多爆源耦合威力場(chǎng)研究概述＊

車靖平，李健翔，虎若曦，張怡輝，盧 熹

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

近年來(lái)，大型水面艦艇的建造鋼材及設(shè)備的安排在不斷優(yōu)化，對(duì)艦艇起到了重要的保護(hù)作用。在爆破型魚雷精確打擊技術(shù)水平不斷提高的背景下，優(yōu)化大型水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及打擊大型水面艦艇在完成作戰(zhàn)任務(wù)情況下盡可能縮減武器成本的需求開始凸顯[1]。目前，大多數(shù)學(xué)者研究?jī)H限于單個(gè)戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)多點(diǎn)起爆的戰(zhàn)斗部聚能效應(yīng)，極少數(shù)學(xué)者研究多個(gè)戰(zhàn)斗部之間的耦合威力場(chǎng)。

多個(gè)戰(zhàn)斗部可通過(guò)沖擊波的耦合實(shí)現(xiàn)能量的聚焦，但其并不僅僅是沖擊波的簡(jiǎn)單疊加，還涉及到?jīng)_擊波陣面驅(qū)動(dòng)效應(yīng)耦合及波后物質(zhì)流耦合等復(fù)雜耦合機(jī)理的問(wèn)題，如能量源的特征、沖擊波的傳播方向以及波后粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，是一個(gè)復(fù)雜的基礎(chǔ)問(wèn)題。本文基于戰(zhàn)斗部沖擊波毀傷的基本原理，開展多爆源耦合威力場(chǎng)的研究概述，有助于提高對(duì)大型水面艦艇的破壞力，為水下高效毀傷研究論證提供新的思路。

1 多爆源耦合威力場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，關(guān)于爆炸威力場(chǎng)的研究日益增多。其發(fā)展進(jìn)程逐漸由單點(diǎn)爆炸向多點(diǎn)爆炸推進(jìn)。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：①多點(diǎn)聚集爆炸造成的沖擊波殺傷范圍和爆炸威力遠(yuǎn)超單點(diǎn)爆炸，且沖擊波超壓和沖量都大大增加。②陣列爆炸相對(duì)于同質(zhì)量整體單點(diǎn)爆炸，可造成沖擊波間的相互作用，且提高了沖量和沖擊波作用的時(shí)間。在陣列爆炸中沖擊波間的疊加使得爆炸威力得到了極大的增強(qiáng)，提高了毀傷能力。對(duì)不同的裝藥布局情況下的沖擊波威力增益規(guī)律進(jìn)行研究。③研究的方式逐漸從進(jìn)行大量實(shí)體爆炸毀傷試驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)AUTODYN等軟件對(duì)爆炸問(wèn)題開展相關(guān)的數(shù)值模擬。沖擊波耦合效果如圖1所示。

圖1 沖擊波耦合效果圖

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在軍用方面，林尚劍等[2]研究了沖擊波疊加效應(yīng)對(duì)增強(qiáng)沖擊波超壓峰值的影響，通過(guò)單個(gè)10 g TNT和4個(gè)2.5 g TNT同時(shí)起爆的水箱試驗(yàn)對(duì)比，得出沖擊波疊加后峰值顯著上升的結(jié)論。李旭東[3]通過(guò)數(shù)字散斑相關(guān)方法結(jié)合高速攝影技術(shù)，對(duì)多點(diǎn)同時(shí)爆炸引發(fā)的水泥砂漿介質(zhì)中沖擊波的相互作用規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出將全部炸藥集中于一點(diǎn)爆炸相比，將炸藥分散于多點(diǎn)同時(shí)爆炸，在多個(gè)應(yīng)力波的匯聚線上，離爆炸點(diǎn)更遠(yuǎn)的距離范圍內(nèi)都會(huì)維持一個(gè)更高的應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)論，提出了一個(gè)工程中可用的抗沖擊能力最強(qiáng)的地下建筑的具體結(jié)構(gòu)。顧文彬等[4]進(jìn)行了淺層水中2個(gè)爆源等沉底爆炸沖擊波相互作用數(shù)值模擬，研究了水底水面對(duì)沉底爆炸沖擊波傳播與相互作用的影響，得出2個(gè)結(jié)論：①水底水面對(duì)裝藥爆炸作用影響較大，使爆炸威力下降；②2個(gè)裝藥同步爆炸，沖擊波相互作用可使沖擊作用次數(shù)、沖擊波峰值壓力大小和沖擊作用沖量等增加，大大提高了爆炸威力。胡宏偉等[5]進(jìn)行了2種水底介質(zhì)、不同水深情況下的爆炸試驗(yàn)，通過(guò)分析觀測(cè)點(diǎn)沖擊波峰值壓力得出，水底介質(zhì)、觀測(cè)點(diǎn)和裝藥之間的距離對(duì)峰值壓力影響較大。

