大當量集團裝藥水中沉底爆炸特性試驗研究*

張姝紅 金 輝

（中國人民解放軍91439部隊 大連 116041）

1 引言

裝藥水下沉底爆炸時，由于水底介質邊界條件影響，與自由場條件下爆炸呈現出完全不同的特征［1～7］。國內外對于自由場條件下的水中爆炸研究較多，而對沉底邊界條件下爆炸特性研究相對較少，對沉底邊界的影響認識不夠充分，相關的理論研究還不成熟。基于仿真和小當量試驗研究認為沉底爆炸時沖擊波的底部效應主要為反射波，不同底質有不同的反射效果，對某一具體的水底而言，反射角的大小是影響反射效果的主要因素［8～10］；同時沉底爆炸時對氣泡脈動周期和壓力等特性也產生影響［11］。由于沉底反射作用對裝藥的爆炸威力產生較大影響，在水中兵器裝藥指標設計和作戰使用時需考慮海底邊界反射作用。

大當量裝藥水中沉底爆炸更能客觀真實反映沉底爆炸現象和輸出特性。通過對大當量集團裝藥水中沉底爆炸試驗數據分析，研究試驗中水底底質對爆炸沖擊波峰值壓力和氣泡脈動的影響，以及對毀傷作用的影響，可為沉底爆炸的水中兵器裝藥指標設計和毀傷研究提供參考。

2 水下爆炸基本理論

裝藥水下爆炸產生瞬時強沖擊波，同時爆轟產物形成氣泡脈動。自由場條件下沖擊波壓力按照指數規律衰減，氣泡脈動膨脹收縮產生脈動壓力，峰值約為沖擊波峰值壓力的10%～20%。對于密度為1.52g/cm3的TNT 炸藥在自由場條件下的沖擊波峰值壓力［12］和氣泡脈動周期［13］公式分別為

式中W為TNT 裝藥當量，kg；R為爆距，即炸點到測點距離，m；H為裝藥入水深度，m。

而對于裝藥水下沉底爆炸，一般根據不同底質在峰值壓力計算時對裝藥當量W乘以相應的反射系數K，如泥沙底為1.2、礫石底為1.5，以此反映沉底爆炸時底質對爆炸作用的影響。但在實際試驗中發現沉底爆炸不但對沖擊波和氣泡產生影響，在相同底質條件下測點方位角變化也會對反射作用產生影響。

3 水下爆炸試驗

水下爆炸試驗在海上實施，爆源為1000kgTNT集團裝藥，沉底布放；試驗分散布設四個自由場壓力傳感器，懸布到水中，測點到爆源距離由遠及近；爆源上布設零時傳感器，記錄爆炸零時時刻；水下爆炸測量設備布設在測量載體上，爆炸時刻記錄爆炸零時信號和各壓力傳感器水中爆炸壓力時程；利用聲速儀測量水中聲速。試驗布設示意圖如圖1所示。

4 試驗結果

試驗測量得到了水中爆炸零時和壓力時程曲線。典型實測壓力時程曲線和沖擊波段時程曲線如圖2和圖3所示。

圖2 實測壓力時程曲線

圖3 實測沖擊波段時程曲線

根據獲取的爆炸零時和沖擊波到達各壓力傳感器測點時刻得到沖擊波傳播時差，利用聲速數據計算爆炸時刻炸點到各壓力測點距離即爆距R；根據壓力傳感器布設深度和爆源布設深度得到各壓力傳感器與爆源垂直距離，計算傳感器與爆源連線和海面之間的方位角α和方位角正弦值；由記錄的壓力時程曲線得到各壓力測點沖擊波壓力峰值，根據式（1）計算各測點理論沖擊波峰值，并根據測量峰值計算出海底反射系數K。試驗測量爆距R、方位角α、方位角正弦值和計算得到的海底反射系數K如表1所示。

