水下武器抗爆試驗(yàn)爆源等效問(wèn)題分析

張夢(mèng),孫曙日,張宏欣

(中國(guó)人民解放軍 91439部隊(duì)43分隊(duì)，遼寧 大連 116041)

0 引言

水下武器裝備在科研和鑒定試驗(yàn)中，經(jīng)常需要考核武器裝備的抗爆性能。由于完全當(dāng)量的實(shí)爆(戰(zhàn)雷等)試驗(yàn)爆源裝藥量大，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，海上實(shí)施困難，且成本消耗巨大。例如美國(guó)福特級(jí)航空母艦的抗沖擊試驗(yàn)計(jì)劃預(yù)算總額約占航母造價(jià)的5%之多。因此，在某些條件下，為了使武器裝備能夠盡快形成戰(zhàn)斗力，同時(shí)節(jié)約試驗(yàn)成本，有時(shí)會(huì)采用小藥量等效方法對(duì)大當(dāng)量條件下的抗爆指標(biāo)進(jìn)行換算[1-2]，得出等效的試驗(yàn)考核結(jié)論。然而，由于實(shí)施等效考核沒(méi)有明確的規(guī)范作為指導(dǎo)，且對(duì)于等效爆距計(jì)算和最小裝藥量的選取具有較強(qiáng)的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)性和一定的隨意性，最終換算的結(jié)果同樣缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致經(jīng)常引起爭(zhēng)議，因此，有必要對(duì)等效試驗(yàn)常用的等效換算方法進(jìn)行分析研究，下面就一些相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 等效方法

1.1 沖擊波超壓等效方法

定義變量C1如下

式中：W為TNT裝藥質(zhì)量;R為爆源距離測(cè)量點(diǎn)的爆距。

根據(jù)庫(kù)爾經(jīng)驗(yàn)公式[3]，水下爆炸自由場(chǎng)中的沖擊波超壓P可由下式計(jì)算[4]：

式中：t為沖擊波對(duì)被試品的作用時(shí)間，沖擊波壓力峰值由著名的533公式給出，

沖擊波衰減時(shí)間常數(shù)為

可以看出，對(duì)于任意2種不同的工況，若其C1是相等的，則所考慮的入射點(diǎn)的超壓Pm相等。這種形式的C1曾被北約和蘇聯(lián)用于潛艇結(jié)構(gòu)生命力考核[5]，是使用較早的一種等效形式。

1.2 沖擊因子等效方法

1.2.1 基于平面波假定的沖擊因子

基于平面波假定的沖擊因子C2的形式為

這是基于平面波假定且結(jié)構(gòu)遮擋的沖擊波能量相等來(lái)定義的。

當(dāng)水下爆炸沖擊波是平面波時(shí)，無(wú)論爆炸大小如何，被試品在垂直于平面波傳播方向上的投影面積為常數(shù)，此時(shí)只要C2保持不變，則沖擊波的入射能量不變。

在實(shí)際情況中，水下爆炸沖擊波是一球形波，對(duì)任意球面波而言，被試品在垂直于球面波傳播方向的投影面積隨藥包位置的變化而變化。此時(shí)，若僅僅保持C2不變，并不能保證水下爆炸沖擊波入射能量不變。

1.2.2 基于球面波理論的沖擊因子

C3可以看作是C2的一個(gè)修正。修正因子Km的物理意義是考慮球面波效應(yīng)后對(duì)平面波假設(shè)的修正。其值域在0～1之間。C3能夠較準(zhǔn)確地描述水下爆炸的沖擊環(huán)境，無(wú)論何種工況，只要C3相等，結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)也應(yīng)近似相等[6-7]。

沖擊因子C1和C2中僅包含藥量和爆距信息，因此較難用于等效；C3則除包含藥量和爆距信息外，還包含結(jié)構(gòu)尺度。

2 不同等效方法的比較

實(shí)爆爆源以1 000 kg TNT藥量，爆距80 m為例，等效藥包重量分別取為20 kg、10 kg、5 kg、1 kg。(K2取1.5，忽略α角的影響)。實(shí)爆1000 kg TNT藥量爆源，爆距80 m處沖擊波峰值和沖擊因子為

藥包選取(20 kg、10 kg、5 kg、1 kg)TNT藥量，沖擊波超壓等效爆距：R20=21.715 m;R10=17.235 m;R5=13.680 m;R1=8.000 m。

藥包選取(20 kg、10 kg、5 kg、1 kg)TNT藥量，沖擊因子等效爆距：R20=11.314 m;R10=8.000 m;R5=5.657 m;R1=2.529 m。

