魚雷戰斗部威力評估技術現狀與發展

丁振東, 王團盟

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魚雷戰斗部威力評估技術現狀與發展

丁振東1, 王團盟2

(1. 海軍裝備部西安局, 陜西西安, 710054; 2. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077)

從魚雷戰斗部威力評估的特殊性入手, 綜合分析了國內外魚雷戰斗部威力評估的現狀和評估方法, 針對魚雷戰斗部毀傷威力與目標易損性研究結合程度欠佳, 以及魚雷戰斗部在威力參數轉化、信息庫建立、軟殺傷、威力考核指標、威力評估標準等方面出現的問題, 提出了合理化建議, 同時探討了國內魚雷戰斗部威力評估技術的研究重點和發展趨勢。

魚雷戰斗部; 威力; 毀傷; 評估

0 引言

魚雷作為海戰主要武器之一, 從問世到現在已有100多年的歷史, 魚雷技術的發展也促進了艦艇技術的發展和革新, 艦艇的攻擊能力及防爆性能都有所增強。在此形勢下, 發展新型魚雷, 提高魚雷戰斗部的毀傷威力倍受各國重視。在“矛”與“盾”的對抗和不斷突破中, 魚雷戰斗部威力評估技術得到了空前的重視和發展。提高“矛”對“盾”的作戰效能, 針對不同類型的魚雷戰斗部和具體的水中目標, 量化評估戰斗部威力, 以威力評估促進新品設計, 新品威力必須進行科學評估成為魚雷戰斗部技術發展的又一階段。

1 魚雷戰斗部威力評估的特殊性及現狀

1.1 特殊性

魚雷戰斗部對目標的爆炸作用是在水介質中進行, 水中的爆炸現象和破壞機理與空氣中存在很大區別, 試驗難度大, 影響因素多, 給試驗測試和威力評估帶來了一定困難。戰斗部在水中實際爆炸情況要復雜得多, 因為水介質都有自由表面和水底陸地存在, 再加上水中目標, 使得水中沖擊波稀疏波與壓縮波的傳播起了變化[1]。由于水中爆炸的特殊性, 缺乏相應的試驗與評估技術, 戰斗部僅在魚雷研制階段進行有限的陸上靜爆試驗, 對其爆轟的完全性和沖擊波壓力進行試驗和測試具有很大的局限性。

1.2 國外現狀

國外武器毀傷評估研究工作做的較好的國家主要有美國、俄羅斯、德國、英國、荷蘭及日本等國家。其中, 美國于20世紀40年代最早啟動研究工作, 擁有世界上任意目標的毀傷模型, 數據庫非常豐富。常規武器戰斗部威力評估研究在二戰后就已開展, 上世紀80年代以來, 隨著計算機水平的發展, 借助于計算機仿真技術及數據庫技術的發展, 出現了新的評估方法[2]。在過去的幾十年中, 美國、俄羅斯等軍事大國一直在比較全面地開展魚雷戰斗部試驗與評估技術研究, 在理論和方法上都取得了較大進展, 積累了大量數據, 對各種目標毀傷模式研究較透徹, 為爆炸、侵徹、水下干擾等毀傷或軟殺傷機理研究建立了較完善的基礎理論和試驗與評估系統。近年來, 發達國家積極開發通用易損性/殺傷力模型, 以德國為代表的歐洲國家也非常重視毀傷評估的研究工作, 研究成果多樣, 其中以德國IABG公司的UniVeMo通用易損性模型[3]最為先進, 此類工作的開展, 大力促進了魚雷戰斗部威力評估技術的發展。

1.3 國內現狀

魚雷戰斗部威力評估技術研究在我國開展較晚, 至今還沒有建立完備的魚雷戰斗部威力評估體系和統一標準, 評估的準確性還有待進一步提高, 評估方法多樣, 戰斗部威力試驗一般參照GJB2425-1995《常規兵器戰斗部威力試驗方法》和CB1238-1993《魚雷戰斗部靜爆試驗方法》等標準并結合具體實際進行。戰斗部威力與艦船抗爆性研究作為一個問題的兩個方面, 艦船等水中目標抗爆性研究取得了一定的成果, 并制定出相應的毀傷準則。水面艦船的生命力評估多以等損傷面、塑性變形或塑性應變為損傷參數來建立標準。對于完整船體結構在自然環境標準載荷作用下的強度, GJB4000-2000《艦船通用規范》已規定總縱彎曲應力強度和極限強度衡準, 對于水下爆炸等武器攻擊下的艦體結構抗毀傷能力(強度)的表征方法, 目前尚無規范可循[4]。

