金 鍵，朱 錫，侯海量，李 典，陳鵬宇，高圣智

（1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 622661；2. 海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033）

在兩次世界大戰(zhàn)的海戰(zhàn)場(chǎng)上，魚、水雷等水中兵器發(fā)揮了巨大的戰(zhàn)斗效能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一戰(zhàn)中，被魚、水雷擊沉的艦船占被擊沉艦船總數(shù)的49%；二戰(zhàn)中，被魚、水雷擊沉的艦船占38.5%，其中被潛射魚雷擊沉的各國(guó)航母多達(dá)19 艘[1]。隨著水中兵器的不斷發(fā)展，如自導(dǎo)魚雷、火箭助推魚雷、超空泡魚雷以及機(jī)動(dòng)水雷、自掩埋水雷、反獵水雷等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代艦船面臨的生存威脅更是呈現(xiàn)出立體化、隱蔽化和精確化等特點(diǎn)。二戰(zhàn)后，美國(guó)海軍有近20 艘艦船被擊傷，其中有15 艘是魚雷、水雷造成的[2]。1988 年，美軍當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦“羅伯茨”號(hào)在前往海灣地區(qū)執(zhí)行護(hù)航任務(wù)途中碰觸一枚蘇制老式M08 水雷，船體左舷被炸開8 m 的破口并引發(fā)持續(xù)近7 h 的大火，如圖1(a)所示。在1991 年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)“的黎波里”號(hào)兩棲攻擊艦發(fā)生了水雷接觸爆炸，其右舷被撕開了近9 m 的破口，如圖1(b)所示。同年，美國(guó)“普林斯頓”號(hào)導(dǎo)彈巡洋艦觸發(fā)兩枚水雷，致使船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，如圖1(c)所示。在1982 年的馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中，英國(guó)核動(dòng)力潛艇“征服者”號(hào)發(fā)射兩枚魚雷擊沉了阿根廷海軍艦隊(duì)當(dāng)時(shí)的旗艦“貝爾格拉諾將軍”號(hào)巡洋艦，并造成323 名海軍將士喪生，如圖2 所示。一系列海戰(zhàn)案例充分展示了水下接觸爆炸對(duì)艦船的巨大毀傷威力。

圖1 水雷接觸爆炸[2]Fig. 1 Mines underwater contact explosions[2]

圖2 魚雷水下接觸爆炸Fig. 2 Torpedoes underwater contact explosions

作為艦載飛機(jī)的搭載平臺(tái)，大型艦船因其昂貴的造價(jià)與巨大的戰(zhàn)略威脅，成為作戰(zhàn)對(duì)方重點(diǎn)打擊的對(duì)象。即使已擁有相當(dāng)完善的針對(duì)各型反艦武器的主動(dòng)防御體系，美、英等海軍強(qiáng)國(guó)仍然非常注重大型艦船的被動(dòng)防御能力（結(jié)構(gòu)性防護(hù)），并一直堅(jiān)持采用抗爆船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想[3]，并通過對(duì)二戰(zhàn)時(shí)期被損艦船的毀傷研究以及戰(zhàn)后開展的大量艦船水下爆炸試驗(yàn)，積累了豐富的艦船抗爆抗沖擊設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。直至目前，美國(guó)仍堅(jiān)持首制艦需通過水下抗爆試驗(yàn)才可服役的規(guī)定，并在每個(gè)財(cái)年都消耗巨資對(duì)已經(jīng)退役和沒有修理價(jià)值的艦船進(jìn)行“沉船”試驗(yàn)，如圖3 所示；傳統(tǒng)的英國(guó)海軍航母也十分重視結(jié)構(gòu)性防護(hù)，因此也有“防護(hù)型航母”的別稱，如“光輝”級(jí)、“皇家方舟”和“鷹”級(jí)。這類航母將相當(dāng)一部分重量都分配給防護(hù)結(jié)構(gòu)用于加強(qiáng)裝甲和增加隔艙，以保證航母遭受直接打擊時(shí)的生存能力。并且，在水下防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)論證階段即不惜成本建造實(shí)尺寸艙段進(jìn)行水下爆破試驗(yàn)。有資料顯示，美、英兩國(guó)的航母水下防護(hù)結(jié)構(gòu)可抵御近900 kg TNT 裝藥在吃水中部附近的接觸爆炸沖擊[4]。其他擁有海軍的國(guó)家，如日本、德國(guó)、意大利、法國(guó)、荷蘭、韓國(guó)和澳大利亞等國(guó)，也都十分重視艦船的結(jié)構(gòu)抗爆效能，并較早開始了水下爆炸的相關(guān)研究。

我國(guó)在水下爆炸的研究工作中，緊跟國(guó)際熱點(diǎn)，積極追趕，取得了豐碩的研究成果。近年來，隨著我國(guó)海軍建設(shè)的大力發(fā)展，對(duì)各型艦船抗爆抗沖擊的需求愈發(fā)突出，為此學(xué)者們針對(duì)艦船水下爆炸問題的開展了更加深入的研究，基本清晰了水下爆炸的基本過程、物理現(xiàn)象和載荷特性，較為全面的掌握了水下爆炸載荷下艦船結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與毀傷機(jī)理，并對(duì)艦船的抗爆抗沖擊方法開展了有益的探索[5-7]。但我國(guó)大型艦船的發(fā)展起步較晚，基本沿用了蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大型艦船在水下接觸下的毀傷機(jī)理以及具體防護(hù)措施的研究還不夠深入。為此，本文以大型艦船的水下防護(hù)結(jié)構(gòu)為綜述對(duì)象，簡(jiǎn)要概述各國(guó)海軍艦船水下防護(hù)結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展歷程，分析水下接觸爆炸下的毀傷載荷以及對(duì)水下防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理，總結(jié)基于具體結(jié)構(gòu)和不同毀傷元的防護(hù)措施，并針對(duì)目前研究中的不足提出尚待進(jìn)一步探討的問題。

圖3 水下接觸爆炸毀傷試驗(yàn)Fig. 3 Damage experiments of underwater contact explosions

1 水下接觸爆炸載荷

在水下爆炸情況下，艦船可能遭遇炸藥爆轟、沖擊波、滯后流、氣泡脈動(dòng)載荷、水射流、空化載荷、高速破片以及多種載荷的聯(lián)合毀傷。這些載荷在強(qiáng)度、作用時(shí)間、動(dòng)態(tài)特性和空間分布上均有較大區(qū)別，對(duì)艦船的毀傷效果也各不相同，這給定義不同水下爆炸場(chǎng)景帶來了困難。尤其是對(duì)于接觸爆炸與近場(chǎng)爆炸的區(qū)分，一直以來并沒有明確的定義，學(xué)者們對(duì)此也有許多不同意見。一般認(rèn)為接觸爆炸并不是傳統(tǒng)意義上的與結(jié)構(gòu)相接觸的爆炸。有學(xué)者根據(jù)水下爆炸的具體現(xiàn)象，將膨脹至最大尺寸的爆轟氣團(tuán)與目標(biāo)結(jié)構(gòu)相接觸的情況籠統(tǒng)歸納為水下近場(chǎng)爆炸，但并沒有具體再劃分接觸爆炸與近場(chǎng)非接觸的范圍[8]。之所以希望對(duì)水下爆炸的范圍進(jìn)行明確區(qū)分，主要目的是為學(xué)界達(dá)成共識(shí)，便于開展學(xué)術(shù)交流，快速抓住問題本質(zhì)，不致混淆概念。因此，這是一項(xiàng)具有意義并且重要的工作。Cole[9]在對(duì)水下爆炸現(xiàn)象進(jìn)行研究時(shí)，將結(jié)構(gòu)在十倍裝藥半徑（R/r0，爆心距結(jié)構(gòu)的距離與藥包半徑的比值）范圍內(nèi)的爆炸歸納為水下接觸爆炸，但是并沒有給出明確的劃分依據(jù)；而周章濤等[10]認(rèn)為在6 倍裝藥半徑以內(nèi)的爆炸為水下接觸爆炸，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)，水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波具有非常明顯的強(qiáng)非線性，對(duì)結(jié)構(gòu)的局部毀傷作用更加顯著。牟金磊等[11]在研究不同藥量與爆距對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)破壞的影響時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的毀傷模式對(duì)水下接觸爆炸進(jìn)行了定義，并以比例爆距（R/W1/3，W為炸藥當(dāng)量）小于0.4 作為水下接觸爆炸的判別條件。

圖4 水下近距與接觸爆炸下的主要?dú)d荷Fig. 4 Major damage loading generated by underwater closerange and contact explosions

筆者認(rèn)為可以以水下爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷的主要作用載荷類型作為單一判定依據(jù)。如圖4 所示：在水下接觸爆炸情況下，結(jié)構(gòu)毀傷的主要載荷是強(qiáng)沖擊波與初始爆轟，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料具有明顯的絕熱剪切破壞作用，此時(shí)的船體外板形成了初始的破口，沖擊波與爆轟產(chǎn)物從破口處傳入船體內(nèi)部，并對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成毀傷；而水下近場(chǎng)爆炸最顯著的特點(diǎn)是存在水射流載荷，即在爆炸沖擊波作用于結(jié)構(gòu)之后，爆轟氣團(tuán)形成的氣泡在船體邊界的影響下形成了氣泡射流并對(duì)船體結(jié)構(gòu)實(shí)施沖擊。兩種情景下的載荷特性有顯著的差別，可作為區(qū)分水下接觸爆炸與水下近距爆炸的判別依據(jù)之一。

