水下爆炸法銷毀技術研究及應用

吳克剛，陳志陽

(1.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083；2.國防科技大學 指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙 410072)

為適應及推進國防及經濟建設的發展，常常需要在內陸江河和近海地區進行港口建設和船舶碼頭建設，在建設過程中經常會發現解放戰爭及日軍侵華戰爭時代遺留下來的未爆物，或是通過探測儀發現疑似目標。這些爆炸物經長年腐蝕浸泡，安全性能較差，但仍具有爆炸性能，為了防止未爆物對駛進港口的軍艦、潛艇、船舶等發生意外攻擊，消除安全隱患，應在建設前就進行清除。

使用爆炸法對爆炸物進行銷毀，是指利用威力大的炸藥爆炸產生的能量對爆炸物實施誘爆或直接毀壞。該處理過程能夠徹底銷毀各類爆炸物品，使其完全失去燃燒爆炸性能，不留任何后患。水下爆炸銷毀對處置大型炮彈、航彈、水雷等含炸藥量較大的彈藥十分有效。但是，由于水中環境復雜，水下未爆物的清除一般采用爆炸法直接就地銷毀，與陸地上的銷毀相比，無論是在施工工藝、選用炸藥、藥量計算，還是在起爆網路、安全距離等方面，都有其特殊要求。

1 陸上爆炸法與水下爆炸法對比

1.1 作用介質對比

陸上爆炸法銷毀所處的環境為空氣介質，而水下爆炸法銷毀則是完全處于水介質中進行。空氣為可壓縮介質，在常壓下，水幾乎是不可壓縮的，當壓力為100 MPa時，水的密度變化僅為△ρ/ρ≈0.05。水在爆轟產物的高壓作用下，形成了水中沖擊波，爆轟產物在水中的膨脹過程要比在空氣中慢得多。因為水的密度大于空氣，可壓縮性小，爆轟產物膨脹較慢，因而水中沖擊波的初始壓力比在空氣中大，水中爆炸沖擊波初始壓力比爆轟波壓力小30%～35%，可達10000 MPa以上(對于TNT約為14000 MPa)。

水中沖擊波經過介質時，因水相對不可壓縮，水的溫度不會明顯升高。而空氣沖擊波通過介質時，可使空氣溫度升高到4000℃～5000℃。水中爆炸能很少以熱能形式耗散，絕大部分用于推送水運動。

炸藥爆炸對近目標的破壞作用主要為沖擊波和爆轟產物的共同作用。對于陸上常用的利用聚能彈進行大型航彈爆炸法銷毀技術，在水介質中由于水的阻隔作用，不利于其射流的形成，使用效果不理想。

1.2 沖擊波形成機理對比

空中、水中爆炸沖擊波的壓力是一個變化極為迅速的動態變量。當炸藥在空中或水中爆炸時，其周圍的介質直接受到高溫、高壓的爆轟產物的作用，此時爆轟產物強烈地壓縮并向外推動著周圍的介質，周圍介質的壓力、密度和溫度等參數急劇升高，形成沖擊波。與此同時，稀疏波從相接面向爆轟產物內傳播，使得爆轟產物內的壓力降低。當爆轟產物膨脹到極限體積時，它的壓力與周圍介質未受到外界作功時的初始壓力相當，但爆轟產物這時由于慣性并沒有停止它的運動而產生了過度膨脹，此時爆轟產物內的平均壓力又會低于周圍介質未被擾動時的初始壓力，形成了“負壓區”。形成負壓后，周圍介質由于壓力差會對爆轟產物進行壓縮，爆轟產物在外力作用下壓力開始增加。由于慣性作用爆轟產物產生了過度壓縮，其壓力略大于外界壓力，因此又形成先膨脹后壓縮的第二次脈動過程。幾次這樣的脈動過程后能量漸漸耗散，趨于平衡。

對于空氣而言，實際上第一次脈動過程才真正對外有效作功。在水中爆炸時，爆轟產物以氣泡的形式進行壓縮、膨脹的脈動過程。由于水的密度、慣性比空氣大，因而可生成多次氣泡脈動過程，次數可以超過十次，明顯多于空氣中的脈動次數。同樣，水中爆炸時爆轟產物第一次膨脹壓縮的過程產生的壓力波才有實際破壞作用。二次壓力波產生的沖量相近于沖擊波產生的沖量，但其最大壓力值卻不超過沖擊波最大壓力值的10%～20%。圖1為空氣中和水中沖擊波脈動壓力波形圖對比，圖2為爆炸沖擊波在空氣中和水中傳播的過程對比。

