水下爆炸對(duì)沉底目標(biāo)毀傷效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證研究?

張永坤

（91439部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

隨著水中兵器對(duì)抗與反對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，各種反水中兵器（魚(yú)雷、水雷）硬殺傷武器不斷涌現(xiàn)，其對(duì)抗方式主要是通過(guò)引爆自身裝藥來(lái)毀傷工作狀態(tài)下水中兵器的結(jié)構(gòu)，或使得水中兵器喪失主要性能。當(dāng)水中兵器處于水中工作狀態(tài)時(shí)，在遭遇其它水中兵器或者反制武器所產(chǎn)生的水中爆炸作用下，其只能靠自身的結(jié)構(gòu)特性來(lái)抵御水下爆炸作用，此時(shí)其抗水下爆炸的能力遠(yuǎn)小于發(fā)射之前。就水雷而言，水下爆炸毀傷水雷的過(guò)程極其復(fù)雜，整個(gè)過(guò)程包括炸藥的水下爆炸、水下爆炸沖擊波的形成和傳播、水下爆炸沖擊波和水雷的流-固耦合作用，以及水雷和藥室內(nèi)部塑性混合炸藥在水下爆炸沖擊波作用下的彈塑性響應(yīng)和破壞這幾個(gè)方面。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者通常根據(jù)所研究問(wèn)題的特點(diǎn)，對(duì)水下爆炸載荷的兩個(gè)階段沖擊波和爆炸氣泡作用階段分別進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)相應(yīng)的毀傷情況進(jìn)行了廣泛的研究［1～10］。本文針對(duì)水下爆炸對(duì)沉底水雷毀傷機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證研究，首先結(jié)合兵器抗沖擊試驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)水下爆炸作用下水雷的破壞模式進(jìn)行分析，給出水雷破壞的定性特征；然后采用理論分析方法對(duì)水雷結(jié)構(gòu)的抗毀傷機(jī)理進(jìn)行分析，指出沖擊波是導(dǎo)致水雷毀傷的主要因素；在此基礎(chǔ)上，借助試驗(yàn)驗(yàn)證手段對(duì)目標(biāo)水雷在水下爆炸作用下的毀傷機(jī)理作進(jìn)一步驗(yàn)證分析，總結(jié)水雷在水下爆炸作用下的毀傷特點(diǎn)及失效規(guī)律。

2 水中爆炸作用下水雷破壞模式分析

水中兵器抗沖擊包含兩種狀態(tài)，一是目標(biāo)艦艇遭受攻擊，艦載水中兵器在爆炸作用下的抗沖擊狀態(tài)，此種情況可與艦艇抗沖擊或兵器毀傷試驗(yàn)一起進(jìn)行考慮，這部分的相關(guān)研究已開(kāi)展較多［1～10］，為后一種狀態(tài)的兵器抗沖擊研究奠定一定基礎(chǔ)；第二種狀態(tài)是兵器發(fā)射后在攻擊目標(biāo)的過(guò)程中遭受反制武器打擊，或是兵器處于戰(zhàn)斗狀態(tài)遭受反制武器攻擊，此種狀態(tài)下主要判斷遭受打擊后兵器的狀態(tài)以及是否還具備有效的打擊能力，這種態(tài)勢(shì)是兵器抗沖擊更為關(guān)注的問(wèn)題。

2.1 水雷破壞方式

水雷結(jié)構(gòu)主要通常包括雷體、引信裝置、回收系統(tǒng)、起爆裝置等。根據(jù)水下爆炸載荷的強(qiáng)度等級(jí)和沖擊作用下水雷結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)狀況，水雷主要有以下三種破壞形式［11］。

1）沖擊環(huán)境惡劣，水雷內(nèi)部敏感部件破壞或水雷自爆。

當(dāng)水雷受水下爆炸載荷作用后，儀器鍋沖擊響應(yīng)非常劇烈，產(chǎn)生非常大的沖擊加速度，從而造成固定在儀器鍋上的敏感部件過(guò)載破壞，水雷失效。

2）失穩(wěn)大變形，水雷內(nèi)部敏感部件破壞或水雷自爆。

當(dāng)水雷受較強(qiáng)水下爆炸載荷沖擊作用后，內(nèi)部敏感部件開(kāi)始工作，誘使水雷自爆，或者因水雷殼體失穩(wěn)大變形敏感部件被破壞，水雷失效。

