水下爆炸威力試驗(yàn)與評價(jià)方法綜述

毛致遠(yuǎn), 段超偉, 胡宏偉, 馮海云, 宋 浦

水下爆炸威力試驗(yàn)與評價(jià)方法綜述

毛致遠(yuǎn), 段超偉, 胡宏偉, 馮海云, 宋 浦

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安, 710065)

準(zhǔn)確合理地評估炸藥水下爆炸威力對于水中戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)、艦船毀傷評估等任務(wù)至關(guān)重要。以是否基于效應(yīng)物為標(biāo)準(zhǔn), 從自由場參數(shù)測量和效應(yīng)物作功2個(gè)方面出發(fā), 綜述了水下爆炸威力評估的典型試驗(yàn), 討論了對應(yīng)的評價(jià)方法, 重點(diǎn)介紹了板結(jié)構(gòu)的爆炸膨脹試驗(yàn)及其對應(yīng)的無量綱撓度表征手段。在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上提出: 1) 應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)化的效應(yīng)物試驗(yàn)方法; 2) 應(yīng)加強(qiáng)作功參量、炸藥爆轟參量以及載荷參量之間關(guān)系的研究; 3）應(yīng)將爆炸膨脹試驗(yàn)中的無量綱撓度方法應(yīng)用于水下爆炸威力評價(jià)。

水下爆炸; 爆炸威力; 評價(jià)方法; 爆炸膨脹試驗(yàn)

0 引言

魚雷、水雷和深水炸彈是打擊水下艦船等目標(biāo)的重要作戰(zhàn)裝備, 其裝藥能量直接影響戰(zhàn)斗部的毀傷效能, 因此, 科學(xué)評價(jià)裝藥爆炸威力對戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和艦船毀傷評估具有重要意義。

水下爆炸載荷的種類和特性十分復(fù)雜, 除自由場爆炸的沖擊波和氣泡脈動(dòng)載荷外, 在近場爆炸中還具有局部空化和水射流等多種耦合效應(yīng), 傳統(tǒng)的評價(jià)方法不能很好地體現(xiàn)水下爆炸威力, 因此需要發(fā)展適用于水下環(huán)境的威力試驗(yàn)與評價(jià)方法。

水下爆炸參數(shù)測量試驗(yàn)可以評價(jià)炸藥的能量輸出和分配特性, 具有試驗(yàn)藥量較大(幾十克到幾十千克)、精確度較高等優(yōu)點(diǎn), 但需要在爆炸水池中開展, 試驗(yàn)成本高、操作復(fù)雜, 且只表征了炸藥水中爆炸的能量特征, 不能體現(xiàn)爆炸能量與目標(biāo)的耦合作用。為了表征炸藥水下爆炸對目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)作功[1]和塑性變形作功[2], 人們開發(fā)了基于效應(yīng)物的威力試驗(yàn)及評價(jià)方法, 如水下爆炸彈道擺試驗(yàn)[1]、板結(jié)構(gòu)爆炸膨脹試驗(yàn)[3]等, 以變形能、動(dòng)能、變形撓度等參量評價(jià)爆炸威力[4-6], 該類方法能夠更全面地反映板結(jié)構(gòu)與爆炸能量的耦合作用, 但由于影響爆炸作功的因素復(fù)雜, 尚未建立標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)與評價(jià)方法, 通過板結(jié)構(gòu)撓度的無量綱化, 不僅可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和通用性, 還能為炸藥配方設(shè)計(jì)與選型、威力評估提供重要的理論依據(jù)。

文中列舉了國內(nèi)外水下爆炸威力的試驗(yàn)方法及評價(jià)手段, 分析了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍, 并對未來的研究發(fā)展提出了建議。

1 基于自由場參數(shù)測量的水下爆炸威力試驗(yàn)與評價(jià)方法

1.1 自由場水下爆炸威力試驗(yàn)

基于自由場的水下爆炸參數(shù)測量試驗(yàn)是測定炸藥爆炸威力的重要方法, 其主要原理是將炸藥懸掛在水下一定高度處, 在確保為理想水域的試驗(yàn)條件下起爆炸藥, 通過水下壓力傳感器測量爆炸沖擊壓力隨時(shí)間變化曲線, 積分得到對應(yīng)的能量輸出參數(shù), 如沖擊波能和氣泡能, 通過對比不同組分炸藥的能量大小和分配比例, 評估其爆炸威力。