在民用方面，孟聞遠(yuǎn)等[6]、胡俊強(qiáng)等[7]研究了兩點(diǎn)水下爆炸沖擊波對(duì)冰體的破壞效應(yīng)，通過(guò)分析沖擊波壓力和破壞面形狀并與單點(diǎn)爆炸情況進(jìn)行沖擊波峰值壓力對(duì)比，得出了在兩點(diǎn)同時(shí)起爆的情況下，沖擊波發(fā)生疊加，沖擊波壓力比單點(diǎn)爆炸的沖擊波壓力大，破壞效果好的結(jié)論。陳明生等[8]研究多點(diǎn)云霧爆炸超壓場(chǎng)的分布特性，對(duì)4個(gè)非圓柱體云霧的爆炸超壓的相互作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了中心區(qū)域沖擊波相互作用演化過(guò)程與超壓變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)云霧能量分布的最優(yōu)化或在工業(yè)災(zāi)害預(yù)防方面降低沖擊波的疊加效應(yīng)。劉玲等[9]對(duì)多點(diǎn)爆炸微差起爆后，發(fā)現(xiàn)由于爆炸時(shí)間有所不同，會(huì)對(duì)人員和建筑物造成嚴(yán)重的多次毀傷進(jìn)行模擬，為公共場(chǎng)所爆炸恐怖襲擊事故與救援工作提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在軍用方面，KIM等[10]研究了近水面爆炸產(chǎn)生的壓縮波與沖擊波在氣液兩相中的傳播現(xiàn)象。PHILLIPS等[11]研究了多彈爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波撞擊地面所引起的地沖擊效應(yīng)，對(duì)6枚彈藥的爆炸地沖擊效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，為多彈爆炸的地沖擊效應(yīng)預(yù)測(cè)提供資料。KMETYK等[12]進(jìn)行了7枚呈六角形布置彈藥的爆炸聚集效應(yīng)數(shù)值分析。

在民用方面，HAGEDORN[13]采用UDEC程序評(píng)估了噴錨支護(hù)洞室在2次相繼沖擊作用后的穩(wěn)定性。YUGO等[14]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)相鄰錨固巷道受連續(xù)爆破荷載作用時(shí)會(huì)發(fā)生破壞，并提出相應(yīng)的抗爆措施。

2 多爆源耦合對(duì)威力場(chǎng)的主要影響因素

影響多爆源耦合威力場(chǎng)的因素主要有爆炸單元的陣列距離、裝藥數(shù)量、爆炸單元的起爆時(shí)序。陣列距離、裝藥數(shù)量、起爆時(shí)序的變化將會(huì)對(duì)爆炸后沖擊波作用時(shí)間、沖量、沖擊波間的相互作用、沖擊波作用區(qū)面積、爆炸能量的利用效率、爆炸后對(duì)局部區(qū)域以及特定方向的毀傷效能等產(chǎn)生影響。

多爆源爆炸通過(guò)控制若干爆炸單元的起爆位置和起爆時(shí)序，使爆炸毀傷元素在時(shí)間、空間維度優(yōu)化分布和聚焦疊加，以提高彈藥的爆炸能量利用率和毀傷效能[15]。將若干爆炸單元按計(jì)算好的最優(yōu)布局進(jìn)行放置，同時(shí)引爆爆炸單元，將使爆炸沖擊波等毀傷元素在時(shí)間、空間維度進(jìn)行合理的分布與疊加，使疊加作用區(qū)內(nèi)的能量利用率大幅提高，產(chǎn)生的聚能效應(yīng)將引起正應(yīng)變?cè)诰奂瘏^(qū)域強(qiáng)烈的非線性激增，并且將在距離爆炸點(diǎn)更長(zhǎng)的距離內(nèi)維持高應(yīng)力狀態(tài)，增強(qiáng)了局部區(qū)域或特定方向毀傷元的強(qiáng)度，毀傷效應(yīng)的效能達(dá)到最大。