3）雷體殼體破裂。

水雷殼體直接被沖擊波撕裂，水雷內(nèi)部進(jìn)水，水雷失效。

采用雷體殼體破裂作為水雷破壞的唯一判據(jù)，是一種偏保守的水雷失效判據(jù)，滿(mǎn)足該判據(jù)，水雷肯定失效。

2.2 水雷失效特征閾值

參照水中兵器抗水下爆炸破壞模式，水中兵器抗沖擊閾值的確定需要通過(guò)雷體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)裝置、內(nèi)部設(shè)備等三種抗沖擊閾值綜合判定。雷體結(jié)構(gòu)閾值的判定主要考慮強(qiáng)度的影響，由雷體的材料、雷體形狀及厚度、結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)、加工工藝等因素確定。推進(jìn)裝置閾值判定考慮自身強(qiáng)度及位置結(jié)構(gòu)的影響，主要由本身結(jié)構(gòu)特征以及與雷體的連接部位、保護(hù)裝置、工作方式等因素綜合判定。內(nèi)部設(shè)備閾值判定根據(jù)相關(guān)的國(guó)軍標(biāo)主要考慮設(shè)備沖擊環(huán)境的影響，設(shè)備的沖擊加速度、溫度等參數(shù)達(dá)到一定量值，導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作。比較而言，內(nèi)部設(shè)備涉及單元比較多，也相對(duì)容易產(chǎn)生破壞，其閾值比較低。

3 水雷抗沖擊毀傷機(jī)理分析

根據(jù)水雷的損傷情況，引起其損傷的水中爆炸載荷主要是沖擊波載荷。反制武器對(duì)水雷的攻擊情況一般可理解為一定當(dāng)量的藥包打擊相對(duì)較小的目標(biāo)。水雷目標(biāo)處于靜止或錨泊狀態(tài)，對(duì)于沉底水雷而言，反制武器載荷中沖擊波載荷完全起主導(dǎo)作用，氣泡的作用基本可忽略［12］。炸藥從在水中起爆后沖擊波波前即將接觸水雷時(shí)刻開(kāi)始，到水下沖擊波完全掃過(guò)水雷、使水雷結(jié)構(gòu)的塑形動(dòng)響應(yīng)結(jié)束時(shí)刻截止，是研究水下爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊的關(guān)心時(shí)間區(qū)域。通常炸雷中炸藥的爆炸距離一般在幾米到幾十米，由于水下爆炸沖擊波的傳播速度約為1500m/s，故這一過(guò)程的時(shí)間在毫秒量級(jí)。

水雷抗沖擊毀傷機(jī)理研究主要考慮三方面的問(wèn)題，首先是反制武器裝藥自身的威力指標(biāo)。根據(jù)具體的裝藥類(lèi)型以及裝藥量，提出反制武器的沖擊波參數(shù)，主要是沖擊波壓力峰值以及沖擊波沖量。第二是水雷自身的參數(shù)。具體包括水雷材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀、結(jié)構(gòu)組成等要素。水雷結(jié)構(gòu)不僅有鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的，考慮隱身性能還大量采用玻璃鋼材料。鋼質(zhì)材料一般都視為各項(xiàng)同性材料，其破壞形式主要為殼體塑形變形以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，需要考慮鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)在高壓沖擊極端條件下的應(yīng)變率強(qiáng)化、溫度軟化效應(yīng)等問(wèn)題。玻璃鋼結(jié)構(gòu)抗爆性能的薄弱環(huán)節(jié)往往是部件間接頭和結(jié)合部位，在瞬態(tài)沖擊載荷作用下，玻璃鋼的破壞不僅與壓力峰值有關(guān)同時(shí)與壓力作用時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)。玻璃鋼的破壞主要是纖維和基體破壞，其抗爆能力主要表現(xiàn)在玻璃鋼的結(jié)構(gòu)形式、制造工藝以及材料配方等方面。第三是爆炸沖擊載荷與水雷的相互作用。影響因素主要包含爆炸方位、爆炸距離以及邊界條件等。對(duì)水雷而言，其抗爆炸沖擊需考慮雷的沉底或是懸浮布放狀態(tài)、炸藥處于雷的正橫或是首尾位置，爆距的控制由反制武器自身的打擊半徑來(lái)確定，不同爆距可能造成水雷內(nèi)部敏感器件破壞、失穩(wěn)大變形、殼體破裂等不同程度的毀壞。

