殼體對炸藥水下爆炸近場特性的影響

李彪彪，王 輝，沈 飛，袁寶慧

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

水下戰斗部作為水下武器系統毀傷目標的最終毀傷單元，其毀傷效果不僅與裝藥能量、目標特性等有關，還與戰斗部殼體有關。水下戰斗部爆炸時殼體將影響戰斗部裝藥能量釋放過程，進而影響戰斗部的毀傷效果。因此，能否通過裸裝藥水下爆炸威力表征實際水下戰斗部的爆炸威力有待進一步研究。

目前，國內外針對水下戰斗部及其裝藥能量釋放過程開展了大量研究[1-5]，如Akio等[1]采用數值與實驗相結合的方法開展了水下爆炸沖擊波傳播規律的研究；沈飛等[3]對含鋁炸藥水下滑移爆轟進行了實驗研究，分析得到了含鋁炸藥水下爆炸后沖擊波的傳播規律與氣泡的膨脹規律。上述關于水下戰斗部的研究均采用裸裝藥，尚未有關于帶殼裝藥在水下的能量釋放過程的報道，而在實際使用過程中，炸藥被裝填于戰斗部殼體中，進而實現對目標的毀傷，因而需要深入研究殼體對水下戰斗部裝藥能量釋放過程和毀傷效果的影響。

本研究采用帶殼裝藥與裸裝藥進行水下爆炸試驗，并采用超高速掃描技術與陰影攝影技術觀察帶圓柱殼體裝藥的水下爆炸過程，并與裸裝藥水下爆炸過程對比，分析殼體對水下戰斗部裝藥能量釋放的影響，以期為水下戰斗部的設計提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

采用SJZ-15型高速掃描相機拍攝帶殼裝藥爆炸過程中沖擊波的傳播歷程、殼體的膨脹歷程與裸裝藥爆炸過程中沖擊波的傳播歷程和氣泡的膨脹歷程，實驗布局如圖1所示。

圖1 水下爆炸實驗布局圖Fig.1 Layout of underwater explosion experiment

1.2 水下爆炸實驗

1.2.1 帶殼裝藥水下爆炸實驗

將12節Φ25mm×25mm的TNT藥柱裝在一根內徑為25mm、外徑為30.12mm、長為300mm的無氧銅管中，并通過鐵絲吊裝于水箱中，裝藥一端用Φ25mm×25mm的JH14藥柱起爆，將氬氣彈安裝于透明水箱的后方，用氬氣彈發出的強光作為背景光源，掃描相機狹縫對準距起爆點200mm的位置上。帶殼裝藥水下爆炸后，在一定時間內殼體未發生破裂，能夠遮擋氬氣彈所發出的強光，但殼體兩側的強光透過水層便可在掃描底片中留下殼體膨脹的軌跡。

1.2.2 裸裝藥水下爆炸實驗

將12節Φ25mm×25mm的TNT藥柱通過透明膠帶固定為一體，然后按照上述帶殼裝藥水下爆炸實驗步驟進行實驗。裸炸藥在水中爆炸后，由于爆轟產物中含有大量游離態的碳等，光無法透過爆轟產物，同樣可在掃描底片中記錄到爆轟產物氣泡的膨脹軌跡。且在水下爆炸實驗中，由于爆炸沖擊波會壓縮其所到之處的水層，受壓縮的水層透光率極低，背景光源發出的亮光被沖擊波所壓縮的水層阻擋，進而可在掃描底片中記錄到沖擊波的傳播跡線[6-7]。

2 結果與討論

2.1 帶殼體裝藥與裸藥柱沖擊波跡線分析

水下帶殼裝藥爆炸沖擊波傳播歷程與圓筒膨脹歷程的掃描底片如圖2(a)所示，水下裸裝藥爆炸沖擊波傳播歷程與氣泡膨脹歷程的掃描底片如圖2(b)所示，掃描底片中橫向表示時間，縱向表示圓筒與氣泡的膨脹距離以及沖擊波的傳播距離。