對(duì)于水下近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸下的沖擊載荷，Zamyshlyayev[12]對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)。而在水下接觸爆炸范圍內(nèi)，沖擊載荷的相關(guān)理論是缺失的，目前尚無有效的測(cè)量和評(píng)估方法。這主要是因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)沖擊載荷的壓力峰值非常大，且具有強(qiáng)非線性，而目前的傳感器和測(cè)試技術(shù)很難對(duì)其定量測(cè)試。張顯丕等[13]和盛振新等[14]嘗試采用新型的測(cè)量技術(shù)對(duì)水下接觸爆炸范圍內(nèi)的載荷特性進(jìn)行了研究，為水下接觸爆炸載荷定量分析提供一定的技術(shù)支撐。作為艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)與毀傷特性的輸入條件，水下接觸爆炸載荷的輸出特性還需要在未來的研究工作中進(jìn)一步深入開展。

當(dāng)魚雷、水雷等水中兵器對(duì)艦船實(shí)施水下接觸爆炸時(shí)，裝藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為沖擊波和爆轟產(chǎn)物以及戰(zhàn)斗部殼體碎片的動(dòng)能。在炸藥的爆轟階段，船體外板首先會(huì)發(fā)生絕熱剪切破壞，并形成初始破口，繼而在爆轟產(chǎn)物的膨脹下發(fā)生凹陷變形，當(dāng)破口邊緣的變形位移達(dá)到一定程度時(shí)，由于環(huán)向應(yīng)變達(dá)到斷裂應(yīng)變極限而發(fā)生大面積的花瓣開裂[15]。在以上過程中，戰(zhàn)斗部殼體破片以及在船體外板上形成的大量二次碎片將一同向船體內(nèi)部侵徹。結(jié)構(gòu)性的缺失將降低整船的剩余強(qiáng)度，艙室涌入的海水也會(huì)進(jìn)一步影響船的穩(wěn)性，嚴(yán)重情況下甚至使艦船喪失不沉性。另外，船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)還會(huì)受到?jīng)_擊波和高速破片的聯(lián)合毀傷，這對(duì)內(nèi)部重要艙室（如動(dòng)力艙、彈藥艙等）是一個(gè)重大威脅。文獻(xiàn)[16-17]提出在船體結(jié)構(gòu)形成破口后，被爆轟氣團(tuán)排開的水將加速?zèng)_擊船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而形成對(duì)船體結(jié)構(gòu)毀傷的涌流砰擊載荷。而在張倫平等[18]開展的陸上（裝藥放置在水箱中）和水中接觸爆炸對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)（如圖5 所示），多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在這兩種情況下的毀傷情況基本相同，不論是外板破口尺寸、液艙外板破損半徑、水密艙內(nèi)板最大變形撓度還是結(jié)構(gòu)的總吸能都非常相近。在水箱內(nèi)的接觸爆炸試驗(yàn)中，氣泡載荷將很快潰散，并不會(huì)產(chǎn)生后續(xù)的涌流砰擊載荷。這也說明了水下接觸爆炸下產(chǎn)生的涌流砰擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷作用很小。

因此，本文將以水下接觸爆炸所產(chǎn)生的初始爆轟和沖擊波作為對(duì)艦船結(jié)構(gòu)毀傷作用的主要載荷。需要注意的是，以上所述的對(duì)船體結(jié)構(gòu)的水下接觸爆炸載荷，只是發(fā)生在船體舷側(cè)處的初始?xì)d荷。當(dāng)爆炸沖擊波、爆轟產(chǎn)物以及高速破片繼續(xù)作用于后續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，還會(huì)形成多種載荷類型，并對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的毀傷效果，這部分內(nèi)容將在后續(xù)更詳細(xì)的闡述。

圖5 多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在陸上水中接觸爆炸試驗(yàn)[18]Fig. 5 Experiment on multicompartment protective structure subjected to underwater contact explosion on land[18]

2 水下防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

早期的艦船缺乏足夠的水下防護(hù)能力，主要依靠舷側(cè)水線附近的重裝甲防護(hù)帶抵御航深較淺的魚雷。在意識(shí)到水下爆炸巨大的破壞威力后，才開始探索抵御魚雷、水雷接觸爆炸毀傷的防護(hù)措施。最初的水下防護(hù)結(jié)構(gòu)是在原有艦船的基礎(chǔ)上加裝防雷水艙，與舷側(cè)裝甲帶及船體外板相連，這便是水下舷側(cè)防雷艙結(jié)構(gòu)的雛形。這種防雷水艙可明顯增大艦船的空間，提高艦船的穩(wěn)性，但也大大增加了航行阻力。圖6 所示為日本“長(zhǎng)門”號(hào)戰(zhàn)列艦，兩側(cè)鼓出的便是防雷水艙。圖7 所示為美國(guó)“薩拉托加”號(hào)航母加裝防雷水艙前、后的船體橫剖面圖。

到二戰(zhàn)時(shí)期，對(duì)水下爆炸的破壞機(jī)理和水下舷側(cè)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效能有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并逐漸形成了較為完整的多艙防護(hù)設(shè)計(jì)思想。圖8 所示為英、美二戰(zhàn)時(shí)期大型艦船的“三艙式”方案水下防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。

在二戰(zhàn)的后期，美國(guó)海軍航母多艙式的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想得到進(jìn)一步鞏固。并在原來基礎(chǔ)上增加了一層隔艙，形成了“四艙式”方案。圖9(a) 和9(b) 分別為“倫道夫”號(hào)和“中途島”號(hào)航母的中橫剖面圖。而日本的設(shè)計(jì)方案與英美的設(shè)計(jì)方案有所不同，在采用了多艙防護(hù)方案的同時(shí)，仍堅(jiān)持在水下舷側(cè)設(shè)置延伸至船底的厚裝甲帶，并設(shè)置防雷水艙，如圖9(c)所示。

圖6 日本“長(zhǎng)門”號(hào)戰(zhàn)列艦(1936 年)Fig. 6 JPN Nagato battleship (1936)

圖8 三艙式水下防護(hù)結(jié)構(gòu)[19]Fig. 8 Three-compartment underwater protective structure[19]

二戰(zhàn)后，美國(guó)對(duì)艦船水下舷側(cè)結(jié)構(gòu)防護(hù)效能的追求有增無減。通過對(duì)大量俘獲艦船的水下爆炸毀傷試驗(yàn)，進(jìn)一步掌握了多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理，并在“福萊斯特”級(jí)航母的設(shè)計(jì)建造中，對(duì)水下防護(hù)結(jié)構(gòu)作出了很大改進(jìn)，如圖10 所示。與“中途島”號(hào)相比，主要有4 個(gè)方面的變化。第一，分隔艙數(shù)量增加至5 層，其寬度幾乎占掉了近30%的水下艦體寬度。第二，用于多艙分隔的縱艙壁設(shè)置成傾斜式。這種設(shè)計(jì)可以增加有效防護(hù)面積，以更大限度發(fā)生變形吸能。第三，第一層隔艙變?yōu)榱丝张摚o靠舷側(cè)的雙液艙后移至第二、三層隔艙內(nèi)，如圖13 所示。第四，取消了原舷側(cè)水線附近區(qū)域的裝甲帶，這是因?yàn)樵缙诤侥傅闹饕烙鶎?duì)象還是大口徑艦炮發(fā)射的慣性穿甲炮彈，而隨著安裝大口徑艦炮的戰(zhàn)列艦逐漸退出歷史舞臺(tái)，舷側(cè)加厚裝甲防護(hù)的結(jié)構(gòu)也逐漸被取消，轉(zhuǎn)而在舷側(cè)水線以上和上層建筑中設(shè)置抗穿甲結(jié)構(gòu)以抵御反艦導(dǎo)彈的攻擊。

圖9 二戰(zhàn)后期各型航母水下防護(hù)結(jié)構(gòu)[19]Fig. 9 The underwater protection structure of various aircraft carriers in the later period of world war II[19]

圖10 美國(guó)“福萊斯特”級(jí)（1952 年）[19]Fig. 10 USS “Forrestal”class (1952)[19]

在美國(guó)“小鷹”級(jí)航母的設(shè)計(jì)中，基本沿用了“福萊斯特”級(jí)航母的水下舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其船底的水下防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。圖11 所示的“美國(guó)”號(hào)航母在船底設(shè)置了雙層防護(hù)艙。這主要是因?yàn)樽詫?dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，使得魚雷鉆入船底實(shí)施水下爆炸的成功率大大增加，因此，船底結(jié)構(gòu)受到來自水中武器的毀傷威脅也相應(yīng)提高。

圖12 所示為英國(guó)CAV-01 型航母（未實(shí)際建造）的中橫剖面圖。在該型航母初步設(shè)計(jì)時(shí)，大量借鑒了美國(guó)“小鷹”級(jí)改進(jìn)型“肯尼迪”號(hào)（CV67）航母舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。全艦大量使用了高性能鋼材料以降低防護(hù)結(jié)構(gòu)在全艦的重量中的比例。另外，注意到CAV-01 型在靠近舷側(cè)的第三層隔艙內(nèi)（液艙）設(shè)置了密集

圖11 美國(guó)“美國(guó)”號(hào)(1961 年)[19]Fig. 11 USS United State (1961)[19]

的層間結(jié)構(gòu)。這種層間結(jié)構(gòu)可以在變形破壞過程中產(chǎn)生吸能效果，從而提高舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效能。

圖12 英國(guó)CAV-01 型航母（1965 年設(shè)計(jì)稿）[4]Fig. 12 UK“CAV-01”aircraft carriers (buleprint-1965)[4]

