不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水下爆炸毀傷威力試驗(yàn)研究

魯忠寶, 黎 勤, 哈海榮

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不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水下爆炸毀傷威力試驗(yàn)研究

魯忠寶, 黎 勤, 哈海榮

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

水中兵器戰(zhàn)斗部對(duì)大型水面艦船的爆炸毀傷威力, 除了與作用距離相關(guān)之外, 還與作用方位、戰(zhàn)斗部的裝藥品種、起爆方式等都有密切關(guān)系。為了得出攻擊大型水面艦戰(zhàn)斗部所需最佳攻擊方位, 以及裝藥與起爆方式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 文中選取典型炸藥品種、典型起爆方式的戰(zhàn)斗部裝藥, 進(jìn)行水下爆炸全方位威力場(chǎng)參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試, 以及典型戰(zhàn)斗部底部爆炸對(duì)艦船目標(biāo)模擬靶響應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試, 得出了不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水中爆炸能量的輸出規(guī)律及其對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷規(guī)律, 確定了水中兵器戰(zhàn)斗部適宜選取總能量高、氣泡能也高的炸藥品種, 采用底部攻擊及定向起爆方式, 使能量匯聚方向朝上, 以獲取最佳毀傷效果。文中的研究可為打擊大型水面艦船的水中兵器戰(zhàn)斗部總體設(shè)計(jì)提供參考。

水中兵器; 戰(zhàn)斗部; 炸藥; 起爆方式; 水面艦船; 毀傷

0 引言

水中兵器戰(zhàn)斗部為了有效打擊大型水面艦船, 除了需要合適的作用距離之外, 戰(zhàn)斗部的作用方位、炸藥品種與起爆方式也會(huì)影響其爆炸毀傷威力。對(duì)此, 國(guó)內(nèi)外已有大量研究成果。例如, 針對(duì)定向起爆方式與威力場(chǎng)分布規(guī)律的關(guān)系研究, 文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了裝藥水下爆炸時(shí)不同定向起爆方式下威力場(chǎng)參數(shù)的仿真計(jì)算與對(duì)比分析, 但研究點(diǎn)僅在同一個(gè)水平面內(nèi), 沒(méi)有涉及不同炸藥、不同立體方位(如上方, 下方)威力場(chǎng)參數(shù)的對(duì)比研究; 針對(duì)水下爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷研究, 涉及到水下爆炸沖擊波、氣泡載荷、對(duì)艦船目標(biāo)毀傷效應(yīng)的仿真計(jì)算與爆炸試驗(yàn)等, 但只是將水下戰(zhàn)斗部處理為1個(gè)炸藥包或者1個(gè)爆炸載荷, 沒(méi)有考慮戰(zhàn)斗部的起爆方式、炸藥品種對(duì)目標(biāo)毀傷效應(yīng)的差異, 而且研究重點(diǎn)是舷側(cè)起爆, 沒(méi)有涉及戰(zhàn)斗部底部爆炸對(duì)雙層艦船結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究[2-8]; 針對(duì)底部打擊大型水面艦船的水中兵器戰(zhàn)斗部的炸藥選型, 雖已完成初步論證分析, 但尚未進(jìn)行實(shí)爆試驗(yàn)作為可行性支撐論證[9]。

基于此, 有必要進(jìn)行不同能量構(gòu)成的炸藥品種、不同起爆方式的戰(zhàn)斗部裝藥水下爆炸立體全方位的威力場(chǎng)參數(shù)測(cè)試, 以及底部方位爆炸對(duì)艦船模擬目標(biāo)靶響應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試, 從而獲取攻擊艦船戰(zhàn)斗部的最佳作用方位、裝藥能量構(gòu)成及起爆方式。

文中試驗(yàn)一共進(jìn)行了10發(fā)正式測(cè)試, 包含8發(fā)不同炸藥品種、不同起爆方式的水中爆炸威力場(chǎng)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)和2發(fā)艦船模擬目標(biāo)靶爆炸沖擊響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn), 獲得了有效的測(cè)試數(shù)據(jù), 最終得出不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水中爆炸能量的輸出規(guī)律及其對(duì)目標(biāo)的毀傷規(guī)律。文中的研究可為打擊大型水面艦船的水中兵器戰(zhàn)斗部總體設(shè)計(jì)提供參考。

1 不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水下爆炸毀傷威力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用戰(zhàn)斗部裝藥