趙琳等[7]從水下爆炸法的試驗(yàn)結(jié)果出發(fā), 通過與理論比較, 表明水下爆炸法的測定是科學(xué)可靠的。張興明等[8]利用水下爆炸測得工業(yè)炸藥能量為爆熱值的76.1%～78.8%, 證明了水下爆炸測定炸藥爆炸威力的方法準(zhǔn)確度較高。利用自由場水下爆炸試驗(yàn)系統(tǒng), 可以通過新型炸藥的沖擊波峰值壓力、沖量、能流密度、沖擊波能與氣泡能等參量分析其爆炸威力, 進(jìn)而為炸藥配方設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[9-10], 并成為針對結(jié)構(gòu)的水下爆炸毀傷效應(yīng)評估的有效輔助手段[11]。

自由場的水下爆炸法從本質(zhì)上來說是一種能量測量方法, 以爆炸輸出能量的大小和分配結(jié)構(gòu)為對象, 對炸藥威力進(jìn)行討論, 具有試驗(yàn)藥量大、試驗(yàn)條件穩(wěn)定可控、結(jié)果可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn), 是一項(xiàng)實(shí)用的炸藥爆炸威力測定技術(shù), 但該方法對試驗(yàn)環(huán)境有較高要求, 試驗(yàn)實(shí)施難度和成本較高, 并且沒有與目標(biāo)的動(dòng)響應(yīng)建立對應(yīng)關(guān)系, 無法直接體現(xiàn)炸藥爆炸的毀傷威力。

1.2 自由場水下爆炸威力評價(jià)方法

爆炸當(dāng)量法作為一種通用的評價(jià)方法, 常用于自由場水下爆炸威力試驗(yàn)中。早期的炸藥當(dāng)量系數(shù)都是根據(jù)能量相似原理按照爆熱換算得到的, 所得爆炸當(dāng)量某種程度上是對作功能力的考量[12]。為了便于計(jì)算炸藥爆炸沖擊波效應(yīng), 又引用沖擊波參量進(jìn)行表征, 利用超壓、沖量等參數(shù)換算爆炸當(dāng)量。由于自由場水下爆炸威力試驗(yàn)方法具有可以對臨界直徑比較大的炸藥進(jìn)行較大藥量試驗(yàn)以及沖擊波測量精度高等優(yōu)點(diǎn), 得到了廣泛應(yīng)用, 爆炸當(dāng)量法也成為了炸藥威力評價(jià)工作的常用方法。利用水下爆炸測量方法, 可以得到?jīng)_擊波與氣泡脈動(dòng)超壓的時(shí)程曲線。

單位質(zhì)量炸藥產(chǎn)生的有效沖擊波能

氣泡能是爆轟產(chǎn)物擴(kuò)散對水環(huán)境作功的能量, 可以用第1次膨脹的周期來計(jì)算

通過與標(biāo)準(zhǔn)炸藥爆炸對應(yīng)參量對比, 可以換算得到各個(gè)參數(shù)相對應(yīng)的爆炸當(dāng)量。借助水下爆炸的能量當(dāng)量換算法, 吳興亮等[10, 13]討論了聚黑鋁炸藥和RDX基含儲氫材料炸藥的能量輸出特性; 李瑤瑤等[14-15]研究了不同粘接劑體系對PBX炸藥能量輸出當(dāng)量的影響; 秦健等[16]針對幾種典型炸藥進(jìn)行了試驗(yàn), 對不同裝藥的能量輸出結(jié)構(gòu)及能量損失特性進(jìn)行了分析, 表1列出了在3 m爆距處幾種炸藥的爆炸結(jié)果對比, 通過TNT當(dāng)量換算, 直觀地體現(xiàn)了不同炸藥的能量結(jié)構(gòu)差異。

表1 不同炸藥水下爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)參數(shù)

爆炸當(dāng)量反映了炸藥爆炸產(chǎn)生的峰值超壓,以及比沖量等能量輸出參數(shù)在一定爆距時(shí)的相對大小, 在討論遠(yuǎn)場爆炸時(shí)有較好的適應(yīng)性, 但由于水下環(huán)境的特殊性, 在中遠(yuǎn)場乃至近場爆炸時(shí)目標(biāo)結(jié)構(gòu)會對氣泡脈動(dòng)過程產(chǎn)生較大影響[2],與目標(biāo)的耦合效應(yīng)會造成能量在空間分布的非對稱性, 乃至產(chǎn)生射流等載荷, 使得爆炸當(dāng)量法在小爆距情形表現(xiàn)出很大的局限性, 不能有效對比在中遠(yuǎn)場和近場情形下的水下爆炸威力, 因此適用于近場爆炸的效應(yīng)物評估方法得到發(fā)展。

