炸測試中，每個工況下各測點獲取的超壓峰值差異也較大，這是與爆炸本身的可變性有關(guān)。本文的試驗數(shù)據(jù)與文獻[16]中在近距離測試中獲取的數(shù)據(jù)跳動現(xiàn)象基本一致。

表2 實測的沖擊波數(shù)據(jù)Table 2 Test results of blast wave

圖5為2種工況下，模擬人體軀干裝置獲取的人體前、后、左、右4個方向的沖擊波超壓值隨時間的變化趨勢，并對沖擊波超壓曲線進行積分，獲取沖量隨時間的變化曲線。從圖5中可以看出，模擬人體軀干裝置各測點的沖擊波壓力波形也出現(xiàn)了雙峰，分析可知所有測點均位于三波點上方，其中第一峰為沖擊波入射壓力，第二峰為地面反射壓力。

圖5 沖擊波超壓、沖量曲線Fig.5 Blast overpressure and impulse with time

圖6表示了不同工況下模擬人體軀干裝置不同位置處的沖擊波超壓峰值、沖量。從圖6(a)中可以看出，在工況1中，第一超壓峰值與第二超壓峰值均是0°位置處的超壓峰值最大、90°與270°位置處超壓峰值大致相當(dāng)，180°位置處超壓峰值最小，0°位置處的沖量最大，90°與270°位置處沖量基本一致，180°位置處沖量大于90°與270°位置處。從圖5(a)可以看出，爆炸沖擊波首先到達傳感器1處，由于傳感器1正對沖擊波傳播的方向，沖擊波波陣面作用于壓力傳感器后發(fā)生正反射。沖擊波繼續(xù)前進，沿著圓筒表面發(fā)生繞射，沖擊波波陣面幾乎同時到達傳感器2和傳感器4處，其沖擊波波形基本一致，在兩側(cè)面形成大致相當(dāng)?shù)膲毫Γ划?dāng)沖擊波繼續(xù)傳播時，壓力由兩側(cè)面迅速作用于傳感器3處并繼續(xù)向前傳播。

從圖6(b)中可以看出，0°與270°相對爆心位置基本一樣，第一超壓峰值與第二峰超壓峰值、沖量均是大致相當(dāng)，90°與180°處的第一超壓峰值與第二超壓峰值、沖量也是大致相當(dāng)，0°與270°處大于90°與180°處。從圖5(b)中可以看出，爆炸沖擊波波陣面先到達測點4處隨后到達測點1處，導(dǎo)致測點4處第一超壓峰值略大于測點1處的超壓峰值，這與圖6(b)所示結(jié)果一致。在試驗現(xiàn)場設(shè)備布置時，人體軀干裝置與爆心的相對位置不可能精細，難免出現(xiàn)偏差，這也恰好能夠說明能夠測量來自不同方向的爆炸沖擊波。

圖6 不同位置處沖擊波超壓、沖量曲線Fig.6 Blast overpressure and impulse in different locations

3.2 理論計算

文獻[17]中給出了炸藥近地爆炸三波點的計算公式，即

=tan

(1)

(2)

式中：為炸高，m；為馬赫反射臨界角，40°；為三波點在地面的投影與爆心在地面投影的直線距離，m。由式(1)和式(2)可知，在工況1中，傳感器1所在位置處的三波點高度約為0.07 m。

根據(jù)爆炸相似理論，TNT炸藥在無限空氣介質(zhì)中爆炸時，常用的薩多斯基公式為：

(3)

式中：為入為無限空中爆炸時沖擊波的超壓峰值，MPa；為TNT裝藥質(zhì)量，kg；為測試點距爆炸中心的距離，m；

傳感器1所處位置與入射沖擊波波陣面成角為=0°，沖擊波發(fā)生正反射。根據(jù)沖擊波傳播理論，正反射超壓峰值為：

(4)

式中：為反射沖擊波超壓峰值；為絕熱指數(shù)，對空氣常取=14；為初始大氣壓力，取0101 MPa。式(4)為：

(5)

計算值偏差公式為：

(6)

式中：為工況1中，測點1處的沖擊波超壓峰值，MPa。

本試驗條件下的沖擊波超壓峰值試驗結(jié)果及其計算值偏差如表3所示。從表3可以看出，與理論計算值相比，入射超壓峰值與計算值，相差在10%以內(nèi)。在工況1條件下，正反射超壓計算值偏小8.8%。

表3 試驗值與理論值Table 3 Comparison of the measurement and calculation overpressures

3.3 沖擊波與人體軀干相互作用分析

圖7為近地爆炸沖擊波傳播特性示意圖。炸藥引爆后，爆炸沖擊波以近似球面波的形式向四周傳播，經(jīng)過很短的時間，爆炸沖擊波在爆心的地面上發(fā)生正反射。隨后爆炸沖擊波與地面的相互作用產(chǎn)生斜反射。沖擊波繼續(xù)傳播，逐漸在地面上形成馬赫反射。馬赫波、反射波和入射波的交點隨著距離的增加而逐漸升高。不論是模擬人形軀干裝置，還是自由場傳感器均在三波點以上，所以傳感器測到的是2個超壓峰值。

圖7 爆炸沖擊波傳播特性示意圖Fig.7 Diagram of blast wave Propagation

圖8為爆炸沖擊波與人體軀干裝置相互作用示意圖。從圖8中可以看出，入射波達到人體軀干裝置時，發(fā)生反射，形成反射沖擊波。反射波陣面的強度大于入射波陣面的強度，不斷追趕初始沖擊波陣面。隨著時間的推移，反射波陣面與入射波陣面相遇，形成馬赫波陣面。馬赫波繼續(xù)傳播，在人體軀干裝置背部相遇后，繼續(xù)向遠處傳播。

圖8 沖擊波與人體軀干裝置相互作用示意圖Fig.8 Bypassing of the blast wave around the simplified torso surrogate

在人體軀干裝置以外的入射波沿著頂部和下部繼續(xù)傳播，因為沒有遇到阻礙，不會發(fā)生反射，超壓也沒有增加。反射波陣面逐漸追趕上入射波陣面形成馬赫波陣面后繼續(xù)傳播。

4 結(jié)論

對0.2 kg的TNT炸藥在爆炸堡內(nèi)進行爆炸試驗，測試了模擬人體軀干裝置受到的前、后、左、右4個方向的爆炸載荷，并利用自由場壓力傳感器測量了入射壓，將試驗結(jié)果與薩多斯基模型計算值對比分析。通過試驗及理論計算相結(jié)合的方法研究了爆炸沖擊波與人員的相互過程，得到如下結(jié)論：

1) 使用模擬人體軀干裝置能夠有效地測量人員所承受的不同方向壓力。

2) 人體軀干裝置正面朝向沖擊波時，人體軀干前部受到的沖擊波壓力均大于入射壓，左、右兩側(cè)受到的沖擊波壓力基本一致，軀干背部受到的沖擊波壓力最小；軀干背部的沖擊波作用時間最長，其沖量大于兩側(cè)的沖量。

下一步，可在增加試驗樣本量、改進模擬人體軀干裝置的材料與尺寸、開展損傷評估等方面深入研究，為評估爆炸沖擊波對人體損傷進一步提供技術(shù)支撐。