艦船水上動爆沖擊波超壓測量研究?

（91550部隊43分隊 大連 116023）

1 引言

艦船的沖擊波超壓測量對提高反艦船武器的性能和提升艦船抗打擊能力設計都非常重要，國內外多家科研機構展開了相關研究。瑞典在20世紀70年代潛艇艙段水下爆炸測試中布設了78個測量通道。荷蘭在1996年的Troika爆炸測試中布設了56個測量通道。美國在海狼級核潛艇的爆炸測試中布設了1600多個測量通道。2000年韓國在MSH實船的爆炸測試中布設了200個測試通道。取得了大量原始數據。國內實船爆炸測試較少，1981年在某型實船爆炸測試中布設了197個測量通道。2007年到2008年進行了三型艦船動爆測試，測試技術有一定的進步［1］。敖妙［2］通過群觸發技術，提高了艦船爆炸測試觸發的可靠性，通過數據的多位置冗余備份和無線傳輸技術，提高了數據的獲取率。勞展杰［3］利用自研的軟件對導彈穿艙爆炸進行了仿真研究。戴榮等［4］探討了艦船毀傷特征在打擊效果評估中的應用。但對艦船水上動爆沖擊波超壓測量的研究較少，針對這一問題，本文研究分析了影響沖擊波超壓的因素和動爆對沖擊波超壓測量的影響，利用美國的BlockⅡ反艦導彈進行實例計算，并對艦船水上動爆沖擊波測量的關鍵技術進行了分析。

2 影響沖擊波超壓的因素分析

2.1 爆炸沖擊波超壓估算

根據爆炸動力學理論，裝藥在空氣介質中爆炸時的沖擊波超壓估算公式［5～6］為

其中，Δp為沖擊波波陣面上的超壓，單位：MPa；ωt為質量為ω的裝藥的TNT當量，單位：kg；R為距爆心的距離，單位：m。

在密閉空間中，沖擊波運動方向垂直于壁面時，壁面承受最大超壓，即

其中，p0為大氣壓，Δpm為反射沖擊波超壓，多方指數γ取1.4。

2.2 帶殼裝藥對沖擊波超壓的影響

裝藥爆炸后，釋放的能量分為三個方面，爆轟產物內能的增加、爆轟產物動能的提升和產生的破片的動能。由于帶殼裝藥爆炸時首先要破壞外殼，因此能量會比裸露裝藥要小。帶殼裝藥與裸露裝藥的關系［7］為

其中，ωq為帶殼裝藥相當于裸露裝藥的當量；ω為裝藥的質量；α為裝填系數，α=ω/(ω+q)，q為殼體的質量；a和b為形狀系數，圓柱形殼體裝藥a=1，b=2，球形殼體裝藥，a=2/3，b=3；r0為裝藥殼體的初始半徑，rp0為裝藥殼體破裂半徑，鋼殼近似取rp0=1.5r0，銅殼取rp0=2.24r0；多方指數γ取 1.4［8］。

裝藥釋放的總能量只有很少一部分消耗在殼體的變形和破碎上，約占1%～3%，在精度要求不高的估算中可以忽略。

2.3 裝藥速度對沖擊波超壓的影響

因為裝藥的運動，導致爆炸沖擊波超壓能量增加。由能量相似原理，總能量等于裝藥爆炸產生的能量和裝藥運動產生的動能之和，可以認為相當于裝藥量增加［7，9］：

其中，ωv為運動裝藥相當于靜止裝藥的質量；Q為裝藥的爆熱；v為裝藥運動的速度；ω為裝藥的質量。

3 動爆對沖擊波超壓測量的影響

3.1 著靶位置不確定

精確制導裝藥的命中精度通常用圓誤差概率（Circular Error Probability，CEP）來表征，圓誤差概率是指以瞄準點為中心，以半徑R畫一個圓形，在穩定投射條件下多次投射，將有50%的落點位于這個圓形之內，詳見文獻［7］的相關內容。

由CEP的定義，結合圓概率定義，容易推出當R≈2.55RCEP時（取兩位小數，下同），裝藥的概率Pm為

即精確制導裝藥有0.99的概率是落在以瞄準點為圓心，半徑為2.55RCEP的圓內，因此可認為導彈的著靶點半徑為2.55RCEP。

如美國的捕鯨叉BlockⅡ反艦導彈，CEP半徑10m，續航速度0.85馬赫，戰斗部裝藥為99kg的PBX炸藥［10～11］，PBX炸藥的爆熱為8210KJ/kg。則著靶點位置0.99的概率是以瞄準點為圓心半徑25.5m的圓，0.5的概率是半徑為10m的圓。

在動爆測試中，由于受風、海流和靶體動力的影響，靶體本身也不是固定的，除了計算著靶區域外，還需要把靶體本身的運動參數列入計算，包括位置、速度、航向、姿態等。

3.2 沖擊波超壓峰值的變化

裝藥的TNT當量計算公式為

其中，ωt為裝藥的TNT當量，單位：kg；ω為裝藥的質量，單位：kg；Q為裝藥的爆熱，單位：KJ/KG；Qt為TNT炸藥的爆熱，4180 KJ/kg。

仍以美國的捕鯨叉BlockⅡ反艦導彈為例，在密閉艙室內爆炸時，利用式（6）算出其TNT當量為194.45kg。聲速取340m/s，利用式（4）算出其由于運動導致總當量增加為195.44kg，增加0.50%。不計裝藥殼體的破碎和變形消耗的能量，標準大氣壓p0取0.10MPa，利用式（1）、（2）對在密閉艙室內爆的爆炸沖擊波超壓從1m～10m，步長為1m，進行估算，結果如表1。

