魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭 濤, 吳亞軍

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魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭 濤, 吳亞軍

(海軍裝備部駐東風儀表廠軍代表室, 陜西 西安, 710065)

鑒于魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的研究現(xiàn)狀, 通過以下5方面分析并展望了提高魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力的途徑: 研究新型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)定向聚能爆破; 研究新型高能炸藥, 提高戰(zhàn)斗部的毀傷威力; 加大魚雷口徑, 大幅度增加裝藥量; 采用先進工藝, 提高炸藥的裝填密度; 在必要情況下, 采用核裝藥。提出了改進建議: 在逐步提高研究手段和加強條件保障建設(shè)基礎(chǔ)上重點開展魚雷戰(zhàn)斗部數(shù)值仿真研究和水下爆炸試驗研究。

魚雷戰(zhàn)斗部; 水下爆炸; 毀傷威力; 數(shù)值仿真

0 引言

魚雷作為海軍的主戰(zhàn)武器, 問世至今的100多年中, 歷經(jīng)各次海戰(zhàn), 均發(fā)揮著重要的作用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展, 魚雷的性能不斷改進和完善, 可以打擊潛艇、水面艦艇、岸基設(shè)施, 也可以伏擊、封鎖港口和航道, 成為一種具有威懾力量和有效打擊敵方的進攻性武器, 受到各國海軍的高度重視。

與此同時, 現(xiàn)代艦艇的防護能力大大加強。一方面艦艇采用高強度合金鋼等材料做固殼, 另一方面采用雙層殼體和多艙室結(jié)構(gòu)。普通的爆破型魚雷戰(zhàn)斗部已不能對這些目標形成重大毀傷。戰(zhàn)斗部作為魚雷的有效載荷, 如何提高戰(zhàn)斗部的毀傷能力已成為魚雷武器研制的主要目標之一。為了給目標毀滅性的打擊, 總是希望魚雷的裝藥量越多越好, 但在魚雷的總體布局上卻難以滿足這個條件。當魚雷裝藥量不能大量增加時, 單條魚雷命中目標時, 往往不能給敵方目標以致命的打擊, 因而必須大力開展新型魚雷戰(zhàn)斗部的研究, 充分利用戰(zhàn)斗部中有限的裝藥量, 使戰(zhàn)斗部發(fā)揮最大的毀傷效能。

本文力求通過對魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)研究現(xiàn)狀的闡述, 來認識這一技術(shù)領(lǐng)域存在的不足以及應(yīng)采取的措施, 同時提出魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的發(fā)展趨勢和目標, 以及提高魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力的途徑和促進魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)發(fā)展的建議。

1 魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)研究現(xiàn)狀

魚雷戰(zhàn)斗部通常采用的是中心起爆的爆破型戰(zhàn)斗部, 其爆炸后的爆轟能量是沿魚雷徑向均勻分布的, 作用于目標起毀傷效果的能量偏低, 能量利用率較差。隨著魚雷打擊目標的多樣化和目標結(jié)構(gòu)強度的不斷加強, 單一的魚雷戰(zhàn)斗部裝藥種類和裝藥結(jié)構(gòu)已無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。

由于魚雷戰(zhàn)斗部對目標的作用是在水介質(zhì)中爆炸, 炸藥在水中的爆炸與在空氣中爆炸呈現(xiàn)出明顯不同的現(xiàn)象[1], 同時水中爆炸的破壞機理也與空氣中存在很大區(qū)別。與地面和空中武器戰(zhàn)斗部的研究相比, 魚雷戰(zhàn)斗部研究還存在著一些不足, 主要表現(xiàn)在以下3個方面。

1) 觀念陳舊, 重視不夠。目前還有一部分人把魚雷戰(zhàn)斗部比作“炸藥包”。戰(zhàn)雷頭是魚雷的主要部分之一, 就其實質(zhì)而言, 設(shè)計與制造魚雷雷身及其各種裝置、儀表和機構(gòu), 都是為了將戰(zhàn)雷頭中的炸藥準確地送達目的地, 并使之爆炸, 以達到摧毀敵方目標的目的[2]。

