水中兵器毀傷效能評估現(xiàn)狀及發(fā)展

徐功慧， 李家波， 趙紅光， 邵建軍

(中國人民解放軍91439部隊(duì)， 遼寧大連 116041)

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水中兵器毀傷效能評估現(xiàn)狀及發(fā)展

徐功慧， 李家波， 趙紅光， 邵建軍

(中國人民解放軍91439部隊(duì)， 遼寧大連 116041)

摘要：為真實(shí)評估水中兵器毀傷效能，從仿真、毀傷評估等方面對我國開展水中兵器目標(biāo)毀傷效能評估現(xiàn)狀進(jìn)行論述，分析了水中兵器毀傷效能評估中存在的不足，提出了相應(yīng)的研究建議。通過分析得出，我國在仿真評估、沖擊因子評估及能量評估方面都存在著難以實(shí)現(xiàn)水中兵器毀傷效能準(zhǔn)確評估的問題。水中兵器毀傷效能評估應(yīng)在水中兵器毀傷仿真、水中兵器毀傷效能數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)靶及水中兵器毀傷效能評估體系等方面深入研究。

關(guān)鍵詞：水中兵器； 水下爆炸； 毀傷效能； 評估； 仿真評估； 數(shù)值模擬； 發(fā)展建議

1引 言

水中兵器毀傷效能〔1-2〕是影響海軍作戰(zhàn)能力的重要組成部分。其中，戰(zhàn)斗部對目標(biāo)毀傷效能已成為水中兵器作戰(zhàn)效能的核心部分。能否實(shí)現(xiàn)水中兵器毀傷效能的真實(shí)評估，直接影響水中兵器設(shè)計(jì)、試驗(yàn)鑒定部門科學(xué)考核及指揮員進(jìn)行戰(zhàn)場態(tài)勢判斷。

水中兵器毀傷效能與水下爆炸威力、目標(biāo)打擊部位及目標(biāo)抗毀傷能力等因素有關(guān)〔3-4〕。因此，水中兵器的毀傷效能評估取決于對水下爆炸內(nèi)在特征和目標(biāo)特征兩大因素的掌握。水下爆炸內(nèi)在特征包括毀傷機(jī)理、毀傷威力、打擊方式及命中精度等；目標(biāo)特征包括目標(biāo)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、強(qiáng)度，擊中目標(biāo)部位，目標(biāo)易損性及防護(hù)能力〔5-9〕等。

充分分析我國開展水下爆炸毀傷效能試驗(yàn)、評估現(xiàn)狀，進(jìn)而提出改進(jìn)方法，是水下爆炸發(fā)展的迫切需求。本文廣泛搜集了國內(nèi)外水下爆炸研究資料,經(jīng)過歸納整理，重點(diǎn)在仿真計(jì)算研究、毀傷評估方面進(jìn)行論述并提出了相應(yīng)的發(fā)展建議。

2水下爆炸效能評估方法分析

水中兵器毀傷效能取決于其自身的威力和目標(biāo)的防護(hù)性能〔10-12〕。效能評估需要回答的問題是：某種爆炸在特定條件下的目標(biāo)毀傷等級(jí)。水下目標(biāo)的毀傷評估目前主要有仿真評估、沖擊因子評估及能量評估。

2.1仿真評估

水中兵器對目標(biāo)的作用過程分為兩部分：近場作用和遠(yuǎn)場作用。近場作用以局部效應(yīng)為主，遠(yuǎn)場作用以整體效應(yīng)為主。近場爆炸評估方法主要包括Lagrange、 Euler兩種主要方法等。兩種計(jì)算方法的比較見表1。

表1　Lagrange法與Euler法的比較

目前可應(yīng)用于水中兵器毀傷的軟件主要有：ABAQUS、DYNA、USA、AUTODYN。這些軟件的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

表2　國內(nèi)外毀傷計(jì)算軟件功能評價(jià)