圖2 實驗掃描底片Fig.2 Experimental scanning negative

由圖2(a)可看出，帶殼裝藥掃描底片獲得了兩條跡線，其中運動速率較快的跡線為沖擊波在水中的傳播跡線，運動速率較慢的為殼體膨脹的跡線；圖2(b)掃描底片中同樣獲得了兩條跡線，其中運動速率較快的跡線為沖擊波在水中的傳播跡線，運動速率較慢的為爆轟產物氣泡膨脹的跡線。

通過專用的判讀儀(CARLZEISS JENA，DDR，MADE IN GERMANY)對圖2中的掃描底片進行判讀，并結合圖像的放大比和高速掃描相機的轉速可得到帶殼體裝藥與裸裝藥爆炸過程中沖擊波傳播跡線的一系列數據點，并通過該數據點對沖擊波傳播跡線進行擬合。

對水下帶殼裝藥爆炸過程中沖擊波的傳播軌跡擬合，由于其傳播跡線近似為一條直線，因此擬采用線性函數對其徑向擬合，其跡線的斜率(沖擊波傳播速度)約為2.3mm/μs，而對水下裸裝藥爆炸過程中沖擊波傳播跡線，采用公式(1)所示的非線性函數[3]進行擬合：

(1)

式中：y為沖擊波徑向傳播的距離，mm；t為傳播時間，μs；c0為水下聲速，1.483mm/μs；擬合參數的值為A1=1.286mm，B1=0.2282μs-1，A2=-1.183mm，B2=-0.0731μs-1，擬合后水下沖擊波的傳播跡線如圖3所示。

圖3 沖擊波傳播距離隨時間變化的曲線Fig.3 Change curves of the propagation distance of shock wave with time

將公式(1)對t求導，獲得裸裝藥水下沖擊波傳播速率隨時間t的變化規律，如公式(2)所示：

(2)

沖擊波傳播速率與沖擊波波后粒子速度存在如下關系[3]：

Ds=1.483+25.306lg(1+up/5.19)

(3)

根據沖擊波的動量守恒方程，可得公式(4)所示沖擊波波陣面壓力與沖擊波傳播速率、沖擊波波后粒子速度之間的關系：

p=ρwDsup

(4)

式中：p為沖擊波波陣面壓力，GPa；ρw=1.0g/cm3為水的密度；Ds為沖擊波傳播速度，mm/μs；up為沖擊波波后粒子速度，mm/μs。

結合公式(2)、(3)、(4)即可獲得帶殼裝藥與裸裝藥水下爆炸近場范圍內沖擊波波陣面的壓力隨傳播距離的變化曲線，如圖4所示。

圖4 沖擊波波陣面壓力隨傳播距離的變化曲線Fig.4 Change curves of the shock wave front pressure with propagation distance

由圖4可知，裸裝藥水下爆炸沖擊波的初始波陣面壓力較高(約為8.5GPa)，因此其在水介質傳播過程中快速衰減。帶殼裝藥水下爆炸沖擊波的初始波陣面壓力僅為0.9GPa，且傳播距離較短，因此其在水介質傳播過程中衰減作用不夠明顯。裸裝藥爆炸沖擊波在水下傳播的過程中，當傳播距離達到35mm時，沖擊波波陣面壓力下降至2GPa，而帶殼裝藥的沖擊波波陣面壓力近似保持不變。

根據公式(1)和(2)可得到圖5所示的帶殼裝藥與裸裝藥水下爆炸近場范圍內沖擊波傳播速度隨傳播距離的變化曲線。

圖5 沖擊波傳播速度隨傳播距離的變化曲線Fig.5 Change curves of the propagation velocity of shock wave with propagation distance

