水下爆炸對沉底目標毀傷效應試驗驗證研究?

張永坤

（91439部隊 大連 116041）

1 引言

隨著水中兵器對抗與反對抗技術的發展，各種反水中兵器（魚雷、水雷）硬殺傷武器不斷涌現，其對抗方式主要是通過引爆自身裝藥來毀傷工作狀態下水中兵器的結構，或使得水中兵器喪失主要性能。當水中兵器處于水中工作狀態時，在遭遇其它水中兵器或者反制武器所產生的水中爆炸作用下，其只能靠自身的結構特性來抵御水下爆炸作用，此時其抗水下爆炸的能力遠小于發射之前。就水雷而言，水下爆炸毀傷水雷的過程極其復雜，整個過程包括炸藥的水下爆炸、水下爆炸沖擊波的形成和傳播、水下爆炸沖擊波和水雷的流-固耦合作用，以及水雷和藥室內部塑性混合炸藥在水下爆炸沖擊波作用下的彈塑性響應和破壞這幾個方面。目前國內學者通常根據所研究問題的特點，對水下爆炸載荷的兩個階段沖擊波和爆炸氣泡作用階段分別進行研究，國內的學者對相應的毀傷情況進行了廣泛的研究［1～10］。本文針對水下爆炸對沉底水雷毀傷機理進行試驗驗證研究，首先結合兵器抗沖擊試驗研究結果對水下爆炸作用下水雷的破壞模式進行分析，給出水雷破壞的定性特征；然后采用理論分析方法對水雷結構的抗毀傷機理進行分析，指出沖擊波是導致水雷毀傷的主要因素；在此基礎上，借助試驗驗證手段對目標水雷在水下爆炸作用下的毀傷機理作進一步驗證分析，總結水雷在水下爆炸作用下的毀傷特點及失效規律。

2 水中爆炸作用下水雷破壞模式分析

水中兵器抗沖擊包含兩種狀態，一是目標艦艇遭受攻擊，艦載水中兵器在爆炸作用下的抗沖擊狀態，此種情況可與艦艇抗沖擊或兵器毀傷試驗一起進行考慮，這部分的相關研究已開展較多［1～10］，為后一種狀態的兵器抗沖擊研究奠定一定基礎；第二種狀態是兵器發射后在攻擊目標的過程中遭受反制武器打擊，或是兵器處于戰斗狀態遭受反制武器攻擊，此種狀態下主要判斷遭受打擊后兵器的狀態以及是否還具備有效的打擊能力，這種態勢是兵器抗沖擊更為關注的問題。

2.1 水雷破壞方式

水雷結構主要通常包括雷體、引信裝置、回收系統、起爆裝置等。根據水下爆炸載荷的強度等級和沖擊作用下水雷結構的動態響應狀況，水雷主要有以下三種破壞形式［11］。

1）沖擊環境惡劣，水雷內部敏感部件破壞或水雷自爆。

當水雷受水下爆炸載荷作用后，儀器鍋沖擊響應非常劇烈，產生非常大的沖擊加速度，從而造成固定在儀器鍋上的敏感部件過載破壞，水雷失效。

2）失穩大變形，水雷內部敏感部件破壞或水雷自爆。

當水雷受較強水下爆炸載荷沖擊作用后，內部敏感部件開始工作，誘使水雷自爆，或者因水雷殼體失穩大變形敏感部件被破壞，水雷失效。

3）雷體殼體破裂。

水雷殼體直接被沖擊波撕裂，水雷內部進水，水雷失效。

采用雷體殼體破裂作為水雷破壞的唯一判據，是一種偏保守的水雷失效判據，滿足該判據，水雷肯定失效。

2.2 水雷失效特征閾值

參照水中兵器抗水下爆炸破壞模式，水中兵器抗沖擊閾值的確定需要通過雷體結構、推進裝置、內部設備等三種抗沖擊閾值綜合判定。雷體結構閾值的判定主要考慮強度的影響，由雷體的材料、雷體形狀及厚度、結構分布特點、加工工藝等因素確定。推進裝置閾值判定考慮自身強度及位置結構的影響，主要由本身結構特征以及與雷體的連接部位、保護裝置、工作方式等因素綜合判定。內部設備閾值判定根據相關的國軍標主要考慮設備沖擊環境的影響，設備的沖擊加速度、溫度等參數達到一定量值，導致設備不能正常工作。比較而言，內部設備涉及單元比較多，也相對容易產生破壞，其閾值比較低。