圖13 英、美海軍多型航母舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)[4]Fig. 13 Schematic of broadside protection structure of multi-type aircraft carriers of UK and USS[4]

圖13 所示為英、美海軍多型航母舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖，其主要信息包括各層艙壁的厚度、縱隔壁間距以及艙內(nèi)填充物。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)其中的3 個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。（1）除了英國(guó)的“鷹”號(hào)以外，其他各型航母均采用了雙層液艙的設(shè)計(jì)方案；（2）二戰(zhàn)之后的英、美航母都將液艙設(shè)置在距舷側(cè)的第二層以后，而將靠近舷側(cè)的第一層設(shè)置為空艙；（3）最內(nèi)層液艙后壁的厚度顯著大于液艙前壁的厚度。這是因?yàn)樵谇昂蟊诘群穸惹闆r下，不論是沖擊波還是破片載荷作用，液艙后壁的變形程度都要大于前壁，盡管后壁距離爆源更遠(yuǎn)。另外值得注意的是，美國(guó)的“肯尼迪”號(hào)航母在最內(nèi)層艙室中填充了泡沫材料以達(dá)到在水下接觸爆炸中發(fā)生變形吸能的目的。有資料顯示，英國(guó)的CVA-01 型航母在初始設(shè)計(jì)中參考了“肯尼迪”號(hào)的泡沫艙設(shè)計(jì)方案，但因在抗沖擊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)泡沫容易引起火災(zāi)、毒氣等二次損傷而在最終設(shè)計(jì)稿中取消[4]。

以上資料反映了傳統(tǒng)海軍強(qiáng)國(guó)在近一個(gè)多世紀(jì)中針對(duì)大型艦船水下防護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與演變歷程。對(duì)這些成熟的設(shè)計(jì)方案加以學(xué)習(xí)和借鑒，有益于快速提高我國(guó)艦船的水下抗爆能力，從而提高艦船的生命力及戰(zhàn)斗力。但在學(xué)習(xí)借鑒的過程中，應(yīng)避免“依葫蘆畫瓢”，需充分理解各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，清晰主要載荷的毀傷機(jī)理，掌握各結(jié)構(gòu)的防護(hù)機(jī)理，從而建立完善的艦船水下結(jié)構(gòu)防護(hù)體系。

3 舷側(cè)多艙結(jié)構(gòu)的毀傷與防護(hù)機(jī)理

因水下多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要防御對(duì)象是水中魚雷和水雷，所以工程上也稱其為防雷艙結(jié)構(gòu)?！八露嗯摲雷o(hù)結(jié)構(gòu)”中的“多艙”具體是指位于艦船舷側(cè)的多艙隔艙，這主要是因?yàn)轸~、水雷的攻擊方式所決定的。水雷是在作戰(zhàn)海域中投放的防御性武器，在對(duì)艦船的接觸爆炸毀傷中，其引爆方式多由艦船舷側(cè)直接碰撞造成。魚雷則為主動(dòng)攻擊型武器，在投放之前需根據(jù)目標(biāo)艦船的排水量預(yù)先設(shè)置定深以最大程度發(fā)揮戰(zhàn)斗部裝藥的爆炸威力。若定深過大，容易使魚雷從船底穿過而錯(cuò)失引爆機(jī)會(huì)。因此，選擇艦船的舷側(cè)作為魚雷的攻擊點(diǎn)具有更高的成功率。這也是各國(guó)對(duì)艦船舷側(cè)的抗爆能力不斷加強(qiáng)的原因。這種通過在水下舷側(cè)設(shè)置具有3～5 層防護(hù)隔艙以抵御水中兵器接觸爆炸破壞作用的防護(hù)措施已得到廣泛認(rèn)可。下文將以大型艦船水下舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要概述其在水下接觸爆炸下的毀傷破壞過程及防護(hù)機(jī)理。

圖14 所示為典型三艙式防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞過程示意圖[20]。靠近舷側(cè)的第一層為空艙，它可以為接觸爆炸時(shí)舷側(cè)外板的變形提供空間，并衰減爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力。同時(shí)也為涌入艙內(nèi)的爆轟氣團(tuán)提供了膨脹空間，因而又稱為膨脹空艙。第二層艙室為液艙（可以是水艙或重油艙），使武器戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的破片和外板破裂所形成的二次碎片在高速穿入液艙后迅速降速，因而稱為吸收液艙。另外，在受到爆炸沖擊波作用時(shí)，艙內(nèi)液體的存在相當(dāng)于增加了液艙的整體慣性力，其抗爆能力也得到了增強(qiáng)[21]。同時(shí)，當(dāng)沖擊波經(jīng)過液艙中的不同介質(zhì)交界面而發(fā)生反射與透射后，其強(qiáng)度也有所衰減。第三層又為空艙，因其水密性的要求，也被稱為水密艙。它一方面可供防御縱壁發(fā)生大變形吸能，另一方面為防御縱壁損壞后形成的沖擊壓力作第二次緩沖，以保護(hù)防水縱壁免遭破壞?？傮w來看，舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)是利用較大的縱深空間將爆炸產(chǎn)生的能量逐步耗散，最終達(dá)到保護(hù)內(nèi)部重要艙室的目的[22]。

4 舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷特性研究現(xiàn)狀

艦船舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中包括眾多結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)形式非常復(fù)雜，不同構(gòu)件在水下接觸爆炸下所受典型載荷以及破壞模型不盡相同。圖15 給出了美國(guó)加利福尼亞號(hào)戰(zhàn)列艦舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸下的損傷示意圖。為了搞清楚多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸載荷下的損傷特性，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。

朱錫等[23]較早的開展了對(duì)舷側(cè)防雷艙結(jié)構(gòu)的水下抗爆性能研究。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液艙的存在可有效抵御破片的侵徹破壞，且經(jīng)局部加強(qiáng)的防雷艙結(jié)構(gòu)，其防護(hù)效能更強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果充分說明了液艙在多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中的重要性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度匹配的必要性。在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，張振華等[24]總結(jié)了防雷艙各層防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式。在水下接觸爆炸載荷作用下，舷側(cè)外板依次會(huì)發(fā)生剪切沖塞、凹陷變形和花瓣開裂這三種典型破壞模型；液艙外板的破壞則由破片侵側(cè)產(chǎn)生破口并伴隨花瓣開裂；而液艙內(nèi)板和防御縱壁的破壞模式相似，在爆炸能足夠的情況下，均會(huì)發(fā)生塑形大變形及板架開裂花瓣的翻轉(zhuǎn)，具體破壞模式如圖16 所示。

圖14 水下多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)破壞過程示意圖[20]Fig. 14 Schematic diagram of failure process of underwater multi-compartment protection structure

圖15 美國(guó)加利福尼亞號(hào)戰(zhàn)列艦舷側(cè)損傷Fig. 15 Side damage on the USS California

張振華等[24]還分析了防雷艙結(jié)構(gòu)的防護(hù)機(jī)理，并提出了能量流的概念，即水下爆炸產(chǎn)生的能量在流向內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)由于多層防護(hù)結(jié)構(gòu)吸能而逐層衰減。通過對(duì)各層防護(hù)結(jié)構(gòu)吸能率的計(jì)算得出板架結(jié)構(gòu)的塑性大變形是最主要的吸能方式（占總吸能的一半以上），液體對(duì)破片動(dòng)能的吸收是第二主要方式，而結(jié)構(gòu)的花瓣開裂翻轉(zhuǎn)所吸收的能量很少。這一結(jié)論與陳衛(wèi)東等[15,25]的研究結(jié)果有所差別，他們發(fā)現(xiàn)液體對(duì)破片動(dòng)能的吸收是主要吸能方式，而結(jié)構(gòu)的塑性大變形次之。這可能是因?yàn)閮烧咴囼?yàn)?zāi)Ｐ偷牟煌瑢?dǎo)致的，前者是針對(duì)具有加筋結(jié)構(gòu)的防雷艙縮尺模型，而后者是通過板組成的簡(jiǎn)化的多層防護(hù)結(jié)構(gòu)模型。Zhang 等[26]在徐定海等[27]對(duì)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了沖擊波在多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中的衰減過程，并對(duì)外層板破口尺寸、花瓣撕裂和塑性變形等破壞現(xiàn)象進(jìn)行了討論。張倫平等[18]也對(duì)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)開展了一系列的水下接觸爆炸試驗(yàn)，分析了藥量、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的厚度、艙室寬度等因素對(duì)結(jié)構(gòu)吸能的影響。其中在對(duì)有、無膨脹艙內(nèi)隔板的對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)隔板對(duì)外板的裂紋擴(kuò)展有良好的抑制作用。但同時(shí)由于內(nèi)隔板在膨脹艙形成通道而使后續(xù)結(jié)構(gòu)變形增大。這也可以理解為上下隔板約束了爆炸能量的傳遞方向，使作用在液艙前壁上的載荷更加集中。而在實(shí)尺寸情況下，裝藥的質(zhì)量較大，爆炸毀傷范圍相比一個(gè)板格的寬度要大的多，內(nèi)隔板對(duì)爆炸能量的約束影響較小。郭百森[28]在對(duì)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸下的數(shù)值仿真研究中也分析了內(nèi)隔板的作用，認(rèn)為舷側(cè)外板在爆炸沖擊載荷下的動(dòng)響應(yīng)通過內(nèi)隔板傳遞給了與其相連的液艙前壁，這容易造成液艙前壁的變形破壞。并針對(duì)這一問題提出利用半圓弧波紋板替換原內(nèi)隔平板，使其容易發(fā)生變形而減少傳遞至液艙外板的應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)形式在前文的圖7（a）所示的“倫道夫”號(hào)航母的水密艙內(nèi)隔板中也有類似的設(shè)計(jì)。隨著聚能裝藥的發(fā)展，爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部被廣泛應(yīng)用于水中兵器[29-30]。聚能裝藥在爆轟的過程中將形成一個(gè)高速的大質(zhì)量侵徹體，因其較大的動(dòng)能而具有很強(qiáng)的侵徹能力。對(duì)此，王長(zhǎng)利等[31]開展了多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在聚能裝藥水下接觸爆炸下的毀傷試驗(yàn)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在相同爆炸當(dāng)量條件下，爆破型裝藥僅對(duì)第一層空艙產(chǎn)生破壞，而聚能型裝藥形成的侵徹體可造成液艙前后板的穿孔和較大變形。這種爆炸形成彈丸戰(zhàn)斗部對(duì)利用含水夾層作為防護(hù)手段的水下艦艇的毀傷威脅更為顯著[32]。舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷威脅主要來自水中武器，但也存在受到反艦導(dǎo)彈攻擊的可能，例如反艦導(dǎo)彈通過掠海飛行攻擊舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的水上部分。這種攻擊模式下，反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部往往依靠自身動(dòng)能穿透舷側(cè)外板，在舷側(cè)空艙內(nèi)實(shí)施艙內(nèi)爆炸。對(duì)此，Kong 等[33]開展了模擬戰(zhàn)斗部在多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的舷側(cè)空艙內(nèi)的爆炸毀傷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：沖擊波與高速破片的協(xié)同作用對(duì)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中的加筋板架具有明顯的毀傷增強(qiáng)效應(yīng)。另外，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橫艙壁之間的開孔可以有效引導(dǎo)沖擊波的傳播，從而減小了其他方向上結(jié)構(gòu)的損傷。