從表1、表2可以得出，仿真作為一種手段在水下爆炸毀傷效能研究中扮演著重要的角色〔10〕，但應(yīng)用于該研究領(lǐng)域還存在不少問題。主要集中體現(xiàn)在：仿真方法大多都依賴于商業(yè)成熟軟件〔11〕，而這些軟件大多都是國外知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且國外在軟件應(yīng)用方面都有一定的技術(shù)封鎖；仿真方法具有多樣性，主要集中在有限元法和無網(wǎng)格法，國內(nèi)多家單位在仿真計(jì)算中從建模到求解都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性難以作出評估。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，仿真雖然能解決很多問題，但應(yīng)用于該領(lǐng)域還存在一些技術(shù)難點(diǎn)，如復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格適應(yīng)性、非線性連接件模擬、水中復(fù)雜邊界條件模擬、新型裝藥及結(jié)構(gòu)建?！?2-14〕等。

2.2沖擊因子評估〔15-19〕

該方法是基于水下爆炸沖擊波相似律得出。美國人庫爾在上世紀(jì)50年代經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，若用來測量沖擊波壓力及其他特性的長度和時(shí)間的比例尺與藥包尺寸均增加相同的倍數(shù)，則這些特性不變，即沖擊波壓力Pm=K(W1/3/R)α。同理，該點(diǎn)作用時(shí)間及沖量均具有相似律。基于相似律原理的沖擊波超壓沖擊因子定義為C=W1/3/R。式中：C為沖擊因子；W為炸藥質(zhì)量；R為爆源與目標(biāo)距離。英國和前蘇聯(lián)曾經(jīng)采用這種目標(biāo)毀傷評估標(biāo)準(zhǔn)。

沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)包含了標(biāo)準(zhǔn)炸藥TNT炸藥當(dāng)量系數(shù)、至目標(biāo)中心的距離，具有一定的局限性。首先，采用這種方法最顯著的缺點(diǎn)是小藥量爆源對較短爆距爆炸作用目標(biāo)的沖擊波壓力存在大于大裝藥量爆源遠(yuǎn)距離爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波超壓的可能，而前者爆炸對目標(biāo)產(chǎn)生的毀傷不一定大。這是因?yàn)樵摲椒ㄖ豢紤]了沖擊波超壓單一因素。根據(jù)炸藥水中爆炸相似律可知，大當(dāng)量的爆源爆炸作用時(shí)間及沖量也會(huì)隨之增大，該方法恰恰忽略了作用時(shí)間及沖量的影響。其次，隨著艦船制造技術(shù)的發(fā)展，西方國家艦船殼體部分采用了高強(qiáng)度的復(fù)合材料、緩沖吸能材料，在內(nèi)殼和外殼間距、水柜的布設(shè)、緩沖艙等均進(jìn)行了較大的改進(jìn)，使其抗接觸爆炸毀傷能力大幅度增強(qiáng)。而沖擊因子的計(jì)算方法無法因目標(biāo)、設(shè)備及人員的變化而變化，這會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)給出的評價(jià)方法無法客觀反映目標(biāo)的毀傷效能。

2.3爆炸能量評估〔20-23〕

由于沖擊因子評估方法存在不足，以美國為代表的西方國家開始采用能量評估方法進(jìn)行水中爆炸目標(biāo)的毀傷評估。

炸藥水中爆炸的能量表現(xiàn)為爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波能及氣泡能。根據(jù)當(dāng)前水中爆炸能量評估進(jìn)展，只能夠?qū)崿F(xiàn)理想炸藥在自由場條件下的爆炸能量評估，而對炸藥在復(fù)雜邊界條件及非理想炸藥的爆炸能量評估方面仍存在諸多問題。為提高炸藥水中爆炸能量，水中兵器普遍采用含鋁復(fù)合炸藥。TNT理想炸藥爆轟波的傳播在化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。含鋁復(fù)合炸藥的爆轟波傳播與理想炸藥有顯著區(qū)別，在前沿沖擊波過后，鋁粉還會(huì)與爆炸產(chǎn)生的氮?dú)饧疤佳趸镏械难醢l(fā)生反應(yīng)，放出更多的熱量。由于鋁粉具有典型的后燃效應(yīng)，含鋁炸藥水中爆炸會(huì)釋放更多的氣泡能。將含鋁炸藥的爆炸能量換算成TNT當(dāng)量，無法評價(jià)其對氣泡能的影響即含鋁炸藥水中爆炸反應(yīng)機(jī)理與TNT不同勢必會(huì)導(dǎo)致不同的毀傷機(jī)理。在沉底爆炸氣泡能的評估中，爆炸后氣泡形狀及脈動(dòng)周期的變化問題，現(xiàn)在仍沒有可信的評估方法。