圖1 沖擊波△P(t)曲線對比HT

圖2 沖擊波傳播過程對比

1.3 火工品防水性對比

一般爆炸法所適用的環境對炸藥的防水性能的要求不高，可選擇作為誘爆藥的炸藥種類較多，常見有TNT炸藥、2#巖石銨梯炸藥、乳化炸藥等。而水下爆炸法因在水環境中進行，對炸藥的防水性要求較高，類似等不能直接在水中使用的炸藥需要經過嚴密防水措施才能作為誘爆藥使用。部分炸藥例如乳化炸藥在淺水中進行一定處理是可以使用的，但由于水越深壓強越大，外界壓強到達一定數值后會大大改變其性能，甚至使其失效。因此能適用在水中爆炸法的炸藥種類相對一般爆炸法而言大大減少，需謹慎選擇。

普通的工業用雷管可以滿足一般爆炸法銷毀的使用要求，而在水下環境中，雷管的性能將受到改變，水下爆炸法要求雷管具有耐壓、抗雜散電流、防水等性能。因此在實施水下爆炸法銷毀爆炸物時需要結合作業場的水下情況選擇能夠安全、穩定、可靠誘爆炸藥的雷管。

2 炸藥及藥量計算

2.1 裝藥選擇

誘爆藥的作用是提供破壞彈藥外殼，侵徹戰斗部的能量。炸藥爆炸產生的爆轟壓力決定了對目標破壞的程度。爆轟壓力越大，炸藥對外作功能力越大，破壞效果就越明顯。根據炸藥爆轟理論，炸藥的爆轟壓力計算公式為：

Pcj=ρ0·D2/4

(1)

其中，Pcj為炸藥的爆轟壓力；ρ0為炸藥的密度；D為炸藥的爆速。

由上式可知，炸藥的密度越大，爆速越高，爆轟壓力就越大，其中爆速的影響程度相對更大。為達到爆破目的，在選用炸藥時應先考慮炸藥的爆速，再通過選擇密度較高的來提高爆轟壓力。常見炸藥的性能見表1。

表1 常見炸藥的性能

出于對經濟性、炸藥性能和銷毀要求等因素的考慮，并結合實際情況，陸地上一般選擇TNT或乳化炸藥。

水下爆炸法裝藥選擇：

(1) TNT炸藥。TNT炸藥具有防水性能好，抗壓，起爆威力大等優點，其爆速可達6910 m/s，是水下爆破常用的炸藥種類。

(2) 乳化炸藥。乳化炸藥是基于水膠炸藥之上發展起來的一種含水工業炸藥，具有威力大，抗水性能好，使用方便，外形可塑造等特點，爆速3500～5000 m/s左右。但其抗壓性能沒有TNT好，在水下使用壓力較大時，會改變其密度，影響爆炸性能。如采取有效的外殼保護措施，增強其外殼抗壓強度，并進行密封，也可達到較好的爆破效果。一般來說，乳化炸藥在水深超過30 m左右時會其威力會銳減，所以一般適用于小于水深30 m的水域。而且因其密度與水的密度相當，在水下使用時，應配重。

(3) 震源藥柱。震源藥柱是通過炸藥爆炸作為震源激發地震波的爆破器材。低、中密度震源藥柱一般以粉狀鉸梯炸藥為主裝藥，主裝藥不抗水，一旦藥柱殼體或密封部位破損，易進水發生拒爆。高密度藥柱國內一般采用熱塑工藝生產高密度震源藥柱：先將TNT熔化，再加入固態的硝銨木粉或其它高熔點猛炸藥，經充分混合塑化，再裝入殼體內，安裝傳爆藥柱和雷管座后密封而成。此種內裝藥較粉狀銨梯炸藥抗水性有所增加，但亦不完全抗水，殼體破損后因水深、水壓、水介質的pH值不同而失效時間有所不同，中性介質中一般12 h內還可以起爆。爆速5000～5500 m/s。

水下爆炸法選擇裝藥時應充分調查清楚待銷毀物所處水環境及水下參數，再根據實際情況選擇合理炸藥。

2.2 藥量計算

水下銷毀彈藥時，可將彈藥體假設成一個規則的圓柱體，計算重量是密度和體積的乘積，鋼密度7800 kg/m3，以最大量計算壁厚h。

假設某型彈藥技術性能：總重量Mkg，裝藥量mkg，長度Lmm，直徑dmm，鋼外壁的重量為(M-m) kg。則：

h=(M-m)/(L·10-3·d·10-3·π·7800)