水下非接觸爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞主要是水下爆炸沖擊波和脈動(dòng)壓力波作用的結(jié)果，作用時(shí)間短，過(guò)程復(fù)雜。當(dāng)水下爆炸位置距離目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，沖擊載荷較小，只能使目標(biāo)結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形和較大的加速度沖擊環(huán)境，在目標(biāo)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生塑性損傷的時(shí)候使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的敏感部件由于沖擊過(guò)載而失效，從而使目標(biāo)結(jié)構(gòu)失去原有的功能。當(dāng)水下爆炸距離目標(biāo)結(jié)構(gòu)逐漸靠近時(shí)，隨著沖擊載荷的逐漸增大結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生塑性變形，且變形程度與隨著爆炸距離的減小逐漸加劇，結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間發(fā)生變化，內(nèi)部構(gòu)建由于受到擠壓而破壞，失去工作功能，造成目標(biāo)結(jié)構(gòu)失去原有功能。當(dāng)爆炸距離進(jìn)一步縮小時(shí)，目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋、局部破裂穿透，從而結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)水，內(nèi)部空間極度壓縮，許多構(gòu)件被壓壞，部分電子元件短路失效，結(jié)構(gòu)被徹底破壞，完全失去原有的功能。當(dāng)水雷受水下爆炸載荷作用后，儀器鍋沖擊響應(yīng)非常劇烈，產(chǎn)生非常大的沖擊加速度，從而造成固定在儀器鍋上的敏感部件過(guò)載破壞，水雷失效。

4 水雷抗水下爆炸毀傷機(jī)理試驗(yàn)驗(yàn)證

在水雷抗水下爆炸作用破壞模式及毀傷機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合水池爆炸試驗(yàn)對(duì)沉底水雷抗毀傷機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 目標(biāo)水雷相關(guān)參數(shù)

目標(biāo)水雷由雷體和儀表鍋兩部分組成，雷體內(nèi)部裝填炸藥和感應(yīng)線(xiàn)圈棒，安全起見(jiàn)，炸藥采用與原裝藥密度一致的黃沙和鐵砂的混合物模擬。儀表鍋內(nèi)部安裝引信裝置、電池組和水壓保險(xiǎn)器。感應(yīng)線(xiàn)圈棒、水壓保險(xiǎn)器、電池組均與引信裝置聯(lián)接。目標(biāo)水雷在空氣中約重500kg，在水中約重220kg，目標(biāo)水雷殼體厚度約4mm，雷體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型沉底水雷目標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在爆炸水池進(jìn)行，其水域面積為200m×150m，最大水深為30m。爆源采用35kgTNT當(dāng)量藥包，通過(guò)懸掛繩和布放繩懸掛在浮球下方，定深10m。兩個(gè)目標(biāo)水雷通過(guò)懸掛繩和保護(hù)繩分別懸掛在兩個(gè)浮筒下方，定深10m，其中一個(gè)背對(duì)炸雷彈，另一個(gè)橫對(duì)炸雷彈。定義雷體軸線(xiàn)與沖擊波作用方向垂直為橫對(duì)狀態(tài)，雷體軸線(xiàn)與沖擊波作用方向平行為背對(duì)狀態(tài)。浮筒之間通過(guò)帶法蘭的距離控制桿聯(lián)接以準(zhǔn)確控制爆距，試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

自由場(chǎng)壓力傳感器懸掛在距離控制桿下方，根據(jù)炸雷彈中心到目標(biāo)水雷幾何中心的距離等距布放（將測(cè)點(diǎn)布置在以炸雷彈藥柱中心為圓心，爆距為半徑的圓上）。布放完畢后，將測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)拉到浮動(dòng)沖擊平臺(tái)上，在浮動(dòng)沖擊平臺(tái)內(nèi)的緩沖平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果包括自由場(chǎng)壓力時(shí)程曲線(xiàn)及目標(biāo)水雷毀傷觀測(cè)效果兩部分，通過(guò)觀測(cè)目標(biāo)水雷結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備等，對(duì)抗毀傷效果進(jìn)行定量分析；通過(guò)自由場(chǎng)壓力峰值、沖量等參數(shù)對(duì)水雷抗毀傷效果進(jìn)行定性分析，兩者結(jié)合進(jìn)行判定。

4.3.1 自由場(chǎng)壓力測(cè)量結(jié)果及分析

各個(gè)工況條件下的沖擊波壓力時(shí)程曲線(xiàn)如圖2～圖4所示，沖擊波的峰值壓力和沖量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2。

