反艦導彈對艦船侵徹及內爆毀傷研究

魏繼鋒，戴文喜，徐豫新，吳國民，周心桃，王樹山

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081;2.中國艦船研究與設計中心，武漢 430064)

水面艦艇是海上攻防體系的主要平臺，也是敵方反艦導彈和魚雷等武器攻擊的主要目標。水面艦艇一般由艦體結構、艦上設備、水下艙段、動力裝置、探測、通信和導航系統等組成，水下部分主要由多個艙室構成，分布有燃料艙、淡水艙、武器彈藥艙、器材艙等主要艙段，是艦艇的重點防護區域。因此，艦艇艙室防護已成為艦船設計中一項重點關注的課題[1－3]。

反艦武器對水面艦艇的攻擊主要有兩種方式:外部爆炸和內部爆炸。外部爆炸常?？稍斐膳烍w結構變形、破損，對內部設備等影響較小;內部爆炸則是鉆入目標內部，對結構內的設備、裝置直接毀傷，同時造成艙體結構破壞，甚至解體?？梢钥闯觯瑑缺歉鼮橛行У臍绞絒4]。現代反艦導彈主要采用半穿甲戰斗部侵入艦船內部對目標進行毀傷，給水面艦艇防護帶來了巨大威脅。當半穿甲戰斗部進入艙體內，延時引信觸發使戰斗部主裝藥爆炸，艙壁受到爆炸沖擊載荷作用發生損傷或破壞[5－7]。

本文針對典型反艦導彈對艦船侵徹內爆問題開展研究，利用數值仿真獲得典型反艦導彈入侵艦船后的位置信息，以此為輸入信息進行模擬艙段內爆試驗研究，基于相似理論進行了裝藥及艙體模型設計，分析艙室及加厚壁受內爆作用的動態響應及毀傷特性，以期為艦艇艙段抗爆設計提供技術支持。

1 典型反艦導彈侵徹艦船模型

1.1 計算模型

飛魚導彈常作為典型反艦導彈，進行其對艦船目標毀傷特性的研究。根據飛魚導彈的結構及內部組成，建立飛魚導彈的有限元模型，該彈由導引艙、儀表艙、戰斗部艙、發動機艙、舵機艙五個艙段組成，全長5 210 mm，外徑360 mm。鑒于有限元模型大、對稱性好等特性，只建立1/2模型，模型單元數351 013個，節點數504 909個，如圖1所示。

圖1 飛魚導彈有限元模型Fig.1 FE model of feiyu missile

艦船舷側外板材料為980鋼，厚20 mm;艙高3 000 mm，深度3 000 mm，側壁厚4 mm，加厚壁采用復合結構，厚20 mm，另外在艙壁周向和縱向布設加強筋，以增加艙室結構穩定性和牢固性。

圖2 艦船艙體離散化模型Fig.2 Discrete model of cabin structure

1.2 材料與約束

飛魚導彈攻擊模式為末端掠海飛行，對艦船侵徹的初始狀態應為水平飛行侵入狀態，因此計算時設定入侵速度280 m/s，水平方向運動。

船舷材料采用彈塑性動力硬化模型，防破壞失效;艙室為四面焊接而成，防焊接失效;艙壁均采用彈塑性動力硬化模型，防破壞失效?？紤]導彈在空氣中運動的速度衰減，空氣采用null模型和線性多項式狀態方程[8]。

導彈部件與外板、艙室均采用面面接觸侵蝕算法，計算時會發生結構破碎、單元刪除。由于真實艦體巨大，因此在局部艙段遭侵徹時，整艦近似靜止狀態。模擬計算時，將艙段外圈作全約束處理。

2 艦船受侵徹結構響應

2.1 侵徹及破壞情況

飛魚導彈對船體沖擊，首先是導引艙和儀表艙與船舷接觸。導引艙主要由導引頭、復合材料外殼組成，儀表艙主要計算器件，因此這兩個艙段結構強度低、質量小，在侵徹過程中沿軸向發生擠壓、堆積、破碎，如圖3(a)和圖3(b)所示。此時艦舷發生凹陷變形，但未出現穿孔破壞。

戰斗部艙殼體為高硬度鋼材料，且頭部形狀為較大尺寸尖錐型，因此造成船舷花瓣型穿孔破壞，侵入艙體內部;戰斗部頭部仍保持結構完整，后續艙段也隨之進入，如圖3(c)所示。可以看出，該導彈戰斗部能夠進入艦船內部，產生內爆效果，而非近艙壁的接觸外爆。

圖3 導彈侵入船艙過程Fig.3 Penetration process of missile

2.2 侵徹過程中各艙動態響應

導彈侵徹外板過程中，各部件均因高速沖擊而產生較大過載。因引信和裝藥是導彈意外作用的主要部件，因此也是重點考察部位。侵徹過程中引信和裝藥加速度隨入侵時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 導彈侵徹時主要部位的過載變化Fig.4 Overloading characteristics of main parts

引信位于戰斗部底部，最大過載量超過12 000 g;裝藥最大過載約6 000 g。半穿甲型戰斗部引信作用是在其過載滿足啟動要求后，延滯數毫秒后作用，來引爆炸藥。從計算結果看，該戰斗部滿足艙體內爆的技術條件。