藥包選取(20 kg、10 kg、5 kg、1 kg)TNT藥量，通過(guò)沖擊因子等效，利用庫(kù)爾公式計(jì)算出各爆距上沖擊波超壓值：P20=12.374 MPa;P10=14.100 MPa;P5=16.008 MPa;P1=21.763 MPa。式中[8]：SF為沖擊因子；P為沖擊波超壓值；K1為TNT當(dāng)量系數(shù)；K2為海底反射系數(shù)，硬質(zhì)海底一般取1.5；W為水雷裝藥量，kg；R為爆源至艦船中心的距離，m；α為爆源至艦船中心連線與水平面的夾角。

通過(guò)比較看出，利用沖擊因子等效比沖擊波超壓等效考核更為嚴(yán)格，沖擊波超壓等效適用于遠(yuǎn)場(chǎng)，沖擊因子等效更適用于近場(chǎng)。沖擊因子等效藥包重量越小，對(duì)被試品局部沖擊載荷越大。等效藥包重量的選取，應(yīng)根據(jù)被試品尺度的大小酌情而定，盡量使被試品整體受到的沖擊載荷相一致。

3 等效試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在抗沖擊考核試驗(yàn)中，由于受海況和測(cè)量條件等諸多不利因素的限制，有時(shí)不易確定被試品在水下的姿態(tài)，使得被試品的各個(gè)部位相對(duì)于爆源的距離是不一樣的，從而使得被試品各部分受到的沖擊載荷出現(xiàn)差異。

為達(dá)到被試品迎爆面各點(diǎn)承受的沖擊載荷盡量接近實(shí)戰(zhàn)，等效藥量的選取與被試品的尺度有一定的關(guān)系。從下圖中可以看出，等效藥量越大爆距AD(S)越大，AB和AD的差值越小。反之，被試品尺度越大，等效藥量就應(yīng)取的越大，這樣才能保證AB和AD的差值在允許的范圍內(nèi)。

以1 000 kgTNT藥量爆源為例，沉底爆炸，爆距(AD)80 m，設(shè)被試品長(zhǎng)為3 m(忽略α的影響，海底反射系數(shù)1.5)。正橫布放時(shí)(如圖1所示)，AB=80.014 m。縱向布放時(shí)(如圖2所示)，EH=81.5 m，EF=78.5 m。沖擊因子的變化為

SFAD=0.219 11；SFAB=0.219 07；

SFEH=0.215 08；SFEF=0.223 30。

被試品正橫狀態(tài)時(shí)沖擊因子最大差值：

SF=0.219 11-0.219 07=0.000 4

被試品縱向狀態(tài)時(shí)沖擊因子最大差值：

SF=0.223 30-0.215 08=0.008 22

等效實(shí)施被試品正橫狀態(tài)時(shí)沖擊因子最大差值：

1)等效藥量取20 kg TNT：等效爆距S=11.313 7 m；爆距A1B=11.412 7 m，SFA1B=0.217 2，變化量ΔSF=0.001 896 5；

2)等效藥量取10 kg TNT：等效爆距S=8 m；爆距A1B=8.139 4 m，SFA1B=0.215 36，變化量ΔSF=0.003 748；

3)等效藥量取1 kg TNT：等效爆距S=2.529 8 m；爆距A1B=2.94 1 m，SFA1B=0.188 47，變化量ΔSF=0.030 67。

等效實(shí)施被試品縱向狀態(tài)時(shí)沖擊因子最大差值：

1)等效藥量取20 kg TNT：等效爆距S=11.313 7 m；爆距EF=9.813 7 m，SFEF=0.252 6，爆距EH=14.313 7 m，SFEH=0.173 19，變化量ΔSF=0.079 4；

2)等效藥量取10 kg TNT：等效爆距S=8 m；爆距EF=6.5 m，SFA1B=0.269 6，爆距EH=9.5 m，SFA1B=0.184 5，變化量ΔSF=0.085 1；

3)等效藥量取1公斤TNT：等效爆距S=2.529 8 m；爆距EF=1.029 8 m，SFEF=0.538 2，爆距EH=4.029 8 m，SFEH=0.137 5，變化量ΔSF=0.400 6。

實(shí)彈爆炸試驗(yàn)時(shí)，由于爆距相對(duì)較大，被試品在水下姿態(tài)對(duì)整體考核影響較小。而等效方法實(shí)施對(duì)藥包要精確定位，通常采取剛性支撐的辦法，為了便于海上實(shí)施方便，支桿長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，即爆距不能太大，也就是說(shuō)藥包重量選擇要合適。同時(shí)等效方法考核，對(duì)海上試驗(yàn)的組織實(shí)施提出了更高的要求。