試驗(yàn)用戰(zhàn)斗部裝藥為縮比尺寸,起爆方式有中心點(diǎn)起爆方式、定向起爆方式2種。裝藥品種選取了典型的高氣泡能水中兵器用炸藥A和典型的高沖擊波能水中兵器用炸藥B。裝藥品種、起爆方式都將影響戰(zhàn)斗部的能量輸出結(jié)構(gòu), 由不同的起爆方式、不同能量輸出結(jié)構(gòu)的炸藥品種, 構(gòu)成實(shí)現(xiàn)不同的戰(zhàn)斗部。

中心點(diǎn)起爆的戰(zhàn)斗部如圖1所示, 由雷管起爆導(dǎo)爆索后起爆中心起爆藥, 然后再起爆主裝藥。定向起爆戰(zhàn)斗部外部尺寸同中心點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部, 為圓周八分位相鄰三線同時(shí)起爆方式, 如圖2所示。該方式采用15個(gè)點(diǎn)同步起爆結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多分位定向起爆功能, 15個(gè)點(diǎn)同步起爆是通過(guò)1個(gè)雷管起爆傳爆藥柱, 再起爆15根相同長(zhǎng)度的導(dǎo)爆索, 導(dǎo)爆索同時(shí)起爆擴(kuò)爆藥來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 中心點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部

圖2 定向起爆戰(zhàn)斗部

1.2 模擬目標(biāo)

選取某典型艦船底部較薄弱的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化及縮比作為模擬目標(biāo), 模擬目標(biāo)的材料為Q235鋼, 各部分焊接制作而成, 模型為雙層底, 在隔板與內(nèi)板上開(kāi)通水孔, 雙層底間注滿水, 保證不滲漏。圍壁板的上端四角設(shè)置有懸掛孔。實(shí)物見(jiàn)圖3所示。

圖3 模擬目標(biāo)靶實(shí)物

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為不帶模擬目標(biāo)的威力場(chǎng)參數(shù)測(cè)試與帶模擬目標(biāo)的目標(biāo)響應(yīng)測(cè)試兩部分。

1.3.1 威力場(chǎng)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)方案

該測(cè)試涉及不同炸藥品種、不同起爆方式戰(zhàn)斗部威力參數(shù)的對(duì)比, 測(cè)點(diǎn)選取為0°和90°(以軸線為基準(zhǔn))水平面內(nèi)、正上方及正下方距離戰(zhàn)斗部中心1.0 m, 1.5 m及2 m處的4個(gè)方位共12個(gè)點(diǎn)。其中定向起爆戰(zhàn)斗部試驗(yàn)時(shí), 能量的匯聚方向向上, 15個(gè)起爆點(diǎn)在正下方。為保證測(cè)點(diǎn)位置要求, 專門(mén)設(shè)計(jì)了剛性支架, 用來(lái)固定戰(zhàn)斗部和測(cè)試傳感器, 支架由實(shí)心鋼棒焊成三角體。使用吊車(chē)將安裝好戰(zhàn)斗部及傳感器的試驗(yàn)支架整體吊入水中, 從而保證了傳感器與戰(zhàn)斗部之間的距離和角度。測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)支架如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)支架圖

Fig. 4 Layout diagram of test points and test holder

1.3.2 模擬目標(biāo)靶爆炸響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)方案

戰(zhàn)斗部懸掛于模擬目標(biāo)靶中心正下方, 距模擬目標(biāo)底部1.3 m, 采用定向起爆戰(zhàn)斗部, 能量匯聚方向朝上, 即起爆點(diǎn)在下, 試驗(yàn)布局見(jiàn)圖5所示。

在模擬目標(biāo)靶內(nèi)板上設(shè)置3處應(yīng)變測(cè)試點(diǎn), 進(jìn)行正交2個(gè)方向的測(cè)試; 內(nèi)板上同時(shí)設(shè)置3處沖擊加速度測(cè)試點(diǎn), 加速度測(cè)試方向?yàn)榘迕娣ㄏ?。?yīng)變和沖擊加速度測(cè)點(diǎn)位于目標(biāo)靶小隔艙的中心處, 2個(gè)品種炸藥戰(zhàn)斗部試驗(yàn)時(shí)測(cè)試點(diǎn)設(shè)置相同。應(yīng)變片用膠粘貼, 沖擊加速度傳感器使用焊接在測(cè)點(diǎn)的螺紋座安裝固定。目標(biāo)靶上測(cè)點(diǎn)的布置如圖6所示。