3 水雷抗沖擊毀傷機理分析

根據水雷的損傷情況，引起其損傷的水中爆炸載荷主要是沖擊波載荷。反制武器對水雷的攻擊情況一般可理解為一定當量的藥包打擊相對較小的目標。水雷目標處于靜止或錨泊狀態，對于沉底水雷而言，反制武器載荷中沖擊波載荷完全起主導作用，氣泡的作用基本可忽略［12］。炸藥從在水中起爆后沖擊波波前即將接觸水雷時刻開始，到水下沖擊波完全掃過水雷、使水雷結構的塑形動響應結束時刻截止，是研究水下爆炸對結構沖擊的關心時間區域。通常炸雷中炸藥的爆炸距離一般在幾米到幾十米，由于水下爆炸沖擊波的傳播速度約為1500m/s，故這一過程的時間在毫秒量級。

水雷抗沖擊毀傷機理研究主要考慮三方面的問題，首先是反制武器裝藥自身的威力指標。根據具體的裝藥類型以及裝藥量，提出反制武器的沖擊波參數，主要是沖擊波壓力峰值以及沖擊波沖量。第二是水雷自身的參數。具體包括水雷材料參數、結構形狀、結構組成等要素。水雷結構不僅有鋼質結構的，考慮隱身性能還大量采用玻璃鋼材料。鋼質材料一般都視為各項同性材料，其破壞形式主要為殼體塑形變形以及加強結構失穩，需要考慮鋼質結構在高壓沖擊極端條件下的應變率強化、溫度軟化效應等問題。玻璃鋼結構抗爆性能的薄弱環節往往是部件間接頭和結合部位，在瞬態沖擊載荷作用下，玻璃鋼的破壞不僅與壓力峰值有關同時與壓力作用時間長度有關。玻璃鋼的破壞主要是纖維和基體破壞，其抗爆能力主要表現在玻璃鋼的結構形式、制造工藝以及材料配方等方面。第三是爆炸沖擊載荷與水雷的相互作用。影響因素主要包含爆炸方位、爆炸距離以及邊界條件等。對水雷而言，其抗爆炸沖擊需考慮雷的沉底或是懸浮布放狀態、炸藥處于雷的正橫或是首尾位置，爆距的控制由反制武器自身的打擊半徑來確定，不同爆距可能造成水雷內部敏感器件破壞、失穩大變形、殼體破裂等不同程度的毀壞。

水下非接觸爆炸對結構的破壞主要是水下爆炸沖擊波和脈動壓力波作用的結果，作用時間短，過程復雜。當水下爆炸位置距離目標較遠時，沖擊載荷較小，只能使目標結構發生彈性變形和較大的加速度沖擊環境，在目標結構沒有發生塑性損傷的時候使結構內部的敏感部件由于沖擊過載而失效，從而使目標結構失去原有的功能。當水下爆炸距離目標結構逐漸靠近時，隨著沖擊載荷的逐漸增大結構會逐漸發生塑性變形，且變形程度與隨著爆炸距離的減小逐漸加劇，結構內部空間發生變化，內部構建由于受到擠壓而破壞，失去工作功能，造成目標結構失去原有功能。當爆炸距離進一步縮小時，目標結構表面開始出現裂紋、局部破裂穿透，從而結構內部進水，內部空間極度壓縮，許多構件被壓壞，部分電子元件短路失效，結構被徹底破壞，完全失去原有的功能。當水雷受水下爆炸載荷作用后，儀器鍋沖擊響應非常劇烈，產生非常大的沖擊加速度，從而造成固定在儀器鍋上的敏感部件過載破壞，水雷失效。