(2)

根據炸斷鋼板計算公式：

Q=10hF

(3)

其中，Q為裝藥量，單位g；h為鋼板厚度，單位cm；F為鋼板炸斷橫截面積，單位cm2。

3 水下銷毀實例

3.1 實例情況

水下爆炸法的實施需要根據實際條件處置。以銷毀美國海軍第二次世界大戰期間研制的航空沉底水雷MK25型為例，發現水雷處水深為20 m(當地理論最低潮面)。已知MK25型水雷口徑為908 kg，全重為849～876 kg，裝藥為HBX-1，重544 kg，長度2286 mm，雷體直徑為559 mm，無尾翼裝置，引信裝置采取磁感應或水聲引信。

根據待銷毀水雷的總體結構和海域的實際環境，選用高密度震源藥柱，采用將炸藥裸露藥包捆綁在水雷四周，一次起爆爆破銷毀方案，即將誘爆藥在水雷四周捆牢扎緊，利用炸藥自身的能量將水雷外層的鋼板炸裂破壞，進而把水雷內的炸藥引爆或炸毀失效，達到銷毀目的。

3.2 裝藥形式及藥包制作

為確保可靠性，制作同樣的兩個藥包進行安裝。每個藥包選用尺寸為長0.6 m，直徑120 mm的高密度震源藥柱兩個，預先在雷管座裝入4發串聯電雷管，并將腳線剪短，最后用64芯導電線連接腳線，用防水膠布包纏，增加腳線的強度，防止意外拉斷。

潛水員將制作好的兩個藥包用長約25 m繩索系緊潛入海底，將繩索的一端系在水雷上，并在藥包上壓上適當重量的沙包，將繩索的另一端引出水面并捆綁在浮漂上，做好標識，并用另一根長約20m繩索一端系在浮漂上，另一端捆綁在石頭上，將石頭沉入海底，使浮漂在水面不得移動。

3.3 水下布藥

在水下進行藥包布設是一項艱巨復雜的任務。水上、水下作業人員需密切協同，保持通訊順暢。水下潛水作業人員應為經過嚴格專業培訓的持證上崗人員，作業時需多個潛水員同時進行，明確分工，密切協作。水下潛水作業人員在正式水下作業前需事先進行模擬作業，摸清作業環境的情況，確定實施布藥時的作業程序，在正式作業時必須嚴格按照作業程序進行，充分考慮可能遇到的情況，遇到情況及時與岸上技術人員溝通，冷靜處理。水上作業人員需事先協同水下潛水作業人員對潛水設備進行安全檢查，實時嚴密監察水環境變化，做好水上、水下協調配合工作。

水下潛水作業人員作業時下潛速度不應過快，避免摩擦碰撞。在下潛過程中應邊下潛邊固定導線，防止導線在未固定的情況下受水流拉力被扯斷。到達爆炸物位置后，若爆炸物上覆蓋有雜物、淤泥等，應盡可能清除，使爆炸物最大程度地暴露。在布設藥包時，按照施工方案的要求放置藥包，并應使藥包盡可能地接觸爆炸物表面。在條件允許情況下應將藥包與爆炸物之間進行捆綁。按要求放置好藥包后，需用大石塊、石板或鐵塊等重物壓在藥包上，克服藥包所受浮力確保其緊貼在爆炸物上。

完成水下布藥工作后，所有水下潛水作業人員出水。

3.4 網絡敷設

在對網絡進行敷設時，需注意工作船、浮漂等施工機具與待銷毀爆炸物位置的相對固定，需要用適當長的尼龍繩索綁在水面機具與沉底石塊之間，尼龍繩保持拉緊狀態，從而固定水面機具。導電線支線具有一定的強度，但是在水中不穩定的情況下容易被水流的拉力扯斷，因此導電支線長度要有一定的移動范圍，導電支線要長于尼龍繩。將導電支線纏繞在作固定用的尼龍繩上后，要每隔一定間隔將導電支線與尼龍繩打結固定，使導電支線依附在尼龍繩上。

在水面上的線路也要保證不能被拉斷，導電線經過的水面機具之間的相對位置也要用繩索相對固定，必須保證相對移動造成的位移變化小于導電線留出的富余長度。在所有的線路中必須保證導線不受力。對導線的敷設固定方式如圖3～圖4所示。