4 等效試驗(yàn)實(shí)施舉例

4.1 某型水下武器抗爆科研試驗(yàn)Ⅰ

1)試驗(yàn)條件。

等效藥量15 kg TNT，爆距13 m，沉底爆炸，水深40 m。

2)試驗(yàn)方法。

①藥包采用有線引爆方式，引爆系統(tǒng)包括起爆電源、起爆電纜、輔助器材等。起爆電源選擇12 V直流電源，起爆電纜選擇橡膠、屏蔽、芯線直徑≥1.5 mm2的兩芯電纜，輔助器包括電纜保護(hù)索、浮球、浮標(biāo)等。

②為了確保藥包的精確位置，試驗(yàn)武器與藥包之間爆距通過(guò)剛性三腳支架保證。三腳支架長(zhǎng)13 m，為便于操作分成3段。

③試驗(yàn)武器與藥包采取同步布放的方法實(shí)施。將三腳支架首段固定在試驗(yàn)武器上并一同放置船舷外，并與另2段三腳支架連為一體，三腳支架尾端掛藥包并用系繩牽住，藥包和試驗(yàn)武器同步緩慢布放直至海底。起爆纜放到起爆船上，邊行駛邊釋放起爆纜至安全區(qū)域，檢測(cè)起爆電路工作狀態(tài)，正常后待命。當(dāng)接到起爆命令后，操作人員接通起爆電路，起爆電源通過(guò)起爆電纜加到電雷管上，電雷管爆炸藥包被引爆。布放后態(tài)勢(shì)如圖3。

3)試驗(yàn)結(jié)果。

引爆藥包2個(gè)，2個(gè)試驗(yàn)武器經(jīng)檢查外觀均無(wú)損傷、氣密檢測(cè)合格、引信沒(méi)有誤動(dòng)且功能正常。結(jié)論：該型水下武器抗爆性能滿足要求。

4.2 某型水下武器抗爆科研試驗(yàn)Ⅱ

1)試驗(yàn)條件。

等效藥量1 kg TNT，爆距3 m，沉底爆炸，水深7 m。

2)試驗(yàn)方法。

①藥包采用有線引爆方式，引爆系統(tǒng)包括起爆電源、起爆電纜等。起爆電源選擇12 V直流電源，起爆電纜選擇橡膠、屏蔽、芯線直徑≥1.5 mm2的兩芯電纜。

②為了確保藥包的精確位置，試驗(yàn)武器與藥包之間爆距通過(guò)鋼管保證，鋼管長(zhǎng)3 m。

③鋼管一頭固定在試驗(yàn)武器尾端，一頭固定藥包，通過(guò)吊車實(shí)施布放，即將試驗(yàn)武器、鋼管、藥包準(zhǔn)備完畢后，用吊車布入海底。起爆電源放在岸上，通過(guò)電纜與爆源連接。操作人員接通起爆電路，起爆電源通過(guò)起爆電纜加到電雷管上，電雷管爆炸藥包被引爆。實(shí)施態(tài)勢(shì)如圖4。

3)試驗(yàn)結(jié)果。

引爆藥包2個(gè)，2個(gè)試驗(yàn)武器經(jīng)檢查外觀均出現(xiàn)明顯損傷(尾蓋檢查孔蓋)，氣密檢測(cè)合格，防拆裝置啟動(dòng)，引信一體化接收器聲靈敏度降低。結(jié)論：該型水下武器抗爆性能不滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

用藥包等效代替實(shí)爆考核，應(yīng)該是一種不得已才為之的辦法。利用沖擊因子等效方法代替水下武器抗爆考核，比沖擊波超壓等效方法更科學(xué)、合理、嚴(yán)格。如果等效藥包選擇過(guò)小，被試品局部受到的沖擊載荷將很大，不利于整體考核。等效藥包藥量的選取，應(yīng)根據(jù)被試品尺度、實(shí)施可行性等因素綜合而定。綜合全文所述，給出建議如下：1)在實(shí)爆條件不具備，或?qū)嵤├щy的情況下進(jìn)行等效考核；2)等效考核中，應(yīng)確保被試品整體結(jié)構(gòu)受到的沖擊載荷相等或接近；3)有抗干擾要求時(shí)，藥包產(chǎn)生的聲場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)大于引信工作門限；4)利用沖擊因子公式進(jìn)行等效計(jì)算；5)確定等效藥量時(shí)應(yīng)考慮被試品尺度因素，建議選擇15～20 kg TNT當(dāng)量；6)盡早制定等效實(shí)施規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。