魚雷戰斗部威力評估研究時, 常用一定厚度的金屬靶板代替水中典型目標的局部結構, 忽略了整船或整艇的結構力學特性及其在爆炸載荷作用下的響應, 對生物和儀表設備的威力評估開展較少。艦船抗爆性研究方面, 對魚雷戰斗部的威力基本還停留在“藥包”階段, 忽視了戰斗部類型、起爆方式和雷目交會方式等因素的影響。對于其他水中目標, 如來襲魚雷、無人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)的抗爆性研究則剛剛起步。

2 魚雷戰斗部威力評估方法

2.1 理論評估

2.1.1 經驗公式

進行爆炸毀傷效果的初步評估時, 可以選取工程上常用的一些經驗公式進行, 計算水中沖擊波峰值壓強、沖擊波能、沖擊波沖量、氣泡能及水下爆炸能量等, 常用的水中沖擊波峰值壓強計算如式(1), 水下爆炸氣泡能計算如式(2)。采用經驗公式進行評估雖然比較簡單, 但有適用條件且精度較差, 不適合要求高的情況。

為了獲得比較準確的評估結果, 需要進行數值計算或者試驗研究。如式(1), 一般適用于球形TNT裝藥, 對于該式用于其他種類裝藥的可行性問題, 國內曾進行過兩種不同裝藥的對比試驗。結果表明, 不能用“某種炸藥的TNT當量”代替式中的, 并套用該式來計算, 而且武器彈藥基本不采用球形裝藥。所以, 采用式(1)計算出的水中沖擊波峰值壓強只能進行參考。

式(2)也是如此, 其計算結果在工程上只能用作參考, 且不同的經驗公式適用范圍和計算結果也有差別。

2.1.2 評估模型

魚雷戰斗部對目標破壞效果的評估首先需要建立破壞效果的評估模型, 從評估實現方法上可分為評估的數學模型、仿真模型和試驗模型。評估模型涉及到目標易損性、戰斗部威力、雷目作用方式以及毀傷準則4個方面的內容。

1) 目標易損性

根據魚雷打擊的主要目標, 如水面艦船、潛艇、來襲魚雷、UUV等, 有針對性的識別目標及其易損部位并進行目標易損性分析, 如魚雷戰斗部攻擊部位是水面艦船的艦面以下部位, 在進行水面艦船的局部破壞研究時, 應該以水面艦船舷側及底部作為研究對象, 從強度來講, 水面艦船的中后部位較為薄弱, 屬易損部位。

2) 戰斗部威力

戰斗部威力主要由裝藥品種、裝藥量、裝藥結構及作用環境等因素決定, 而且不同類型的戰斗部對水中目標的作用方式不同, 描述威力特征的參數也不同。描述魚雷戰斗部的威力指標, 首先對戰斗部依據其作用類型分類, 然后對每一類型戰斗部的威力指標分別進行描述。

3) 雷目作用方式

魚雷戰斗部對水中目標的爆炸破壞效果, 不僅取決于目標易損性與戰斗部威力, 雷目交會方式也有決定性作用。當水中目標距離戰斗部較遠時(一般大于10倍裝藥口徑), 其主要破壞是由沖擊波與氣泡脈動引起的, 而戰斗部在遠場時沖擊波與氣泡近似為對稱分布, 可以不考慮雷目交會的方位。當水中目標處于戰斗部接觸爆炸范圍內時, 爆炸產物尤其是自鍛彈丸對目標的作用具有方位性, 垂直指向目標時, 可以對目標產生侵徹貫穿破壞, 當侵斜角度大于30時, 侵徹貫穿破壞效果將會嚴重減弱。

4) 毀傷準則

目標的毀傷準則是目標毀傷評估的基礎, 對于大型水面艦船這樣的系統目標, 毀傷評估的關鍵在于如何根據目標物理毀傷程度, 研究對應條件下功能的喪失程度, 目標類型不同, 毀傷準則不同。

2.2 試驗評估

對于魚雷戰斗部來說, 無論是在方案論證階段、工程研制階段還是定型階段, 試驗都是必不可少的。魚雷戰斗部威力試驗有很多方法, 從受試對象的幾何尺寸上可分為縮比模型試驗和全尺寸模型試驗; 從試驗環境上可分為陸上爆炸試驗和水中爆炸試驗; 從試驗狀態上可分為靜爆試驗和動態試驗; 從受試對象的口徑或裝藥量可分為輕型魚雷戰斗部、重型魚雷戰斗部和其他魚雷戰斗部威力試驗; 從受試對象的類型上可分為爆轟戰斗部、聚能戰斗部以及其他類型戰斗部威力試驗; 還可根據魚雷自身屬性和打擊目標的差異更細地劃分試驗方法。

