水中兵器毀傷效能評估現狀及發展

徐功慧， 李家波， 趙紅光， 邵建軍

(中國人民解放軍91439部隊， 遼寧大連 116041)

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水中兵器毀傷效能評估現狀及發展

徐功慧， 李家波， 趙紅光， 邵建軍

(中國人民解放軍91439部隊， 遼寧大連 116041)

摘要：為真實評估水中兵器毀傷效能，從仿真、毀傷評估等方面對我國開展水中兵器目標毀傷效能評估現狀進行論述，分析了水中兵器毀傷效能評估中存在的不足，提出了相應的研究建議。通過分析得出，我國在仿真評估、沖擊因子評估及能量評估方面都存在著難以實現水中兵器毀傷效能準確評估的問題。水中兵器毀傷效能評估應在水中兵器毀傷仿真、水中兵器毀傷效能數據庫、目標靶及水中兵器毀傷效能評估體系等方面深入研究。

關鍵詞：水中兵器； 水下爆炸； 毀傷效能； 評估； 仿真評估； 數值模擬； 發展建議

1引 言

水中兵器毀傷效能〔1-2〕是影響海軍作戰能力的重要組成部分。其中，戰斗部對目標毀傷效能已成為水中兵器作戰效能的核心部分。能否實現水中兵器毀傷效能的真實評估，直接影響水中兵器設計、試驗鑒定部門科學考核及指揮員進行戰場態勢判斷。

水中兵器毀傷效能與水下爆炸威力、目標打擊部位及目標抗毀傷能力等因素有關〔3-4〕。因此，水中兵器的毀傷效能評估取決于對水下爆炸內在特征和目標特征兩大因素的掌握。水下爆炸內在特征包括毀傷機理、毀傷威力、打擊方式及命中精度等；目標特征包括目標結構、材質、強度，擊中目標部位，目標易損性及防護能力〔5-9〕等。

充分分析我國開展水下爆炸毀傷效能試驗、評估現狀，進而提出改進方法，是水下爆炸發展的迫切需求。本文廣泛搜集了國內外水下爆炸研究資料,經過歸納整理，重點在仿真計算研究、毀傷評估方面進行論述并提出了相應的發展建議。

2水下爆炸效能評估方法分析

水中兵器毀傷效能取決于其自身的威力和目標的防護性能〔10-12〕。效能評估需要回答的問題是：某種爆炸在特定條件下的目標毀傷等級。水下目標的毀傷評估目前主要有仿真評估、沖擊因子評估及能量評估。

2.1仿真評估

水中兵器對目標的作用過程分為兩部分：近場作用和遠場作用。近場作用以局部效應為主，遠場作用以整體效應為主。近場爆炸評估方法主要包括Lagrange、 Euler兩種主要方法等。兩種計算方法的比較見表1。

表1　Lagrange法與Euler法的比較

目前可應用于水中兵器毀傷的軟件主要有：ABAQUS、DYNA、USA、AUTODYN。這些軟件的優缺點比較見表2。

表2　國內外毀傷計算軟件功能評價

從表1、表2可以得出，仿真作為一種手段在水下爆炸毀傷效能研究中扮演著重要的角色〔10〕，但應用于該研究領域還存在不少問題。主要集中體現在：仿真方法大多都依賴于商業成熟軟件〔11〕，而這些軟件大多都是國外知識產權，并且國外在軟件應用方面都有一定的技術封鎖；仿真方法具有多樣性，主要集中在有限元法和無網格法，國內多家單位在仿真計算中從建模到求解都沒有統一的標準，仿真結果的準確性和可靠性難以作出評估。隨著計算機硬件技術的發展，仿真雖然能解決很多問題，但應用于該領域還存在一些技術難點，如復雜結構的網格適應性、非線性連接件模擬、水中復雜邊界條件模擬、新型裝藥及結構建模〔12-14〕等。

