沉底水雷毀傷能力研究

李洪濤，奚慧巍，高順林，蔣文聰

(91439部隊96分隊，遼寧 大連　116041)

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沉底水雷毀傷能力研究

李洪濤，奚慧巍，高順林，蔣文聰

(91439部隊96分隊，遼寧 大連116041)

摘 要：為了科學準確評價沉底水雷的毀傷能力，研究了水下爆炸對艦船的破壞作用、艦船破壞標準、沉底水雷打擊能力設(shè)計指標及水雷毀傷戰(zhàn)例，分析了沉底水雷毀傷能力工程設(shè)計標準與戰(zhàn)例中艦船毀傷的吻合情況;結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對于新型裝藥沉底水雷對現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇的毀傷情況，目前的沉底水雷毀傷能力工程設(shè)計標準應(yīng)用有較大的局限性；標準忽視了裝藥爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)差別、艦船結(jié)構(gòu)特性及防護能力差別對毀傷效果的影響，因而不適用于新型裝藥水雷對現(xiàn)代艦艇的毀傷情況；提出了水雷毀傷能力能量評價方法和評估模型，在實船試驗基礎(chǔ)上建立艦船能量破壞標準，以此來評價水雷的毀傷能力。

關(guān)鍵詞：沉底水雷; 毀傷能力; 沖擊波能; 氣泡能 ;能量評估法; 艦船能量破壞標準

本文引用格式：李洪濤，奚慧巍，高順林，等.沉底水雷毀傷能力研究[J].兵器裝備工程學報，2016(7):42-46.

Citation format:LI Hong-tao，XI Hui-wei，GAO Shun-lin，et al.Study of Bottom Mines’ Damaging Ability[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):42-46.

水雷是一種布設(shè)在水中，待機毀傷艦船和限制其行動，或破壞橋梁、水工建筑的水中兵器。沉底水雷通常布設(shè)于幾十米深的淺水區(qū)域，主要用于打擊大中型水面艦艇。水雷對艦船的毀傷問題，近年來比較受關(guān)注，開展了數(shù)值模擬、沖擊機試驗、縮比模型試驗、實船水下爆炸試驗等系列研究，并獲取了許多寶貴數(shù)據(jù)。針對水雷爆炸對艦船毀傷問題，國內(nèi)朱錫[1]、張阿漫等[2]開展了對艦船局部結(jié)構(gòu)和技術(shù)設(shè)備毀傷研究，蒲金云等[3]進行了對水面艦船總體生命力的影響研究，劉建湖等[4]開展對艦船沖擊環(huán)境與技術(shù)設(shè)備沖擊防護研究，研究比較深入并取得較好成果。

目前，水雷毀傷能力工程設(shè)計標準普遍采用沖擊波峰值壓力標準或沖擊因子標準，這兩種標準都是基于理想炸藥對大量二戰(zhàn)時期艦船進行實船爆炸試驗基礎(chǔ)上建立的。現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇普遍增加了外殼厚度并使用高強度的合金材料，具有很強的抗爆能力，使用一枚甚至幾枚水雷去摧毀一艘現(xiàn)代艦艇變得越來越困難。而基于老舊標準進行的水雷毀傷能力工程設(shè)計，很難達到預(yù)期的毀傷效果。文中提出水雷毀傷能力能量評價方法，建立能量評價模型、開展實船試驗驗證、編制艦船能量破壞標準，在該標準體系下開展水雷毀傷能力評價工作。

1水下爆炸對艦船的破壞作用

水雷水中爆炸產(chǎn)生高溫高壓氣團，壓力傳遞到周圍水介質(zhì)中以沖擊波的形式向各個方向傳播。沖擊波過后，爆炸氣體產(chǎn)物以氣泡的形式做膨脹與收縮的循環(huán)運動，這個過程稱為氣泡脈動。如圖1所示，通常氣泡第一次脈動時形成的壓力波(簡稱二次波)做功能力最強，也最有實際意義。研究表明：二次波的最大壓力不超過沖擊波壓力的10%～20%，作用時間是沖擊波作用時間的幾十至上百倍。

