1 引言
爆炸冲击波是弹药爆炸工作过程中的重要毁伤元，能够对人员造成致命性的伤害[1]。爆炸冲击波在空气中是立体传播的，对人员的毁伤也是整体的。目前，国内爆炸冲击波的试验测试方法主要参考国军标(GJB)，其测试方法基本相同，采用单个传感器单点测量的方法，即在距离爆心一定距离和方位上布置传感器，获取该点处的冲击波压力。此外，采用国军标中测量方法测得的数据与人体实际上承受的压力载荷有着明显不同，主要原因是人体所承受的压力载荷来自不同方向，还与人体的体形、周围环境有关。
针对冲击波致损伤的问题，国内外开展了大量的试验及数值模拟方面的研究工作[2-5]。Bowen等[6]基于开展动物试验，利用冲击波超压值和正压作用时间，提出了著名的Bowen创伤曲线。美国陆军医疗研究与装备司令部(USAMRMC)和美国陆军纳蒂克士兵研发工程中心(USANSRDEC)自20世纪80年代开始，启动了爆炸肺损伤研究项目，大约使用了1 000多只绵羊来研究爆炸对它们的影响[7-9]。地雷、简易爆炸装置(IED)等爆炸产生的强大冲击波对车辆乘员造成巨大的伤害，北约制订了方法标准AEP-55 Volume 2[10]，将压力传感器放置于Hybrid III假人的胸部，并对人员胸部所承受的爆炸冲击波的测试方法进行了介绍。周杰等[11-12]采用运用有限元程序，分析了人体胸部所承受的爆炸冲击波作用的力学过程。
本研究中基于设计的人体躯干测试模型，进行了爆炸试验，测量了模拟人站立状态下所承受的爆炸冲击波压力载荷，对测试结果进行了分析，建立了一种用于人体躯干爆炸冲击波测量方法，以便准确测试和评估爆炸冲击波对人体的损伤，为武器弹药爆炸威力参数测试及毁伤效能评估提供支撑。
2 试验装置及方法
2.1 试验装置
作为人体躯干的替代物，依据人体尺寸，设计并加工一个模拟人体胸腔部的测试圆筒，如图1所示。人体躯干模拟测试圆筒主要由高强度铝加工而成，其高度为762 mm、直径为305 mm、圆筒厚度为20 mm，并在圆筒高度一半周向处均匀设置4个传感器，用以测量前、后、左、右4个方向上的冲击波压力。为模拟人体站立时的姿态，传感器距地面主要参考人体胸部高度，根据文献[13]可知，传感器高度为人身高的0.72倍，支撑架高度为879 mm。
图1 人体躯干装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of a simplified torso surrogate
2.2 试验条件
测试炸药采用TNT炸药，长径比为1∶1，药柱质量为0.2 kg，传爆药柱为“82”传爆药，由8号电雷管引爆。
试验场地选在爆炸堡中进行。将0.2 kg的药柱放置在支架上，模拟人体躯干装置的传感器采用PCB公司的ICP型113B28壁面式压力传感器，固有频率大于500 kHz，上升时间小于1 μs，数据采集设备为DEWETRON公司的数据采集仪，采样频率设置为1 MHz；同时布置2支PCB公司的ICP型137B23自由场压力传感器，其固有频率大于500 kHz，上升时间小于1 μs，使用CJB-V-01自存储式冲击波测试仪，采样频率设置为1 MHz。图2为试验现场布置示意图。本次试验共设置2种不同的工况，具体工况设置如表1所示。在试验工况1中，定义正对冲击波传播方向的传感器为编号1、角度0°，平行于冲击波传播方向的传感器为编号2、角度90°和编号4、角度270°，背对冲击波传播方向的传感器为编号3、角度180°，传感器1与爆心的水平距离为2 m且与爆心同高；在工况2中，将人体躯干装置逆时针旋转45°放置，炸高设置为0.84 m，其余与工况1保持一致；自由场压力传感器为编号5和6，距爆心为2 m。
图2 试验现场布置示意图
Fig.2 Schematic diagram of experimental setup
表1 试验工况
Table 1 Experimental parameters
工况炸高/m测点1距爆心/m测点5距爆心/m药柱类型药柱质量/kg试验次数11.2622TNT0.2320.8422TNT0.23
3 试验结果及分析讨论
3.1 试验结果与分析