表2 沖擊波峰值壓力和沖量對(duì)比

圖2 爆距7.2m處壓力時(shí)程曲線(xiàn)（工況1）

圖3 爆距8.7m處壓力時(shí)程曲線(xiàn)（工況2）

圖4 爆距9.4m處壓力時(shí)程曲線(xiàn)（工況3）

表2中峰值及沖量的計(jì)算采用式（1）。

Pm沖擊波壓力峰值，MPa；W裝藥量，kg；R測(cè)點(diǎn)至爆心距離，m。

水中沖擊波沖量計(jì)算采用式（2）。

I為水中沖擊波比沖量，kPa·s。

由表2可知，沖擊波峰值壓力以及沖量試驗(yàn)值均小于理論估算值，峰值壓力試驗(yàn)值與理論估算值比較接近（稍微偏?。?，沖量偏差比較大。由此可知，在目標(biāo)水雷已經(jīng)失效的情況下，沖擊波壓力峰值基本達(dá)到試驗(yàn)的理論值，在此種狀態(tài)下的沖擊波沖量未達(dá)到理論值，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較小。說(shuō)明沖擊波沖量未達(dá)到理論值的試驗(yàn)態(tài)勢(shì)下，只要沖擊波壓力峰值達(dá)到理論設(shè)計(jì)值（炸藥當(dāng)量大于一定值），目標(biāo)水雷就會(huì)失效。

在工程實(shí)踐中以沖擊波沖量作為毀傷判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)厲，在炸藥當(dāng)量達(dá)到數(shù)十千克TNT裝藥的情況下，以壓力峰值作為水雷目標(biāo)的判據(jù)是可行的，只要沖擊波壓力峰值達(dá)到設(shè)計(jì)值，水雷就會(huì)失效。

4.3.2 目標(biāo)水雷毀傷效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量獲取了典型距離處的自由場(chǎng)壓力時(shí)程；試驗(yàn)后，對(duì)目標(biāo)水雷進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)雷體、儀表鍋、引信裝置、電池組、感應(yīng)線(xiàn)圈棒以及開(kāi)孔等部分，觀測(cè)其結(jié)構(gòu)是否變形、進(jìn)水，性能是否正常。

不同工況不同雷體狀態(tài)下毀傷效應(yīng)如表3～5所示，表3為橫對(duì)狀態(tài)毀傷效應(yīng)，表4為背對(duì)狀態(tài)毀傷效應(yīng)，表5為橫對(duì)背對(duì)狀態(tài)毀傷效果比對(duì)。

表3 不同工況下橫對(duì)狀態(tài)毀傷效應(yīng)

表4 不同工況下背對(duì)狀態(tài)毀傷效應(yīng)

表5 橫對(duì)背對(duì)狀態(tài)毀傷效果比對(duì)

由表3可知，橫對(duì)狀態(tài)下，感應(yīng)線(xiàn)圈棒性能參數(shù)正常，引信裝置失效，儀表鍋進(jìn)水，破壞嚴(yán)重。隨著爆距變小，電池組性能參數(shù)由正常變?yōu)闊o(wú)法檢測(cè)；雷體結(jié)構(gòu)凹陷逐漸增多，變形逐漸加大，但未進(jìn)水。

由表4可知，背對(duì)狀態(tài)下，引信裝置失效，電池組失效。隨著爆距變小，感應(yīng)線(xiàn)圈棒性能參數(shù)由正常變?yōu)椴徽?；雷體逐漸出現(xiàn)裂紋并開(kāi)始進(jìn)水；儀表鍋逐漸凹陷并進(jìn)水。

表5比較了最小爆距情況下背對(duì)狀態(tài)及橫對(duì)狀態(tài)下目標(biāo)雷的毀傷情況。背對(duì)情況下雷體結(jié)構(gòu)、開(kāi)孔、感應(yīng)線(xiàn)圈棒的毀傷情況比較嚴(yán)重；橫對(duì)情況下儀表鍋、引信裝置、電池組的毀傷比較嚴(yán)重。

從試驗(yàn)試驗(yàn)效應(yīng)綜合來(lái)分析，影響因素主要有以下幾方面。

1）爆距的影響

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)發(fā)現(xiàn)，在橫對(duì)狀態(tài)下，隨著爆距減小，雷體表面出現(xiàn)多處凹陷，并且呈變大的趨勢(shì)，但是雷體未進(jìn)水；儀表鍋端面首先發(fā)生凹陷，然后內(nèi)部進(jìn)水，最后導(dǎo)致撕裂。在背對(duì)狀態(tài)下，隨著爆距減小，雷體表面出現(xiàn)多處凹陷，并且呈變大的趨勢(shì)，最終雷體進(jìn)水；儀表鍋端面首先發(fā)生凹陷，然后內(nèi)部少量進(jìn)水，最后側(cè)面發(fā)生產(chǎn)生扭曲變形，內(nèi)部進(jìn)水。