圖1　水下爆炸壓力波和氣泡脈動

Pm為爆炸沖擊波峰值，一般為0～50 000個大氣壓；θ為爆炸沖擊波持續(xù)時間，通常θ≤2 ms；Tα為二次波持續(xù)時間，幾十毫秒至幾百毫秒；T：沖擊波與二次波的時間間隔，幾十毫秒至幾秒。

圖2是一個典型的水下爆炸能量分布圖[5]，它說明一次水下爆炸輸出的能量包括沖擊波能和氣泡能，但有一半左右損失掉了。圖3列舉了水面艦船遭受遠(A)、中(B)、近(C)3種距離水下爆炸沖擊載荷的8種模式[6]。國內(nèi)外進行了大量的模型、浮動沖擊平臺和實船水下爆炸試驗研究[6-8]，針對水下爆炸對艦船的破壞作用，有了比較一致的認識：

沖擊波和二次波是水下爆炸的主要載荷。雖然幅值上二次波比沖擊波小得多，但沖量比沖擊波大，對艦船結(jié)構(gòu)的低頻響應(yīng)有重大影響。沖擊波是水質(zhì)點位移的縱向壓縮波，是使艦船殼體產(chǎn)生強烈沖擊振動并遭受破壞的主要能源。滯后流是氣泡膨脹引起水質(zhì)點的徑向運動，使艦船產(chǎn)生總體階躍位移，是使安裝頻率為數(shù)十赫茲的艦載設(shè)備產(chǎn)生沖擊振動并遭受破壞的主要能源。二次波是氣泡收縮至最小時產(chǎn)生的輻射壓力波，是使艦船產(chǎn)生幾赫茲低頻運動的主要能源。大藥量水下爆炸時，二次波和氣泡脈動可能引起艦船總體共振并造成結(jié)構(gòu)破壞。大藥量水下接觸和近距離非接觸爆炸，主要造成艦船殼體、人員毀傷；中遠場爆炸，主要造成船體結(jié)構(gòu)和艦載設(shè)備損傷。

圖2　水下爆炸能量分布圖

圖3　水面艦船遭受的水下爆炸沖擊載荷

2沉底水雷毀傷能力研究

2.1水下爆炸對艦船的毀傷標準

目前，在進行水雷毀傷能力設(shè)計時采用的艦船破壞標準，主要有前蘇聯(lián)的沖擊波峰值壓力標準和北約國家的沖擊因子標準。這兩個標準均是在大量實船爆炸試驗基礎(chǔ)上建立起來的，所用靶船為二戰(zhàn)時期的艦船。

2.1.1沖擊波峰值壓力標準

前蘇聯(lián)以沖擊波峰值壓力作為衡量水中爆炸對艦船的破壞標準。峰值壓力計算公式[9]：

(1)

式(1)中，Pm為沖擊波峰值壓力(kg/cm2)；K1為水雷裝藥的TNT當量系數(shù)；K2為水底反射系數(shù)。一般軟底質(zhì)取1.2，硬底質(zhì)取1.5；W為裝藥質(zhì)量(kg)；R為爆心到艦船的距離(m)。破壞等級分3級，見表1。

表1　前蘇聯(lián)艦船破壞等級

2.1.2沖擊因子標準

北約國家以沖擊因子作為衡量水中爆炸對艦船的破壞標準。沖擊因子計算公式[10]：

(2)