2 基于效應(yīng)物作功的水下爆炸威力試驗(yàn)與評價(jià)方法

2.1 基于效應(yīng)物的水下爆炸威力試驗(yàn)

水中兵器戰(zhàn)斗部主要有2類, 分別是爆破型戰(zhàn)斗部和聚能破甲戰(zhàn)斗部。其中爆破型戰(zhàn)斗部利用裝藥爆炸對目標(biāo)殼體造成塑性破壞, 強(qiáng)調(diào)裝藥的塑性變形作功能力。聚能戰(zhàn)斗部則是通過形成具有強(qiáng)侵徹能力的金屬射流增強(qiáng)局部破壞作用, 強(qiáng)調(diào)金屬加速能力, 因此需針對不同作戰(zhàn)場景配以不同作功特性的裝藥[17]。針對炸藥水下爆炸的剛體驅(qū)動(dòng)加速能力和塑性變形作功能力等, 分別設(shè)計(jì)了對應(yīng)的試驗(yàn)方式, 將爆炸威力與不同的應(yīng)用場景結(jié)合起來, 通過作功參數(shù)的測量, 間接反映炸藥威力。

張顯丕等[1]基于空中爆炸的彈道威力擺法[18]的原理設(shè)計(jì)了用于測量水下接觸爆炸驅(qū)動(dòng)能力的彈道擺, 以爆炸驅(qū)動(dòng)下擺體獲得的沖量來表征裝藥水下接觸爆炸的威力, 試驗(yàn)裝置如圖1所示, 研究中還針對氣泡膨脹和擊砧端面變形造成的影響進(jìn)行了可靠性分析, 證明了測量結(jié)果的合理性。

圖1 水下爆炸彈道擺試驗(yàn)裝置

艙段的縮比模型毀傷試驗(yàn)是爆炸威力評價(jià)中的常用方法, 但由于毀傷效應(yīng)復(fù)雜, 無法對爆炸威力進(jìn)行定量評價(jià)。因此對于非接觸近場爆炸, 張顯丕等[19]提出了加強(qiáng)艙段縮比模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度, 使其在爆炸作用下近似為剛體, 以其整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng), 如位移量和運(yùn)動(dòng)加速度來表征爆炸載荷的驅(qū)動(dòng)能力, 試驗(yàn)裝置如圖2所示。通過對不同爆距下的能量吸收比例的討論, 并經(jīng)與自由場入射波能量的對比, 可知該方法相對于彈道擺法, 更貼近于實(shí)際的艦船目標(biāo)。

圖2 艙段模型剖面圖

艦船和潛艇殼體結(jié)構(gòu)多為氣背金屬板、加筋板、多層板和復(fù)合板等, 針對這類結(jié)構(gòu)的水下爆炸響應(yīng)已有較多研究成果, 其中板結(jié)構(gòu)由于其典型性, 早在19世紀(jì)20年代, 布魯斯頓(Bruceton)和吳茲-霍勒(Woods Hole)試驗(yàn)室就利用銅膜片的塑性變形對爆炸效應(yīng)的強(qiáng)弱進(jìn)行了研究[20]。

由于水下作戰(zhàn)中打擊目標(biāo)的結(jié)構(gòu)多為金屬板及其加固結(jié)構(gòu), 因此針對平板類結(jié)構(gòu)的爆炸威力評價(jià)在水下爆炸中有著重要地位, 部分國家針對板結(jié)構(gòu)水下爆炸膨脹試驗(yàn)已形成了指定的軍用規(guī)范[3]。爆炸膨脹試驗(yàn)主要有兩方面用途: 1) 對新材料和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊響應(yīng)評估, 檢測其抗爆能力; 2) 對炸藥爆炸威力進(jìn)行評價(jià)。利用爆炸膨脹試驗(yàn), Kumar等[21]結(jié)合試驗(yàn)板的膨脹撓度討論了鋁粉含量對RDX基混合炸藥威力的影響, 試驗(yàn)裝置如圖3所示, 包括左側(cè)由底座固定的氣背金屬板以及右側(cè)懸置的炸藥, 表2是裝藥均為45 g柱形、金屬板及爆炸工況一致的情況下, 不同鋁含量炸藥爆炸作用后金屬板膨脹撓度。