2.2沖擊因子評估〔15-19〕

該方法是基于水下爆炸沖擊波相似律得出。美國人庫爾在上世紀50年代經大量實驗證明，若用來測量沖擊波壓力及其他特性的長度和時間的比例尺與藥包尺寸均增加相同的倍數，則這些特性不變，即沖擊波壓力Pm=K(W1/3/R)α。同理，該點作用時間及沖量均具有相似律。基于相似律原理的沖擊波超壓沖擊因子定義為C=W1/3/R。式中：C為沖擊因子；W為炸藥質量；R為爆源與目標距離。英國和前蘇聯曾經采用這種目標毀傷評估標準。

沖擊因子破壞標準包含了標準炸藥TNT炸藥當量系數、至目標中心的距離，具有一定的局限性。首先，采用這種方法最顯著的缺點是小藥量爆源對較短爆距爆炸作用目標的沖擊波壓力存在大于大裝藥量爆源遠距離爆炸時產生的沖擊波超壓的可能，而前者爆炸對目標產生的毀傷不一定大。這是因為該方法只考慮了沖擊波超壓單一因素。根據炸藥水中爆炸相似律可知，大當量的爆源爆炸作用時間及沖量也會隨之增大，該方法恰恰忽略了作用時間及沖量的影響。其次，隨著艦船制造技術的發展，西方國家艦船殼體部分采用了高強度的復合材料、緩沖吸能材料，在內殼和外殼間距、水柜的布設、緩沖艙等均進行了較大的改進，使其抗接觸爆炸毀傷能力大幅度增強。而沖擊因子的計算方法無法因目標、設備及人員的變化而變化，這會導致標準給出的評價方法無法客觀反映目標的毀傷效能。

2.3爆炸能量評估〔20-23〕

由于沖擊因子評估方法存在不足，以美國為代表的西方國家開始采用能量評估方法進行水中爆炸目標的毀傷評估。

炸藥水中爆炸的能量表現為爆炸時產生的沖擊波能及氣泡能。根據當前水中爆炸能量評估進展，只能夠實現理想炸藥在自由場條件下的爆炸能量評估，而對炸藥在復雜邊界條件及非理想炸藥的爆炸能量評估方面仍存在諸多問題。為提高炸藥水中爆炸能量，水中兵器普遍采用含鋁復合炸藥。TNT理想炸藥爆轟波的傳播在化學反應區內進行。含鋁復合炸藥的爆轟波傳播與理想炸藥有顯著區別，在前沿沖擊波過后，鋁粉還會與爆炸產生的氮氣及碳氧化物中的氧發生反應，放出更多的熱量。由于鋁粉具有典型的后燃效應，含鋁炸藥水中爆炸會釋放更多的氣泡能。將含鋁炸藥的爆炸能量換算成TNT當量，無法評價其對氣泡能的影響即含鋁炸藥水中爆炸反應機理與TNT不同勢必會導致不同的毀傷機理。在沉底爆炸氣泡能的評估中，爆炸后氣泡形狀及脈動周期的變化問題，現在仍沒有可信的評估方法。

3開展水中兵器毀傷效能評估的發展建議

3.1加強水中兵器毀傷仿真研究

隨著計算機技術的飛速發展，當前的計算方法也不斷更新，計算規模不斷擴大，從最初的梁模型發展到今天，對包括適當深度的水在內的全船建模已成為建模方法的主流，計算效率和精度都有了長足的進步。但是，由于水下爆炸的復雜性，要想使數值計算方法達到最終實用，還需要在計算效率和計算精度上進一步提高，同時使建模更為規范和快捷。主要包括以下一些方面：

(1)新型流體單元的構造。由于對水面艦艇的計算中，通常會出現大片產生空泡的區域，構造更高效的流體單元，可明顯提高計算速度。在固體單元的處理時，重點解決網格的變形問題；對于流體的處理，重點解決水中爆炸特性傳播，尤其是金屬化炸藥水中爆炸傳播特性問題。