由圖5可知，裸裝藥水下爆炸沖擊波的徑向初始傳播速度約為4.75mm/μs，帶殼裝藥水下爆炸沖擊波的徑向初始傳播速度約為2.314mm/μs；裸裝藥爆炸沖擊波在水下傳播的過程中，其徑向的傳播速度隨著傳播距離的增加不斷下降，當沖擊波傳播距離達到25mm時，沖擊波傳播速度降至3mm/μs，而帶殼裝藥的徑向傳播速度近似保持不變。

2.2 沖擊波在不同介質中的傳播機理分析

帶殼裝藥爆炸后產生的爆炸沖擊波首先作用于外部殼體，然后通過殼體作用于水介質，而裸藥柱爆炸后產生的爆炸沖擊波將直接作用于水介質。由于該過程時間較短、傳播距離較近，因而在該過程的分析中忽略應力波的衰減。為了分析應力波在不同介質之間傳播時的應力變化，首先需描述炸藥爆轟產物作用過程中的p(u)曲線、銅殼體與水介質的p(u)曲線。在炸藥爆炸驅動圓筒膨脹的過程中，主要依靠爆轟產物的側向作用力驅動圓筒，則爆轟產物的p(u)曲線可根據公式(5)[8]獲得：

(5)

式中：pCJ=ρ0D2/(γ+1)，ρ0和D分別為炸藥密度和爆速，TNT炸藥的多方指數γ=2.727。銅和水的p(u)曲線如公式(6)所示，公式(6)中ρ、c0和λ分別為銅與水的密度、聲速及沖擊雨共紐參數，其具體的數值如表1[8]所示。

p=ρu(c0+λu)

(6)

表1 材料參數[8]Table 1 Material parameters[8]

圖6為沖擊波在不同介質中的傳播過程示意圖，其中，3條實線分別表示TNT爆轟產物的等熵線及銅殼體、水介質的p(u)曲線，爆轟產物的等熵線與金屬殼體材料p(u)曲線的交點A的坐標為金屬殼體材料中的入射沖擊波壓力和波陣面后的粒子速度，金屬殼體與外部介質間沖擊波傳遞的路徑主要沿沖擊材料在交點A的反演線(如圖中虛線所示)，反演線與水介質p(u)曲線的交點B的坐標為水介質中的入射沖擊波壓力和波陣面后的粒子速度，爆轟產物的等熵線與水介質的p(u)曲線的交點C的坐標為裸藥柱爆轟后水介質中的入射沖擊波壓力和波陣面后的粒子速度。

圖6 沖擊波在不同介質中的傳播過程示意圖Fig.6 Diagram of propagation process of shock waves in different media

通過圖6可以發現，由于外部銅殼體的p(u)曲線處于水的p(u)曲線的上方，因此交點B的橫縱坐標必定小于交點C的橫縱坐標，交點的橫縱坐標表示水下入射波波陣面的壓力與波后的粒子速度，因此帶殼裝藥爆炸后傳入水下沖擊波的強度必定小于裸裝藥爆炸后傳入水下沖擊波的強度。通過實驗所得的數據分析與理論分析均可得到相似的結論，即外部殼體衰減了傳入水下的沖擊波，經殼體衰減后傳入水下的沖擊波波陣面壓力僅為直接傳入水下的沖擊波波陣面壓力的10%。

2.3 帶殼裝藥殼體膨脹跡線與裸藥柱氣泡膨脹跡線分析

通過專用的判讀儀(CARLZEISS JENA，DDR，MADE IN GERMANY)對圖2中的實驗掃描底片中運動速度較慢的跡線進行判讀，并結合圖像的放大比和高速掃描相機的轉速可得到帶殼裝藥殼體膨脹跡線與裸裝藥氣泡膨脹跡線的一系列數據點，并通過該數據點對殼體與氣泡的膨脹跡線進行擬合。

對水下帶殼裝藥爆炸過程中殼體軌跡與水下裸裝藥爆炸過程中氣泡的膨脹跡線，采用公式(7)所示的非線性函數[4]進行擬合：

y=a1+a2t+a3exp(a4t)