表1 試驗結果

5 結果分析

5.1 沉底爆炸特性

由圖2 和圖3 實測壓力時程曲線可以看出，在沖擊波衰減段以及沖擊波正壓作用之后時程曲線不光滑、有多個峰值現象，說明沉底爆炸存在復雜的海底反射作用；由于測點靠近水面，因此沖擊波到達前沒有產生明顯的前驅波；沖擊波到達水面產生反射稀疏波，因此在各測點的沖擊波衰減階段均產生明顯的水面截斷現象。壓力數據顯示沖擊波均按指數規律衰減，各測點沖擊波壓力峰值隨著炸點到測點距離減小而減小，符合水下爆炸沖擊波衰減規律和傳播規律。

由壓力時程曲線讀取得到的二次氣泡脈動周期均大于自由場條件下的理論計算值，說明沉底爆炸作用下氣泡脈動周期有所延長；氣泡脈動現象不明顯，氣泡脈動峰值壓力很小，與文獻［4］小當量試驗現象一致，說明氣泡脈動受沉底邊界影響較大，大部分氣泡能量被海底吸收。

5.2 方位角對沉底反射影響

試驗結果對比顯示各測點的沖擊波峰值壓力均大于自由場條件下的沖擊波理論計算峰值壓力，說明沉底爆炸對沖擊波峰值有增強作用，與文獻［2～3］中的仿真和小當量試驗特性一致。反射系數K隨方位角α變化如圖4 所示。試驗中各測點布設的方位角從57°增大到74°，由圖4 可以看出，隨著方位角增加海底反射作用增強，說明對于相同的底質，因方位角不同反射作用效果不同。

圖4 反射系數K 隨方位角α 變化

5.3 海底反射對毀傷能力影響

水中兵器對目標艦艇的毀傷能力一般以沖擊因子作為標準，如沖擊因子為0.2時，可使艦船退出戰斗。文獻［14］給出沖擊因子SF計算公式為

式中W為裝藥當量，kg；K為沉底爆炸時海底反射系數；R為炸點到目標中心距離；α為方位角。

假設1000kgTNT 裝藥沉底爆炸，按沖擊因子0.20 毀傷標準、設定海底反射系數為1.3、對應表1中的各方位角正弦值，利用式（3）計算得到對應的爆距R1；按毀傷標準沖擊因子0.20、表2 中實測到的不同方位角對應的反射系數K，計算得到對應的爆距R2。由得到的R1、表1 中實測到的不同方位角對應的反射系數K，計算沖擊因子SF；計算結果如表2 所示，R1、R2隨方位角變化如圖5 所示，SF隨方位角變化如圖6所示。

表2 方位角對沖擊因子影響

圖5 R1、R2 隨方位角變化

圖6 沖擊因子SF 隨方位角變化

由計算結果可以看出，對于相同的毀傷沖擊因子，按照試驗測量反射系數計算的爆距R2大于按照設定海底反射系數為1.3 計算的爆距R1，即對目標毀傷作用距離增大。對應57°、62°、69°、74°四個方位角，沖擊因子大于設定的沖擊因子0.2，說明在該方位角范圍內毀傷作用有所增強，沖擊因子隨著方位角增加呈增大趨勢。對比結果說明，沉底爆炸中裝藥與目標方位角變化引起的反射作用變化，會影響沉底爆炸對目標毀傷能力。

6 結語

大當量裝藥沉底爆炸試驗更能真實反映沉底爆炸現象和規律，但試驗實施難度大、消耗多，開展次數受限，雖然少量的試驗不能完全揭示沉底爆炸規律和特性，但通過對數據的深入分析可以發現并驗證裝藥沉底爆炸的基本現象和特性：

1）沉底爆炸屬于復雜邊界下的水下爆炸，沖擊波傳播規律與自由場有顯著區別，沉底反射對沖擊波起到增強的作用，增強作用大小和測點與裝藥的方位角有關。

2）當測點靠近水面時，由于沖擊波傳至自由面時形成反射稀疏波，使測量到的沖擊波存在明顯的自由水面截斷效應現象。

3）沉底爆炸時，氣泡脈動現象不明顯，脈動峰值與自由場條件下相比小得多。

4）沉底爆炸時方位角變化對反射作用的影響會對裝藥破壞半徑和毀傷能力產生影響。