4 水雷抗水下爆炸毀傷機理試驗驗證

在水雷抗水下爆炸作用破壞模式及毀傷機理分析的基礎上，結合水池爆炸試驗對沉底水雷抗毀傷機理進行驗證。

4.1 目標水雷相關參數

目標水雷由雷體和儀表鍋兩部分組成，雷體內部裝填炸藥和感應線圈棒，安全起見，炸藥采用與原裝藥密度一致的黃沙和鐵砂的混合物模擬。儀表鍋內部安裝引信裝置、電池組和水壓保險器。感應線圈棒、水壓保險器、電池組均與引信裝置聯接。目標水雷在空氣中約重500kg，在水中約重220kg，目標水雷殼體厚度約4mm，雷體結構圖如圖1所示。

圖1 典型沉底水雷目標結構示意圖

4.2 試驗過程

試驗在爆炸水池進行，其水域面積為200m×150m，最大水深為30m。爆源采用35kgTNT當量藥包，通過懸掛繩和布放繩懸掛在浮球下方，定深10m。兩個目標水雷通過懸掛繩和保護繩分別懸掛在兩個浮筒下方，定深10m，其中一個背對炸雷彈，另一個橫對炸雷彈。定義雷體軸線與沖擊波作用方向垂直為橫對狀態，雷體軸線與沖擊波作用方向平行為背對狀態。浮筒之間通過帶法蘭的距離控制桿聯接以準確控制爆距，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

自由場壓力傳感器懸掛在距離控制桿下方，根據炸雷彈中心到目標水雷幾何中心的距離等距布放（將測點布置在以炸雷彈藥柱中心為圓心，爆距為半徑的圓上）。布放完畢后，將測量導線拉到浮動沖擊平臺上，在浮動沖擊平臺內的緩沖平臺上進行測量。

4.3 試驗結果

試驗結果包括自由場壓力時程曲線及目標水雷毀傷觀測效果兩部分，通過觀測目標水雷結構、內部設備等，對抗毀傷效果進行定量分析；通過自由場壓力峰值、沖量等參數對水雷抗毀傷效果進行定性分析，兩者結合進行判定。

4.3.1 自由場壓力測量結果及分析

各個工況條件下的沖擊波壓力時程曲線如圖2～圖4所示，沖擊波的峰值壓力和沖量的統計結果列于表2。

表2 沖擊波峰值壓力和沖量對比

圖2 爆距7.2m處壓力時程曲線（工況1）

圖3 爆距8.7m處壓力時程曲線（工況2）

圖4 爆距9.4m處壓力時程曲線（工況3）

表2中峰值及沖量的計算采用式（1）。

Pm沖擊波壓力峰值，MPa；W裝藥量，kg；R測點至爆心距離，m。

水中沖擊波沖量計算采用式（2）。

I為水中沖擊波比沖量，kPa·s。

由表2可知，沖擊波峰值壓力以及沖量試驗值均小于理論估算值，峰值壓力試驗值與理論估算值比較接近（稍微偏?。?，沖量偏差比較大。由此可知，在目標水雷已經失效的情況下，沖擊波壓力峰值基本達到試驗的理論值，在此種狀態下的沖擊波沖量未達到理論值，試驗測量結果比較小。說明沖擊波沖量未達到理論值的試驗態勢下，只要沖擊波壓力峰值達到理論設計值（炸藥當量大于一定值），目標水雷就會失效。

在工程實踐中以沖擊波沖量作為毀傷判據標準更為嚴厲，在炸藥當量達到數十千克TNT裝藥的情況下，以壓力峰值作為水雷目標的判據是可行的，只要沖擊波壓力峰值達到設計值，水雷就會失效。

4.3.2 目標水雷毀傷效應試驗結果及分析

試驗過程中，測量獲取了典型距離處的自由場壓力時程；試驗后，對目標水雷進行檢測，主要檢測雷體、儀表鍋、引信裝置、電池組、感應線圈棒以及開孔等部分，觀測其結構是否變形、進水，性能是否正常。

不同工況不同雷體狀態下毀傷效應如表3～5所示，表3為橫對狀態毀傷效應，表4為背對狀態毀傷效應，表5為橫對背對狀態毀傷效果比對。

表3 不同工況下橫對狀態毀傷效應

表4 不同工況下背對狀態毀傷效應

表5 橫對背對狀態毀傷效果比對

由表3可知，橫對狀態下，感應線圈棒性能參數正常，引信裝置失效，儀表鍋進水，破壞嚴重。隨著爆距變小，電池組性能參數由正常變為無法檢測；雷體結構凹陷逐漸增多，變形逐漸加大，但未進水。

