基于能量修正的戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法*

李　琛　李家波　劉文思

(91439部隊(duì)　大連　116041)

基于能量修正的戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法*

李琛李家波劉文思

(91439部隊(duì)大連116041)

摘要為有效檢驗(yàn)和準(zhǔn)確評(píng)估戰(zhàn)斗部爆炸威力，確定合理的戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法，分別采用沖擊波峰值壓力修正和能量修正的方法處理沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)，計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸能量，并依據(jù)炸藥爆炸相對(duì)能量評(píng)估法評(píng)估戰(zhàn)斗部爆炸威力。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析驗(yàn)證，采用能量修正處理沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)的方法能夠有效修正測(cè)量系統(tǒng)誤差和忽略戰(zhàn)斗部水中爆炸熱損耗能的計(jì)算誤差，從而提高爆炸能量的計(jì)算精度，該方法可作為戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理的通用方法。

關(guān)鍵詞戰(zhàn)斗部爆炸威力; 爆炸能量; 數(shù)據(jù)處理方法; 能量修正

Class NumberTN219

1引言

戰(zhàn)斗部爆炸威力是反映水中兵器作戰(zhàn)性能和毀傷目標(biāo)能力的重要參數(shù)，也是水中兵器試驗(yàn)鑒定的重要內(nèi)容。目前戰(zhàn)斗部爆炸威力主要通過水下爆炸物理場(chǎng)，即沖擊波壓力場(chǎng)、氣泡脈動(dòng)、爆炸能量等方面進(jìn)行評(píng)估。戰(zhàn)斗部爆炸能量測(cè)定通常采用炸藥水下爆炸能量的測(cè)定方法，測(cè)定方法研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得很大進(jìn)展[1～7]，但這些研究未涉及大量裝藥戰(zhàn)斗部爆炸能量的測(cè)定和修正。在處理沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸能量過程中，常采用標(biāo)定壓力傳感器靈敏度修正沖擊波峰值壓力的方法修正測(cè)量系統(tǒng)誤差；但因忽略戰(zhàn)斗部水中爆炸的熱損失能[8]帶來(lái)的誤差無(wú)法修正，難以準(zhǔn)確計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸能量。因此，研究確定合理的沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)處理方法對(duì)于有效考核和準(zhǔn)確評(píng)估戰(zhàn)斗部爆炸威力、客觀評(píng)定水中兵器作戰(zhàn)性能和毀傷目標(biāo)能力具有重要意義。

本文基于炸藥爆炸相對(duì)能量評(píng)估法[9]評(píng)估爆破戰(zhàn)斗部爆炸威力，分別采用沖擊波峰值壓力修正和能量修正的方法處理沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)，計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸能量；通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及誤差分析，確定合理的戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法，以減小測(cè)量系統(tǒng)誤差和忽略戰(zhàn)斗部水中爆炸熱損耗能的計(jì)算誤差，從而提高戰(zhàn)斗部爆炸威力評(píng)估的準(zhǔn)確性。

2爆破型戰(zhàn)斗部爆炸威力的表征

衡量水中爆炸威力的兩個(gè)重要能量參數(shù)是沖擊波能和氣泡能[10]。爆破戰(zhàn)斗部球形裝藥水中爆炸釋放的能量，一部分隨水中沖擊波傳出，稱為沖擊波能Es；一部分存在于爆炸產(chǎn)物氣泡中，稱為氣泡能Eb；還有一部分能量以熱的形式散逸在水中，稱為熱損失能。熱損失能無(wú)法直接測(cè)量，一般把Es與Eb的和作為炸藥總能量ER的近似值。爆破型戰(zhàn)斗部爆炸威力WT用戰(zhàn)斗部裝藥TNT當(dāng)量表征，即戰(zhàn)斗部裝藥和標(biāo)準(zhǔn)鑄裝TNT炸藥的相對(duì)比爆炸能量與戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量的乘積。

2.1沖擊波能Es

在水下爆炸中，沖擊波是引起目標(biāo)破壞的主要作用因素。

1) 沖擊波壓力P(t)

對(duì)于鑄裝TNT球形藥包，水中沖擊波的波后壓力隨時(shí)間變化的衰減規(guī)律P(t)[11]可表示為

P(t)=Pme-t/θ

(1)

(2)

式中，Pm為沖擊波壓力峰值(Pa)；θ為時(shí)間常數(shù)(s)；WTNT為藥量(kg)；R為爆距(m)，R0為炸藥藥包半徑(m)。

2) 沖擊波能Es[2]

(3)

式中，Es為沖擊波能(J/kg)；R為爆距(m)；WTNT為藥量(kg)；ρw為水密度(kg/m3)；cw為水中聲速(m/s)；θ為沖擊波衰減常數(shù)(s)；P(t)為距爆源R處沖擊波超壓(Pa)隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。