1.4 測(cè)試系統(tǒng)

1.4.1 爆炸威力場(chǎng)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

爆炸威力場(chǎng)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)起爆及測(cè)試框圖如圖7所示。

圖5 戰(zhàn)斗部與模擬目標(biāo)靶布局

圖6 模擬目標(biāo)靶上測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 爆炸威力場(chǎng)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)起爆及測(cè)試框圖

由一臺(tái)同步脈沖發(fā)生器主控, 同時(shí)輸出多路電壓訊號(hào), 一路觸發(fā)高壓脈沖發(fā)生器,起爆戰(zhàn)斗部中的雷管。另外4路電壓觸發(fā)數(shù)字示波器, 記錄水下壓力傳感器的壓力時(shí)程數(shù)據(jù)。

1.4.2 模擬目標(biāo)靶響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)

模擬目標(biāo)靶響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)起爆及測(cè)試框圖如圖8所示。由一臺(tái)同步脈沖發(fā)生器主控, 同時(shí)輸出多路電壓訊號(hào)。一路觸發(fā)高壓脈沖發(fā)生器, 起爆戰(zhàn)斗部中的雷管。另外使用多路電壓輸出來(lái)觸發(fā)數(shù)字示波器, 記錄加速度傳感器的壓力時(shí)程數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖8 模擬目標(biāo)靶響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)起爆及測(cè)試框圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 威力場(chǎng)參數(shù)試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同戰(zhàn)斗部水下爆炸威力場(chǎng)參數(shù)試驗(yàn)爆炸瞬時(shí)照片如圖9所示。

圖9 水下爆炸瞬時(shí)照片

不同起爆方式和炸藥品種的戰(zhàn)斗部試驗(yàn)測(cè)試得到的各個(gè)研究點(diǎn)的沖擊波峰值壓力原始數(shù)據(jù), 經(jīng)剔除奇異值, 對(duì)獲得的多個(gè)有效值進(jìn)行平均處理后統(tǒng)計(jì)如表1所示。

因相同品種炸藥不同起爆方式, 在不同方向、不同測(cè)點(diǎn)處的氣泡脈動(dòng)周期相差極小, 故在計(jì)算氣泡能參數(shù)時(shí)取氣泡脈動(dòng)周期的平均值。氣泡能計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 不同戰(zhàn)斗部試驗(yàn)各研究點(diǎn)沖擊波峰值壓力平均值統(tǒng)計(jì)(單位: MPa)

表2 氣泡能數(shù)據(jù)匯總表

對(duì)不同起爆方式和炸藥品種的戰(zhàn)斗部試驗(yàn)測(cè)試得到的各個(gè)研究點(diǎn)的沖擊波能數(shù)據(jù), 經(jīng)剔除奇異值, 對(duì)獲得的多個(gè)有效值進(jìn)行平均處理后統(tǒng)計(jì)如表3所示。

2.1.2 結(jié)果分析

針對(duì)表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知:

1) 總體看來(lái), 在相同方向相同距離處, 炸藥為B戰(zhàn)斗部的峰值壓力大都比炸藥為A戰(zhàn)斗部的壓力大, 這是因?yàn)檎ㄋ嶣為沖擊波能高的炸藥品種;

表3 不同戰(zhàn)斗部試驗(yàn)各研究點(diǎn)比沖擊波能平均值統(tǒng)計(jì)(單位: MJ·kg–1)

2) 對(duì)2種炸藥的定向起爆戰(zhàn)斗部, 在定向能量匯聚方向的峰值壓力大都比相應(yīng)的中心起爆戰(zhàn)斗部的壓力大, 說(shuō)明起爆方式能改變威力場(chǎng)能量分配, 定向匯聚方向上能量得到增強(qiáng)。

針對(duì)表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知:

1) 氣泡能的分布主要與炸藥品種相關(guān), 與起爆方式、方位和距離的關(guān)系不大;

2) 炸藥A的戰(zhàn)斗部的氣泡能TNT當(dāng)量系數(shù)明顯大于炸藥B的戰(zhàn)斗部氣泡能的TNT當(dāng)量系數(shù)。

針對(duì)表3, 結(jié)合表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知:

1) 炸藥A的氣泡能比炸藥B的氣泡能高; 炸藥B的沖擊波能比炸藥A的沖擊波能高; 總能量方面兩者的差別不明顯, 與炸藥品種選型的預(yù)期一致;