3開展水中兵器毀傷效能評估的發(fā)展建議

3.1加強(qiáng)水中兵器毀傷仿真研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)前的計(jì)算方法也不斷更新，計(jì)算規(guī)模不斷擴(kuò)大，從最初的梁模型發(fā)展到今天，對包括適當(dāng)深度的水在內(nèi)的全船建模已成為建模方法的主流，計(jì)算效率和精度都有了長足的進(jìn)步。但是，由于水下爆炸的復(fù)雜性，要想使數(shù)值計(jì)算方法達(dá)到最終實(shí)用，還需要在計(jì)算效率和計(jì)算精度上進(jìn)一步提高，同時(shí)使建模更為規(guī)范和快捷。主要包括以下一些方面：

(1)新型流體單元的構(gòu)造。由于對水面艦艇的計(jì)算中，通常會(huì)出現(xiàn)大片產(chǎn)生空泡的區(qū)域，構(gòu)造更高效的流體單元，可明顯提高計(jì)算速度。在固體單元的處理時(shí)，重點(diǎn)解決網(wǎng)格的變形問題；對于流體的處理，重點(diǎn)解決水中爆炸特性傳播，尤其是金屬化炸藥水中爆炸傳播特性問題。

(2)計(jì)算結(jié)果的處理方法。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)高頻數(shù)值噪聲等問題，需要更合理有效的處理計(jì)算結(jié)果來得到更精確的解。目前國際上水下爆炸數(shù)值模擬計(jì)算較成熟的是DYNA軟件和USA(Underwater Shock Analysis)模塊相結(jié)合。USA采用了邊界元(BEM)方法和雙重漸近近似(DAA)理論。由于其明顯的軍事作用，美國將USA模塊對中國大陸禁運(yùn)。

在國內(nèi)通常采用大型通用有限元分析商業(yè)軟件與自主研發(fā)程序相結(jié)合的方式開展水下爆炸的數(shù)值模擬計(jì)算，但還存在著很多難以解決的計(jì)算問題，如對整船目標(biāo)的計(jì)算收斂問題。做近場爆炸時(shí)，應(yīng)對爆源、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)周圍近場的水介質(zhì)采用DYNA軟件中的單元來模擬，對遠(yuǎn)場的水介質(zhì)用USA模塊來處理；做遠(yuǎn)場爆炸時(shí)，結(jié)構(gòu)用DYNA軟件中的單元模擬，流體場全部用USA模塊處理。應(yīng)對近場、遠(yuǎn)場的單元模塊進(jìn)一步優(yōu)化，解決計(jì)算無法收斂、失真的問題。

(3)探討和總結(jié)更為合理的建模方法。對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算過程中，如何建立更為合理的模型需要長期的經(jīng)驗(yàn)積累。目前，數(shù)值計(jì)算方法的計(jì)算精度仍需要接受試驗(yàn)的考核，不斷總結(jié)更合理簡潔的建模方法，顯得十分必要。

(4)探尋更為合理的材料模型和損傷模型。艦船結(jié)構(gòu)存在很大的材料特性不同，隨著艦船抗毀傷技術(shù)的發(fā)展，很多新型材料及新型抗毀傷性能結(jié)構(gòu)正在應(yīng)用于艦船抗毀傷設(shè)計(jì)中。如有不同鋼材料結(jié)構(gòu)、三明治結(jié)構(gòu)、纖維金屬層合板材料等。對這些新型材料或新型結(jié)構(gòu)的毀傷模型，國內(nèi)還缺少研究數(shù)據(jù)，需要通過試驗(yàn)研究等確定適合特定目標(biāo)的材料模型和損傷破壞模型。