采用試驗評估時, 毀傷效應動態測試技術以及所選用的傳感器對試驗評估結果的正確性和準確性至關重要。美國PCB公司生產的138系列水下爆炸沖擊波傳感器具有較好的密封性, 且為體積敏感性, 對安裝方向沒有要求, 現在已經被眾多國家和機構廣泛用于水下爆炸壓力測試中。目前除了PCB公司138系列傳感器外, 英國防務研究局(defence research agency, DRA)生產的AWETR2-500、美國海軍水面戰中心(naval surface warfare center, NSWC)生產的NOL系列及德國MOD生產的WTD-4000也是自由場壓力傳感器。日本研究人員Kenji Murata和Daiki HASEGAWA等人在1997~2005年間對聚偏氟乙烯(polyvinylidence fluoride, PVDF)壓電薄膜應用于自由場壓力測量進行了一系列的研究[5-6]。我國利用PVDF壓電薄膜進行近場壓力測量, 并取得了一定的成果。PCB系列傳感器及PVDF壓電薄膜傳感器已經成為我國魚雷戰斗部毀傷效應測試試驗用的主要傳感器。

2.2.1 縮比模型試驗與全尺寸模型試驗

根據炸藥水中爆炸相似律可知, 當戰斗部幾何尺寸以及測試距離按照相同的比例縮放時, 在對應位置處所測得的沖擊波參數不變, 目標靶板的毀傷效果也十分接近。在進行魚雷戰斗部威力試驗與評估技術研究時, 通常采用按一定比例縮小的模型代替原型試驗, 以取得工程設計或毀傷效應分析中所需的各種數據或探求具體工程技術問題中有關物理量間的定性關系, 然后通過全尺寸模型試驗進行威力評估驗證。對于相同的目標靶板, 戰斗部尺寸、沖擊波壓力測點距離、目標靶板距離采用相同的縮比尺度時, 沖擊波壓力參數以及對目標的毀傷效應都符合相似律[7]。

2.2.2 陸上爆炸試驗與水中爆炸試驗

受試驗環境和條件限制, 世界上魚雷研制國家評估戰斗部威力最常采用的方法是陸上靜爆試驗, 新型戰斗部威力考核試驗通常都有陸上靜爆試驗這一項。陸上試驗主要測試爆炸沖擊波近場超壓、目標靶毀傷效應等參數。魚雷作為水中兵器, 水中爆炸試驗更具有真實性, 但水中試驗實施困難, 耗資較大, 一般作為陸上爆炸試驗的補充和陸上試驗結果的驗證。

魚雷戰斗部水中威力試驗主要測試水下沖擊波能、氣泡能、超壓、沖量及能量密度等參數。水中爆炸一般選取專業爆炸水池、大型水庫或在海中進行, 由于海況復雜, 測試范圍龐大, 各種測試傳感器難以布置, 動態下戰斗部爆炸近場和遠場位置很難具體確定, 試驗費用昂貴, 大裝藥量的魚雷戰斗部在海中測試威力試驗在我國較少開展。

2.2.3 靜爆試驗與動態試驗

靜爆試驗是魚雷戰斗部威力評估最常采用的試驗方式, 不論試驗在陸上還是在水中進行, 靜爆試驗相對易于組織實施, 戰斗部樣機、效應靶、傳感器、試驗裝置和各種測試設備的布置、固定比較方便。動態試驗要產生魚雷和目標的相對運動速度, 在魚雷無自身動力的情況下需要依靠外界條件來實現, 如陸上試驗需要火箭撬或跌落臺架等設施, 相對速度需根據雷目交會條件和交會姿態等因素確定。在水中實現動態爆炸試驗難度更大, 一般需要戰雷海中實航爆炸試驗來實現。