圖16 防雷艙各層防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模型[24]Fig. 16 Failure mode of each defensive bulkhead in broadside defense cabin[24]

以上所述多為試驗(yàn)研究，對(duì)于由眾多板架組成的多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)，即便是縮尺模型或者簡(jiǎn)化模型，其制作過程也較為復(fù)雜，而且還需在水下實(shí)施。這給開展多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的系列試驗(yàn)帶來了困難。而數(shù)值仿真方法具有高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，并且這種優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在物理過程的可視化上，因而被廣泛應(yīng)用于水下爆炸的研究。很多學(xué)者對(duì)水下接觸爆炸數(shù)值仿真方法的可行性進(jìn)行了探索。例如Zhang 等[34]、楊文山等[35]使用的基于無網(wǎng)格理論的SPH 方法和于詩源[36]、唐廷等[37]使用的基于多物質(zhì)流固耦合理論的ALE 方法，通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較都在一定程度上說明了這些數(shù)值仿真方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，影響多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)效能的眾多因素（如艙壁厚度[38]、隔艙寬度[39-40]、液艙位置[41-42]、艙內(nèi)液位高度[28,43]以及艙壁間層間結(jié)構(gòu)[44,45]等）被廣泛研究，并為工程設(shè)計(jì)提供了一定的參考。需要注意的是，對(duì)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果仍存在較大的誤差。其結(jié)構(gòu)的毀傷與載荷的傳播在數(shù)值仿真中很難被兼顧，尤其是多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)毀傷情況及其所受載荷特性。例如在使用ALE 算法對(duì)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的水下接觸爆炸情況進(jìn)行數(shù)值仿真中，當(dāng)舷側(cè)外板破壞時(shí)，產(chǎn)生大變形的結(jié)構(gòu)單元需被刪除以避免單元畸變而導(dǎo)致計(jì)算程序停止。這樣的算法顯然會(huì)在一定程度上減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)所受的破片載荷。因此，對(duì)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸的數(shù)值仿真方法準(zhǔn)確性的探索仍需要進(jìn)一步開展。同時(shí)，在使用數(shù)值方法研究多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中的某一結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)避免“以偏概全”的算法驗(yàn)證，而應(yīng)對(duì)此目標(biāo)結(jié)構(gòu)開展針對(duì)性的驗(yàn)證。

總體而言，水下接觸爆炸載荷與舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用問題是非常復(fù)雜的。它不僅涉及多種結(jié)構(gòu)，還涉及多種流體介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)所受載荷形式多樣，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的毀傷特性也存在較大差別。為了更詳細(xì)的敘述多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸下毀傷，下文將以多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中的部分結(jié)構(gòu)（船體外板、舷側(cè)空艙、防護(hù)液艙等）作為研究對(duì)象，闡述其在主要載荷作用下的毀傷機(jī)理以及相應(yīng)的防護(hù)措施。

5 船體外板的毀傷與防護(hù)研究現(xiàn)狀

5.1 船體外板的毀傷和破口尺寸的估算

船體外板在遭受水下接觸爆炸攻擊后，將產(chǎn)生嚴(yán)重的局部破口損傷，其毀傷過程可以分為兩個(gè)階段[46]：第一個(gè)階段是破口形成階段，炸藥在爆轟過程中對(duì)板架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生絕熱剪切破壞從而形成初始破口；第二個(gè)階段是破口的擴(kuò)展階段，炸藥爆轟后形成高溫高壓的爆轟氣團(tuán)，在持續(xù)的膨脹過程中，板架結(jié)構(gòu)會(huì)沿著破口繼續(xù)開裂、凹陷，并產(chǎn)生大面積塑性變形。船體外板在水下接觸爆炸下的破口大小直接影響到艦船的穩(wěn)性和不沉性，因此，在艦船結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)階段根據(jù)外板和加筋的基本屬性和參數(shù)預(yù)報(bào)破口尺寸是艦船生命力評(píng)估的首要問題。

水下接觸爆炸下的船體外板破口尺寸與爆炸點(diǎn)位置、戰(zhàn)斗部類型、裝藥質(zhì)量和船體板架的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材料等多種因素有關(guān)。因此，通過理論推導(dǎo)準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜板架結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸下的破口尺寸是很困難的。各國(guó)艦船設(shè)計(jì)人員往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)此加以估算。吉田隆通過對(duì)二戰(zhàn)期間日本海軍艦船在實(shí)戰(zhàn)中的損傷實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)，得到了船體板架在水下接觸爆炸下的破口半徑經(jīng)驗(yàn)公式[47]：

式中：R為破口半徑，m；W為藥包等效TNT 當(dāng)量，kg；δ 為外板相當(dāng)厚度，mm；a為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，對(duì)于空中接觸爆炸取0.62，對(duì)于水下接觸爆炸取為1。也有文獻(xiàn)認(rèn)為該結(jié)構(gòu)特征系數(shù)是指外板結(jié)構(gòu)形式，即有加筋的平板取0.62，而平板取1。該經(jīng)驗(yàn)公式是基于二戰(zhàn)時(shí)期日本海軍艦船的毀傷建立的，當(dāng)時(shí)的艦船結(jié)構(gòu)多采用鉸接的連接形式，并且鋼材韌性相對(duì)目前的要低。因此，其估算精度不足，公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)有待重新測(cè)定。

前蘇聯(lián)海軍也同樣根據(jù)裝藥質(zhì)量和板厚來估算破口尺寸[48]：

式中，Lp為破損長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，m；G為裝藥的TNT 當(dāng)量，kg；h為外板厚度，m；K0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。劉潤(rùn)泉等[49]通過多組加筋板水下接觸爆炸模型試驗(yàn)擬合出該經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可取為0.37。

以上兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式都沒有充分考慮加強(qiáng)筋對(duì)破口尺寸的限制作用。為此，朱錫等[50]引入了板架結(jié)構(gòu)中橫、縱加強(qiáng)筋的相對(duì)剛度這一參數(shù)，考慮了舷側(cè)外板上縱骨與艙內(nèi)隔板對(duì)破口裂紋的擴(kuò)展作用并將式(2)修正為：

式中：I為加強(qiáng)筋的相對(duì)剛度，m3；K0、α 為修正系數(shù)，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果擬合得出K0=0.063, α=0.153。需要指出的是，模型試驗(yàn)是將加筋板架水平放置于水面，藥包放置于水下一側(cè)并與結(jié)構(gòu)相接觸。這種情況下，爆炸產(chǎn)生的能量幾乎全部作用在板架上。而艦船水下舷側(cè)接觸爆炸情況下，爆炸產(chǎn)生的爆轟氣團(tuán)在膨脹過程中會(huì)在自由液面處散逸部分氣泡能，爆轟氣團(tuán)推動(dòng)破口開裂、凹陷等能力有所衰減。因此，使用該經(jīng)驗(yàn)公式估算舷側(cè)破口尺寸應(yīng)該是偏大的。

文獻(xiàn)[51]給出了計(jì)及爆點(diǎn)水深的破口尺寸經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：p0為爆心處靜水絕對(duì)壓力，MPa。該公式中并沒有涉及結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)參數(shù)，其合理性存疑。而水深對(duì)接觸爆炸破口尺寸的影響，Keil[52]得出了不同結(jié)論。通過對(duì)固支平板水下接觸爆炸的系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水深對(duì)破口尺寸幾乎沒有影響，而裝藥質(zhì)量與平板厚度才是影響破口尺寸的關(guān)鍵因素。并在此基礎(chǔ)上給出了平板在水下接觸爆下的破口半徑公式和產(chǎn)生破口的臨界藥量公式：