圖3 水下爆炸膨脹試驗(yàn)裝置

表2 爆炸膨脹試驗(yàn)金屬板膨脹撓度

通過爆炸撓度的對比, Kumar等[22]認(rèn)為PBX- 25具有較好的爆炸威力, 此外, Kumar等還借助爆炸膨脹試驗(yàn), 研究了水背板、氣背板以及半充水板的響應(yīng)區(qū)別。在國內(nèi), 張顯丕等[2]通過對可滑移邊界效應(yīng)靶的爆炸膨脹試驗(yàn), 分析了靶板的動(dòng)響應(yīng)特性, 建立了基于效應(yīng)靶的炸藥近場非接觸爆炸威力評估試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法, 并對近場爆炸作用下能量吸收利用情況進(jìn)行了分析, 結(jié)合變形能和入射沖擊波能與常規(guī)裝藥威力評估結(jié)果進(jìn)行了對比。張斐等[23]和李旭東等[24]借助爆炸膨脹試驗(yàn), 分析了多次水下爆炸載荷作用下的抗爆和抗沖擊能力, 獲得了鋼板與焊接板的塑性變形規(guī)律。

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 仿真技術(shù)已經(jīng)成為水下爆炸膨脹試驗(yàn)的有效輔助手段。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展, 依靠LS-DYNA與AUTODYN等的爆炸膨脹仿真計(jì)算也得以實(shí)現(xiàn), Suresh等[25-26]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù), 基于LS-DYNA建立并驗(yàn)證了水下爆炸膨脹試驗(yàn)仿真模型, 研究了氣背艙室充水比例對板變形結(jié)果的影響, 分析了不同板厚下低碳矩形鋼板的變形撓度和變形撓曲線規(guī)律, 并結(jié)合爆炸沖擊因子進(jìn)行了討論。李旭東[24]等和張斐等[27]通過建立仿真模型, 對多次爆炸加載下板結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進(jìn)行了仿真, 較準(zhǔn)確地還原了試驗(yàn)測得的空化閉合二次加載效應(yīng)。

現(xiàn)有的基于效應(yīng)物的試驗(yàn)方法從驅(qū)動(dòng)加速能力、塑性作功能力等方面對炸藥水下爆炸威力進(jìn)行比較, 其中對金屬板的爆炸膨脹試驗(yàn)作為一種標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用。

2.2 基于效應(yīng)物的水下爆炸威力評價(jià)方法

水下爆炸效應(yīng)物毀傷威力評價(jià)方法針對破孔半徑、塑性變形能和加速度場等作功參數(shù)進(jìn)行了研究[4], 結(jié)合試驗(yàn)得到了基于鋼板厚度和裝藥當(dāng)量的破損長度表征模型, 并利用目標(biāo)艦船殼體破損的總長度來對爆炸威力進(jìn)行評價(jià)。類似的, 也可以利用效應(yīng)物殼體破壞半徑, 結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到基于艦船殼體對應(yīng)系數(shù)和爆炸當(dāng)量的破壞半徑經(jīng)驗(yàn)公式, 來評價(jià)爆炸威力[5]。高浩鵬等[6]利用船體多點(diǎn)的加速度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 構(gòu)建了加速度場與裝藥當(dāng)量之間的函數(shù)關(guān)系, 最終通過對比加速度相似情形下的等效當(dāng)量對爆炸威力進(jìn)行評價(jià)。以上評價(jià)方法雖以不同的效應(yīng)物作功參量來反映爆炸威力, 但均未考慮效應(yīng)物本身的特征量, 因此只在效應(yīng)物特征嚴(yán)格一致時(shí)才具備威力對比的能力, 缺乏通用性。

固支金屬板作為一種典型結(jié)構(gòu), 針對其的爆炸膨脹試驗(yàn)技術(shù)比較成熟, 試驗(yàn)方法比較完善, 研究其在爆炸載荷下的變形規(guī)律對于炸藥水下爆炸威力評價(jià)具有參考意義。但目標(biāo)結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題非常復(fù)雜, 涉及的影響因素很多, 無法對不同工況下得到的試驗(yàn)變形撓度等結(jié)果參量進(jìn)行橫向?qū)Ρ? 只能就單一工況進(jìn)行討論。針對此, 可利用量綱分析手段對影響板結(jié)構(gòu)變形撓度的相關(guān)參量進(jìn)行分析, 綜合考慮爆炸載荷特征參量與金屬板特征參量, 建立與無量綱變形撓度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式, 對不同工況的爆炸膨脹試驗(yàn)威力進(jìn)行對比, 以拓展評價(jià)手段的通用性。

1972年, Johnson將材料簡化為理想剛塑性, 對其運(yùn)動(dòng)控制方程進(jìn)行無量綱化, 經(jīng)過推導(dǎo)分析得到了名為Johnson數(shù)的無量綱數(shù)[28]

