不同裝藥戰斗部殼體對水中兵器的爆炸威力*

程素秋，陳高杰，高 鑫，王樹樂

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041)

炸藥在水下爆炸時，會產生沖擊波和氣泡脈動壓力波，二者作用時間和頻率不同，但均會對目標產生毀傷作用。而水中兵器的炸藥是填裝在金屬殼體內，殼體的材料、厚度等特性參數對兵器爆炸威力是有影響的，研究戰斗部殼體對其水下爆炸威力十分必要。

項大林等[1]對小當量柱形含鋁炸藥在厚6mm的鋼殼或硬鋁殼裝藥下進行了水下爆炸實驗與數值模擬研究。盛振新等[2]運用數值模擬計算了不同殼體厚度的沖擊波壓力峰值，得到帶殼裝藥水下爆炸峰值壓力的擬合公式。梁斌等[3]對不同殼體裝藥在空氣和混凝土靶中的爆炸效應進行了數值模擬及實驗研究。張奇等[4]研究了戰斗部殼體壁厚及壁厚半徑比對爆炸空氣沖擊波傳播特性的影響。師華強等[5]研究了水下爆炸沖擊波的近場特性。K.Takashi等[6]對裝藥在不同的厚度、金屬以及藥量條件下，采用實驗的方法開展了水下爆炸的特性研究，發現了殼體對爆炸效果的加強作用。D.A.Jones等[7]分別對6、12 mm鋼殼約束下10 kg柱形H6炸藥進行了實驗與數值模擬研究，佐證了文獻[6]的結論。程素秋等[8-9]對艙段模型在水下非接觸爆炸下的動態響應進行了數值模擬及實驗研究。孫華等[10]分析了PBX的主要性能特點及其裝藥技術在水中兵器戰斗部上的應用。

本文中對相同成份的裸炸藥和高強度鋁殼戰斗部水下爆炸進行對比實驗，發現鋁殼的存在使裝藥水下爆炸的比沖擊波能、比氣泡能及總比能量均有下降，而且不同的炸藥下降的幅度不同。如果進一步研究不同材料的殼體(如鋼、復合材料等)和裸炸藥爆炸威力的差別，對現役兵器戰斗部的爆炸威力的考核更具價值。

1 實驗方法

爆炸實驗是在某海域的實驗碼頭進行的，實驗選用復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁和TNT等4種裝藥，裸炸藥實驗中炸藥形狀是圓柱形，具體裝藥參數如表1所示。通過10個PCB138A型壓力傳感器及采集設備測量不同炸點的水中沖擊波壓力。實驗時，吊車把測試電纜、壓力傳感器、被測炸藥等組成的測量裝置陣架吊放入水，測量系統完成信號的采集、存儲、計算等工作。每次實驗時的起爆方式、藥包入水深度和實驗水域深度基本相同(實驗是在自然環境中，由于潮汐和海流等客觀因素無法做到完全一樣)。實驗水域、傳感器布置如圖1所示。每種裝藥分別做3次實驗，每次實驗均設10個測點，測點距藥包分別為3、4、…、12 m，藥包入水深度10 m，實驗海域深20 m左右，實驗場景見圖2。

表1 炸藥性能參數Table 1 Detonation parameters of explosives

帶殼戰斗部實驗時，要保證與裸炸藥實驗具有相同的沖擊因子才能進行爆炸威力對比，因而入水深度和實驗水深要遠大于裸炸藥實驗。實驗選取7個測點，傳感器懸吊于固定在尼龍纜繩上的浮球下方，纜繩的一端固定在靶船船舷，另一端系在懸吊炸藥包的浮筒上，第一個傳感器到炸藥包的距離為16 m，傳感器之間的間隔為4 m。所用的測量設備和傳感器與裸炸藥完全相同，實驗工況對比見表2。

表2 爆炸實驗工況Table 2 Explosion experiment cases

2 無限水域中小當量炸藥(無殼)的水下爆炸特性

(1)

(2)

式中：pm為峰值壓力，W為炸藥質量，R為爆炸距離，Es為沖擊波能，ρ0為海水密度，c0為海水中聲速。

由沖擊波能除以炸藥的質量可以得到比沖擊波能es。各種炸藥的比沖擊波能與距離因子的對應關系如圖4所示。

從圖3中可以看出，不同炸藥的水中沖擊波峰值壓力隨距離因子的增加而衰減的規律符合庫爾理論，沖擊波峰值壓力從大到小的順序為熱塑梯黑鋁、熔梯黑鋁、復合PBX、TNT，但個別測點有重合現象；圖4中不同炸藥的比沖擊波能從大到小的順序為復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT，但復合PBX、熔梯黑鋁和熱塑梯黑鋁炸藥的比沖擊波能遠大于傳統TNT炸藥的比沖擊波能，而熱塑梯黑鋁炸藥的比沖擊波能在距離因子小于4 m/kg1/3時與復合PBX、熔梯黑鋁相差較小，在距離因子大于4 m/kg1/3時，遠低于復合PBX、熔梯黑鋁。由此可知，新型裝藥(復合PBX、熔梯黑鋁)的比沖擊波能不僅遠大于傳統裝藥，其數值也較穩定，幾乎不隨距離因子的變化而變化。