2) 試驗測試手段不完善。在戰(zhàn)斗部的研究過程中, 由于魚雷戰(zhàn)斗部在水中爆炸的特殊性, 配套的試驗測試條件不完善, 缺乏相應(yīng)的性能檢測手段, 使許多先進的設(shè)計思想得不到及時實施和充分驗證, 魚雷戰(zhàn)斗部的研究一直停留在預(yù)先研究的理論分析階段, 缺乏有效的試驗數(shù)據(jù), 在一定程度上制約了研制水平的發(fā)揮和新型戰(zhàn)斗部的研制。同時魚雷戰(zhàn)斗部的發(fā)展由于受到試驗條件的制約, 缺乏創(chuàng)新能力。

3) 缺乏實戰(zhàn)經(jīng)歷。目前魚雷戰(zhàn)斗部的研制大多是在陸上進行有限的陸上試驗, 由于陸上與水下戰(zhàn)斗部的爆炸作用機理存在很大差異, 陸上試驗測試結(jié)果有很大的局限性, 大多只能證明戰(zhàn)斗部爆轟的完全性, 不能對魚雷戰(zhàn)斗部的威力性能進行全面的考核, 戰(zhàn)斗部威力性能中可能存在的問題還沒有暴露出來, 真正的威力性能得不到檢測和評估, 魚雷戰(zhàn)斗部對水中目標的毀傷結(jié)果更是無法進行客觀準確的評定。

綜合來說, 魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)領(lǐng)域的研究還有待發(fā)展, 在水中爆炸現(xiàn)象的基礎(chǔ)理論研究方面雖然已進行了大量的研究工作, 但還沒有形成系統(tǒng)化的研究體系, 對于水中爆炸現(xiàn)象的細節(jié)問題研究還有待深入, 還需要采用當今先進的研究手段和研究方法。

2 魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)發(fā)展趨勢

魚雷最終的作戰(zhàn)威力及對目標的毀傷效果取決于戰(zhàn)斗部的爆炸威力, 為了提高戰(zhàn)斗部的爆炸威力, 采用新型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)是提高戰(zhàn)斗部毀傷水中目標能力的重要手段。世界各國競相采用了先進的新型戰(zhàn)斗部技術(shù), 在提高爆炸威力方面, 各國除繼續(xù)研制新型的高能炸藥以外, 重點是研究新的裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方法, 充分利用炸藥能量。受魚雷結(jié)構(gòu)的限制, 通過增加裝藥量或提高裝藥當量來提高魚雷戰(zhàn)斗部威力的效果極為有限, 而采用定向戰(zhàn)斗部技術(shù)和聚能戰(zhàn)斗部技術(shù)是增大魚雷作戰(zhàn)威力的現(xiàn)實可行的技術(shù)途徑, 定向戰(zhàn)斗部、聚能戰(zhàn)斗部及高能裝藥是魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。美國研究的水下定向戰(zhàn)斗部技術(shù)可以使相同裝藥量的戰(zhàn)斗部威力增加4~7倍。法國的“海鱔”魚雷裝藥45 kg左右, 利用聚能戰(zhàn)斗部技術(shù)可穿透厚度約4倍裝藥口徑的鋼靶, 在模擬攻擊具有雙層殼體的潛艇試驗中, 該戰(zhàn)斗部的金屬高速射流, 在著角為50o時, 穿透了20 mm厚的外殼, 2 m厚的壓載水艙和40 mm厚的壓力殼, 并且還能穿透300 mm厚的殼體。當攻擊潛艇最佳部位時, 1枚“海鱔”魚雷就能擊沉目標, 至少也能迫使其浮出水面。