2.2.4 戰斗部威力試驗

爆轟戰斗部和聚能戰斗部是世界各國魚雷最常采用的戰斗部類型, 一般重型或超重型魚雷采用爆轟戰斗部, 如美國的MK48、意大利的BLACK SHARK、德國的DM2A4 SEAHAKE、俄羅斯的65型魚雷。輕型魚雷則兩種類型戰斗部都有, 如法國、意大利聯合研制的MU90、美國的MK50采用聚能戰斗部, 美國的MK54、意大利A244/S采用爆轟戰斗部。爆轟戰斗部對目標的毀傷主要通過沖擊波和氣泡脈動, 目標靶的毀傷效應主要表現為結構的動態響應, 如變形、振動、撕裂等, 主要測試參數除了沖擊波能、氣泡能等之外, 還有靶板厚度、應力、應變、振動及頻響等。聚能戰斗部除了炸藥產生的沖擊波、氣泡脈動等殺傷目標外, 主要靠爆炸后產生的自鍛彈丸侵徹目標, 在目標殼體上形成貫穿式孔洞, 孔洞周圍的殼體強度會降低并在艦艇進水下沉中逐步擴展, 自鍛彈丸還可使艦艇內部彈藥、設備和人員等遭受重創。聚能戰斗部威力評估除了采用爆轟戰斗部威力評估的手段外, 還需測試藥型罩形成射流的速度、外形、對靶板的侵徹口徑、深度、后效應等參數。

2.2.5 其他試驗評估

其他魚雷戰斗部威力評估試驗主要針對特定的魚雷和其打擊目標而定, 如超空泡魚雷, 最高速度可到200 ~400 kn, 打擊目標時除了戰斗部爆炸威力外, 其強大的動能對目標可產生巨大撞擊, 加劇了目標的毀傷效果。反魚雷魚雷是一種主動搜尋并攔擊來襲魚雷的武器, 其戰斗部對來襲魚雷的毀傷特點及來襲魚雷的易損特性研究與傳統魚雷評估技術有一定差別。近年來, 新研制型號魚雷定型前需要開展戰雷實航打靶試驗, 該試驗在水中動態開展, 并有相應目標作為打擊對象, 是對戰斗部威力進行評估的最直接有效的方式。

2.3 仿真評估

爆炸試驗經費昂貴、實驗設備復雜, 很難從根本上使爆炸沖擊問題得到完全的解決, 計算機仿真技術的發展彌補了這方面的不足。現在許多流行的動力學計算軟件不但集成了第三方水中爆炸沖擊分析(underwater shock analysis, USA)模塊, 還擁有Euler、ALE、Lagrange以及SPH等多種求解器。求解器之間可以進行耦合計算, 能夠用來解決固體、流體、氣體以及它們相互作用帶來的高度非線性問題, 可以較好地解決水中爆炸模擬涉及的炸藥爆炸膨脹、氣泡脈動、結構破壞等大變形問題。

國外對毀傷評估仿真工具的研究已有數十年歷史, 并一直在不斷改進中。其中, 美國目前應用的是2013年投入使用的模塊化易損性評估套件3(modular unix-based vulnerability estimation suite3, MUVES 3), 此前用的是20世紀80年代開發的MUVES 2[8]。目前在近場和遠場爆炸、氣泡脈動模擬方面的軟件主要有ANSYS/LS-DYNA、DYTRAN-2D/3D、ABAQUS和AUTODYN等。

3 魚雷戰斗部威力評估

3.1 戰斗部不同試驗方法下威力參數轉化關系的確定

研究方法的確定對魚雷戰斗部威力評估至關重要。參考目標易損性分析與裝備戰場損傷評估研究較為先進的美國、瑞典等國家, 進行裝備戰場損傷評估研究, 應瞄準隨機點爆炸分析與降階態評估方法, 能給出裝備部件損傷的封閉式全域分布[9-10]。

試驗是戰斗部威力評估最直接有效的方法, 也是在定型階段對魚雷戰斗部威力性能鑒定的唯一依據。隨著測試技術的發展, 精確測試戰斗部毀傷參數已經不存在太多困難。但戰斗部威力評估試驗方法眾多, 且多為幾種試驗方式的組合, 戰斗部威力試驗評估流程見圖1, 對不同試驗方法下測得的威力參數之間轉化關系的確定就顯得尤為重要。雖然裝藥在空氣中爆炸以及在水中爆炸存在著相似律, 但在戰斗部工程應用方面仍有諸多現實困難, 如試驗環境、運動狀態、戰斗部及目標靶的尺寸效應、最深達1 000 m的海水背壓等因素的綜合影響下, 模擬試驗與實戰條件下的戰斗部威力參數之間的轉化關系成為魚雷戰斗部威力評估需重視的問題之一。

3.2 水中目標抗爆信息庫的建立

僅僅掌握戰斗部的威力還不夠, 在“矛”與“盾”的對抗中, 水中目標抗爆性研究也是戰斗部威力評估的重要內容之一。水中兵器和艦艇裝備由不同單位研制, 雖然國內眾多單位在不同領域分別對水中爆炸毀傷機理和艦船抗爆性開展了相關研究, 但相關單位之間有效信息的溝通和交流還需加強。發達國家相關領域的研究進展出于技術保密等原因, 獲知較少。所以, 建立水中目標抗爆信息庫, 尤其是國內外主流艦艇裝備的抗爆信息庫, 成為魚雷戰斗部威力評估需重視的另一問題。