從爆炸毀傷效果來(lái)看，爆炸距離對(duì)毀傷效果的影響與爆炸動(dòng)力學(xué)理論基本一致，即隨著爆距的減小，毀傷效果更加明顯。

2）方位的影響

在相同的試驗(yàn)工況下，背對(duì)狀態(tài)的毀傷效果更加明顯。以最小爆炸距離作用下來(lái)比對(duì)，橫對(duì)狀態(tài)下，雷體多處凹陷但未進(jìn)水；儀表鍋端面整體凹陷，迎爆面發(fā)生產(chǎn)生扭曲變形，根部撕裂，內(nèi)部進(jìn)水；開(kāi)孔處變形大。背對(duì)狀態(tài)下，雷體多處凹陷，出現(xiàn)裂紋，雷體進(jìn)水；儀表鍋整體凹陷，側(cè)面發(fā)生產(chǎn)生扭曲變形，有一處裂紋，內(nèi)部進(jìn)水；開(kāi)孔處變形嚴(yán)重。

爆距相同的情況下，不同方位，目標(biāo)雷體結(jié)構(gòu)變形存在明顯差別，直觀效果顯示背對(duì)狀態(tài)毀傷效果更加顯著，雷體多處凹陷，出現(xiàn)裂紋，進(jìn)水明顯，而橫對(duì)狀態(tài)下雷體凹陷但未進(jìn)水。產(chǎn)生此種情況的原因主要與雷體結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，雷體為細(xì)長(zhǎng)圓柱體，縱向橫向采用的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)比較少，軸向慣性矩比徑向慣性矩小，導(dǎo)致軸向抗變形能力小，所以產(chǎn)生的變形量大。

3）毀傷判據(jù)說(shuō)明

試驗(yàn)結(jié)果表明，在水下爆炸作用下目標(biāo)水雷的破壞形式主要包括雷體破裂進(jìn)水、儀表鍋破損、儀表鍋根部撕裂、組件性能不正常等。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)儀表鍋破損進(jìn)水情況出現(xiàn)比較多，由于試驗(yàn)中保持目標(biāo)水雷的狀態(tài)，在雷體進(jìn)行填砂處理，而儀表鍋結(jié)構(gòu)與實(shí)際相同為空腔，故導(dǎo)致儀表鍋部分的抗水下爆炸能力很弱，進(jìn)水失效的條件很容易滿(mǎn)足。考慮水下炸雷對(duì)水雷破壞的嚴(yán)格要求，保證水雷完全失效，在海戰(zhàn)中開(kāi)辟絕對(duì)的安全航道，采用雷體殼體破裂作為水雷破壞的唯一判據(jù)，這是一種偏保守的水雷失效判據(jù)，滿(mǎn)足該判據(jù)，水雷肯定實(shí)效。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究得到一些有意義的結(jié)論：

1）在工程實(shí)踐中以沖擊波沖量作為毀傷判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)厲，在炸藥當(dāng)量達(dá)到數(shù)十千克TNT裝藥的情況下，以壓力峰值作為水雷目標(biāo)的判據(jù)是可行的。

2）從爆炸毀傷效果來(lái)看，爆炸距離變化對(duì)毀傷效果的影響與爆炸動(dòng)力學(xué)理論基本一致，即隨著爆距的減小，毀傷效果更加明顯。

3）從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，方位角度變化對(duì)毀傷效果存在一定的影響，爆距相同情況下，背對(duì)狀態(tài)的毀傷效果更加明顯。

4）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)水雷破壞模式進(jìn)行分析，采用雷體殼體破裂作為水雷破壞的唯一判據(jù)，這是一種偏保守的水雷失效判據(jù)，滿(mǎn)足該判據(jù)，水雷肯定失效。

5）試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)毀傷機(jī)理忽略了氣泡作用，從裝藥的角度以及試驗(yàn)的態(tài)勢(shì)情況來(lái)看，裝藥產(chǎn)生的氣泡對(duì)水雷目標(biāo)產(chǎn)生了一定的毀傷作用，應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。