采用Origin软件对冲击波压力曲线进行处理，并对测试曲线进行筛选，去除明显不合理的异常信号，按照图3冲击波典型曲线进行特征参数进行判读。具体实测结果如表2所示。
图3 冲击波典型曲线
Fig.3 Blast wave parameters
图4为自由场压力传感器实测的冲击波超压曲线，并对其进行积分获得的冲量随时间的变化趋势曲线。从图4中可以看出，空中各测点的冲击波压力波形均出现了双峰，根据近地爆炸冲击波传播规律可知，所有测点均位于三波点上方，其中第一峰为冲击波入射压力，第二峰为地面反射压力。
图4 冲击波超压、冲量曲线
Fig.4 Blast overpressure and impulse with time
从表2中可以看出，测点5、6与爆心距离相同，但超压峰值差异较大，除试验现场安装误差外，主要是由于圆柱形装药爆炸时具有明显的方向性导致的[14]。此外，在近距离爆炸测试中，每个工况下各测点获取的超压峰值差异也较大，这是与爆炸本身的可变性[15]有关。本文的试验数据与文献[16]中在近距离测试中获取的数据跳动现象基本一致。
表2 实测的冲击波数据
Table 2 Test results of blast wave
工况超压值/kPa测点1测点2测点3测点4测点5测点6冲量/(kPa·ms)测点1测点2测点3测点4测点5测点61-1----56.34-------1-2154.4160.7327.0359.9364.9559.5542.0723.0427.4022.4037.0036.141-3145.1558.8224.6451.9354.0548.3940.9122.0529.0522.8638.8737.642-1129.2724.4728.58142.6565.0347.4435.5833.0116.3539.1446.1737.642-1134.4624.8728.34146.6070.6657.5437.3933.6816.8237.9347.8943.352-3113.3721.9729.03138.3267.7259.7833.8231.2919.3537.5446.0942.90
注：“-”表示无有效数据。
图5为2种工况下，模拟人体躯干装置获取的人体前、后、左、右4个方向的冲击波超压值随时间的变化趋势，并对冲击波超压曲线进行积分，获取冲量随时间的变化曲线。从图5中可以看出，模拟人体躯干装置各测点的冲击波压力波形也出现了双峰，分析可知所有测点均位于三波点上方，其中第一峰为冲击波入射压力，第二峰为地面反射压力。
图5 冲击波超压、冲量曲线
Fig.5 Blast overpressure and impulse with time
图6表示了不同工况下模拟人体躯干装置不同位置处的冲击波超压峰值、冲量。从图6(a)中可以看出，在工况1中，第一超压峰值与第二超压峰值均是0°位置处的超压峰值最大、90°与270°位置处超压峰值大致相当，180°位置处超压峰值最小，0°位置处的冲量最大，90°与270°位置处冲量基本一致，180°位置处冲量大于90°与270°位置处。从图5(a)可以看出，爆炸冲击波首先到达传感器1处，由于传感器1正对冲击波传播的方向，冲击波波阵面作用于压力传感器后发生正反射。冲击波继续前进，沿着圆筒表面发生绕射，冲击波波阵面几乎同时到达传感器2和传感器4处，其冲击波波形基本一致，在两侧面形成大致相当的压力；当冲击波继续传播时，压力由两侧面迅速作用于传感器3处并继续向前传播。
从图6(b)中可以看出，0°与270°相对爆心位置基本一样，第一超压峰值与第二峰超压峰值、冲量均是大致相当，90°与180°处的第一超压峰值与第二超压峰值、冲量也是大致相当，0°与270°处大于90°与180°处。从图5(b)中可以看出，爆炸冲击波波阵面先到达测点4处随后到达测点1处，导致测点4处第一超压峰值略大于测点1处的超压峰值，这与图6(b)所示结果一致。在试验现场设备布置时，人体躯干装置与爆心的相对位置不可能精细，难免出现偏差，这也恰好能够说明能够测量来自不同方向的爆炸冲击波。
图6 不同位置处冲击波超压、冲量曲线
