爆炸沖擊波對(duì)模擬電臺(tái)靶標(biāo)毀傷效應(yīng)分析

崔國(guó)龍,姚文進(jìn),鄭 宇

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)

1 引言

在現(xiàn)代化、信息化戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，電子目標(biāo)成為戰(zhàn)爭(zhēng)中不可忽視的一類目標(biāo)，殺爆彈主要?dú)坏谋_擊波作為常規(guī)毀傷元對(duì)電子目標(biāo)的毀傷受到了大量學(xué)者關(guān)注。在電子目標(biāo)毀傷方面，任秀敏[1]研究了沖擊波對(duì)相控天線的毀傷。譚波[2]等研究了艦艇艙內(nèi)設(shè)備的毀傷評(píng)估。安凱[3]研究了破片對(duì)航天器內(nèi)部設(shè)備的毀傷。吳凡達(dá)等[4]研究了含能戰(zhàn)斗部對(duì)電子設(shè)備的失能毀傷。馬艷麗[5]研究了破片、沖擊波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)的毀傷。王丹等[6]建立了爆破彈藥對(duì)裝甲車通訊設(shè)備的毀傷律模型。在裝藥空爆產(chǎn)生的沖擊波威力參數(shù)計(jì)算方面，Sadovskyi[7]、Brode[8]相繼提出對(duì)爆炸沖擊波壓力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式及其適用范圍。Clare Knock等[9]對(duì)長(zhǎng)徑比為4的圓柱形裝藥的軸向沖擊波峰值超壓進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)合沖擊波超壓傳感器的超壓數(shù)據(jù),擬合得到軸向沖擊波超壓及比沖量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。Knock[10]基于長(zhǎng)徑比大于2的圓柱形藥柱沖擊波超壓、比沖量經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，通過(guò)B炸藥、Pentolite以及PE4的空爆試驗(yàn),擬合得到適用于任意長(zhǎng)徑比的圓柱形裝藥的超壓預(yù)測(cè)公式。侯俊亮等[11]通過(guò)AUTODYN軟件對(duì)不同形狀和長(zhǎng)徑比的沖擊波進(jìn)行了數(shù)值仿真與分析，得出等效球形裝藥公式，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。段曉瑜等[12]研究了不同炸藥在空氣中的爆炸沖擊波在地面的反射超壓，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出了炸藥在空氣中的爆炸沖擊波地面反射超壓公式。聶源等[13]通過(guò)歐拉流體力學(xué)軟件SPEED修正超壓計(jì)算公式中的修正因子，并通過(guò)校驗(yàn)獲得了動(dòng)爆條件下沖擊波計(jì)算公式。易仰賢[14]運(yùn)用幾何方法分析確定了空中爆炸沖擊波馬赫反射的起點(diǎn)，給出了地面上馬赫反射峰值超壓的近似計(jì)算公式。

電臺(tái)作為最常用的通訊設(shè)備之一，受到常規(guī)彈藥爆炸沖擊波作用后,其生存能力對(duì)戰(zhàn)時(shí)通訊具有重要的影響，因此，不失去一般性，本文中以簡(jiǎn)化電臺(tái)模型為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)方法，分析爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)模擬電臺(tái)靶標(biāo)的毀傷效應(yīng)。

2 靶標(biāo)等效關(guān)系

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電臺(tái)從模擬電路逐步發(fā)展到數(shù)字電路，并進(jìn)入軟件無(wú)線電架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電臺(tái)的功能。電臺(tái)主要由供電裝置、信號(hào)處理裝置、發(fā)射裝置、接收裝置組成，對(duì)電臺(tái)進(jìn)行等效設(shè)計(jì)，使用軟件無(wú)線電架構(gòu)模擬電臺(tái)電路。