2.2氣泡能Eb

裝藥在無(wú)限水介質(zhì)中爆炸時(shí)，氣泡脈動(dòng)引起的二次壓力波峰值一般不超過沖擊波峰值的20%，但其作用時(shí)間遠(yuǎn)大于沖擊波作用時(shí)間。

氣泡能Eb[2]

(4)

式中，Eb為氣泡能(J/kg)，Tb為第一次氣泡脈動(dòng)周期(s)，由(5)式確定；ρw為水密度(kg/m3)；Ph為炸藥深度h(m)處的靜水壓力(Pa)。

(5)

2.3爆炸能量ER

一般把沖擊波能Es與氣泡能Eb的和作為炸藥總能量ER的近似值，即

ER=Es+Eb

(6)

2.4戰(zhàn)斗部爆炸威力WT

戰(zhàn)斗部爆炸威力，即戰(zhàn)斗部裝藥TNT當(dāng)量WT由式(7)確定：

WT=W×η

(7)

(8)

式中：W為戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量，η為戰(zhàn)斗部裝藥與標(biāo)準(zhǔn)鑄裝TNT藥球的相對(duì)比爆炸能量，ERTNT為標(biāo)準(zhǔn)鑄裝TNT藥球水下爆炸能量理論值。由式(9)、(10)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)TNT藥球水下爆炸沖擊波能Es和氣泡能的理論值[8]：

(9)

Eb=1.99×106(J/kg)

(10)

并由式(6)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)TNT藥球水下爆炸能量理論值ERTNT。

3戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法

戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理即沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)的處理，目前可采用沖擊波峰值壓力修正的方法及爆炸能量修正的方法，二者主要差別是標(biāo)定試驗(yàn)中修正的參數(shù)不同。標(biāo)定試驗(yàn)取標(biāo)準(zhǔn)鑄裝TNT藥球(密度為1.52g/cm3)作為爆源，試驗(yàn)工況與戰(zhàn)斗部爆炸威力試驗(yàn)相同。

3.1沖擊波峰值壓力修正

沖擊波峰值壓力修正基于標(biāo)定試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)TNT 藥球爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力實(shí)測(cè)值和由式(2)計(jì)算的理論值進(jìn)行對(duì)比，修正壓力傳感器靈敏度系數(shù)；并將修正后的壓力傳感器靈敏度用于戰(zhàn)斗部爆炸試驗(yàn)中沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)的修正，計(jì)算爆炸能量和TNT當(dāng)量，從而獲得戰(zhàn)斗部爆炸威力。主要步驟如下：

1)由標(biāo)定試驗(yàn)沖擊波壓力時(shí)程曲線，獲得不同爆距Ri測(cè)點(diǎn)沖擊波峰值壓力Pmt；

2)由式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)TNT藥球不同爆距Ri測(cè)點(diǎn)沖擊波峰值壓力理論值Pmi；

4)通過壓力傳感器的靈敏度修正系數(shù)修正戰(zhàn)斗部爆炸試驗(yàn)沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)；

5)由式(3)～式(6)計(jì)算距離裝藥中心R處各測(cè)點(diǎn)的Es、Eb和ER；

6)由式(7)、式(8)計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸的TNT當(dāng)量值WT。

3.2爆炸能量修正

爆炸能量修正基于標(biāo)定試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)TNT藥球爆炸產(chǎn)生的沖擊波能和氣泡能的實(shí)測(cè)值及由經(jīng)驗(yàn)公式式(9)、式(10)得到的理論值進(jìn)行對(duì)比，修正爆炸能量；并將爆炸能量修正系數(shù)用于戰(zhàn)斗部爆炸試驗(yàn)中沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)的修正，計(jì)算爆炸能量和TNT當(dāng)量，從而獲得戰(zhàn)斗部爆炸威力。主要步驟如下：

1)由標(biāo)定試驗(yàn)沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)和式(3)～式(6)，計(jì)算距離裝藥中心R處各測(cè)點(diǎn)的沖擊波能Es、氣泡能Eb和爆炸能量ER；

2)由式(9)、(10)計(jì)算密度為1.52g/cm3標(biāo)準(zhǔn)鑄裝TNT藥球距離裝藥中心R處的Es和Eb的理論值；

4)根據(jù)實(shí)測(cè)的戰(zhàn)斗部爆炸試驗(yàn)沖擊波、氣泡能數(shù)據(jù)，乘以修正系數(shù)k，并由式(7)、式(8)，計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸的TNT當(dāng)量值WT。

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法對(duì)比

采用6kg標(biāo)準(zhǔn)TNT藥球進(jìn)行2次標(biāo)定試驗(yàn)和4次爆炸試驗(yàn)，分別采用文中的兩種數(shù)據(jù)處理方法，計(jì)算藥球爆炸能量和威力，并進(jìn)行誤差分析。