符號意義同式(1)。破壞等級分13級，見表2。

表2　北約國家艦船破壞等級

2.2沉底水雷毀傷能力設(shè)計

沉底水雷爆炸對水面艦艇的毀傷域，是一個以水雷水面投影點為圓心、以引信水面動作半徑Rs為半徑的圓形區(qū)域，進入該區(qū)域的水面艦艇將受到水雷的攻擊并遭受損傷。水雷戰(zhàn)技指標中與打擊能力相關(guān)的參數(shù)通常只有2項：引信水面動作半徑Rs和裝藥的TNT當量(裝藥質(zhì)量與TNT當量系數(shù)的乘積)。設(shè)計一型水雷時，其使命任務(wù)、打擊對象、使用條件(主要是水深條件)明確后，確定一個目標毀傷程度標準(如規(guī)定沖擊因子SF最低可接受值)，以及裝藥類型和裝藥量，裝藥的TNT當量隨之確定。然后按下式確定理論破壞半徑(能給予目標規(guī)定破壞程度的最大距離)R[11]：

(3)

田躍華等[11]從爆炸產(chǎn)生的沖量和能量損失角度研究了水面效應(yīng)對破壞半徑的影響，提出了理論破壞半徑的修正公式：

Rx=aRl+bH

(4)

Rs與Rx間有如下關(guān)系(圖4)：

(5)

式(5)中，Rl為理論破壞半徑(m)；SF為沖擊因子。Rx為有效破壞半徑(m)；a、b為修正系數(shù)，通過試驗獲得；Rs為引信水面動作半徑(m)；H為水雷所處深度(m)；h為水面目標吃水深度(m)。

圖4　沉底水雷破壞半徑示意圖

Rs作為一項指標，給出的一般是定值。但從式(5)可知，Rs與水雷所處深度和目標吃水深度相關(guān)，實戰(zhàn)時需根據(jù)水雷布深、目標噸位等因素靈活設(shè)置引信靈敏度，使Rs與Rx相匹配，獲得最佳的毀傷效果。

2.3沉底水雷毀傷能力驗證

根據(jù)文獻資料[12-13]整理的二戰(zhàn)以來沉底水雷對水面艦艇的毀傷戰(zhàn)例見表3。表中峰值壓力Pm采用式(1)計算，沖擊因子SF采用式(2)計算，K1=1，K2=1.2。對比表3中Pm、SF、毀傷效果與表1和表2的2種破壞標準，可得出如下初步結(jié)論：

1) 戰(zhàn)例的毀傷效果與2種破壞標準基本吻合，說明2種破壞標準在當時的歷史條件下是適用的。毀傷戰(zhàn)例大部分發(fā)生在二戰(zhàn)時期，爆炸水雷為老式沉底水雷，受損艦船與為制定艦船破壞標準而進行的實船爆炸試驗所用靶船為同一年代艦船，說明實船爆炸試驗開展較充分，得出的結(jié)論正確，制定的標準可行。

2) 沖擊波峰值標準只給出了對船體的破壞等級，忽視了艦船結(jié)構(gòu)特征、艦載設(shè)備安裝方式等的影響。亦即過于重視沖擊波而忽視了氣泡脈動的影響，而水雷通常是中、遠場爆炸，氣泡脈動對艦船結(jié)構(gòu)和艦載設(shè)備的損傷更有實際意義。因此，沖擊波峰值標準更適合于接觸或近距離非接觸爆炸，重點在于對殼體的毀傷。

3) 沖擊因子標準是依據(jù)大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息建立的，考慮了爆炸對船體、結(jié)構(gòu)、設(shè)備的影響但并不充分，也過于籠統(tǒng)，實際使用起來有很多不便。

4) 對于水雷在船底正下方爆炸情況，2種標準的適用性均不理想。如表3序號為6、7的2次爆炸，船體正下方的氣泡脈動具有低頻特征，與船體的總體低階固有頻率接近，能激起艦船整體的鞭狀運動，使船體呈中拱或中垂狀態(tài)，對艦船結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成嚴重毀傷，船底正下方爆炸對艦船毀傷是最嚴重的，這一點在2種標準中沒有體現(xiàn)。