基于電臺(tái)主要功能的分析，將電臺(tái)等效為4個(gè)主要模塊，分別是電源模塊、數(shù)字模擬模塊、本振&發(fā)射模塊、接收模塊。

數(shù)字模擬模塊包括：基帶信號(hào)產(chǎn)生、中頻放大、中頻濾波、基帶信號(hào)檢測(cè)和發(fā)射中頻檢測(cè)功能，并提供數(shù)字電路運(yùn)行指示；本振&發(fā)射模塊包括：上變頻、本振、射頻濾波、功率放大、上變頻檢測(cè)、本振檢測(cè)和發(fā)射射頻檢測(cè)功能；接收模塊包括：低噪放、射頻濾波、下變頻、接收射頻檢測(cè)和下變頻檢測(cè)功能；電源模塊：將外部電源轉(zhuǎn)換為電臺(tái)內(nèi)各模塊電源，并提供電源指示。針對(duì)電臺(tái)電路，試驗(yàn)?zāi)M電路包括電臺(tái)電路以上4個(gè)模塊，并根據(jù)測(cè)試目的和要求，在相關(guān)位置增加測(cè)試電路，以此來(lái)驗(yàn)證和評(píng)估電路功能是否正常。試驗(yàn)采用的模擬電路模塊框圖如圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)M電路模塊框圖Fig.1 Block diagram of test analog circuit module

模塊獨(dú)立結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)，采用型材鋁殼，堅(jiān)固耐用兼顧成本，電源連接擬采用接線端子連接器，模擬射頻采用同軸射頻線纜。4個(gè)模塊及連接狀態(tài)如圖2所示。

圖2 模塊連接狀態(tài)圖Fig.2 Module connection diagram

3 沖擊波超壓理論計(jì)算

3.1 沖擊波入射超壓

為了研究沖擊波超壓對(duì)模擬電臺(tái)靶標(biāo)的毀傷，對(duì)裝藥沖擊波理論超壓進(jìn)行計(jì)算。沖擊波峰值超壓計(jì)算，通常根據(jù)爆炸相似律通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)公式，因此在本次理論計(jì)算中沖擊波超壓計(jì)算使用Henrych公式[15]，用于計(jì)算裸裝藥沖擊波超壓值。

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：ΔPm為沖擊波峰值超壓(MPa)；r為距爆心的距離(m)；me為T(mén)NT炸藥質(zhì)量(kg)。

試驗(yàn)選取入射超壓峰值0.9 MPa、0.7 MPa、0.5 MPa、0.3 MPa、0.2 MPa、0.1 MPa、0.05 MPa、0.02 MPa，通過(guò)超壓經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算距離如表1所示。

表1 試驗(yàn)距離與入射超壓

3.2 沖擊波反射超壓

由于測(cè)試使用與地面等高壁面超壓傳感器，因此測(cè)得超壓為斜反射超壓。對(duì)沖擊波超壓斜反射進(jìn)行計(jì)算[16]。

正反射(φ0=0°)，有：

(4)

式(4)中：Δp2為正反射沖擊波超壓；Δp1為入射沖擊波超壓；p0為大氣壓。

正規(guī)斜反射φ0<φcr，由試驗(yàn)可知，入射波壓力小于0.3 MPa時(shí)，反射波的壓力與入射角無(wú)關(guān)，仍可根據(jù)式(4)計(jì)算。

對(duì)于馬赫反射(φcr<φ0<90°)，有：

Δpm=ΔpmG(1+cosφ0)

(5)

1≤r≤10-15

(6)

其中，ΔpmG為地面爆炸時(shí)空氣沖擊波的峰值超壓。

試驗(yàn)中測(cè)量3組壁面反射超壓，距爆心直線距離分別為0.92 m、1 m、1.88 m，根據(jù)勾股定理，入射角分別為40.6°、45°、68.1°，均大于馬赫反射臨界角。

通過(guò)計(jì)算，得到3個(gè)點(diǎn)斜反射超壓大小，如表2所示。

表2 斜反射理論超壓

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)采用φ70 mm×70 mm TNT藥柱，藥柱質(zhì)量為439 g，裸藥柱對(duì)不同距離處模擬電臺(tái)靶標(biāo)進(jìn)行沖擊波毀傷試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)布置

使用吊繩將藥柱吊起，保證炸高為0.7 m。將靶標(biāo)根據(jù)理論計(jì)算超壓大小分布在藥柱四周不同位置，在靶標(biāo)后方加裝混凝土墩，用粗鐵絲固定靶標(biāo)，保證沖擊波作用下靶標(biāo)不發(fā)生位移。

由于靶標(biāo)位置過(guò)于密集，因此使用相同質(zhì)量與密度φ70 mm×70 mm TNT藥柱，將試驗(yàn)分為2次進(jìn)行，試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test layout

靶標(biāo)由4個(gè)模塊組成，因此將4模塊平面分布于0.7 m高，使靶標(biāo)整體位于與裝藥中心距離地面高度相同位置，靶標(biāo)布置如圖4所示。試驗(yàn)實(shí)際布置如圖5所示。