式中：t為板厚，m；Wcri為臨界藥量。

Rajendran 等[53]則進(jìn)一步分析了材料強(qiáng)度參數(shù)對(duì)破口尺寸的影響，在理論推導(dǎo)過程中將板材料的本構(gòu)關(guān)系假設(shè)為理想剛塑性，并考慮了平板的中面薄膜拉伸應(yīng)變且忽略了平板在局部隆起和花瓣開裂過程中的能量耗散，其計(jì)算公式如下：

式中：W為裝藥TNT 當(dāng)量，kg；ETNT為單位質(zhì)量TNT 包含的能量（MJ/kg），密度為1 630 kg/m3的TNT 為4.44 MJ/kg；t為板厚，m；σy為材料的靜態(tài)屈服應(yīng)力，MPa；εf為材料的失效應(yīng)變；η 為裝藥能量轉(zhuǎn)化為板變形能的百分比，目標(biāo)對(duì)象為高強(qiáng)度低碳鋼可取為0.123 6。

5.2 防護(hù)措施

總體而言，針對(duì)舷側(cè)外板的防護(hù)措施較少。為保證艦船產(chǎn)生破口而涌入海水后仍保持足夠的不沉性以及起降艦載機(jī)所必須的船體穩(wěn)定，需要對(duì)船體空間進(jìn)行合理的水密分隔。而直接限制破口尺寸的有效措施是在外板上設(shè)置較強(qiáng)的加筋結(jié)構(gòu)。從以上經(jīng)驗(yàn)公式來看，外板越厚，破口尺寸越小。但若以增加板厚來追求更小的破口尺寸并不合理，因?yàn)檫@不僅大大增加了結(jié)構(gòu)的重量，而且會(huì)在接觸爆炸下產(chǎn)生更大質(zhì)量的結(jié)構(gòu)碎片。因此，有的設(shè)計(jì)思路認(rèn)為：舷側(cè)外板在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況下應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)的薄些，以降低所形成破片的質(zhì)量和尺寸，從而減小高速破片對(duì)內(nèi)部艙室的侵徹毀傷效果。另外，在舷側(cè)外板內(nèi)側(cè)噴涂聚脲材料[54-55]可以起到一定的止裂作用，并且可以有效減少破片的飛散。聚脲涂料是一種典型的彈性聚合物材料[56]，具有彈性模量高、抗拉強(qiáng)度和韌性好等力學(xué)優(yōu)點(diǎn)，并且可通過噴涂的方式直接與鋼結(jié)構(gòu)粘結(jié)，施工工藝簡(jiǎn)單。因而具有良好的抗爆抗沖擊性能和應(yīng)用前景。研究人員在對(duì)具有聚脲涂層的目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗爆試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：將聚脲噴涂在金屬板的背爆面時(shí)，可以有效減少鋼板的變形撓度，鋼板的變形速度峰值也有很大程度的衰減，并且可以有效阻止鋼板結(jié)構(gòu)上形成的碎片飛散，涂層厚度越大，抗爆效果越明顯[57-58]。

6 舷側(cè)空艙載荷特性及防護(hù)措施研究現(xiàn)狀

6.1 舷側(cè)空艙載荷特性

舷側(cè)外板在炸藥爆轟下形成初始破口后，爆轟產(chǎn)物開始膨脹，形成的爆炸沖擊波分別向水中和膨脹空艙內(nèi)傳播，使外板破口發(fā)生徑向擴(kuò)展。由于水介質(zhì)的慣性遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)，爆炸產(chǎn)物在膨脹空艙內(nèi)的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于水中，從而產(chǎn)生“腔吸效應(yīng)”。大量爆轟產(chǎn)物灌入膨脹空艙，形成準(zhǔn)靜態(tài)壓力，使舷側(cè)空艙內(nèi)的各壁板產(chǎn)生鼓脹變形。吳林杰等[59]通過防雷艙水下接觸爆炸模型試驗(yàn)測(cè)到了舷側(cè)空艙內(nèi)的沖擊載荷，其載荷特性在時(shí)間尺度上可分為氣團(tuán)膨脹擴(kuò)散階段和脈動(dòng)平穩(wěn)兩個(gè)階段，如圖17 所示。在氣團(tuán)膨脹擴(kuò)散階段，結(jié)構(gòu)承受的載荷為瞬態(tài)沖擊載荷，其特征是沖擊壓力較大，但作用時(shí)間很短；脈動(dòng)平穩(wěn)階段，隔離艙壁結(jié)構(gòu)承受的載荷以緩慢衰減的準(zhǔn)靜態(tài)氣壓為主，伴以壓力的小幅波動(dòng)，其壓力值相對(duì)較小，但作用時(shí)間較長(zhǎng)。在其試驗(yàn)中測(cè)到的準(zhǔn)靜態(tài)壓力的比沖量是沖擊波載荷的數(shù)倍。

陳鵬宇等[60]對(duì)膨脹空艙內(nèi)的毀傷載荷進(jìn)行了更細(xì)致的劃分，其載荷特性在空間分布上根據(jù)爆炸沖擊波的反射特性劃分為正反射區(qū)、馬赫反射區(qū)和角隅匯聚區(qū)，如圖18 所示。正反射區(qū)作用載荷由初始瞬態(tài)脈沖載荷和后續(xù)逐漸衰減的準(zhǔn)靜態(tài)氣壓載荷疊加而成；馬赫反射區(qū)作用載荷則以準(zhǔn)靜態(tài)氣壓為主；角隅部位由于沖擊波匯聚效應(yīng)的影響，也會(huì)產(chǎn)生多次較強(qiáng)的沖擊，如圖19 所示。爆炸沖擊波以及形成的一系列反射波聯(lián)合準(zhǔn)靜態(tài)壓力極易使空艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)在邊緣處產(chǎn)生撕裂。并通過數(shù)值仿真方法擬合得出了膨脹艙準(zhǔn)靜態(tài)氣壓pe的計(jì)算公式：

圖17 舷側(cè)空艙內(nèi)典型測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線[59]Fig. 17 Pressure-time histories of typical measuring points on side empty cabin

式中，A為常數(shù)，表征氣泡能占水下爆炸總能量的比例，取0.47；β 為修正系數(shù)，表征進(jìn)入膨脹艙氣泡能的比例，取0.5；γ 為比熱比，取1.4；V為膨脹空艙的總?cè)莘e；e為裝藥的比內(nèi)能，當(dāng)裝藥為TNT 時(shí)，取4.765 kJ/kg；me為裝藥的相當(dāng)TNT 當(dāng)量。

圖18 膨脹艙壁載荷特性區(qū)域分布[60]Fig. 18 Distribution of load characteristics on isolate bulkhead[60]

圖19 載荷簡(jiǎn)化模型[60]Fig. 19 Simplified models of load[60]

6.2 防護(hù)措施

根據(jù)水下接觸爆炸下舷側(cè)空艙內(nèi)的毀傷載荷特性，有以下幾點(diǎn)防護(hù)措施可以緩解結(jié)構(gòu)的毀傷程度。

（1）結(jié)構(gòu)性加強(qiáng)。由于沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力容易使空艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)在邊緣處發(fā)生撕裂，因此，有必要在板緣處予以加強(qiáng)。

（2）泄壓。泄壓的防護(hù)設(shè)計(jì)思想主要是指以空間距離衰減耗散爆炸產(chǎn)物、沖擊波強(qiáng)度和能量，以空間容積耗散、降低準(zhǔn)靜態(tài)壓力，從而達(dá)到保護(hù)重要艙室結(jié)構(gòu)的目的。3.2 節(jié)中提到了在船體內(nèi)部隔板上設(shè)置泄壓孔以允許爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體釋放到艦船內(nèi)的非關(guān)鍵空間。由于直接在肋骨間設(shè)置泄壓孔會(huì)影響艦船的整體水密性分隔，因此泄壓孔的具體做法是在艙壁外側(cè)安裝一定厚度的特種鋼制蓋，當(dāng)爆炸沖擊波使空艙內(nèi)壓增大時(shí)，鋼制蓋即脫落，使沖擊波壓縮的空氣由此泄出，降低艙室內(nèi)壓，從而起到保護(hù)內(nèi)層艙室的作用。沖擊波泄出孔與空艙防護(hù)結(jié)構(gòu)的配合使用可以對(duì)沖擊波載荷的防護(hù)起到很好的效果，沖擊波壓力將在空艙中迅速衰減，這樣可以減輕內(nèi)部艙室艙壁或防護(hù)水艙外板所承擔(dān)的壓力[9]。另外，更有效的措施是在舷側(cè)外板上設(shè)置泄壓板，讓爆轟氣團(tuán)釋放至外界大氣中。但是泄壓板的工藝設(shè)計(jì)有一定的難度。資料顯示，日本海軍的“大鳳”號(hào)航空母艦就采用了這種形式的泄壓板設(shè)計(jì)，從實(shí)戰(zhàn)結(jié)果來看，這種設(shè)計(jì)對(duì)艦船舷側(cè)防護(hù)是有效果的。