(2)計算結果的處理方法。復雜結構的數值計算中會出現高頻數值噪聲等問題，需要更合理有效的處理計算結果來得到更精確的解。目前國際上水下爆炸數值模擬計算較成熟的是DYNA軟件和USA(Underwater Shock Analysis)模塊相結合。USA采用了邊界元(BEM)方法和雙重漸近近似(DAA)理論。由于其明顯的軍事作用，美國將USA模塊對中國大陸禁運。

在國內通常采用大型通用有限元分析商業軟件與自主研發程序相結合的方式開展水下爆炸的數值模擬計算，但還存在著很多難以解決的計算問題，如對整船目標的計算收斂問題。做近場爆炸時，應對爆源、結構和結構周圍近場的水介質采用DYNA軟件中的單元來模擬，對遠場的水介質用USA模塊來處理；做遠場爆炸時，結構用DYNA軟件中的單元模擬，流體場全部用USA模塊處理。應對近場、遠場的單元模塊進一步優化，解決計算無法收斂、失真的問題。

(3)探討和總結更為合理的建模方法。對大型復雜結構的計算過程中，如何建立更為合理的模型需要長期的經驗積累。目前，數值計算方法的計算精度仍需要接受試驗的考核，不斷總結更合理簡潔的建模方法，顯得十分必要。

(4)探尋更為合理的材料模型和損傷模型。艦船結構存在很大的材料特性不同，隨著艦船抗毀傷技術的發展，很多新型材料及新型抗毀傷性能結構正在應用于艦船抗毀傷設計中。如有不同鋼材料結構、三明治結構、纖維金屬層合板材料等。對這些新型材料或新型結構的毀傷模型，國內還缺少研究數據，需要通過試驗研究等確定適合特定目標的材料模型和損傷破壞模型。

開展仿真技術研究，可有效降低研究成本、加快項目研究進度。水中兵器毀傷研究是一項高投入、高風險性的試驗，由于我國還處于發展階段，開展仿真技術研究，可有效提高研究效率，加快項目研究進度。

3.2建立完備的水中兵器毀傷數據庫

水中兵器毀傷數據庫對水中兵器試驗鑒定、作戰使用等具有重要意義，以美國為代表的西方國家非常重視水中兵器毀傷數據庫建設。美國于1946年12月成立了水下爆炸研究部門。該部門于1961年與美國海軍水面作戰中心的卡得羅克部門結盟，組建了艦艇生存能力與武器爆炸效應評估研究部門，多年來逐步發展建立了完善的武器毀傷效應數據庫，形成了一套規范的學科體系，用于承擔美國海軍的武器爆炸試驗、測試及評估分析任務。韓國于1990年開始建設水中兵器爆炸試驗評估中心，1995年完成第一期建設，2001年完成第二期建設。該中心由國防系統試驗中心支持，主要任務是承擔水中兵器毀傷效應試驗、測試與評估。澳大利亞成立了防御科技組織，該組織完成了大量的澳大利亞海軍水下爆炸沖擊試驗研究工作。

與西方發達國家相比，我國現役水中兵器毀傷效能數據庫建設應隨著水中兵器的發展同步展開。由于不同裝藥爆炸能量的產生、傳遞、與目標的作用方式、作用機理都存在不同；小當量裝藥爆炸試驗中，由于試驗環境、試驗條件存在較大差別，試驗結果與實際作戰時的爆炸毀傷效能會有很大不同。因此，應開展實際作戰環境下的爆炸毀傷性能試驗，取得真實的爆炸毀傷效能試驗數據，建立國內統一的毀傷效能數據庫，提高數據庫使用效率。

3.3加強目標靶研究

水中兵器按其作戰使命不同，作戰對象主要有水面艦艇、潛艇、蛙人以及碼頭等軍事目標。應加強敵方目標靶的研究。應對西方國家艦船殼體材料，抗沉水柜的布設、緩沖艙設置等均進行科學系統研究，建立外軍艦艇目標模擬靶、潛艇艙段綜合試驗艙，開展我國水中兵器對目標靶的毀傷效能研究，充分掌握其抗爆炸毀傷能力，解決目前目標毀傷因子難以評判的難題。