圖4 靶標(biāo)布置示意圖Fig.4 Target layout diagram

圖5 試驗(yàn)實(shí)際布置場(chǎng)景圖Fig.5 Test layout

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 超壓情況

試驗(yàn)中測(cè)得3組超壓數(shù)據(jù)，0.92 m處超壓峰值為1.82 MPa，1 m處超壓峰值為1.5 MPa，1.88 m處超壓峰值為0.28 MPa。其超壓曲線如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)測(cè)得斜反射超壓曲線Fig.6 Test measured oblique reflection overpressure curve

將試驗(yàn)實(shí)測(cè)超壓與理論計(jì)算超壓列表，如表3所示。

表3 理論計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值

理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差最大為8%，可能是未考慮到爆炸產(chǎn)生的環(huán)境變化以及受到超壓傳感器測(cè)量精確程度的影響，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為理論計(jì)算是準(zhǔn)確的。

5.2 模擬電臺(tái)靶標(biāo)情況

試驗(yàn)靶標(biāo)共選取了8個(gè)點(diǎn)，對(duì)模擬電臺(tái)靶標(biāo)爆炸沖擊波毀傷進(jìn)行研究。

5.2.10.3～0.9 MPa

靶標(biāo)在入射超壓為0.3～0.9 MPa時(shí)電路外殼脫落，內(nèi)部電路芯片剝落，接口與連接線損壞，此時(shí)模擬電臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，且隨作用于設(shè)備表面沖擊波超壓的增大，結(jié)構(gòu)破壞程度越嚴(yán)重。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)入射超壓為0.3～0.9 MPa，模擬電臺(tái)結(jié)構(gòu)損壞，完全無(wú)法正常工作，定義為重度毀傷。試驗(yàn)后靶標(biāo)毀傷情況如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)后靶標(biāo)毀傷效果圖Fig.7 Target damage after test

5.2.20.2 MPa

當(dāng)沖擊波超壓為0.2 MPa時(shí)，靶標(biāo)外部殼體出現(xiàn)較大變形，電源模塊的電路板可正常工作，但輸出接口完全損壞,不能為其他模塊供電，功能完全喪失；基帶模塊、接收模塊、發(fā)射模塊電路板上芯片與其他部件完全毀傷，模擬電臺(tái)失去功能，被完全毀傷。試驗(yàn)后靶標(biāo)毀傷情況如圖8所示。

圖8 0.2 MPa靶標(biāo)毀傷效果圖Fig.8 Damage of 0.2 MPa target

5.2.30.05～0.1 MPa

靶標(biāo)外部殼體被沖擊波損壞，接口未受損，電源模塊、基帶模塊可正常工作，接收模塊與發(fā)射模塊內(nèi)部電路部分芯片被毀傷，僅有少部分功能可正常工作。模擬電臺(tái)作用部分受損，受到輕度毀傷。試驗(yàn)后靶標(biāo)毀傷情況如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)后靶標(biāo)毀傷效果圖Fig.9 Target damage after test

5.2.40.02 MPa

靶標(biāo)結(jié)構(gòu)完整無(wú)明顯變形，外部殼體與內(nèi)部電路均無(wú)毀傷，模擬電臺(tái)可正常工作，無(wú)毀傷。試驗(yàn)后靶標(biāo)毀傷情況如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)后靶標(biāo)毀傷效果圖Fig.10 Target damage after test

6 結(jié)論

1) 沖擊波對(duì)靶標(biāo)的毀傷程度隨著超壓的增大而增大，其中，沖擊波超壓約為0.2 MPa時(shí)，電源模塊接口損壞，其他模塊的芯片與部件完全毀傷，功能完全喪失；當(dāng)沖擊波超壓在0.05～0.1 MPa時(shí)，試驗(yàn)電路部分模塊喪失功能；沖擊波超壓低于0.02 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)與內(nèi)部部件均無(wú)破壞，功能正常。

2) 試驗(yàn)中靶標(biāo)外部殼體受損較內(nèi)部電路更加嚴(yán)重，采用合理的外殼體防護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部緩沖結(jié)構(gòu)防護(hù),可有效降低作用域電子元器件及封裝的沖擊載荷，降低沖擊波對(duì)電子部件的毀傷程度。

3) 研究結(jié)果可供爆炸沖擊波對(duì)典型電子靶標(biāo)的毀傷效果評(píng)估參考。