在Johnson數(shù)的基礎(chǔ)上, 引入外部變量從不同途徑進(jìn)行了修正, 得到不同形式的無量綱數(shù), 修正原則突出無量綱量與板結(jié)構(gòu)的無量綱撓度的線性相關(guān)性。針對空中爆炸的研究成果比較豐富, 但水中的無量綱撓度研究結(jié)果仍比較欠缺, 表3列出了水下爆炸中得到應(yīng)用的量綱分析結(jié)果及對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式, 通過板和自由場爆炸載荷的固有參量計(jì)算得到對應(yīng)的無量綱因子, 再結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對無量綱因子與板的無量綱撓度進(jìn)行線性擬合, 得到可以表征不同板結(jié)構(gòu)參量和不同爆炸輸出能量下板結(jié)構(gòu)無量綱撓度的經(jīng)驗(yàn)公式。

表3 無量綱因子與經(jīng)驗(yàn)公式

總體來看, 上述研究從能量、運(yùn)動(dòng)參量以及變形量等角度對水下爆炸威力進(jìn)行評價(jià), 但現(xiàn)有方法缺少體系化和通用性, 爆炸膨脹試驗(yàn)的無量綱撓度方法為炸藥水下爆炸威力的評價(jià)及預(yù)估提供了可行性, 通過收集更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)合實(shí)際影響因素改善其形式, 可以進(jìn)一步拓展其在水下爆炸中的適用性和精度。

3 結(jié)束語

水下爆炸的載荷具有多樣性和復(fù)雜性, 在不同爆距和結(jié)構(gòu)特性下會體現(xiàn)不同的載荷形式。水下爆炸參數(shù)測量的試驗(yàn)方法只能對輸出能量進(jìn)行討論, 而效應(yīng)物方法能夠體現(xiàn)輸出能量與結(jié)構(gòu)物的耦合作用, 應(yīng)當(dāng)結(jié)合水中兵器的具體作戰(zhàn)場景, 加強(qiáng)效應(yīng)物方法的研究, 以更好地對水下爆炸威力進(jìn)行評估。

1) 目前的效應(yīng)物試驗(yàn)方法多是針對單一工況而建立, 存在標(biāo)準(zhǔn)化和通用性不足的問題, 建議設(shè)計(jì)規(guī)范化的試驗(yàn), 建立用于科學(xué)合理地評估水下爆炸威力的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2) 現(xiàn)有的效應(yīng)物方法沒有厘清作功參量與炸藥爆轟參量以及爆炸載荷參量間的關(guān)系, 需要更深入地探究炸藥性能參數(shù)與爆炸威力的相關(guān)性, 以便更好地指導(dǎo)炸藥配方設(shè)計(jì)。

3) 針對板結(jié)構(gòu)爆炸膨脹試驗(yàn)的無量綱撓度分析和表征方法比較豐富, 但缺乏在水下爆炸中的驗(yàn)證, 鑒于這類方法的通用性較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較廣, 值得在水下威力評價(jià)中驗(yàn)證、推廣和應(yīng)用。

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Review of Testing and Evaluation Methods for Underwater Explosion Power

MAO Zhi-yuan, DUAN Chao-wei, HU Hong-wei, FENG Hai-yun, SONG Pu

(Xi’an Modern Chemical Research Institute, Xi’an 710065, China)

Accurate and reasonable evaluation of the underwater explosion power of explosives is very important for underwater warhead design, ship damage assessment, and other tasks. Based on the effector-oriented standard, from the two perspectives of free-field parameter measurement and effector work, this paper summarizes typical experiments conducted for underwater explosion power evaluation, discusses corresponding evaluation methods, and focuses on the explosion bulge testing of a plate structure and its corresponding dimensionless characterization means for deflection. Based on existing research results, we propose: 1) establishing a standardized effector testing method; 2) strengthening research on the relationships among work parameters, explosive detonation parameters, and load parameters; 3) applying the dimensionless deflection used in explosion expansion testing to the evaluation of underwater explosion power.

underwater explosion; explosion power; evaluation method; explosion bulge test

毛致遠(yuǎn), 段超偉, 胡宏偉, 等. 水下爆炸威力試驗(yàn)與評價(jià)方法綜述[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(3): 384-390.

TJ610.1; U674.7; O383.1

R

2096-3920(2022)03-0384-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.015

2022-03-10;

2022-04-06.

毛致遠(yuǎn)(1998-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗卤夹g(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)