2) 不同起爆方式、不同炸藥品種的戰(zhàn)斗部能量各方向的差異不太明顯, 但總體上可看出, 90°水平徑向的沖擊波能及總能量比其他3個(gè)方向略低; 正下方的沖擊波能及總能量略高;

3) 起爆方式不同, 也帶來(lái)能量分布的差異, 根據(jù)有效的沖擊波能數(shù)據(jù)可以看出, 對(duì)2種炸藥的定向起爆戰(zhàn)斗部, 在定向能量匯聚方向, 正上方的沖擊波能比相應(yīng)的中心起爆戰(zhàn)斗部的沖擊波能大。

2.2 目標(biāo)靶響應(yīng)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

各一發(fā)炸藥A和炸藥B定向起爆戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行試驗(yàn), 定向能量匯聚方向朝向目標(biāo)靶, 測(cè)試應(yīng)變數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)試得到典型的應(yīng)變信號(hào)如圖10所示。應(yīng)變最大值如表4所示。

試驗(yàn)測(cè)試得到典型的沖擊加速度信號(hào)如圖11所示。加速度最大值如表5所示。

圖10 典型的應(yīng)變信號(hào)(炸藥B, 內(nèi)板邊角5#, X向)

表4 模擬目標(biāo)靶應(yīng)變測(cè)試最大應(yīng)變數(shù)值匯總表

爆炸試驗(yàn)后, 目標(biāo)模擬靶的內(nèi)板無(wú)明顯變形, 底板變形顯著, 底板的中心部位靠近隔板處變形最大, 如圖12所示。

2.2.2 毀傷響應(yīng)分析

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)可以看出, 目標(biāo)模擬靶內(nèi)板的中心位置因正對(duì)著戰(zhàn)斗部, 爆炸載荷較大, 因而應(yīng)變較大; 而內(nèi)板的靠近邊角處由于存在圍壁板對(duì)內(nèi)板的邊界強(qiáng)約束效應(yīng), 從而使載荷無(wú)法釋放, 應(yīng)變也較大, 但由于受研究條件的限制, 目標(biāo)靶模型不可能采用真實(shí)尺度, 不可避免地存在模型的邊界效應(yīng)。雖然總體來(lái)看, 沖擊波能較大的炸藥B, 造成的目標(biāo)模擬靶邊界的應(yīng)變最大, 但考慮到小模型尺寸的邊界效應(yīng), 應(yīng)該重點(diǎn)研究的是目標(biāo)模擬靶內(nèi)板的中心位置, 此處的邊界效應(yīng)最小。以內(nèi)板中心位置為參照可以看出, 氣泡能較大的炸藥A造成的目標(biāo)模擬靶的應(yīng)變比沖擊波能較大的炸藥B造成的應(yīng)變要大很多。而當(dāng)前對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷, 通常采用應(yīng)變作為判據(jù), 以此為準(zhǔn)則的話, 采用氣泡能較高的炸藥, 造成艦船目標(biāo)的毀傷效果會(huì)更強(qiáng)。另外, 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)炸藥A爆炸將艦船模擬目標(biāo)靶掀起的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于炸藥B, 掀起高度越大, 目標(biāo)整體毀傷效應(yīng)應(yīng)該更顯著, 這樣也可以得出, 以艦船整體毀傷效應(yīng)為準(zhǔn)則的話, 采用氣泡能較高的炸藥, 造成的毀傷效果會(huì)更強(qiáng)。

圖11 典型的沖擊加速度信號(hào)(炸藥A, 內(nèi)板中心2#)

表5 最大沖擊加速度數(shù)值匯總表

圖12 目標(biāo)模擬靶底板變形情況

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可以看出, 所有測(cè)點(diǎn)的沖擊加速度都在6 000g以上(部分傳感器損壞、超量程)。由炸藥為A的定向起爆戰(zhàn)斗部作用下目標(biāo)靶有效的加速度數(shù)據(jù)可以看出, 內(nèi)板中心位置沖擊加速度高達(dá)14011.39g。若以加速度為設(shè)備損傷判據(jù), 根據(jù)相關(guān)資料, 艦船內(nèi)板加速度達(dá)到234.4g, 即可使設(shè)備受損[10], 而文中試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?zhàn)斗部作用距離大致在引信作用距離范圍處, 并不很近, 但由于戰(zhàn)斗部位于艦船正下方, 沖擊加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該值。這也表明了要?dú)灤繕?biāo), 戰(zhàn)斗部位于艦船底部爆炸效果十分突出。

