水下接觸爆炸對舷側空艙結構破壞載荷測試技術研究

盛振新，劉建湖，毛海斌，張顯丕，周章濤，黃文斌

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082; 2.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621900)

0 引 言

在現代海戰中，隨著魚雷等水中兵器制導、引信等技術的發展，其對水面艦艇的攻擊部位越來越趨向舷側空艙結構，且爆距越來越近，達到了接觸爆炸范圍，造成水面艦艇的嚴重毀傷。為了提高舷側空艙結構的防護能力，提高水面艦艇的生命力，需首要開展水下接觸爆炸對舷側空艙結構破壞載荷的研究，該問題也是近年來的研究熱點和難點。

然而，目前國內外的相關研究主要集中在水下接觸爆炸作用下空艙結構的破壞模式、防護機理、防護效能評估方法等方面[1-8]，而對于水下接觸爆炸對空艙結構破壞載荷的研究較少。吳林杰等[9-10]利用LSDYNA軟件對水下接觸爆炸與防雷艙舷側空艙的相互作用過程進行了仿真分析，并開展了模型試驗，得到了舷側空艙內部側壁上的壓力載荷，試驗過程中個別傳感器發生損壞，況且未損壞傳感器的測量結果并不一定正確。究其原因是測試技術未能很好解決，其難點主要表現為，沖擊波壓力峰值為百兆帕級甚至吉帕級，現有測量技術難以實現沖擊波壓力時程的直接測量，爆轟產物破壞載荷涉及高溫高壓物質的高速沖刷，給傳感器的防護帶來巨大困難。

鑒于此，本文開展了水下接觸爆炸對舷側空艙結構破壞載荷測試技術的研究，首先根據舷側空艙結構特點確定測試方法，然后進行試驗模型、測試系統等設計，最后對測試結果進行分析。本文的研究可為相關理論研究和試驗測試提供技術支撐，進而為水面艦艇防護能力的提高奠定基礎。

1 測試方法

水面艦艇在遭受魚雷等武器接觸爆炸破壞時，舷側空艙結構的外板在爆炸沖擊波作用下產生大破口，之后爆轟產物通過外板破口進入艙內，形成氣柱射流，作用在空艙結構的內板上。鑒于此，沖擊波的破壞載荷主要作用于外板，爆轟產物的破壞載荷主要作用于內板。

為了研究水下接觸爆炸對舷側空艙結構的破壞載荷，在空艙內布置傳感器測量外板在沖擊波作用下的動響應，在內板后布置傳感器測量內板在爆轟產物作用下的動響應。然而上述測試方法存在一個問題：測量外板動響應時，需在艙內布置傳感器，其安裝支架在試驗時會與內板發生撞擊，影響作用在內板上載荷，從而影響測試結果的準確性。因此，本文提出一種新的測試方法，思路如下：

1）分別測量沖擊波破壞載荷和爆轟產物破壞載荷。

2）測量沖擊波破壞載荷時，試驗模型僅包括空艙結構外板和縱橫隔板，如圖1（a）所示，采用DPS（多普勒光纖探針）測量外板上典型位置處的速度時程，根據測量結果分析得到不同接觸爆炸條件下沖擊波破壞載荷的時空分布特性。

3）測量爆轟產物破壞載荷時，試驗模型包括空艙結構外板、縱橫隔板和內板。同時，在外板上預制破口，形成水-氣強間斷面，沖擊波在通過時會急劇衰減，其對內板的作用可忽略，而爆轟產物從預制破口進入艙內。相應地，將內板設計為與破口面積一致的質量塊，布置在內板位置，如圖1（b）所示。采用激光位移傳感器測量質量塊的位移時程，根據測量結果分析得到爆轟產物破壞載荷隨爆距的變化規律。

2 試驗設計

2.1 沖擊波破壞載荷測試試驗設計

圖1 破壞載荷測試試驗模型示意圖

沖擊波破壞載荷測試試驗的總體布置如圖2所示，包括空艙結構模型、安裝框架及水箱、DPS測量系統和飛片收集裝置?？张摻Y構模型如圖3所示，根據舷側空艙結構按照1∶10縮比設計，材料為Q235B。

圖2 沖擊波破壞載荷測試試驗的總體布置

圖3 空艙結構模型

為便于測試，試驗在陸地上進行，因此設計了模型安裝框架及水箱。綜合考慮試驗藥量、試驗工況等因素，設計了圖4所示的模型安裝框架及水箱，模型安裝框架材料為Q345，水箱材料為Q235B。

空艙結構模型上的速度測點位置如圖5（a）所示，本文重點關注位于外板上的D1、D5、D6、D7和D8。DPS激光探頭的布置如圖5（b）所示，每一個DPS激光探頭獨立地布置在一根固定桿上，可以防止模型不同位置的速度起始時間不同造成的相互干擾。飛片收集裝置包括飛片收集層和支架，飛片收集層結構由PE泡沫板、木板及鋼板三層結構組成。

