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(chǎn)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(biāo)產(chǎn)生毀傷作用。而水中兵器的炸藥是填裝在金屬殼體內(nèi)，殼體的材料、厚度等特性參數(shù)對兵器爆炸威力是有影響的，研究戰(zhàn)斗部殼體對其水下爆炸威力十分必要。

項大林等[1]對小當(dāng)量柱形含鋁炸藥在厚6mm的鋼殼或硬鋁殼裝藥下進(jìn)行了水下爆炸實驗與數(shù)值模擬研究。盛振新等[2]運(yùn)用數(shù)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(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬及實驗研究。張奇等[4]研究了戰(zhàn)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(qiáng)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(fā)現(xiàn)了殼體對爆炸效果的加強(qiáng)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(jìn)行了實驗與數(shù)值模擬研究，佐證了文獻(xiàn)[6]的結(jié)論。程素秋等[8-9]對艙段模型在水下非接觸爆炸下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬及實驗研究。孫華等[10]分析了PBX的主要性能特點(diǎn)及其裝藥技術(shù)在水中兵器戰(zhàn)斗部上的應(yīng)用。

本文中對相同成份的裸炸藥和高強(qiáng)度鋁殼戰(zhàn)斗部水下爆炸進(jìn)行對比實驗，發(fā)現(xiàn)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(jìn)一步研究不同材料的殼體(如鋼、復(fù)合材料等)和裸炸藥爆炸威力的差別，對現(xiàn)役兵器戰(zhàn)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(jìn)行的，實驗選用復(fù)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(shù)如表1所示。通過10個PCB138A型壓力傳感器及采集設(shè)備測量不同炸點(diǎn)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(tǒng)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(huán)境中，由于潮汐和海流等客觀因素?zé)o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(shè)10個測點(diǎn)，測點(diǎn)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(shù)Table 1 Detonation parameters of explosives

帶殼戰(zhàn)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(jìn)行爆炸威力對比，因而入水深度和實驗水深要遠(yuǎn)大于裸炸藥實驗。實驗選取7個測點(diǎn)，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(shè)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(dāng)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(zhì)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(zhì)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(yīng)關(guān)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(guī)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(fù)合PBX、TNT，但個別測點(diǎn)有重合現(xiàn)象；圖4中不同炸藥的比沖擊波能從大到小的順序為復(fù)合PBX、熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、TNT，但復(fù)合PBX、熔梯黑鋁和熱塑梯黑鋁炸藥的比沖擊波能遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)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(fù)合PBX、熔梯黑鋁相差較小，在距離因子大于4 m/kg1/3時，遠(yuǎn)低于復(fù)合PBX、熔梯黑鋁。由此可知，新型裝藥(復(fù)合PBX、熔梯黑鋁)的比沖擊波能不僅遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)裝藥，其數(shù)值也較穩(wěn)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(zhì)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(diǎn)的炸藥總能量為該點(diǎn)的沖擊波能與氣泡能之和，為使結(jié)果更科學(xué)，仍然按比能量進(jìn)行計算，定義總比能量為該點(diǎn)的比沖擊波能與比氣泡能之和。不同炸藥在不同測點(diǎn)的總比能量與該點(diǎn)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(jù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(zhàn)斗部的水下爆炸特性

實驗方法和工況設(shè)置如第1節(jié)中所述。使用的測量設(shè)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(zhàn)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(diǎn)的沖擊波能時，海水的密度按1 000 kg/m3計算。戰(zhàn)斗部海上實爆實驗場景如圖5所示，4種裝藥戰(zhàn)斗部的沖擊波峰值、比沖擊波能與爆炸距離的對應(yīng)關(guān)系如圖6～7所示。

從圖6中可以看出，不同戰(zhàn)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(guī)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(fù)合PBX、熔梯黑鋁、TNT，這與裸炸藥略有不同；而圖7中因數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，沒有做擬合曲線，從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同戰(zhàn)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(fù)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(shù)據(jù)同樣的分析，得到4種戰(zhàn)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(shù)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(zhàn)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(shù)從大到小排序與裸炸藥基本相同。

表4 4種戰(zhàn)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(jié)論：

(1) 4種帶殼戰(zhàn)斗部的沖擊波峰值壓力隨爆炸距離增加而衰減的規(guī)律均符合庫爾公式，只是指數(shù)和系數(shù)不同，峰值壓力從大到小分別是熱塑梯黑鋁、復(fù)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(xù)下降，與裸炸藥的實驗結(jié)果一致；

(2) 4種帶殼戰(zhàn)斗部熔梯黑鋁、熱塑梯黑鋁、復(fù)合PBX、TNT戰(zhàn)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(huán)境的不同(裸炸藥在淺水、戰(zhàn)斗部在深水)，測試系統(tǒng)、壓力傳感器都一樣，因而認(rèn)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(zhàn)斗部復(fù)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(zhàn)斗部復(fù)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(fù)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(jié) 論

通過無限水域中對4種裸炸藥與帶殼戰(zhàn)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(guī)律均符合庫爾公式，只是指數(shù)和系數(shù)不同；裸炸藥峰值壓力從大到小是熱塑梯黑鋁、熔梯黑鋁、復(fù)合PBX、TNT，而帶殼戰(zhàn)斗部峰值壓力則是熱塑梯黑鋁、復(fù)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(xù)下降；

(2)不同裝藥戰(zhàn)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(fù)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(zhàn)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(zhàn)斗部殼體因素必須考慮，不能簡化。