（3）水霧抑爆。水霧對(duì)抑制爆炸沖擊波有著積極的作用。不僅在煤礦瓦斯抑爆中得到良好的應(yīng)用[61]，而且在艦船抗爆設(shè)計(jì)上也有很好的應(yīng)用前景[62]。通過現(xiàn)代雷達(dá)預(yù)警和自動(dòng)水霧噴灑系統(tǒng)相結(jié)合可以很好的發(fā)揮水霧抑爆在艦船被動(dòng)防御體系中的作用。水霧抑爆的防護(hù)機(jī)理主要有三個(gè)方面：①在爆炸沖擊波的傳播路徑上設(shè)置其他介質(zhì)相，利用沖擊波在不同介質(zhì)交界面上的入射、反射衰減耗散沖擊波能量；②當(dāng)沖擊波作用于液滴時(shí)，液滴發(fā)生破碎、拋灑和飛散，從而實(shí)現(xiàn)沖擊波能向液體動(dòng)能的轉(zhuǎn)化；③在沖擊波作用于液滴的過程中，液體發(fā)生霧化、蒸發(fā)吸熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊波能的吸收。除此以外，水霧還可以減緩或熄滅沖擊波作用后的后續(xù)化學(xué)反應(yīng)，稀釋爆炸后的氣體密度，防止產(chǎn)生二次爆炸或者次生火災(zāi)[63-64]。Willauer 等[65]和陳鵬宇等[66]學(xué)者開展的水霧在密閉艙室中的爆炸試驗(yàn)證實(shí)了水霧對(duì)艙內(nèi)爆炸沖擊波的衰減作用。美國(guó)馬里蘭州海軍實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一系列水霧抑爆試驗(yàn)表明[67]：在安裝水霧噴射裝置的防雷艙室中，爆炸產(chǎn)生的初始沖擊波超壓峰值、沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力在水霧的作用下均有顯著的衰減。

7 液艙結(jié)構(gòu)的毀傷與防護(hù)研究現(xiàn)狀

作為大型艦船多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，液艙的設(shè)計(jì)應(yīng)用非常巧妙，一方面艦船本來就有裝載的需要，另一方面對(duì)爆炸沖擊波與高速破片都有良好的抵御作用。如前文所述，液艙的前板所受載荷有三種，分別是沖擊波、高速破片和準(zhǔn)靜態(tài)氣壓。相較沖擊波和破片載荷，準(zhǔn)靜態(tài)壓力主要對(duì)周圍的橫隔艙壁以及上下甲板產(chǎn)生毀傷，而由于液艙較大的慣性質(zhì)量使得準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)其作用效果十分有限。因此，下文以沖擊波和破片作為液艙結(jié)構(gòu)的主要?dú)d荷進(jìn)行總結(jié)。

7.1 沖擊波載荷對(duì)液艙的破壞作用

爆炸沖擊波作用于液艙時(shí)，首先使液艙前板產(chǎn)生向后的動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)，板后液體也將一起運(yùn)動(dòng)，這相當(dāng)于前板的慣性力得到了增加，因此，前板的變形量相較于背空板要小的多。李思宇等[68]通過數(shù)值仿真方法對(duì)比了有無液體時(shí)液艙結(jié)構(gòu)的破壞模式及吸能模式，并研究了液艙內(nèi)水層厚度對(duì)液艙總吸能的影響。其次，爆炸沖擊波在空氣—鋼界面與鋼—液體界面透射進(jìn)入艙內(nèi)液體并作用于液艙后板，使得后板向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)向艙內(nèi)反射稀疏波，稀疏波將導(dǎo)致艙內(nèi)液體形成部分負(fù)壓區(qū)從而發(fā)生蒸發(fā)，最終在后板附近形成空穴，空穴的潰滅將再次向四周輻射沖擊波并作用在液艙結(jié)構(gòu)上。這一現(xiàn)象通常在水下近距爆炸中發(fā)生，稱為二次加載[10,69]，其本質(zhì)是沖擊波作用下的流固耦合效應(yīng)[70]。杜志鵬等[21]認(rèn)為，后板在沖擊波作用下的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的稀疏波將使液艙內(nèi)的壓力降低，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)液艙對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)和阻斷的功能。另外，他們通過對(duì)防護(hù)液艙前、后板在近距爆炸載荷作用下的響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)出了液艙前、后板的響應(yīng)計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果表明：液艙后板的速度響應(yīng)要大于前板，因此，液艙后板更容易破損。

7.2 破片載荷對(duì)液艙的破壞作用

當(dāng)高速破片撞擊并侵徹液艙時(shí)，破片的速度因?yàn)橐后w的阻力得到顯著衰減。與此同時(shí)，艙內(nèi)液體中會(huì)形成強(qiáng)烈的壓力波和液體流，破片的動(dòng)能通過液體傳遞給結(jié)構(gòu)壁面，從而使液艙產(chǎn)生嚴(yán)重的毀傷破壞，這種現(xiàn)象稱為水錘效應(yīng)[71-73]（Hydrodynamic Ram）。Kwon 等[74]將彈丸侵徹液艙的過程分為撞擊、進(jìn)入、開坑、空化和穿出5 個(gè)階段，根據(jù)結(jié)構(gòu)屬性的不同，這5 個(gè)階段也不一定全部發(fā)生。如果結(jié)構(gòu)足夠抵抗彈丸侵徹，那么只會(huì)發(fā)生撞擊；如果彈丸不能順利穿出，那么只會(huì)發(fā)生前4 個(gè)階段。

在水錘效應(yīng)過程中，有三種典型的載荷在液艙中形成，分別是初始沖擊載荷、拖拽載荷和空泡潰滅載荷。初始沖擊載荷是由破片撞擊液面所形成的沖擊波，其以撞擊點(diǎn)為中心，呈半球形向外輻射。McMillen[75]通過彈丸侵徹水艙試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著與彈道之間角度的增大，距離撞擊點(diǎn)相同長(zhǎng)度處的測(cè)點(diǎn)壓力峰值逐漸減小。這說明初始沖擊波在液體中的傳播并不是均勻的，彈丸頭部的沖擊波壓力最大，其傳播速度更快，在傳播一段距離后，波陣面最終呈現(xiàn)出半橢球形。初始沖擊波的壓力上升沿非常陡峭，但作用時(shí)間相對(duì)較短[76]，隨傳播距離的增大，壓力峰值顯著下降。初始沖擊波的載荷特性（壓力峰值與正壓作用時(shí)間）與彈丸的初速、質(zhì)量和侵徹面積等因素相關(guān)。Dear 等[72]給出了球形彈丸侵徹蓄液結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生初始沖擊波的峰值壓力和正壓作用時(shí)間計(jì)算公式。唐廷等[77]則采用一維平面波理論推導(dǎo)了大質(zhì)量片狀破片撞擊液艙所形成的激波載荷的計(jì)算方法，并指出：破片速度與沖擊波峰值成正比，速度越快，峰值越大。而破片速度不會(huì)影響沖擊波的衰減規(guī)律，沖擊波的衰減規(guī)律與破片的厚度相關(guān)。破片越厚，沖擊波的正壓作用時(shí)間越長(zhǎng)。另外，液艙內(nèi)的液位也會(huì)對(duì)初始沖擊波產(chǎn)生影響。在部分裝載時(shí)，由于自由液面反射稀疏波的原因會(huì)使沖擊波的壓力峰值以及正壓作用時(shí)間相比滿艙狀態(tài)要有所降低[78]。在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)到初始沖擊波往往有多個(gè)峰值，壓力時(shí)程曲線呈現(xiàn)出振蕩形式[79-80]，利用高清攝影技術(shù)拍攝到的初始沖擊波畫面也展示出間距很小的多個(gè)波陣面[81]。Disimile 等[80]認(rèn)為這是由于彈丸在侵徹過程中的自身振動(dòng)所造成的，彈丸在液體中持續(xù)運(yùn)動(dòng)，而沖擊波是由這個(gè)移動(dòng)體不斷產(chǎn)生的。拖拽壓力載荷是由彈丸在液體中侵徹、開坑導(dǎo)致液體發(fā)生位移所形成的壓力場(chǎng)。這類似于水下爆炸過程中的滯后流載荷，也可以直觀理解為液體對(duì)結(jié)構(gòu)壁面的擠壓載荷。相比初始沖擊波，拖拽載荷的壓力峰值并不大，但是其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。McMillen 等[76]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在遠(yuǎn)離彈道附近處的傳感器并不能測(cè)到拖拽壓力，只有在距離彈道較近處才有壓力的上升。Disimile 等[80]在對(duì)比不同材料彈丸在侵徹蓄液結(jié)構(gòu)時(shí)的載荷特性時(shí)發(fā)現(xiàn)：鎢制彈丸比鋼制彈頭產(chǎn)生的拖拽壓力峰值要大，而鋼制彈丸產(chǎn)生的拖拽壓力峰值要比鋁制彈頭情況下的要大?？张轁巛d荷則是由彈丸或破片尾部形成的空泡潰滅所形成的。空泡的產(chǎn)生主要是由彈丸侵徹并排開液體所產(chǎn)生的。當(dāng)彈丸速度足夠快時(shí)，彈丸周圍的液體甚至能夠蒸發(fā)并保持汽態(tài)，這也是空泡形成的一個(gè)原因[76]。彈丸的動(dòng)能部分傳遞給周圍的液體，初始空泡在慣性力的作用下繼續(xù)膨脹發(fā)展，在膨脹至空泡最大尺寸后發(fā)生潰滅，從而向外輻射空泡潰滅壓力。這一過程與水下爆炸中的氣泡脈動(dòng)是相似的，其空泡潰滅壓力的強(qiáng)度與空泡最大尺寸相關(guān)[82]。Field[73]指出在靠近空泡坍塌中心處的壓力甚至可以達(dá)到1 GPa，但在壓力波到達(dá)初始空泡半徑之前便會(huì)發(fā)生非常顯著的衰減。