4.1試驗(yàn)工況及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

采用沖擊波峰值壓力修正方法處理爆炸威力數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示，其中工況1、2 為標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采用能量修正方法處理爆炸威力數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示，其中工況1、2 為標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1　沖擊波峰值壓力修正方法數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表2　能量修正方法數(shù)據(jù)處理結(jié)果

從表1可以看出，采用沖擊波峰值壓力修正方法修正爆炸威力數(shù)據(jù)，計(jì)算爆炸威力結(jié)果與6kgTNT的誤差為15%；從表2可以看出，采用能量修正方法修正爆炸威力數(shù)據(jù)，計(jì)算爆炸威力結(jié)果與6kgTNT的誤差為0.37%。

4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，在處理沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)計(jì)算爆炸威力的方法中：

1)沖擊波峰值壓力修正方法誤差相對(duì)較大

受海面、海底以及目標(biāo)反射等的影響，沖擊波壓力時(shí)程曲線上會(huì)出現(xiàn)駝峰、海面截?cái)嘈?yīng)等非線性特征，如圖1所示。采用沖擊波峰值壓力修正方法，線性修正沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)，如圖2所示，在計(jì)算沖擊波能時(shí)必然會(huì)帶來(lái)較大誤差；同時(shí)，氣泡能和沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)中的脈動(dòng)周期有關(guān)，修正沖擊波峰值壓力無(wú)法對(duì)氣泡能進(jìn)行修正，從而導(dǎo)致計(jì)算爆炸威力的誤差相對(duì)較大。

圖1　沖擊波壓力時(shí)程曲線

圖2　沖擊波峰值壓力修正時(shí)程曲線

2)爆炸能量修正方法誤差相對(duì)較小

炸藥水中爆炸釋放的能量有一部分以熱的形式散逸在水中，這部分熱損失能雖無(wú)法測(cè)量，但通過標(biāo)定試驗(yàn)?zāi)芰啃拚螅粌H減小了測(cè)量系統(tǒng)誤差同時(shí)修正了忽略熱損失帶來(lái)的計(jì)算誤差，因此，用能量修正的數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸威力的誤差相對(duì)較小。

3)用沖擊波峰值壓力修正方法處理沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)時(shí)，氣泡能無(wú)法修正，若氣泡能采用實(shí)測(cè)值計(jì)算爆炸威力，誤差在15%左右。

5結(jié)語(yǔ)

本文分別采用沖擊波壓力峰值修正和能量修正方法處理沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)，6kg標(biāo)準(zhǔn)TNT藥球作為爆源進(jìn)行兩次標(biāo)定試驗(yàn)和四次爆炸試驗(yàn)，計(jì)算炸藥的爆炸威力。從試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)誤差分析中可以看出：沖擊波峰值壓力修正法通過峰值壓力理論值線性修正沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)，只能修正系統(tǒng)誤差和沖擊波能，對(duì)氣泡能無(wú)法修正，因此，難以修正因忽略炸藥水中爆炸熱損失能帶來(lái)的計(jì)算誤差，計(jì)算爆炸威力誤差較大；爆炸能量修正法修正戰(zhàn)斗部爆炸能量，不僅修正系統(tǒng)誤差，同時(shí)對(duì)因忽略炸藥水中爆炸的熱損失能帶來(lái)的計(jì)算誤差也能加以修正，在計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸威力時(shí)誤差較小。因此，基于能量修正的沖擊波壓力時(shí)程數(shù)據(jù)處理方法可作為爆破戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理的通用方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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Data Processing Method of Blast Warhead Explosive Power Based on Energy Modification

LI ChenLI JiaboLIU Wensi

(No.91439 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn order to effectively test and accurately assess blast warhead explosive power, reasonably determinate warhead explosion data processing method, it respectively uses shock wave peak pressure modification method and energy modification method to process shock wave pressure-time data in this passage in calculating warhead explosion energy and assessing warhead explosion power based on explosive energy relative evaluation method. The processing results of test data validate that the energy modification method can effectively modify measurement system error and the calculation error which ignore the warhead explosion heat consumption, so as to improve the precision of the calculation of explosion energy. This method can be used as a general data processing method of warhead explosion power.

Key Wordsblast warhead explosive power, specific explosion energy, data processing method, energy modification method

*收稿日期：2015年12月7日,修回日期：2016年1月30日

作者簡(jiǎn)介：李琛,女,碩士,高級(jí)工程師,研究方向：水下爆炸試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理。李家波,男,工程師,研究方向：水下爆炸試驗(yàn)總體。

中圖分類號(hào)TD235.3

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.020

劉文思,男,博士,工程師,研究方向：水下爆炸試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理。