目前魚雷戰(zhàn)斗部的發(fā)展正在由中心起爆的爆破戰(zhàn)斗部向聚能戰(zhàn)斗部、聚能聚爆戰(zhàn)斗部、隨機定向戰(zhàn)斗部和多模態(tài)多功效戰(zhàn)斗部發(fā)展。

2.1 魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)發(fā)展目標

魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的發(fā)展應(yīng)根據(jù)魚雷武器的發(fā)展思路和型號研制的需求, 跟蹤先進技術(shù), 創(chuàng)新提高, 實現(xiàn)跨越發(fā)展。重點解決關(guān)鍵技術(shù), 充分利用魚雷戰(zhàn)斗部有效的裝藥空間, 采用新技術(shù)、新機理、新含能材料, 大幅度提高魚雷戰(zhàn)斗部的爆炸威力, 顯著增加對目標的毀傷效果, 能對包括航母在內(nèi)的大中型水面艦艇和核潛艇形成單雷致命重創(chuàng)效果, 使魚雷戰(zhàn)斗部對水中目標的破壞效能上一個新的臺階, 以適應(yīng)未來戰(zhàn)爭對魚雷武器裝備的需求。

2.2 提高魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力的途徑

1) 研究新型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)定向聚能爆破

利用現(xiàn)有平臺, 在總體尺寸不變, 不對其他系統(tǒng)提過高要求的情況下, 挖掘潛力, 充分利用有限的裝藥量, 在戰(zhàn)斗部的設(shè)計過程中應(yīng)以提高魚雷戰(zhàn)斗部的能量利用率為設(shè)計準則, 使戰(zhàn)斗部的爆炸能量向目標方向會聚, 產(chǎn)生定向打擊的效果, 實現(xiàn)大幅度提高對不同水中目標在不同雷目交會姿態(tài)下的毀傷效果。目前有3種實現(xiàn)途徑, 一種是改變裝藥形狀, 如采用錐形、拋物線形、半球形、球面對稱形等方式裝藥, 爆炸時, 爆炸氣體產(chǎn)物沿著目標方向形成一股聚集的高能射流, 產(chǎn)生很強的穿透作用; 一種是雙重裝藥, 到達目標后, 先引爆一部分炸藥沖破目標外殼, 延遲幾微妙后, 沿著第一次爆炸方向, 引爆另一部分炸藥擊穿目標內(nèi)殼, 達到聚能爆炸的目的; 還有一種是定向能量方式, 裝藥分兩部分, 一部分是炸藥, 一部分是金屬彈丸或金屬碎片, 炸藥引爆后, 使金屬碎片以相當大的動能射向并擊沉目標。

2) 研究新型高能炸藥, 提高戰(zhàn)斗部的毀傷威力

采用高能炸藥, 有利于提高戰(zhàn)斗部在水下產(chǎn)生的爆炸壓力, 從而大幅度提高對目標的毀傷能力。早期的炸藥以梯恩梯炸藥(TNT)為主, 二戰(zhàn)中逐步出現(xiàn)了特屈兒、黑索金(RDX)、太安(PETN)、奧克托金(HMX)等炸藥。其中, 奧克托金是目前應(yīng)用的爆速最高的炸藥。二戰(zhàn)后, 出現(xiàn)了塑膠炸藥(PBX系列)和含金屬粉的混合炸藥(HBX系列), 目前水下炸藥最新技術(shù)的代表是美國使用的合成物PBXN-1O3, PBXN-105和 PBXN-115等。正在進行研究的有高泡能量炸藥及燃料空氣炸藥等。例如, 甲基二硝基苯脫胺(ADN)炸藥, 它的氣泡能量將比目前最常用的水下炸藥(PBXN-103)增加50%。環(huán)氧乙烷氣體炸藥, 其爆破威力可達2.7~5倍TNT當量。一些新的燃料和氧化劑也正在研究中, 如硼、鉛、鍍層金屬(鍍鎂鋁和鍍鈦硼)等燃料和NF2硝酸鹽等氧化劑。采用高能裝藥技術(shù)戰(zhàn)斗部, 可以使在具有同樣威力的前提下, 減小裝藥量和裝藥體積, 實現(xiàn)武器系統(tǒng)的小型化, 特別在反魚雷魚雷戰(zhàn)斗部設(shè)計上有很大幫助[3]。