3.3 生物、儀表設備損傷效應信息庫的建立

以往, 魚雷戰斗部威力評估更注重其硬殺傷威力和對水中目標本身毀傷效應的研究, 對生物、儀表設備在魚雷戰斗部爆炸作用下的損傷效應研究力度不夠。從1979年到2005年, 美國陸軍醫學研究與裝備司令部(US army medical research and materiel command, USAMRMC)開展了軍事作業能力醫學保障研究項目, 歷時25年, 開展了對2 000余只實驗動物的研究, 對爆炸傷的損傷因素進行了分類, 建立了4代爆炸傷評估模型[11-13]。從文獻[14]~[16]可知, 我國目前的武器定型試驗中尚未將生物殺傷效應評估列入法定程序, 在武器殺傷生物效應評估方面國內部分單位開展了相關研究, 并初步建立了武器生物損傷效應實驗數據庫, 但對魚雷戰斗部在水中對生物的損傷效應研究, 尤其是在射流侵徹條件下的損傷效應研究還沒有報道。在魚雷戰斗部爆炸作用下艦艇儀表設備的損傷效應研究(尤其是試驗研究)受多種條件制約, 還沒有系統地開展, 在對目標的軟殺傷研究方面還比較薄弱。為此, 建立生物、儀表設備在魚雷戰斗部爆炸作用下損傷效應信息庫成為戰斗部威力評估的當務之急。

3.4 戰斗部毀傷威力考核指標的科學制定

縱觀國內外魚雷戰斗部, 重型魚雷戰斗部裝藥量一般在200~300 kg之間, 裝藥品種以PBX類高能炸藥居多, 輕型魚雷戰斗部裝藥量一般在35~60 kg之間, 以45 kg左右居多, 裝藥品種根據戰斗部類型不同而差異較大, 但均為高能炸藥, 有的還為鈍感炸藥。不論是重型魚雷還是輕型魚雷, 戰斗部裝藥量和裝藥品種等主要參數差異較大, 戰斗部毀傷威力考核指標也必然不同, 如果是聚能戰斗部, 則爆炸形成的聚能射流對目標殼體造成的侵徹孔洞尺寸和侵徹深度也不盡相同。因此, 在明確戰斗部自身毀傷特點和打擊目標抗爆特性后, 根據魚雷作戰使命和毀傷要求, 科學制定不同類型的戰斗部毀傷威力考核指標, 成為魚雷戰斗部威力評估需重視的第4個問題。

3.5 戰斗部威力評估標準的制定

通過對魚雷戰斗部威力和水中目標易損性的研究, 摒棄以往單一研究“矛”或“盾”的工作模式, 結合不同戰斗部威力考核方式和數據分析處理結果, 制定規范的魚雷戰斗部威力評估標準, 將對魚雷乃至其他水中兵器戰斗部的威力評估技術發展起到積極的推動作用, 需引起足夠重視。

4 結束語

魚雷戰斗部威力評估技術對魚雷總體戰技指標的制定和新型戰斗部的研制意義重大, 對武器裝備間的對抗升級具有指導作用。我國當前的魚雷戰斗部威力評估技術研究雖然取得了一定的成績, 但距發達國家的水平還有較大差距, 評估標準的科學性和評估結果的準確性還有待提高, 實戰化的威力評估亟待加強, 戰斗部軟殺傷威力評估應得到足夠的重視, 威力評估的體系化、標準化和信息化建設是未來發展的重點。

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Current Situation and Development of Torpedo Warhead Power Assessment Technology

DING Zhen-dong1, WANG Tuan-meng2

(1. Xi′an Representative Bureau, Naval Armament Department, Xi′an 710054, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

This paper comprehensively analyzes the present situation and assessment methods of torpedo warhead power both at home and abroad with respect to the particularity of torpedo warhead power assessment. Some suggestions are put forward aiming at such problems existing in power parameters transformation of torpedo warhead, information database establishment, soft-killing, power assessment index, power evaluation criterion, etc. as well as the problem that the combination of damage power of torpedo warhead and target vulnerability is insufficient in research. The emphases and development trends of torpedo warhead power assessment in China are discussed in this paper.

torpedo warhead; power; damage; assessment

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.008

TJ630.1; TJ410.1

A

1673-1948(2016)01-0037-06

2015-10-19;

2015-12-06.

丁振東(1961-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為魚雷裝備管理.

(責任編輯: 楊力軍)