3.4加強水中兵器毀傷效能評估研究，完善毀傷評估體系建設

應從水中兵器的毀傷目標指標出發，根據實際作戰環境下的爆炸毀傷性能試驗數據及仿真研究成果，研究水中兵器水下爆炸做功能力、能量輸出結構。針對具體目標殼板、艙室、艦(艇)載設備的毀傷機理和毀傷效果，加強對復雜邊界條件下水中兵器爆炸毀傷研究，制定不同邊界條件下水中兵器爆炸毀傷效能指標。進行新型裝藥、新型裝藥結構戰斗部的爆炸毀傷研究，細化新型戰斗部對各種典型目標和目標不同方位毀傷效能指標。總結出規律，建立各種水中兵器爆炸威力、近距對艦艇結構的毀傷評估以及遠距對艦艇的沖擊評估毀傷評估方法、標準和計算、評估模型，依此建立完善的水中兵器毀傷效能評估指標體系，編制或修訂軍標規范。

3.5整合資源，形成強大的集體攻關力量

水中兵器毀傷效能及艦艇毀傷研究工作具有涉及單位多、研究內容包含多個學科、研究工作經費需求大、時間跨度長等特點，不能僅僅依靠一兩次試驗或通過一兩次專項研究就達到預期，需要充分整合軍地優勢資源、成立專門的組織機構、組建專門的研究隊伍、制定相應的政策和研究規劃，形成全國一盤棋的態勢，在關鍵瓶頸難點上集中攻關，大幅提高攻關能力。首先應在充分的研究基礎上建立完善的水中兵器毀傷效能指標體系，建立統一的研究平臺，以約束水中兵器設計、規范研究方向、提供評估依據。然后在統一的研究平臺上，統籌硬件建設，避免重復投資；在技術研究上應開展水中兵器水中爆炸能量傳播特性、目標響應特性、仿真模塊的建立、算法的優化及標準體系的建立等的分工協作研究，聚力攻關，形成水中兵器毀傷評估能力。

4結 語

客觀真實評價我國水中兵器毀傷效能是影響海軍作戰能力的重要環節。水中兵器毀傷效能評估應在水中兵器毀傷仿真、水中兵器毀傷效能數據庫、目標靶及水中兵器毀傷效能評估體系等方面重點發展，進一步整合軍地資源，組成國家隊，形成強大的集體攻關力量。

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Situation and development of the damage efficiency evaluation on underwater weapons

XU Gong-hui， LI Jia-bo， ZHAO Hong-guang， SHAO Jian-jun

(PLA 91439 Unit, Dalian 116041, Liaoning， China)

ABSTRACT：In order to evaluate the damage efficiency of underwater weapon，the present situation of damage evaluation of underwater weapon target was discussed from the aspects of simulation and damage evaluation. The shortcomings of the evaluation of the underwater weapon damage were analyzed，and the research direction suggestion was put forward. According to the analysis, it was difficult to realize the accurate evaluation of the weapon damage efficiency in simulation evaluation, impact factor evaluation and energy evaluation. Underwater weapon damage efficiency evaluation should take further study on the simulation of underwater weapon damage，underwater weapon damage efficiency database，target and damage efficiency evaluation system.

KEY WORDS:Underwater weapons; Underwater explosion; Damage efficiency; Evaluation; Simulation and evaluation; Numerical simulation; Development suggestion

文章編號：1006-7051(2016)02-0038-05

收稿日期：2015-10-30

作者簡介：徐功慧(1967-)，男，高級工程師，主要從事水中兵器爆炸威力試驗及艦船設備抗沖擊試驗研究。E-mail：sjj05@126.com

中圖分類號：TD235; O382.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.008