沖擊波作用時(shí)間和沖量隨陣列距離的增加而增大，且不同布局的裝藥，沖擊波超壓與沖量也有所不同。若在最優(yōu)布局的情況下精確控制起爆時(shí)序，使爆炸單元按規(guī)定的起爆間隔進(jìn)行起爆，將會(huì)使毀傷元素多次對(duì)規(guī)劃好的特定區(qū)域進(jìn)行反復(fù)“掃蕩”，對(duì)目標(biāo)單位產(chǎn)生了多次作用，能達(dá)到更好的破壞和殺傷效果。對(duì)陣列爆炸距離進(jìn)行合理布局，將在優(yōu)化陣列爆炸能量分布的同時(shí)，滿足不同場(chǎng)合下對(duì)不同目標(biāo)的毀傷要求，進(jìn)而為更加復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)提供巨大幫助，是較好的摧毀各種復(fù)雜高強(qiáng)度保護(hù)目標(biāo)的選擇手段之一，同時(shí)有助于對(duì)后續(xù)爆炸特性的研究提供有力支持。在不改變各爆源之間陣列間距的情況下，對(duì)裝藥的數(shù)量進(jìn)行改變，將會(huì)導(dǎo)致沖擊波的壓力峰值以及沖擊波的作用時(shí)間與沖量發(fā)生改變。當(dāng)采用多點(diǎn)爆炸時(shí)，相對(duì)于單點(diǎn)爆炸，沖擊波超壓與沖量顯著增加。效果如圖2所示。

圖2 起爆時(shí)序、爆源數(shù)量、間距影響效果簡(jiǎn)圖

3 多爆源耦合威力場(chǎng)存在的問(wèn)題

通過(guò)大量中外文獻(xiàn)歸納并總結(jié)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，關(guān)于水多爆源耦合威力場(chǎng)研究仍存在以下問(wèn)題：①水下爆炸沖擊波能量在波陣面上均勻分布，使得能量在對(duì)目標(biāo)有效方向分布較少，而在其他方向耗散過(guò)多，無(wú)法實(shí)現(xiàn)毀傷能量在攻擊方向上的高效利用與精確控制；②目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水下多點(diǎn)爆炸沖擊波威力場(chǎng)的耦合效應(yīng)僅有少量的試驗(yàn)研究，數(shù)值仿真及理論研究均為空白，水下多點(diǎn)爆炸問(wèn)題并未形成一個(gè)體系，水下多點(diǎn)爆炸問(wèn)題有待于進(jìn)一步的研究；③試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)與裝藥均處于同一水深位置，對(duì)于不同水深位置沖擊波壓力耦合效應(yīng)有待進(jìn)一步研究；④大多數(shù)研究?jī)H對(duì)小藥量水下兩點(diǎn)爆炸的情況進(jìn)行了研究，極少數(shù)試驗(yàn)將研究成果擴(kuò)展到大藥量的情況；⑤大部分研究從壓力的角度對(duì)水下兩點(diǎn)爆炸沖擊波耦合效應(yīng)進(jìn)行研究，未從沖量的角度來(lái)考慮沖擊波的耦合效應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

由此可見，國(guó)內(nèi)對(duì)多個(gè)戰(zhàn)斗部之間的耦合威力場(chǎng)研究與國(guó)外研究相比仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。國(guó)內(nèi)外對(duì)地下和空中爆炸方面的研究較為豐富，但對(duì)水中爆炸方面的研究幾乎為空白。水下多點(diǎn)爆炸能量耦合技術(shù)在水下高效毀傷領(lǐng)域有著很廣闊的應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)水下無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用和想定研究，有助于豐富水下作戰(zhàn)手段和方法，可為新型作戰(zhàn)方式和作戰(zhàn)力量提供支撐。多爆源耦合作用在實(shí)戰(zhàn)中可以對(duì)敵水面艦艇實(shí)現(xiàn)水下高效毀傷，此外還能夠?yàn)樗形淦髟O(shè)計(jì)、毀傷效能分析、水幕反導(dǎo)等技術(shù)的應(yīng)用提供參考。