由表1可以看出，從1m～5m，沖擊波超壓變化154.80倍，從1m～10m，沖擊波超壓變化1727.06倍。在進行爆炸沖擊波測量時，既要覆蓋沖擊波的數值范圍，又要防止量程過大造成信號信噪比過小而失真。靜爆測試中，由于裝藥位置確定，可以根據計算選擇合適量程的傳感器進行測量。動爆測試中，由于著靶位置不確定，導致沖擊波超壓變化很大，容易超出傳感器的量程，致使數據失真度較高，甚至無法測量。

表1 密閉艙室內爆沖擊波超壓與距離的關系

4 艦船水上動爆沖擊波超壓測量的關鍵技術

4.1 數據獲取

由前面的分析可知，艦船水上動爆造成沖擊波超壓數值變化范圍很大，很難獲得真實有效的數據，為解決這一難題，目前的主要方法如下。

1）在同一位置附近布設多個不同量程的傳感器

理論上可以較好地解決沖擊波超壓峰值動態范圍較大的問題，但由于傳感器本身非常昂貴，一般單個都是萬元級別的，而且由于工作環境惡劣，傳感器和配套線纜的布設、防護難度很大。隨著傳感器數量的增加，傳感器的同步觸發、數據的存儲和傳輸難度也隨之增大。在傳感器造價沒有大幅下降、相關技術沒有大的進步的情況下實現難度較大。

2）采用自動增益控制技術

采用自動增益控制技術的系統一般分為可變增益控制部分和反饋部分兩部分，信號采集后分別進入兩個部分，反饋部分將輸入信號幅值與參考信號相比較，根據比較結果控制可變增益部分的增益的大小，以達到信號既有較好的信噪比和精度又不會因為信號幅度太大而造成截幅的目的，在多個領域有廣泛應用［12］。缺點是在反饋控制增益調整和穩定的時間段內，輸入輸出關系不確定，可能會造成數據失真或丟失。沖擊波超壓這種高瞬態數據正壓作用時間一般都在ms級別，前沿上升時間在μs級別，對系統的響應速度和穩定性有很高的要求，如果自動增益系統的響應時間與沖擊波超壓作用時間相比不能忽略不計的話，就會對測試數據的可信度造成影響。目前自動增益系統的響應時間也在μs級別，因此采用該技術采集的測試數據有一定的不確定性，有待自動增益系統的響應速度進一步提升。

3）采用多增益技術

即同時采用多種不同增益對同一信號進行放大的技術。使用時通過多支并聯放大電路對采集到的信號進行放大并存儲，通過比較選取放大后數值最接近放大電路A/D轉換滿量程但不截幅的支路作為最優信號輸出，提高數據傳輸效率。通過最優選擇使得選出的信號有較高的信噪比，而且是同時完成，不存在數據丟失。是目前比較好的解決動爆測試數據處理的方法［13］。

4.2 數據防護

由于艦船動爆測試的費用極高，涉及到大量兵力行動，而且測試是破壞性的，被試艦船有可能會在被攻擊后不適合人員再登上甚至沉沒，因此如何將得到的數據保護好并下載下來是關鍵技術之一。目前主要的方法是通過冗余設計，提高數據防護的魯棒性。如使用多點存儲點，艦船傾覆集中存儲點自動脫落抗沉技術，并結合無線加密傳輸技術將數據傳至安全平臺的方法提高數據防護的可靠性。如文獻［2］的測試數據除在各測點進行存儲外還在被試船只的船首和船尾分別設置集中數據存儲點，并將其中一個集中存儲點用浮箱進行保護，防止船只沉沒造成數據丟失，并對數據進行無線傳輸，較有效提高了數據的防護能力。文獻［1］對無線數據壓縮和加密進行了優化，并設計了基于時間的智能自毀功能，如果在設定的時間內未對數據進行讀取，測試數據將被自動清除，有效提高了數據防護能力。

4.3 同步觸發

所有數據只有在統一的時間軸下才更能反映毀傷的過程，因此同步觸發技術也是測試的關鍵技術之一，主要也是通過冗余設計、粗壯設計來提高同步觸發的可靠性。組合使用內觸發和外觸發技術，利用手動和爆炸產生的超壓、沖擊震動、斷線、聲、光等效應來進行傳感器的同步觸發。組合的觸發種類越多觸發的可靠性越高，但系統的復雜程度增強，可靠性變低，因此通常不同時采用超過三種的觸發方式。

5 結語

針對艦船水上動爆沖擊波超壓測量問題，分析了影響沖擊波超壓的因素、動爆對沖擊波測量的影響，利用美國的捕鯨叉BlockⅡ反艦導彈進行了實例計算，總結了艦船水上動爆沖擊波超壓測量的關鍵技術，對測試工作的開展和裝備的建設有幫助和參考意義。雖然國內在艦船動爆測試中做了不少的研究，獲得了一定的數據和測試結果，但相關研究的層次仍有較大的提升空間，主要原因是艦船動爆測試成本高，危險程度高，工況復雜，組織實施難度大。水下爆炸是實戰中造成艦船毀傷的另一個主要因素，二戰中的大型戰列艦如俾斯麥號、大和號等的沉沒都主要由是水下爆炸造成的，由于水的密度和可壓縮性等與空氣有很大區別，艦船的水下動爆問題有待進一步研究。