3) 總體尺寸變化, 加大魚雷口徑, 大幅度增加裝藥量

魚雷的裝藥量越大, 對艦船的破壞程度就越大[4]。增加戰(zhàn)斗部裝藥量, 采用新型高能炸藥也是提高戰(zhàn)斗部爆炸威力的一條重要途徑[2]。

4) 提高炸藥的裝填密度

采用先進的工藝, 可減少藥柱中的空泡、裂縫。將最早使用的注裝法改為塑裝法, 裝藥密度可由1.67~1.68×103kg/m3提高到1.7×103kg/m3以上。目前又發(fā)展成壓裝, 使在限定的容積內(nèi)多裝一些炸藥, 將進一步提高爆炸威力[5]。

5) 采用核裝藥

為了給目標毀滅性的打擊, 總是希望魚雷的裝藥量越多越好, 但在魚雷總體布局上難以滿足這個條件。當魚雷裝藥量不能大量增加時, 單條魚雷命中目標時, 往往不能給敵目標以致命的打擊, 由于核裝藥戰(zhàn)斗部比常規(guī)裝藥戰(zhàn)斗部具有更大的爆炸威力和更強的威懾力, 要大幅度增強戰(zhàn)斗部毀傷威力, 在必要情況下, 采用核裝藥戰(zhàn)斗部將是一種較好的選擇。魚雷采用核裝藥戰(zhàn)斗部技術(shù)能夠使魚雷增強對目標的爆炸威力, 顯著增加對目標的毀傷效果, 但從魚雷使用安全性、接口匹配性等角度考慮, 采用核裝藥裝備魚雷戰(zhàn)斗部尚需解決一系列的技術(shù)問題。

3 幾點建議

為了促進魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)研究的發(fā)展, 加快魚雷新型戰(zhàn)斗部的研制進程, 必須大力開展水中目標特征及易損性分析研究、魚雷戰(zhàn)斗部設(shè)計準則以及戰(zhàn)斗部類型與目標適應(yīng)性研究、魚雷戰(zhàn)斗部性能評估方法以及毀傷標準研究等。在戰(zhàn)斗部設(shè)計時, 應(yīng)考慮針對不同目標采取不同的毀傷方式, 同時應(yīng)逐步提高研究手段和加強條件保障建設(shè), 努力開展以下工作。

1) 數(shù)值仿真研究

近年來, 隨著計算機科學及仿真技術(shù)的發(fā)展, 計算仿真方法的研究在規(guī)模和深度方面都取得了很大的進展[6]。數(shù)值仿真程序可以較為真實地對水中爆炸現(xiàn)象和作用毀傷過程進行仿真, 已成為戰(zhàn)斗部技術(shù)領(lǐng)域中的一個非常重要的研究手段。開展數(shù)值仿真研究可為魚雷戰(zhàn)斗部的研究工作提供技術(shù)和理論支撐。

由于水中爆炸試驗費用昂貴, 水中的爆炸作用毀傷試驗以及目標制作成本很高、試驗工作量大、測試過程復(fù)雜、影響因素多、試驗場地要求復(fù)雜, 因而試驗工作的開展是非常困難的, 甚至不可能進行1: 1比例的爆炸試驗。在這種情況下, 充分利用現(xiàn)代化技術(shù), 有效利用已有的戰(zhàn)斗部數(shù)據(jù)庫和程序庫, 利用現(xiàn)代化的數(shù)值仿真程序, 對魚雷戰(zhàn)斗部各種爆炸方式和對目標的毀傷作用過程進行數(shù)值仿真。仿真的過程和結(jié)果可以在一定程度上取代實際水中魚雷戰(zhàn)斗部的爆炸試驗, 研究在實際試驗中不能實現(xiàn)的現(xiàn)象和問題, 演示試驗所不能演示的過程, 通過對魚雷戰(zhàn)斗部數(shù)值仿真系統(tǒng)的建立和對魚雷戰(zhàn)斗部的仿真研究, 預(yù)計戰(zhàn)斗部對目標的毀傷效果, 及時暴露設(shè)計缺陷, 選擇最佳匹配參數(shù), 可以大大提高魚雷戰(zhàn)斗部的研制效率, 更重要的是還可以節(jié)省大量科研經(jīng)費, 縮短研制周期。