開展仿真技術(shù)研究，可有效降低研究成本、加快項(xiàng)目研究進(jìn)度。水中兵器毀傷研究是一項(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)性的試驗(yàn)，由于我國還處于發(fā)展階段，開展仿真技術(shù)研究，可有效提高研究效率，加快項(xiàng)目研究進(jìn)度。

3.2建立完備的水中兵器毀傷數(shù)據(jù)庫

水中兵器毀傷數(shù)據(jù)庫對水中兵器試驗(yàn)鑒定、作戰(zhàn)使用等具有重要意義，以美國為代表的西方國家非常重視水中兵器毀傷數(shù)據(jù)庫建設(shè)。美國于1946年12月成立了水下爆炸研究部門。該部門于1961年與美國海軍水面作戰(zhàn)中心的卡得羅克部門結(jié)盟，組建了艦艇生存能力與武器爆炸效應(yīng)評估研究部門，多年來逐步發(fā)展建立了完善的武器毀傷效應(yīng)數(shù)據(jù)庫，形成了一套規(guī)范的學(xué)科體系，用于承擔(dān)美國海軍的武器爆炸試驗(yàn)、測試及評估分析任務(wù)。韓國于1990年開始建設(shè)水中兵器爆炸試驗(yàn)評估中心，1995年完成第一期建設(shè)，2001年完成第二期建設(shè)。該中心由國防系統(tǒng)試驗(yàn)中心支持，主要任務(wù)是承擔(dān)水中兵器毀傷效應(yīng)試驗(yàn)、測試與評估。澳大利亞成立了防御科技組織，該組織完成了大量的澳大利亞海軍水下爆炸沖擊試驗(yàn)研究工作。

與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國現(xiàn)役水中兵器毀傷效能數(shù)據(jù)庫建設(shè)應(yīng)隨著水中兵器的發(fā)展同步展開。由于不同裝藥爆炸能量的產(chǎn)生、傳遞、與目標(biāo)的作用方式、作用機(jī)理都存在不同；小當(dāng)量裝藥爆炸試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)條件存在較大差別，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際作戰(zhàn)時(shí)的爆炸毀傷效能會(huì)有很大不同。因此，應(yīng)開展實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境下的爆炸毀傷性能試驗(yàn)，取得真實(shí)的爆炸毀傷效能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立國內(nèi)統(tǒng)一的毀傷效能數(shù)據(jù)庫，提高數(shù)據(jù)庫使用效率。

3.3加強(qiáng)目標(biāo)靶研究

水中兵器按其作戰(zhàn)使命不同，作戰(zhàn)對象主要有水面艦艇、潛艇、蛙人以及碼頭等軍事目標(biāo)。應(yīng)加強(qiáng)敵方目標(biāo)靶的研究。應(yīng)對西方國家艦船殼體材料，抗沉水柜的布設(shè)、緩沖艙設(shè)置等均進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)研究，建立外軍艦艇目標(biāo)模擬靶、潛艇艙段綜合試驗(yàn)艙，開展我國水中兵器對目標(biāo)靶的毀傷效能研究，充分掌握其抗爆炸毀傷能力，解決目前目標(biāo)毀傷因子難以評判的難題。

3.4加強(qiáng)水中兵器毀傷效能評估研究，完善毀傷評估體系建設(shè)