水錘效應(yīng)過程中的每一個(gè)階段都會(huì)以不同形式、不同程度的對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞[83]。Varas 等[78]通過高速攝影觀察到，當(dāng)初始沖擊波到達(dá)結(jié)構(gòu)壁面時(shí)，結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變形。在開坑和空化兩個(gè)階段，結(jié)構(gòu)的變形過程持續(xù)時(shí)間更久，遠(yuǎn)大于第一個(gè)沖擊階段。在此階段，液體向周圍壁面加速運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生大的塑性變形。因此，開坑與空化階段是結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的主要階段，彈丸或破片在液體中的開坑和空泡的膨脹發(fā)展是造成蓄液結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。Artero-Guerrero 等[84]則對(duì)此結(jié)論提出了限制條件，他們認(rèn)為：只有當(dāng)蓄液結(jié)構(gòu)尺寸與彈丸侵徹所形成的最大空泡尺寸接近時(shí)，空泡的膨脹才是才是水錘毀傷作用的主要影響因素；而當(dāng)蓄液結(jié)構(gòu)足夠大時(shí)，空泡的膨脹并不是最嚴(yán)重的毀傷形式?？张轁鐗毫κ撬N效應(yīng)過程中最復(fù)雜的問題，盡管許多學(xué)者對(duì)空泡的形成、膨脹和潰滅問題開展了大量的研究[82,85]，但是許多問題還沒有被完全解決，尤其是空泡潰滅壓力作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)問題，仍有待開展進(jìn)一步的研究。

在破片載荷的毀傷作用下，蓄液結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)鼓脹變形的破壞模式，即各壁面都是發(fā)生向外的變形或破壞。尤其需要說明的是前板的變形破壞，其最終變形方向是與破片速度方向相反的。這是因?yàn)楦咚僭谧矒羟鞍鍟r(shí)，前板發(fā)生絕熱剪切穿孔，變形區(qū)域限制在穿孔附近較小范圍之內(nèi)。而破片進(jìn)入液體后所形成初始沖擊波和壓力流的作用方向是與破片速度方向相反的，且這兩種載荷對(duì)前板變形的作用更加顯著，從而造成前板的反方向變形。另外，與沖擊波作用下的液艙破壞情況類似，在破片侵徹下，液艙后板的變形程度往往要大于液艙前板。這是因?yàn)樵诔跏紱_擊波和后續(xù)壓力流的作用下，液艙后板已經(jīng)具有了預(yù)應(yīng)力。在破片速度足夠快情況下，液艙后板向外變形并伴有沖塞穿孔，嚴(yán)重情況下甚至產(chǎn)生向外的花瓣破壞并伴有裂紋撕裂擴(kuò)展和大塑性變形。

7.3 沖擊波與破片聯(lián)合作用下液艙結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)

相比于沖擊波或破片載荷單獨(dú)作用下的毀傷效應(yīng)，沖擊波與破片載荷聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)制更加復(fù)雜。在戰(zhàn)斗部爆炸過程中，炸藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為沖擊波和爆轟產(chǎn)物以及破片的動(dòng)能。在近場(chǎng)爆炸情況下，沖擊波與破片幾乎同時(shí)作用于結(jié)構(gòu)。近年來，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在戰(zhàn)斗部近距爆炸下沖擊波與破片載荷對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)存在毀傷疊加和增強(qiáng)效應(yīng)。Lepp?nen[86]開展了對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在沖擊波與破片載荷作用下的試驗(yàn)與數(shù)值仿真研究，結(jié)果表明：聯(lián)合毀傷載荷比破片單獨(dú)作用時(shí)對(duì)混凝土塊內(nèi)部造成的毀傷更加嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，Nystr?m 等[87]通過數(shù)值仿真研究得出了更進(jìn)一步的結(jié)論：沖擊波與破片聯(lián)合沖擊下混凝土結(jié)構(gòu)的毀傷比沖擊波與破片分別單獨(dú)作用造成的毀傷之和還要嚴(yán)重。類似的結(jié)果也被Marchand 等[88]、Zhang 等[89]和Hu 等[90]等學(xué)者所報(bào)道。而當(dāng)沖擊波與破片載荷作用于液艙結(jié)構(gòu)時(shí)，其前、后板的動(dòng)響應(yīng)有很大區(qū)別。液艙前板在受到?jīng)_擊波載荷時(shí)，其變形方向是向內(nèi)的；而在破片侵徹下，前板的變形方向是向外的。當(dāng)沖擊波與破片載荷聯(lián)合作用液艙時(shí)，沖擊波作用于前板的外表面，而破片侵徹形成的壓力脈沖作用于前板的內(nèi)表面，兩者的作用力方向是相反的。因此，沖擊波與破片載荷的疊加增強(qiáng)效果并不會(huì)在液艙前板上展現(xiàn)。從液艙后板在沖擊波與破片載荷作用下的受力情況來看，兩種載荷使后板產(chǎn)生的變形方向是一致的。目前，在公開的文獻(xiàn)資料中，針對(duì)液艙結(jié)構(gòu)在沖擊波與破片載荷聯(lián)合作用下的毀傷研究很少。

7.4 防護(hù)措施

液艙本身就是對(duì)爆炸沖擊波和高速破片的防護(hù)設(shè)計(jì)，在明確了液艙結(jié)構(gòu)所受毀傷載荷和相應(yīng)防護(hù)機(jī)理的基礎(chǔ)上，一些更進(jìn)一步的防護(hù)措施被學(xué)者們提出。

對(duì)于爆炸沖擊波而言，液體介質(zhì)能夠有效降低沖擊波的壓力峰值和沖量，因而被廣泛應(yīng)用于彈藥庫[91-93]、車輛[94-95]、艦船[42,96]等重要目標(biāo)的防護(hù)。Zakrajsek 等[97-98]和Bornstein 等[94,99]提出液體對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)機(jī)理主要依賴于液體的蒸發(fā)、動(dòng)量轉(zhuǎn)化和阻抗差異。在實(shí)際的應(yīng)用中，蓄液結(jié)構(gòu)往往僅作為臨時(shí)存儲(chǔ)容器，在炸藥爆轟過程中破碎飛散以最大程度發(fā)揮液體對(duì)爆炸能量的轉(zhuǎn)化效率。從這一耗散機(jī)理來說，液艙并沒有充分發(fā)揮其防護(hù)功能，因?yàn)橄蟼?cè)多艙結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間受限，艙內(nèi)液體對(duì)爆炸能的吸收有限，主要還是依靠大體積液體增加液艙慣性力從而提高抗爆能力以及阻抗差異衰減沖擊波超壓。張弩等[100]通過數(shù)值仿真方法對(duì)比了單層、雙層液艙對(duì)水下接觸爆炸的防護(hù)效果，綜合對(duì)比結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)吸能和載荷強(qiáng)度后得出：雙層液艙結(jié)構(gòu)比單層液艙結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果更好。蔡思淵等[101]提出在液艙中設(shè)置空氣隔層或者設(shè)置波紋夾芯板隔層，研究結(jié)果表明：在同等質(zhì)量下，設(shè)置隔層能有效減小液艙后板的變形。并且，設(shè)置波紋夾芯板隔層的液艙結(jié)構(gòu)吸能最大，防護(hù)能力最強(qiáng)。一些應(yīng)用于其他目標(biāo)結(jié)構(gòu)的沖擊波防護(hù)措施也可為液艙防護(hù)提供參考。如Chen 等[102]為了提高作戰(zhàn)人員對(duì)爆炸沖擊波毀傷的抵御能力，提出了液壓能定向釋放技術(shù)。具體方法是將裝有水的橡膠軟管鋪設(shè)在凱夫拉防彈面板前，在沖擊波作用下，軟管中的水可從底部泄漏（如圖20 所示）。在其試驗(yàn)中，液壓能定向釋放技術(shù)可使沖擊波的的峰值壓力下降達(dá)97%。還有學(xué)者嘗試通過改變?nèi)萜髦械膬?chǔ)存介質(zhì)以試圖更好的降低沖擊波載荷。McCallum 等[103]通過數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)：相比大體積水，充氣的水可以顯著降低沖擊波的壓力峰值。對(duì)此，Grujicic 等[104]認(rèn)為這一防護(hù)機(jī)理主要依賴于充氣水中較小的水中聲速，并指出聲速在充氣率為10%的水中小于50m/s，在這種可壓縮介質(zhì)中，聲速的減小可以降低初始沖擊波下結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)。而在Bornstein 等[99]開展的爆炸脹膜試驗(yàn)（explosion bulge die test）中發(fā)現(xiàn)（如圖21 所示）：相比常態(tài)水，充氣水試驗(yàn)工況下的鋼板變形量甚至更大。兩種截然相反的結(jié)論很有可能是因?yàn)槟繕?biāo)結(jié)構(gòu)與水箱防護(hù)結(jié)構(gòu)之間的距離不同產(chǎn)生的。當(dāng)水箱緊靠在目標(biāo)結(jié)構(gòu)前端時(shí)，其防御機(jī)制主要還是依靠水的飛散對(duì)爆炸能的轉(zhuǎn)化。因此，具有更大質(zhì)量的常態(tài)水比充氣水對(duì)近距爆炸載荷的防御更具優(yōu)勢(shì)。另外，Bornstein 等[99]還嘗試在容器中加入剪切增稠液體以探索其對(duì)爆炸沖擊波的衰減效果，具體做法是在水中按1∶1 質(zhì)量加入玉米粉，這種液體比普通水具有更大密度和更強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：剪切增稠液體試驗(yàn)工況下鋼板變形比普通水情況要小，但防護(hù)效果的提升有限，試驗(yàn)中鋼板的變形量?jī)H下降了約3%。