比氣泡能定義為單位質量的氣泡能；不同炸藥比氣泡能與TNT比氣泡能的比值為相對比氣泡能。不同測點的炸藥總能量為該點的沖擊波能與氣泡能之和，為使結果更科學，仍然按比能量進行計算，定義總比能量為該點的比沖擊波能與比氣泡能之和。不同炸藥在不同測點的總比能量與該點的TNT總比能量相除，得到相對比總能量，即為不同炸藥能量的綜合評價。

根據實驗測量的氣泡脈動周期T，按下式計算炸藥的氣泡能：

(3)

表3中列出了4種裸炸藥在海上實爆實驗得到的比沖擊波能、比氣泡能、總比能量和相對比總能量。從表中可以看出，不同炸藥的總比能量和相對比總能量的順序由高到低分別是復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT。

表3 4種炸藥的平均比沖擊波能、平均比氣泡能、總比能量及相對比總能量Table 3 Energy comparison of four kinds of explosives

通過以上分析得到：

(1) 不同炸藥水中爆炸的比沖擊波能遞減順序是：復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT；但熱塑梯黑鋁的比沖擊波能隨距離因子的增加而明顯衰減，其他3種炸藥的比沖擊波能變化較小。

(2) 不同炸藥水中爆炸的比氣泡能的遞減順序是：復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT；

(3) 不同炸藥的相對比總能量遞減順序是：復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT，其比值近似為：2.03∶1.94∶1.51∶1。

3 無限水域中帶殼體戰斗部的水下爆炸特性

實驗方法和工況設置如第1節中所述。使用的測量設備與傳感器和裸炸藥實驗完全相同，唯一不同的是裸炸藥實驗在近岸海水中，而戰斗部實驗是在深海水中。沖擊波在海水中的平均傳播速度按海水中聲速計算，取c0=1 530 m/s。在計算炸藥包爆炸后不同測點的沖擊波能時，海水的密度按1 000 kg/m3計算。戰斗部海上實爆實驗場景如圖5所示，4種裝藥戰斗部的沖擊波峰值、比沖擊波能與爆炸距離的對應關系如圖6～7所示。

從圖6中可以看出，不同戰斗部的水中沖擊波峰值壓力隨爆炸距離的增加而衰減的規律符合庫爾理論，沖擊波峰值壓力從大到小的順序為熱塑梯黑鋁、復合PBX、熔梯黑鋁、TNT，這與裸炸藥略有不同；而圖7中因數據點較少，沒有做擬合曲線，從現有的數據發現，不同戰斗部比沖擊波能從大到小的順序為熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、復合PBX、TNT，但中間二者相差不大，與裸炸藥也不同。

做與裸炸藥實驗數據同樣的分析，得到4種戰斗部裝藥海上實爆實驗的比沖擊波能、比氣泡能、總比能量和相對比總能量，詳見表4。與表3對比，各項參數都有不同程度的下降，這些能量大多用于殼體的加熱、爆炸和燃燒，可見戰斗部殼體對于水中兵器爆炸威力的影響還是較大的。除比沖擊波能從大到小的排序與裸炸藥不同，其他參數從大到小排序與裸炸藥基本相同。

表4 4種戰斗部的平均比沖擊波能、平均比氣泡能、總比能量及相對比總能量Table 4 Energy comparison of four kinds of warheads

通過以上分析，可得到如下結論：

(1) 4種帶殼戰斗部的沖擊波峰值壓力隨爆炸距離增加而衰減的規律均符合庫爾公式，只是指數和系數不同，峰值壓力從大到小分別是熱塑梯黑鋁、復合PBX、熔梯黑鋁、TNT，熱塑梯黑鋁的峰值壓力最大但衰減較快且一直連續下降，與裸炸藥的實驗結果一致；

(2) 4種帶殼戰斗部熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、復合PBX、TNT戰斗部的平均比沖擊波能，分別比裸炸藥的平均比沖擊波能低了17%、20%、31%和15%，除了實驗環境的不同(裸炸藥在淺水、戰斗部在深水)，測試系統、壓力傳感器都一樣，因而認為這些消耗的能量大部分用于殼體爆炸、燃燒；

(3) 4種帶殼戰斗部復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT的平均比氣泡能分別比裸炸藥的平均比氣泡能減少23%、22%、13%和15%；

(4) 4種帶殼戰斗部復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT的總比能量分別比裸炸藥的總比能量減少25%、21%、15%和15%；其相對比總能量遞減順序是復合PBX=熔梯黑鋁(二者并列)、熱塑梯黑鋁、TNT，與TNT的相對比值近似為：1.80∶1.80∶1.51∶1。

4 結 論

通過無限水域中對4種裸炸藥與帶殼戰斗部水下爆炸特性的實驗研究，可以得到：

(1)沖擊波峰值壓力隨對比距離(或爆炸距離)增加而衰減的規律均符合庫爾公式，只是指數和系數不同；裸炸藥峰值壓力從大到小是熱塑梯黑鋁、熔梯黑鋁、復合PBX、TNT，而帶殼戰斗部峰值壓力則是熱塑梯黑鋁、復合PBX、熔梯黑鋁、TNT，但熱塑梯黑鋁的沖擊波壓力衰減較快且一直連續下降；

(2)不同裝藥戰斗部的殼體對其水下爆炸威力的影響是較為顯著的。實爆實驗中復合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT的的總比能量分別比裸炸藥的總比能量減少25%、21%、15%和15%；這些消耗的能量大多用于戰斗部殼體的爆炸、燃燒。

因此，考核水中兵器水下爆炸時的爆炸威力時，戰斗部殼體因素必須考慮，不能簡化。