Fig.6 Blast overpressure and impulse in different locations
3.2 理论计算
文献[17]中给出了炸药近地爆炸三波点的计算公式，即
R0=tanφcrH
(1)
(2)
式中：H为炸高，m；φcr为马赫反射临界角，40°；D为三波点在地面的投影与爆心在地面投影的直线距离，m。由式(1)和式(2)可知，在工况1中，传感器1所在位置处的三波点高度约为0.07 m。
根据爆炸相似理论，TNT炸药在无限空气介质中爆炸时，常用的萨多斯基公式为[18]：
(3)
式中：PI为入为无限空中爆炸时冲击波的超压峰值，MPa；w为TNT装药质量，kg；r为测试点距爆炸中心的距离，m；
传感器1所处位置与入射冲击波波阵面成角为φ0=0°，冲击波发生正反射。根据冲击波传播理论，正反射超压峰值为：
(4)
式中：PR为反射冲击波超压峰值；γ为绝热指数，对空气常取γ=1.4；P0为初始大气压力，取0.101 MPa。式(4)为：
(5)
计算值偏差公式为：
(6)
式中：P1为工况1中，测点1处的冲击波超压峰值，MPa。
本试验条件下的冲击波超压峰值试验结果及其计算值偏差如表3所示。从表3可以看出，与理论计算值相比，入射超压峰值与计算值，相差在10%以内。在工况1条件下，正反射超压计算值偏小8.8%。
表3 试验值与理论值
Table 3 Comparison of the measurement and calculation overpressures
工况入射超压峰值/kPa试验平均值计算值计算值偏差/%正反射超压峰值/kPa试验平均值计算值计算值偏差/%156.6065.1215.1150.85138.61-8.8261.3665.126.1---平均58.9865.129.4150.85138.61-8.8
注：“-”表示无有效数据。
3.3 冲击波与人体躯干相互作用分析
图7为近地爆炸冲击波传播特性示意图。炸药引爆后，爆炸冲击波以近似球面波的形式向四周传播，经过很短的时间，爆炸冲击波在爆心的地面上发生正反射。随后爆炸冲击波与地面的相互作用产生斜反射。冲击波继续传播，逐渐在地面上形成马赫反射。马赫波、反射波和入射波的交点随着距离的增加而逐渐升高。不论是模拟人形躯干装置，还是自由场传感器均在三波点以上，所以传感器测到的是2个超压峰值。
图7 爆炸冲击波传播特性示意图
Fig.7 Diagram of blast wave Propagation
图8为爆炸冲击波与人体躯干装置相互作用示意图。从图8中可以看出，入射波达到人体躯干装置时，发生反射，形成反射冲击波。反射波阵面的强度大于入射波阵面的强度，不断追赶初始冲击波阵面。随着时间的推移，反射波阵面与入射波阵面相遇，形成马赫波阵面。马赫波继续传播，在人体躯干装置背部相遇后，继续向远处传播。
图8 冲击波与人体躯干装置相互作用示意图
Fig.8 Bypassing of the blast wave around the simplified torso surrogate
在人体躯干装置以外的入射波沿着顶部和下部继续传播，因为没有遇到阻碍，不会发生反射，超压也没有增加。反射波阵面逐渐追赶上入射波阵面形成马赫波阵面后继续传播。
4 结论
对0.2 kg的TNT炸药在爆炸堡内进行爆炸试验，测试了模拟人体躯干装置受到的前、后、左、右4个方向的爆炸载荷，并利用自由场压力传感器测量了入射压，将试验结果与萨多斯基模型计算值对比分析。通过试验及理论计算相结合的方法研究了爆炸冲击波与人员的相互过程，得到如下结论：
1) 使用模拟人体躯干装置能够有效地测量人员所承受的不同方向压力。
2) 人体躯干装置正面朝向冲击波时，人体躯干前部受到的冲击波压力均大于入射压，左、右两侧受到的冲击波压力基本一致，躯干背部受到的冲击波压力最小；躯干背部的冲击波作用时间最长，其冲量大于两侧的冲量。
下一步，可在增加试验样本量、改进模拟人体躯干装置的材料与尺寸、开展损伤评估等方面深入研究，为评估爆炸冲击波对人体损伤进一步提供技术支撑。
[1] 王新颖,王树山,卢熹,等.空中爆炸冲击波对生物目标的超压-冲量准则[J].爆炸与冲击,2018,38(01):106-111.