由表4可知，背對狀態下，引信裝置失效，電池組失效。隨著爆距變小，感應線圈棒性能參數由正常變為不正常；雷體逐漸出現裂紋并開始進水；儀表鍋逐漸凹陷并進水。

表5比較了最小爆距情況下背對狀態及橫對狀態下目標雷的毀傷情況。背對情況下雷體結構、開孔、感應線圈棒的毀傷情況比較嚴重；橫對情況下儀表鍋、引信裝置、電池組的毀傷比較嚴重。

從試驗試驗效應綜合來分析，影響因素主要有以下幾方面。

1）爆距的影響

通過試驗結果比對發現，在橫對狀態下，隨著爆距減小，雷體表面出現多處凹陷，并且呈變大的趨勢，但是雷體未進水；儀表鍋端面首先發生凹陷，然后內部進水，最后導致撕裂。在背對狀態下，隨著爆距減小，雷體表面出現多處凹陷，并且呈變大的趨勢，最終雷體進水；儀表鍋端面首先發生凹陷，然后內部少量進水，最后側面發生產生扭曲變形，內部進水。

從爆炸毀傷效果來看，爆炸距離對毀傷效果的影響與爆炸動力學理論基本一致，即隨著爆距的減小，毀傷效果更加明顯。

2）方位的影響

在相同的試驗工況下，背對狀態的毀傷效果更加明顯。以最小爆炸距離作用下來比對，橫對狀態下，雷體多處凹陷但未進水；儀表鍋端面整體凹陷，迎爆面發生產生扭曲變形，根部撕裂，內部進水；開孔處變形大。背對狀態下，雷體多處凹陷，出現裂紋，雷體進水；儀表鍋整體凹陷，側面發生產生扭曲變形，有一處裂紋，內部進水；開孔處變形嚴重。

爆距相同的情況下，不同方位，目標雷體結構變形存在明顯差別，直觀效果顯示背對狀態毀傷效果更加顯著，雷體多處凹陷，出現裂紋，進水明顯，而橫對狀態下雷體凹陷但未進水。產生此種情況的原因主要與雷體結構特征有關，雷體為細長圓柱體，縱向橫向采用的加強結構比較少，軸向慣性矩比徑向慣性矩小，導致軸向抗變形能力小，所以產生的變形量大。

3）毀傷判據說明

試驗結果表明，在水下爆炸作用下目標水雷的破壞形式主要包括雷體破裂進水、儀表鍋破損、儀表鍋根部撕裂、組件性能不正常等。在試驗中發現儀表鍋破損進水情況出現比較多，由于試驗中保持目標水雷的狀態，在雷體進行填砂處理，而儀表鍋結構與實際相同為空腔，故導致儀表鍋部分的抗水下爆炸能力很弱，進水失效的條件很容易滿足。考慮水下炸雷對水雷破壞的嚴格要求，保證水雷完全失效，在海戰中開辟絕對的安全航道，采用雷體殼體破裂作為水雷破壞的唯一判據，這是一種偏保守的水雷失效判據，滿足該判據，水雷肯定實效。

5 結語

通過研究得到一些有意義的結論：

1）在工程實踐中以沖擊波沖量作為毀傷判據標準更為嚴厲，在炸藥當量達到數十千克TNT裝藥的情況下，以壓力峰值作為水雷目標的判據是可行的。

2）從爆炸毀傷效果來看，爆炸距離變化對毀傷效果的影響與爆炸動力學理論基本一致，即隨著爆距的減小，毀傷效果更加明顯。

3）從試驗結果來看，方位角度變化對毀傷效果存在一定的影響，爆距相同情況下，背對狀態的毀傷效果更加明顯。

4）通過試驗結果，對水雷破壞模式進行分析，采用雷體殼體破裂作為水雷破壞的唯一判據，這是一種偏保守的水雷失效判據，滿足該判據，水雷肯定失效。

5）試驗設計過程中根據毀傷機理忽略了氣泡作用，從裝藥的角度以及試驗的態勢情況來看，裝藥產生的氣泡對水雷目標產生了一定的毀傷作用，應該對試驗結果進行修正。