3 模擬艙室內爆試驗設計

圖5 模擬艙室結構示意圖Fig.5 Design map of simulated cabin

3.1 模擬艙室設計

模擬艙室結構四周和頂部焊接加強筋。橫筋截面尺寸為2 mm×60 mm(寬 ×高)，艙壁厚4 mm，加厚壁20 mm。

由于戰斗部侵徹艙體時，在入口處留下一穿孔，因此設計的模擬艙室也保留一直徑為180 mm圓形開口，模擬導彈穿甲破壞所留圓孔，并用于裝藥引線布設。

3.2 內爆試驗布局

試驗用裝藥與戰斗部裝藥相同，為B炸藥;模擬結構等效裝藥量為0.8 kg，結構為圓柱形;將裝藥固定在木架上伸至模擬艙內，用8號雷管引爆炸藥。起爆位置距加厚壁300 mm，距側壁和上下壁600 mm。

為研究艙壁及加厚壁在內爆作用下的變形情況，在四周艙壁外側貼附了應變片，應變片信息經解調器進入信號采集系統，獲得艙壁的應變量，據此分析薄艙壁與加厚艙壁的區別，見圖6。

圖6 模擬艙實物及應變片安裝圖Fig.6 Simulated cabin and strain gauges

利用高速運動分析系統記錄結構宏觀破壞情況。為了約束模擬艙室和試驗安全，在四周設置了防護沙袋，高速運動分析系統立于距爆炸現場一定距離處的固定掩體內。

4 內爆試驗結果與分析

4.1 內爆試驗過程

圖7示出了高速運動分析系統記錄的艙體內爆過程。

當外接引線引爆雷管后，雷管將主裝藥引爆，主裝藥爆炸有火光出現;隨著爆轟威力的增強，內部壓力逐漸增大，大量爆轟氣體外泄，結構破壞從板材連接處(焊接處)開始，隨之有大量的火光四向冒出，直至覆蓋了整個艙室;最終觀測到艙室被完全沖垮。

圖7 高速運動分析系統記錄的艙室內爆過程Fig.7 Inner explosion process recorded by high-velocity recorder

4.2 內爆試驗結果

試驗共進行了4組，試驗結果幾乎相同。經過炸藥內爆后，艙室結構被爆炸沖擊波沖垮，艙室焊接處因應力集中而被撕開;在艙體受壓過程中，壁面受到沖擊波作用而發生變形，在破壞失效前已被沖開;加厚壁有變形，無卷曲，試驗后照片如圖8所示。試驗結果與外部爆炸和接觸爆炸沖擊時的結構向內凹陷毀傷情形有明顯差異[9－10]。

應變片記錄了四周壁面變形情況，應變片①位于加厚壁外側，應變片⑤位于入口艙壁外側，其余分別位于兩側和頂面。4次試驗數據見表1。

表1 試驗應變值Tab.1 Strain values of experiments

圖8 結構破壞及變形結果Fig.8 simulated cabin and strain gauges

4.3 內爆試驗結果分析

(1)艙室及壁板損傷原因分析

從上述試驗結果可以看出，內爆對艙室結構的毀傷大于壁板的破壞;在該爆炸載荷作用下，艙室結構被完全沖垮，主要體現在四周壁板焊接處被撕裂。壁板僅發生變形，出現凹陷，發生部位位于壁板中心附近。主要原因在于，四周壁板連接處是應力薄弱部位，且易產生應力集中，當沖擊波壓力足夠大時，在這些部位率先裂開，產生壓力泄露，壁板隨著沖擊波驅動被向外推出。在壁板開裂、被推出過程中，邊部發生局部卷曲現象。

(2)應變測量數據分析

4組應變測試值一致性較好，加厚壁因距離爆源最近，變形也最大;加厚壁厚度較大對爆炸沖擊起到了很好的防護效果，最大變形約18.3 m，兩側變形量基本一致，約10.7 cm;頂部變形比側壁略小，約9.2 cm;開口側變形約3.8 cm。

(3)加厚壁作用分析

從試驗效果看，加厚壁未發生結構破壞，無卷曲;測量應變在3%以內，表明該加厚壁結構具有較好的吸能/消能效果，能夠起到較好的防護沖擊波效果。

5 結論

本文基于數值仿真和試驗分析方法，研究了反艦導彈戰斗部對艦船的侵徹及內爆毀傷，得到如下結論:

(1)仿真分析了半穿甲戰斗部類反艦導彈侵徹船體時的結構破壞和過載響應;侵徹過程中導引艙和制導艙僅對船體產生結構變形，主要是依靠戰斗部堅固頭體及后續質量侵入艙體內部;導彈引信部件在侵徹中所受過載可達12000g，滿足過載啟動條件，戰斗部經侵徹后結構完整，故該戰斗部可實現在艙室內爆炸。

(2)設計了艦船模擬艙段，進行的內爆試驗錄像表明，艙體的破壞主要發生在四周焊縫的連接處，這些連接處因應力集中易發生破口，造成整個艙室結構的垮塌。

(3)四周艙壁盡管較薄，但尚未達到最大變形狀態即被沖擊波沖開，應變片所測最大應變僅1.5%左右。這是由于裂縫形成后高壓沖擊波外泄，減弱了對四周艙壁的沖擊。

(4)加厚壁在艙體內爆中有18.3 cm的變形，出現在加厚壁的中央位置，本身無破壞、無邊部卷起現象;加厚壁靠自身彎曲變形吸收沖擊波能，有效抵御了內爆沖擊波的沖擊，可用于重要艙段的防護。

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