2) 魚雷戰(zhàn)斗部水下爆炸試驗研究

戰(zhàn)斗部技術(shù)研究是一門試驗性很強的學科[7], 許多問題及性能指標都需要依靠試驗來解決和驗證。對于魚雷戰(zhàn)斗部來說, 為了增加爆炸威力和使用的安全性, 無論是在方案論證階段、研制階段還是定型階段, 試驗研究都是必不可少的, 試驗測試是魚雷戰(zhàn)斗部研究和設(shè)計的必要條件, 通過對試驗結(jié)果的分析判斷是改進和優(yōu)化戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計最重要、最可靠的依據(jù)。因而, 必須建立一套完善的魚雷戰(zhàn)斗部水下爆炸試驗系統(tǒng), 用來開展深入細致的試驗研究工作, 進行爆炸過程的觀測和研究, 進行水下目標毀傷過程、毀傷機理和毀傷效果評估的研究, 以取得真實、有效、可靠的試驗數(shù)據(jù), 為魚雷戰(zhàn)斗部研究提供水下爆破規(guī)律和爆炸威力及毀傷效果評估試驗測試數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù), 為魚雷戰(zhàn)斗部數(shù)值仿真研究提供建模和驗?zāi)?shù)據(jù), 為研究新型的、先進的魚雷戰(zhàn)斗部提供必要的研究手段和條件保障, 促進魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的發(fā)展。

[1] Goldwasser J. Undersea Warheads and Explosives[R]. A- rlington: Office of Naval Research, 1996.

[2] 孟慶玉, 張靜遠, 宋保維. 魚雷作戰(zhàn)效能分析[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[3] An Assessment of Undersea Weapons Science and Techno- logy[R]. National Academy Press Washington D.C., 2000.

[4] 沈哲. 魚雷引信與戰(zhàn)斗部技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

[5] 石秀華. 水中兵器概論(魚雷部分)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 1995.

[6] Marcue M H. The Response of a Cylindrical Shell to Bulk Cavitation Loading. DTIC ADA130030[R]. 1983.

[7] 步相東. 魚雷聚能戰(zhàn)斗部新型起爆技術(shù)研究[J]. 魚雷技術(shù), 2003, 11(3): 25-27. Bu Xiang-dong. A Study of the New Type Initiation for the Shaped Charge of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(3): 25-27.

Perspective of the Technologies about Torpedo Warhead

GUO Tao, WU Ya-jun

(Military Representative Office, Naval Armament Department Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China)

In view of the present situation of the technologies about torpedo warhead, five aspects in the research of explosive effect enhancement of torpedo warhead are prospected. 1) developing new type of torpedo warhead structure to realize shape charge explosion; 2) developing new type of high energy explosive to enhance damage power; 3) enlarging torpedo diameter to substantially increase the maximum charge; 4) adopting advanced technology to increase charge density; and 5) using nuclear charge if necessary. Moreover, it is suggested that more attention should be paid to numerical simulation and underwater explosion test of torpedo warhead on the basis of improving research methods and supporting conditions.

torpedo warhead; underwater explosion; damage power; numerical simulation

TJ410.33; TQ56

A

1673-1948(2012)01-0074-04

2011-05-12;

2011-07-10.

郭 濤(1971-), 男, 工程師, 主要從事魚雷總體技術(shù)研究.

(責任編輯: 許 妍)