(7)

式中：y為殼體或氣泡的膨脹距離，mm；t為膨脹時間，μs。擬合參數值如表2所示，擬合后的水下圓筒膨脹跡線與氣泡膨脹跡線如圖7所示。

表2 膨脹跡線擬合參數Table 2 Fitting parameters of expansion trace

圖7 帶殼裝藥和裸裝藥徑向膨脹跡線Fig.7 Radial expansion traces of charge with and without shell

將式(7)對ΔR求導，獲得水下殼體與氣泡的膨脹速率隨時間的變化曲線，如式(8)所示，圖8為水下殼體與氣泡的膨脹速率隨膨脹時間的變化曲線。

u=a2+a3a4·exp(a4t)

(8)

圖8 膨脹速率隨時間的變化曲線Fig.8 Change curves of the expansion velocity with time

由圖8可知，裸裝藥水下爆炸后氣泡的膨脹速率在初始時刻迅速上升至0.92mm/μs，然后在30μs內不斷下降至0.34mm/μs；帶殼裝藥水下爆炸后殼體的膨脹速率在初始時刻迅速上升至0.78mm/μs，然后在50μs內逐漸下降至0.25mm/μs，且在5～20μs殼體的徑向膨脹速率大于氣泡的膨脹速率。

為更加詳細分析殼體與氣泡徑向膨脹速率的變化過程，將其分為初期(0～5μs)、中期(5～20μs)和后期(20μs以后)3個階段。在初期主要依靠沖擊波來加速殼體[9-10]，根據圖6可知，雖然殼體明顯降低了裝藥爆炸后傳入水中的沖擊波強度，但其傳入水中的沖擊波能仍不可忽略，因此用于加速殼體的沖擊能量僅為爆炸初始沖擊能量的一部分，而裸裝藥水下爆炸后沖擊波直接作用于水介質，因此在水下爆炸初期氣泡的徑向膨脹速率大于殼體的徑向膨脹速率。水下爆炸中期，由于沖擊波在水中快速衰減，在外部水介質的約束下，裸裝藥爆炸后氣泡的膨脹速率迅速下降，而帶殼裝藥由于沖擊波能夠在殼體中不斷地反射，進而推動殼體的徑向膨脹，因此，在水下爆炸的中期，殼體的徑向膨脹速率大于氣泡的徑向膨脹速率。在水下爆炸的后期，主要是依靠爆轟產物的膨脹力去推動殼體與水介質，此時殼體對爆轟產物膨脹的約束作用不可忽略，帶殼裝藥水下爆炸需考慮殼體膨脹與形變所需要的能量，而裸裝藥水下爆炸僅需推動水徑向膨脹所需的能量，因而在水下爆炸的后期，氣泡的徑向膨脹速率將大于殼體的徑向膨脹速率。

3 結 論

(1)由于殼體的衰減作用，帶殼裝藥水下爆炸傳入水下的沖擊波強度約為裸裝藥水下爆炸傳入水下的沖擊波強度的1/10，且隨著傳播距離的增加，裸裝藥爆炸所產生的沖擊波在水下以指數形式迅速衰減，而帶殼裝藥爆炸所產生的沖擊波衰減較為緩慢。

(2)水下爆炸初期，殼體影響了裝藥爆炸初始沖擊能量的分配，導致裸裝藥爆炸后氣泡的膨脹速率大于帶殼裝藥爆炸殼體的膨脹速率；中期，由于殼體中應力波的加速作用，使得帶殼裝藥爆炸殼體的膨脹速率大于裸裝藥爆炸后氣泡的膨脹速率；后期，殼體與氣泡的膨脹主要依靠爆轟產物，殼體對爆轟產物膨脹的約束作用不可忽略，因而裸裝藥爆炸后氣泡的膨脹速率大于帶殼裝藥爆炸殼體的膨脹速率。