應(yīng)從水中兵器的毀傷目標(biāo)指標(biāo)出發(fā)，根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境下的爆炸毀傷性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真研究成果，研究水中兵器水下爆炸做功能力、能量輸出結(jié)構(gòu)。針對具體目標(biāo)殼板、艙室、艦(艇)載設(shè)備的毀傷機(jī)理和毀傷效果，加強(qiáng)對復(fù)雜邊界條件下水中兵器爆炸毀傷研究，制定不同邊界條件下水中兵器爆炸毀傷效能指標(biāo)。進(jìn)行新型裝藥、新型裝藥結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部的爆炸毀傷研究，細(xì)化新型戰(zhàn)斗部對各種典型目標(biāo)和目標(biāo)不同方位毀傷效能指標(biāo)。總結(jié)出規(guī)律，建立各種水中兵器爆炸威力、近距對艦艇結(jié)構(gòu)的毀傷評估以及遠(yuǎn)距對艦艇的沖擊評估毀傷評估方法、標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算、評估模型，依此建立完善的水中兵器毀傷效能評估指標(biāo)體系，編制或修訂軍標(biāo)規(guī)范。

3.5整合資源，形成強(qiáng)大的集體攻關(guān)力量

水中兵器毀傷效能及艦艇毀傷研究工作具有涉及單位多、研究內(nèi)容包含多個(gè)學(xué)科、研究工作經(jīng)費(fèi)需求大、時(shí)間跨度長等特點(diǎn)，不能僅僅依靠一兩次試驗(yàn)或通過一兩次專項(xiàng)研究就達(dá)到預(yù)期，需要充分整合軍地優(yōu)勢資源、成立專門的組織機(jī)構(gòu)、組建專門的研究隊(duì)伍、制定相應(yīng)的政策和研究規(guī)劃，形成全國一盤棋的態(tài)勢，在關(guān)鍵瓶頸難點(diǎn)上集中攻關(guān)，大幅提高攻關(guān)能力。首先應(yīng)在充分的研究基礎(chǔ)上建立完善的水中兵器毀傷效能指標(biāo)體系，建立統(tǒng)一的研究平臺(tái)，以約束水中兵器設(shè)計(jì)、規(guī)范研究方向、提供評估依據(jù)。然后在統(tǒng)一的研究平臺(tái)上，統(tǒng)籌硬件建設(shè)，避免重復(fù)投資；在技術(shù)研究上應(yīng)開展水中兵器水中爆炸能量傳播特性、目標(biāo)響應(yīng)特性、仿真模塊的建立、算法的優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)體系的建立等的分工協(xié)作研究，聚力攻關(guān)，形成水中兵器毀傷評估能力。

4結(jié) 語

客觀真實(shí)評價(jià)我國水中兵器毀傷效能是影響海軍作戰(zhàn)能力的重要環(huán)節(jié)。水中兵器毀傷效能評估應(yīng)在水中兵器毀傷仿真、水中兵器毀傷效能數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)靶及水中兵器毀傷效能評估體系等方面重點(diǎn)發(fā)展，進(jìn)一步整合軍地資源，組成國家隊(duì)，形成強(qiáng)大的集體攻關(guān)力量。

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Situation and development of the damage efficiency evaluation on underwater weapons

XU Gong-hui， LI Jia-bo， ZHAO Hong-guang， SHAO Jian-jun

(PLA 91439 Unit, Dalian 116041, Liaoning， China)

ABSTRACT：In order to evaluate the damage efficiency of underwater weapon，the present situation of damage evaluation of underwater weapon target was discussed from the aspects of simulation and damage evaluation. The shortcomings of the evaluation of the underwater weapon damage were analyzed，and the research direction suggestion was put forward. According to the analysis, it was difficult to realize the accurate evaluation of the weapon damage efficiency in simulation evaluation, impact factor evaluation and energy evaluation. Underwater weapon damage efficiency evaluation should take further study on the simulation of underwater weapon damage，underwater weapon damage efficiency database，target and damage efficiency evaluation system.

KEY WORDS:Underwater weapons; Underwater explosion; Damage efficiency; Evaluation; Simulation and evaluation; Numerical simulation; Development suggestion

文章編號(hào)：1006-7051(2016)02-0038-05

收稿日期：2015-10-30

作者簡介：徐功慧(1967-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水中兵器爆炸威力試驗(yàn)及艦船設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)研究。E-mail：sjj05@126.com

中圖分類號(hào)：TD235; O382.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.008