Wang X Y,Wang S H,Lu X,et al.Overpressure-impulse damage criterion of air shock waves on biological targets[J].Explosion and Shock Waves,2018,38(01):106-111.
[2] Lashkari M H,Kangarlou K,Shadpour M T.Numerical modeling of primary thoracic trauma because of blast[J].Annals of Military & Health Sciences Research,2015,13(01):7-14.
[3] Macfadden L N, Chan P C, Ho H H, et al. A model for predicting primary blast lung injury[J].Journal of Trauma & Acute Care Surgery,2012,73(05):1121-1129.
[4] 李川,陈海斌,张亮,等.小当量战斗部爆炸冲击波对有生目标的毁伤效应分析[J].兵器装备工程学报,2020,41(12):73-76.
Li C,Chen H B,Zhang L,et al.Analysis on damage of small equivalent warhead blast wave to living target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2020,41(12):73-76.
[5] Boutillier J,Deck C,Mezzo S D,et al.Lung injury risk assessment during blast exposure[J].Journal of Biomechanics,2019(86):210-217.
[6] Bowen I G,Fletcher E R,Richmond D R.Estimate of mans tolerance to the direct effects of air blast[R].Washington DC:Defense Atomic Support Agency Department of Defence,1968.
[7] Martinez B S,Stuhmiller J H.A health hazard assessment for blast overpressure exposures:Blast overpressure research program[R].Maryland:US Army Medical Research and Materiel Command,1999.
[8] Stuhmiller J H,Ho H H,Vorst V,et al.A model of blast overpressure injury to the lung[J].Journal of Biomechanics,1996,29(02):227-234.
[9] Gibbons M M,Dang X,Adkins M,et al.Finite element modeling of blast lung injury in sheep[J].Journal of Biomechanical Engineering,2015,137(04):1-9.
[10]AEP-55,Procedures for evaluating the protection level of logistic and light armored vehicles Volume 2[S].
[11]周杰,陶钢,王健.爆炸冲击波对肺损伤的数值模拟[J].爆炸与冲击,2012,32(04):418-422.
Zhou J,Tao G,Wang J.Numerical simulation of lung injury induced by shock wave[J].Explosion and Shock Waves,2012,32(04):418-422.
[12]周杰,陶钢.人体胸部爆炸冲击波创伤模型与评估[J].弹道学报,2013,25(03):64-69.
Zhou J,Tao G.Injury model and assessment for human thorax under blast wave [J].Journal of Ballistics,2013,25(03):64-69.
[13]Kamel H,Harraz O,Yacoub M I,et al.Developing a custom anthropomorphic test device for measuring blast effects on occupants inside armored vehicles[J].Journal of Engineering Science and Military Technologies,2019,3(02):70-76.
[14]侯俊亮,蒋建伟,门建兵,等.不同形状装药爆炸冲击波场及对靶板作用效应的数值模拟[J].北京理工大学学报,2013,33(06 ):556-561.
Hou J L,Jiang J W,Men J B,et al.Numerical simulation on blast wave field and deformation of thin plate under different-shape charge loading[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2013,33(06):556-561.
[15]Ohrt A P,Dailey T G,Bogosian D.D.Statistical variation of air blast parameters from bare and cased explosive cylinders[C]//Proceedings from the 22nd Military Aspects of Blast and Simulation (MABS).UK:Oxford,2014.
[16]李梅,蒋建伟,王昕.复合装药空气中爆炸冲击波传播特性[J].爆炸与冲击,2018,38(02):367-372.
Li M,Jiang J W,Wang X.Shock wave propagation characteristics of double layer charge explosion in the air[J].Explosion And Shock Waves,2018,38(02):367-372.
[17]Boutillier J,Ehrhardt L,Mezzo S D,et al.Evaluation of the existing triple point path models with new experimental data:proposal of an original empirical formulation[J].Shock Waves,2018(28):243-252.
[18]隋树元,王树山.终点效应学[M].北京:国防工业出版社,2000.
Sui S Y,Wang S S.Terminal effects[M].Beijing:National Defence Industry Press,2000.