2.2 爆轟產物破壞載荷測試試驗設計

爆轟產物破壞載荷測試試驗的總體布置如圖6所示，包括預制破口空艙結構模型、質量塊、安裝框架及水箱、激光位移測量系統和防護裝置。其中，安裝框架及水箱與沖擊波破壞能量測試試驗相同。

沖擊波破壞載荷測試試驗中空艙結構模型的破壞情況如圖7（a）所示，破口邊緣基本到相鄰縱橫隔板，因此爆轟產物破壞載荷測試試驗中，在空艙結構模型上預制一個破口，破口寬×高為150 mm×250 mm，如圖7（b）所示。向水箱內注水前，將預制破口用薄膜進行水密處理。

圖4 模型安裝框架及水箱設計圖（單位：mm）

圖5 速度測點位置及DPS激光探頭布置

圖6 爆轟產物破壞載荷測試試驗的總體布置

圖7 破口情況及預制破口空艙結構模型

質量塊如圖8所示，其厚度為30 mm，迎爆面寬×高為150 mm×250 mm，質量約為10.6 kg。為了盡可能地減少爆轟產物泄露，質量塊采用梯形結構，斜面夾角60°。試驗時，將其與縱橫隔板點焊。

采用激光位移傳感器測量質量塊的位移時程，傳感器的采樣頻率為2.5 kHz。為了防止質量塊和飛濺水撞擊傳感器，將其布置在防護裝置后面，如圖7所示。防護裝置由橡膠板、鋼板和有機玻璃板組成，其上有一個狹長開孔，激光通過狹長開孔打在質量塊背爆面中心。

3 測試結果及分析

3.1 沖擊波破壞載荷測試結果及分析

沖擊波破壞載荷測試試驗采用125 g的TNT球藥，半徑R0為26.5 mm，共進行4個工況。DPS測得典型速度時程曲線如圖9所示，各工況條件下各測點的峰值速度列于表1中。

圖8 質量塊

根據速度測量結果，計算得到不同接觸爆炸條件下沖擊波破壞載荷的能流密度分布規律如圖10所示，圖中D為測點位置距爆心投影點的距離。從圖中可以看出：1）正入射點處，沖擊波破壞載荷的能流密度隨爆距增大而減??；2）不同爆距下能流密度的差異主要在D/R0＜6的范圍內，且爆距越小，能流密度分布的局部效應越明顯。

3.2 爆轟產物破壞載荷測試結果及分析

爆轟產物破壞載荷測試試驗采用125 g的TNT柱藥，尺寸為?50 mm×42 mm，等效半徑為26.5 mm，共進行3個工況。激光位移傳感器測得典型位移時程曲線（4R0）如圖11所示，計算得到各工況條件下質量塊的平均速度和動能列于表2中。

從表2的分析結果可知，質量塊的動能隨爆距增大是增大的，如果質量塊動能表征的是爆轟產物破壞載荷，則明顯與水下爆炸破壞載荷隨爆距增大而減小的規律相悖。經過分析認為，R0工況下，只有爆轟產物的氣柱射流作用在質量塊上，而2R0和4R0工況下，作用在質量塊上的先是藥包與空艙結構外板之間的水形成的水柱射流，后是爆轟產物的氣柱射流，而且爆距越大，水柱射流的質量越大，即能量越大。水柱射流一部分是沖擊波滯后流，一部分是爆轟產物驅動產生的，因此，應將2R0和4R0工況下的質量塊動能扣除沖擊波滯后流的載荷，才是該工況下的爆轟產物破壞載荷，這是后續工作需解決的一個重要問題。

圖9 DPS測得典型速度時程曲線

表1 沖擊波破壞載荷試驗DPS測量結果

圖10 沖擊波破壞載荷的能流密度分布規律

圖11 激光位移傳感器測得質量塊典型位移時程曲線

表2 爆轟產物破壞載荷試驗激光位移傳感器測量結果與分析

4 結束語

本文開展了水下接觸爆炸對舷側空艙結構破壞載荷測試技術的研究，得到如下結論：

1）正入射點處，沖擊波破壞載荷的能流密度隨爆距增大而減小。

2）不同爆距下沖擊波破壞載荷的能流密度的差異主要在D/R0＜6的范圍內，且爆距越小，能流密度分布的局部效應越明顯。

3）R0工況下，只用爆轟產物的氣柱射流作用在質量塊上，而2R0和4R0工況下，作用在質量塊上的先是藥包與空艙結構外板之間的水形成的水柱射流，后是爆轟產物的氣柱射流，因此，2R0和4R0工況下爆轟產物破壞載荷應將質量塊動能扣除沖擊波滯后流的載荷。

為了將沖擊波滯后流的載荷從質量塊動能中扣除，以得到爆轟產物的破壞載荷，需建立水下接觸爆炸條件下沖擊波滯后流載荷的計算方法；本文中的試驗結果僅針對典型結構參數，后續需研究空艙結構外板和質量塊參數對破壞載荷的影響規律。