3 結(jié)論

針對(duì)文中試驗(yàn)所選取的典型炸藥品種、典型起爆方式的不同能量輸出結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)斗部, 進(jìn)行了水下爆炸威力場(chǎng)參數(shù)的測(cè)試, 及艦船模擬目標(biāo)靶響應(yīng)的測(cè)試, 由于測(cè)點(diǎn)很近, 傳感器損壞較嚴(yán)重, 少數(shù)測(cè)點(diǎn)未能獲得完整的信號(hào), 但從獲得的有效數(shù)據(jù)分析, 仍可得出如下結(jié)論:

1) 對(duì)不同的炸藥品種, 采用定向起爆方式,相對(duì)中心起爆方式, 都可使峰值壓力在定向能量匯聚方向得到增強(qiáng), 沖擊波能也可得到增強(qiáng);

2) 氣泡能的分布主要與炸藥品種相關(guān), 與起爆方式、方位、距離的關(guān)系不大;

3) 不同起爆方式和炸藥品種的戰(zhàn)斗部能量匯聚在上下水平各個(gè)方向的差異雖不太, 但總體上水平徑向方向的沖擊波能及總能量比其他方向略低, 正下方的沖擊波能及總能量略高;

4) 戰(zhàn)斗部位于艦船目標(biāo)的底部爆炸, 對(duì)目標(biāo)的毀傷效果顯著;

5) 對(duì)于總能量相近的炸藥, 氣泡能較大裝藥, 相對(duì)沖擊波能較大的裝藥對(duì)正上方艦船目標(biāo)造成的應(yīng)變更大, 整體毀傷效果也更明顯。

文中通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試與研究, 得出的上述不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水中爆炸能量的輸出規(guī)律及其對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷規(guī)律, 可以指導(dǎo)打擊大型水面艦船的水中兵器戰(zhàn)斗部的總體設(shè)計(jì)。即對(duì)于底部攻擊大型水面艦船的水中兵器戰(zhàn)斗部, 從提高毀傷威力的角度, 適宜采用定向起爆方式, 使能量匯聚方向朝上, 而且需要選取總能量高、氣泡能也高的炸藥品種。

由于受研究經(jīng)費(fèi)的限制, 少量近距離測(cè)點(diǎn)的傳感器超量程或損壞, 沒(méi)有全部補(bǔ)充, 試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠充分; 而且小尺度的縮比艦船模型還不能完全體現(xiàn)艦船整體的毀傷效應(yīng), 雖然得出了初步定性的研究規(guī)律, 具有指導(dǎo)意義, 但相關(guān)工作還有待進(jìn)一步深入, 需要采用更大的試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 開(kāi)展更多的試驗(yàn)研究, 獲得更多的數(shù)據(jù), 進(jìn)而得出更多的定量研究結(jié)論。

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[10] 孟慶玉, 張靜遠(yuǎn), 宋保維. 魚(yú)雷作戰(zhàn)效能分析[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.

Experimental Study on Underwater Explosion Damage Power of Warhead with Different Energy Output Configuration

LU Zhong-bao, LI Qin, HA Hai-rong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Explosion damage power of underwater weapon warhead to large surface ship depends on action range, as well as action location, warhead charge variety, and detonation mode. In order to obtain the best position for attacking warhead of a large surface ship and the design criteria of charge and detonation modes, this study chose the warhead with typical explosive type and typical detonation mode to test the power field parameters in all directions of underwater explosion and the response of simulated ship target to bottom explosion of a typical warhead. The output law of underwater explosion energy of a warhead with different energy output configuration and the damage law to ship target were obtained. It is concluded that the explosive with high total energy and high bubble energy is suitable for the underwater weapon warhead; bottom attack and directional detonation can converge energy upward to obtain the best damage effect. This study may provide a reference for overall design of the underwater weapon warhead for attacking large surface ship.

underwater weapon; warhead; explosive; detonation mode; surface ship; damage

魯忠寶, 黎勤, 哈海榮. 不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水下爆炸毀傷威力試驗(yàn)研究[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(1): 71-77.

TJ630. 1; TQ560.1; U661.43

A

2096-3920(2019)01-0071-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.012

2018-09-03;

2018-11-05.

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(B0820132045).

魯忠寶(1978-), 男, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要從事水中兵器戰(zhàn)斗部的研究與設(shè)計(jì).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)