圖3 浮漂與船機具的固定及導線的固定

圖4 藥包敷設示意

3.5 安全距離

3.5.1 水中爆炸沖擊波計算

炸藥在水中爆炸產生的沖擊波壓力在爆炸產生的瞬間就能達到壓力峰值，歷時短，而后呈指數規律迅速減少。水中沖擊波壓力峰值的大小與至爆破中心的距離和裝藥藥量大小有關。具體經驗公式為：

(4)

式中：Pm為某點水中爆破沖擊波峰值壓力，MPa；R為離爆破中心的距離，m；Q為一次起爆藥量，kg。

根據GB6722-2003《爆破安全規程》規定：船舶的安全距離應保證船體受到的壓力小于5.0 MPa。船舶上的儀器安全和設備儀表不能被沖擊波破壞，正常工作運轉不能受到影響，則工程船舶受到的爆破沖擊波載荷應小于等于2.0 MPa，航運船舶小于等于1.0 MPa。

現已知MK25型水雷相關參數，將水雷體假設成一個規則的圓柱體，計算重量是密度和體積的乘積，鋼密度為7800 kg/m3，則可估算水雷鋼板壁厚約為：

h=327/(2.286×0.559×π×7800)=0.01(m) 由于采取一次起爆方式，并考慮到水雷在水下長時間存在，表面可能附著有大量海底生物、泥沙及生銹現象，形成具有一定厚度的“外套”，鋼板厚度不超過2 cm，取鋼板厚度為2 cm，切割鋼板橫截面長度為100 cm，系數為50，得藥量為10 kg。為保證銷毀徹底，取裝藥系數為2，則單個藥包取裝藥量為20 kg。總起爆藥量40 kg。爆破總藥量為584 kg。

初步設定起爆站距爆破中心1000 m，可得起爆站處受到的沖擊波峰值壓力約為0.2 MPa，滿足安全需求。

3.5.2 水中地震波計算

水中地震波的計算公式為：

(5)

式中，V為震動速度，cm/s；R為距爆破中心的距離；Q為起爆藥包與水雷藥量之和。

若震動速度遠小于船舶在海上風浪作用下引起的搖動值，則爆破震動影響可以忽略。經計算，得距爆炸點800～1000 m處的爆破震動速度為2.0 cm/s，則爆破震動對船舶的影響可以不考慮。

3.6 銷毀效果判斷

水下爆炸法銷毀后將產生爆炸氣泡，水中爆炸氣泡在爆炸初始階段通常呈半球形依附在水底，并同時達到最大半徑，然后，氣泡做收縮運動的同時會帶動水底的泥、石等雜質顆粒向上運動，氣泡在上升過程中形狀將產生變化。當氣泡膨脹時，上升較緩慢；當氣泡受壓縮時，則上升較為迅速。在水面上可以看到一個快速擴大的水圈，顏色呈暗灰色，并形成水冢和水柱，在水面傳出波浪。并且可明顯感受到爆炸產生的震感，由此可判斷水下炸藥是否成功起爆。

從直觀上觀察，由于TNT爆炸會產生黑煙，水底彈藥被成功爆炸銷毀后，其戰斗部裝藥被誘爆將產生黑煙形成爆炸氣泡上升，那么在水面則可以看到黑煙從水下冒出。成功實施爆炸銷毀也可明顯地緊密的感受到兩次爆炸產生的震動，第一次是誘爆裝藥起爆產生，第二次則是銷毀目標被誘爆產生。

成功起爆后，水下能見度低，一定時間內要繼續封鎖現場，任何人不能靠近。要待水中環境穩定、水下能見度較高、滿足潛水員作業條件時派遣潛水員至水下檢查銷毀效果，確定爆炸物被可靠銷毀。

4 結 論

隨著國民經濟和國防建設的進行，在江河湖海開發中還會發現更多諸如廢舊彈藥之類的爆炸物，水下爆炸法銷毀技術的應用會更加頻繁。水下爆炸法銷毀對處置大型炮彈、航彈、水雷等含炸藥量較大的彈藥十分有效。目前在銷毀實施過程中仍需要臨時拼湊或制作爆破器材，這將大大延誤銷毀工作的進行，效率較低，安全隱患大。因此不僅要加強對水下爆炸法銷毀技術的理論研究，還需加快制式器材的研制。爆破器材制式化可極大提高作業效率，保證爆炸物的可靠銷毀。

同時，水下爆炸法銷毀廢舊彈藥對水環境的影響較為明顯，實際作業中需進一步注意對銷毀區域周邊水環境的保護。

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