5) 戰(zhàn)例說明，裝藥幾百公斤的沉底水雷在作用半徑內(nèi)爆炸，對具有裝甲防護的大型艦船只能造成輕傷(船體正下方爆炸時除外)，對于驅(qū)逐艦以下噸位艦船，因沒有足夠的防護裝置和隔艙，面臨著較大威脅。

2.4沉底水雷毀傷能力評價

隨著軍事高新技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇普遍加強了抗沖擊防護設(shè)計，大型艦艇也普遍采用了裝甲防護。幾百公斤裝藥的老式沉底水雷，對現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇的威脅越來越小。為了增加水雷的毀傷能力，通常采取兩種有效措施。一是加大裝藥量，但當裝藥量增加到一定數(shù)量之后，再增加裝藥量時，水雷的破壞威力增加不大，也就是裝藥量有個最高限值，不能無限增加。另外，增加裝藥量會導致水雷的體積和重量增加，給作戰(zhàn)使用帶來不便。二是使用高能炸藥，國外已廣泛采用高爆熱含鋁混合炸藥，如Torpex、DBX、HBX系列、PBXN系列等炸藥。提高沉底水雷的毀傷能力，最根本的途徑是提高其裝藥的爆炸做功能力，而炸藥金屬化是達到這一目標的有效方法。在理想炸藥中加入鋁粉，一方面能夠顯著提高炸藥爆熱，降低了爆速和爆壓，使初始沖擊波超壓峰值下降，而傳播過程中因鋁粉的二次反應(yīng)使得沖擊波超壓下降減慢，水中爆炸的沖擊波能和氣泡能明顯提高；另一方面可通過調(diào)整炸藥爆壓和爆轟產(chǎn)物膨脹做功方式，使整個爆炸的能量輸出結(jié)構(gòu)更趨于合理，增大毀傷能力。

沉底水雷攻擊水面艦艇時，一般屬于中遠場爆炸態(tài)勢，主要依靠爆炸后產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動毀傷目標。水雷的引信水面動作半徑Rs某種程度上代表了其毀傷能力，設(shè)計Rs依據(jù)的標準主要是沖擊波峰壓標準或沖擊因子標準，但Rs并不能代表新型裝藥水雷真實的毀傷能力，因為這兩種標準不再適用于新型裝藥水雷對現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇的毀傷情況，必須制定新的破壞標準。水下爆炸毀傷目標的主要能源來自33%的沖擊波能和17%的氣泡能(圖2)，毀傷能力的大小，最終取決于沖擊波和氣泡脈動的做功能力，從能量角度去評價水雷的毀傷能力，更具有科學性和現(xiàn)實意義。本文提出適用于所有水雷的毀傷能力能量評價方法。該方法包括：建立能量評價模型，計算炸藥水下爆炸釋放的總能量、沖擊波能、氣泡能等；開展大量實船爆炸毀傷試驗，進行統(tǒng)計分析，建立不同雷目交匯條件下沖擊波能、氣泡能、總能量與毀傷效果(船體、結(jié)構(gòu)、設(shè)備)的對應(yīng)關(guān)系。爆源采用水雷新型裝藥或戰(zhàn)斗部；靶船采用現(xiàn)役作戰(zhàn)艦艇(遠場)、退役艦艇(中近場、船底正下方)、等效靶、模型等；測量參數(shù)包括爆距，攻角，自由場壓力、壁壓、沖擊加速度、位移、動應(yīng)變時程曲線，沖擊譜等；建立艦船能量破壞標準(我國軍標)，列出造成船體、結(jié)構(gòu)、設(shè)備不同級別毀傷所對應(yīng)的沖擊波能、氣泡能、總能量標準；依據(jù)該標準開展對水雷毀傷能力評價活動。