圖20 液壓能定向釋放技術(shù)[102]Fig. 20 Hydraulic energy redirection andrelease technology[102]

針對(duì)高速破片侵徹蓄液結(jié)構(gòu)時(shí)造成的水錘效應(yīng)破壞，Townsend 等[105]提出了兩種有效措施：一種是在液艙中設(shè)置多層薄的空氣擋板（如圖22 所示）；另一種是使用低壓壓縮空氣在整個(gè)液艙內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的氣泡。兩種措施的原理都是通過沖擊波與反射波之間的相互影響來降低沖擊波的壓力，并有效的提高艙內(nèi)液體的可壓縮性以緩解液體向結(jié)構(gòu)壁面?zhèn)鬟f動(dòng)能的效率，兩種措施均可使艙內(nèi)液體中心區(qū)域的沖擊波壓力峰值下降約40～60%，同時(shí)結(jié)構(gòu)的破損程度也得到了緩解。Disimile 等[106]利用多組三角形結(jié)構(gòu)以反射彈體侵徹液艙時(shí)產(chǎn)生的激波（如圖23所示），并降低其對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)的破壞作用。試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝消波裝置后作用在液艙后板上的沖擊波壓力峰值約為單純液艙的60%?？紫樯氐萚107]提出了在液艙內(nèi)部敷設(shè)橡膠材料組成復(fù)合防護(hù)液艙的方案，試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果表明：復(fù)合防護(hù)液艙提高了液艙抗爆防御效果，液艙前板、后板最大變形分別減小了23%和8%，結(jié)構(gòu)應(yīng)變降低了30%，沖擊波峰值降低約19%。Artero-Guerrero 等[84]則認(rèn)為削弱沖擊波雖能在一定程度上降低蓄液結(jié)構(gòu)的破壞，但并不是最有效的方法。因?yàn)閷?duì)于小尺寸蓄液結(jié)構(gòu)，沖擊階段并不是“水錘效應(yīng)”毀傷最嚴(yán)重的階段，而空泡的膨脹才是造成蓄液結(jié)構(gòu)變形毀傷的最主要原因。為此，他們提出利用蜂窩鋁夾芯層填充水艙，這樣不僅可以利用芯層的變形進(jìn)行吸能，還可以有效限制空泡在液體中發(fā)展，如圖24 所示。其試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)置蜂窩鋁夾芯層的水艙在彈丸侵徹下可使結(jié)構(gòu)的膨脹體積降低達(dá)54%。在蓄液結(jié)構(gòu)中設(shè)置泡沫、橡膠墊等吸能材料的方法也被Zapel[108]、Copland[109]、Bless 等[110]、Liu 等[111]開展過，其有效性均在試驗(yàn)中得以驗(yàn)證。仲強(qiáng)等[112-113]則從降低彈速角度提出將液艙前板設(shè)置為陶瓷夾芯抗彈面板（如圖25 所示），利用高強(qiáng)度和高硬度的陶瓷芯層的變形、破碎和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等消耗彈體的動(dòng)能。以此降低彈體的入水速度，從而提高液艙結(jié)構(gòu)對(duì)高速侵徹體的防護(hù)能力。另外，Bless[114]還嘗試在蓄液結(jié)構(gòu)的面板上焊接加強(qiáng)筋的方式以限制裂紋擴(kuò)展，面板上的加強(qiáng)筋可為破口的擴(kuò)展提供約束和限制，從而有效減小結(jié)構(gòu)的毀傷。

圖21 充氣水箱對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的防護(hù)[99]Fig. 21 Protection of aerated watercontainer on target structure[99]

圖22 薄的空氣擋板示意圖[105]Fig. 22 Schematic of the impact tank with thin air filled baffles[105]

圖23 三角架作為消波結(jié)構(gòu)[106]Fig. 23 Bars of triangular used as mitigation memebers[106]

圖24 蓄液結(jié)構(gòu)填充蜂窩夾芯鋁[84]Fig. 24 Fluid filled tank installed with honeycomb structure[84]

圖25 陶瓷/液艙復(fù)合結(jié)構(gòu)[112]Fig. 25 Sketch of ceramic/fluid cabin composite structrues[112]

8 需進(jìn)一步研究的問題

（1）在水中兵器裝藥質(zhì)量一定的前提下，何種爆距對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷效果最大，即如何最大程度實(shí)現(xiàn)水中兵器的作戰(zhàn)效能，這一直是眾多學(xué)者討論的問題。在攻擊目標(biāo)艦船時(shí)，是通過水下接觸爆炸產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波和爆轟氣團(tuán)對(duì)艦船造成局部破口損傷，還是充分利用水下近場(chǎng)爆炸產(chǎn)生的氣泡能對(duì)艦船造成總體毀傷？這是一個(gè)亟待回答的問題。對(duì)此，筆者認(rèn)為需要結(jié)合目標(biāo)艦船的排水量以及合理的毀傷評(píng)估兩個(gè)方面。對(duì)于大型水面艦船，以目前常規(guī)水中兵器的裝藥量，幾乎很難在近場(chǎng)爆炸下使船體產(chǎn)生嚴(yán)重的中拱變形，這種情況下，無疑是接觸爆炸更能起到毀傷作用。另外需要考慮的是針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷評(píng)估，比如，針對(duì)中型艦船在接觸爆炸和近場(chǎng)爆炸毀傷分別造成的兩種典型破壞模式，哪一種破壞模式對(duì)艦船的生命力帶來更嚴(yán)重的威脅。值得提出的是，艦船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或許也應(yīng)該考慮在內(nèi)。因?yàn)楫?dāng)艦船處在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，水下近場(chǎng)爆炸下氣泡射流的形成很大程度上依賴于船體邊界，是否有足夠的時(shí)間使氣泡射流得以完全發(fā)展并成功作用于船體結(jié)構(gòu)。綜上所述，開展近距范圍內(nèi)船體結(jié)構(gòu)在不同爆距下的毀傷研究對(duì)于水中兵器的毀傷威力的評(píng)估以及艦船結(jié)構(gòu)抗毀傷能力評(píng)估具有重要意義。

（2）相比艦船水下舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，水下船底防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)滯后。這主要和早期魚雷的攻擊方式有關(guān)。隨著現(xiàn)代水中兵器制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，船底板也成為魚雷攻擊的重點(diǎn)部位，而船底防護(hù)結(jié)構(gòu)的空間明顯受限，沒有舷側(cè)那么大的利用空間，其對(duì)水下近距爆炸的防護(hù)能力較弱。船底處的龍骨是船體最重要的承重結(jié)構(gòu)，一旦龍骨受損，艦船的總縱彎曲強(qiáng)度將嚴(yán)重削弱。不僅如此，船底處的水下爆炸威力比在舷側(cè)處更強(qiáng)。這是因?yàn)榇装逶趶?qiáng)沖擊波和爆轟氣團(tuán)膨脹擠壓作用后，還承受后期氣泡涌流的沖擊載荷。當(dāng)在水下舷側(cè)附近發(fā)生爆炸時(shí)，一部分氣泡能會(huì)在自由液面溢散，而在船底板爆炸，所有的氣泡能幾乎都作用船體結(jié)構(gòu)，這種毀傷方式比舷側(cè)接觸爆炸更為嚴(yán)重。另外，船底龍骨附近的近距爆炸不僅可以使位于爆炸中心的艙段船底板架產(chǎn)生較大變形破壞，而且也會(huì)使相鄰的船底產(chǎn)生激烈的動(dòng)載荷。因此，開展艦船雙層板架結(jié)構(gòu)在接觸爆炸下的毀傷與防護(hù)研究，有利于提高艦船總體的抗毀傷能力，補(bǔ)齊短板，護(hù)住軟肋。

（3）一般的重型魚雷對(duì)中小型艦船實(shí)施水下近距接觸爆炸時(shí)，幾乎會(huì)是毀滅性的打擊。因其排水量較小、空間有限，很難在艦船水下部分設(shè)置大尺度的防護(hù)結(jié)構(gòu)，更多的還是依賴主動(dòng)防御體系（如預(yù)警規(guī)避、設(shè)置假目標(biāo)、反魚雷武器等），但這并不意味著中小型艦船的水下結(jié)構(gòu)防護(hù)可以被忽略，對(duì)于小當(dāng)量的魚水雷、恐怖小艇、蛙人攜帶的簡(jiǎn)易爆炸物以及艦船碰撞等問題仍具有重要意義。如何有效提高中小型艦船的水下抗爆能力仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

9 結(jié) 語

本文中以大型艦船水下舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，系統(tǒng)地綜述了多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸下的毀傷與防護(hù)。首先介紹了多國(guó)海軍大型艦船水下防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，指出了多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)在歷次升級(jí)中的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。其次對(duì)典型的三艙式舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部各艙室進(jìn)行了功能性說明，明確了基本的防護(hù)機(jī)理和設(shè)計(jì)要求。然后概述了針對(duì)舷側(cè)多艙防護(hù)結(jié)構(gòu)整體性毀傷的相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究工作。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了局部具體結(jié)構(gòu)在主要作用載荷下毀傷機(jī)理，并總結(jié)了相應(yīng)的防護(hù)措施。最后提出了目前防護(hù)結(jié)構(gòu)存在的不足以及有待進(jìn)一步探索的問題。這可為艦船的水下防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，以期提高我國(guó)大型艦船的結(jié)構(gòu)抗毀傷能力。