表3　沉底水雷毀傷戰(zhàn)例

注：*表示原資料中沒有明確的數(shù)據(jù)，為估計值。舭部：船舷側(cè)板與底板的彎曲部。

本文對能量評價方法不展開具體論述，只給出能量評價模型如下：

令單位質(zhì)量炸藥水下爆炸釋放的總能量，亦即所做的總膨脹功為A，由下式計算[14]：

(6)

A為總膨脹功(MJ/kg)；Kf為裝藥幾何形狀系數(shù)。中心起爆的球形裝藥Kf=1，對于長度/直徑比=6的圓柱形裝藥Kf=1.08-1.10；μ為沖擊損失系數(shù)；es為單位質(zhì)量炸藥的初始沖擊波能，也即比沖能(J/kg)；eb為單位質(zhì)量炸藥的氣泡能，也即比氣泡能(J/kg)。

(7)

爆壓Pcj計算[14]：

(8)

Pcj為爆壓(GPa)；ρ0為裝藥密度(kg/m3)；D為裝藥水中爆速(m/s)。

es計算[14]：

(9)

R為爆心到測點的距離(m)；W為炸藥質(zhì)量(kg)；ρw為裝藥深度處水的密度(kg/m3)；Cw為裝藥深度處水的聲速(m/s)；θ為沖擊波時間常數(shù)(沖擊波壓力從峰值壓力Pm衰減到0.37Pm的時間)(s)；P(t)為炸藥爆轟產(chǎn)生的初始沖擊波陣面上的壓力，隨時間呈負指數(shù)衰減：

(10)

考慮了邊界效應(yīng)的eb計算式[14]：

(11)

W為炸藥質(zhì)量(kg)；C為需通過試驗數(shù)據(jù)計算的常數(shù)；K3為在給定水域條件和炸藥位置上的常數(shù)。

(12)

ρw為裝藥深度處水的密度(kg/m3)；Ph為測量tb時裝藥深度處靜水壓(Pa)；tb為Ph、Phn條件下實測首次氣泡脈動周期(s)；Phn為實測試驗水域表面的標準大氣壓與Ph之和(Pa)。

3結(jié)束語

水雷的毀傷能力，取決于其水下爆炸能量輸出和膨脹做功能力，與裝藥爆熱、能量輸出結(jié)構(gòu)、裝藥起爆方式等因素相關(guān)。采用水雷毀傷能力能量評價方法，建立能量評價模型，開展實船毀傷試驗，對數(shù)據(jù)和毀傷效果進行統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上建立艦船能量破壞標準，在該標準體系下開展水雷毀傷能力評價，對于提高我國水雷毀傷能力以及水中兵器戰(zhàn)斗部威力設(shè)計具有重要的軍事意義。

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(責任編輯周江川)

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2015-12-29

作者簡介：李洪濤(1966—)，男，碩士，高級工程師，主要從事武器裝備、水下爆炸沖擊試驗與測量研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.010

中圖分類號：TJ61；E925.21

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0042-05

Study of Bottom Mines’ Damaging Ability

LI Hong-tao，XI Hui-wei，GAO Shun-lin，JIANG Wen-cong

(96 Unit, the No. 91439thTroop of PLA, Dalin 116041, Dalian 116041, China)

Abstract:The study of power source for underwater explosion damage，ship damage criterion, bottom mines’ academic destructive ability and design standard and the bottom mine damage examples were presented in this paper for evaluating the destructive ability of bottom mine scientifically and accurately. Results found that according to the damage examples，the ship damage effect was basically indentical with the two kinds of criterion that were applicable at the time of the historical condition; The difference about explosion energy output structure，the ship structure characteristics and the protection ability were ignored in the criterions，so they are not suitable for the new charge mine damage to modern ships.That the energy evaluation method for the mine damage ability, and building the ship energy damage criterion according to real ship tests were presented in order to evaluate the mine damage ability.

Key words：bottom mine；destructive ability；shock wave energy；bubble energy；energy evaluating method；ship energy damage criterion

【裝備理論與裝備技術(shù)】