不同能量輸出結構戰斗部水下爆炸毀傷威力試驗研究

魯忠寶, 黎 勤, 哈海榮

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不同能量輸出結構戰斗部水下爆炸毀傷威力試驗研究

魯忠寶, 黎 勤, 哈海榮

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

水中兵器戰斗部對大型水面艦船的爆炸毀傷威力, 除了與作用距離相關之外, 還與作用方位、戰斗部的裝藥品種、起爆方式等都有密切關系。為了得出攻擊大型水面艦戰斗部所需最佳攻擊方位, 以及裝藥與起爆方式設計準則, 文中選取典型炸藥品種、典型起爆方式的戰斗部裝藥, 進行水下爆炸全方位威力場參數的試驗測試, 以及典型戰斗部底部爆炸對艦船目標模擬靶響應的試驗測試, 得出了不同能量輸出結構戰斗部水中爆炸能量的輸出規律及其對艦船目標的毀傷規律, 確定了水中兵器戰斗部適宜選取總能量高、氣泡能也高的炸藥品種, 采用底部攻擊及定向起爆方式, 使能量匯聚方向朝上, 以獲取最佳毀傷效果。文中的研究可為打擊大型水面艦船的水中兵器戰斗部總體設計提供參考。

水中兵器; 戰斗部; 炸藥; 起爆方式; 水面艦船; 毀傷

0 引言

水中兵器戰斗部為了有效打擊大型水面艦船, 除了需要合適的作用距離之外, 戰斗部的作用方位、炸藥品種與起爆方式也會影響其爆炸毀傷威力。對此, 國內外已有大量研究成果。例如, 針對定向起爆方式與威力場分布規律的關系研究, 文獻[1]進行了裝藥水下爆炸時不同定向起爆方式下威力場參數的仿真計算與對比分析, 但研究點僅在同一個水平面內, 沒有涉及不同炸藥、不同立體方位(如上方, 下方)威力場參數的對比研究; 針對水下爆炸對艦船目標的毀傷研究, 涉及到水下爆炸沖擊波、氣泡載荷、對艦船目標毀傷效應的仿真計算與爆炸試驗等, 但只是將水下戰斗部處理為1個炸藥包或者1個爆炸載荷, 沒有考慮戰斗部的起爆方式、炸藥品種對目標毀傷效應的差異, 而且研究重點是舷側起爆, 沒有涉及戰斗部底部爆炸對雙層艦船結構的試驗研究[2-8]; 針對底部打擊大型水面艦船的水中兵器戰斗部的炸藥選型, 雖已完成初步論證分析, 但尚未進行實爆試驗作為可行性支撐論證[9]。

基于此, 有必要進行不同能量構成的炸藥品種、不同起爆方式的戰斗部裝藥水下爆炸立體全方位的威力場參數測試, 以及底部方位爆炸對艦船模擬目標靶響應的試驗測試, 從而獲取攻擊艦船戰斗部的最佳作用方位、裝藥能量構成及起爆方式。

文中試驗一共進行了10發正式測試, 包含8發不同炸藥品種、不同起爆方式的水中爆炸威力場參數測試試驗和2發艦船模擬目標靶爆炸沖擊響應測試試驗, 獲得了有效的測試數據, 最終得出不同能量輸出結構戰斗部水中爆炸能量的輸出規律及其對目標的毀傷規律。文中的研究可為打擊大型水面艦船的水中兵器戰斗部總體設計提供參考。

1 不同能量輸出結構戰斗部水下爆炸毀傷威力試驗

1.1 試驗用戰斗部裝藥

試驗用戰斗部裝藥為縮比尺寸,起爆方式有中心點起爆方式、定向起爆方式2種。裝藥品種選取了典型的高氣泡能水中兵器用炸藥A和典型的高沖擊波能水中兵器用炸藥B。裝藥品種、起爆方式都將影響戰斗部的能量輸出結構, 由不同的起爆方式、不同能量輸出結構的炸藥品種, 構成實現不同的戰斗部。

中心點起爆的戰斗部如圖1所示, 由雷管起爆導爆索后起爆中心起爆藥, 然后再起爆主裝藥。定向起爆戰斗部外部尺寸同中心點起爆戰斗部, 為圓周八分位相鄰三線同時起爆方式, 如圖2所示。該方式采用15個點同步起爆結構實現多分位定向起爆功能, 15個點同步起爆是通過1個雷管起爆傳爆藥柱, 再起爆15根相同長度的導爆索, 導爆索同時起爆擴爆藥來實現。

圖1 中心點起爆戰斗部

圖2 定向起爆戰斗部

1.2 模擬目標

選取某典型艦船底部較薄弱的局部結構進行簡化及縮比作為模擬目標, 模擬目標的材料為Q235鋼, 各部分焊接制作而成, 模型為雙層底, 在隔板與內板上開通水孔, 雙層底間注滿水, 保證不滲漏。圍壁板的上端四角設置有懸掛孔。實物見圖3所示。

圖3 模擬目標靶實物

1.3 試驗方案

試驗分為不帶模擬目標的威力場參數測試與帶模擬目標的目標響應測試兩部分。

1.3.1 威力場參數測試試驗方案

該測試涉及不同炸藥品種、不同起爆方式戰斗部威力參數的對比, 測點選取為0°和90°(以軸線為基準)水平面內、正上方及正下方距離戰斗部中心1.0 m, 1.5 m及2 m處的4個方位共12個點。其中定向起爆戰斗部試驗時, 能量的匯聚方向向上, 15個起爆點在正下方。為保證測點位置要求, 專門設計了剛性支架, 用來固定戰斗部和測試傳感器, 支架由實心鋼棒焊成三角體。使用吊車將安裝好戰斗部及傳感器的試驗支架整體吊入水中, 從而保證了傳感器與戰斗部之間的距離和角度。測點布置及試驗支架如圖4所示。

圖4 測點布置及試驗支架圖

Fig. 4 Layout diagram of test points and test holder

1.3.2 模擬目標靶爆炸響應測試試驗方案

戰斗部懸掛于模擬目標靶中心正下方, 距模擬目標底部1.3 m, 采用定向起爆戰斗部, 能量匯聚方向朝上, 即起爆點在下, 試驗布局見圖5所示。

在模擬目標靶內板上設置3處應變測試點, 進行正交2個方向的測試; 內板上同時設置3處沖擊加速度測試點, 加速度測試方向為板面法向。應變和沖擊加速度測點位于目標靶小隔艙的中心處, 2個品種炸藥戰斗部試驗時測試點設置相同。應變片用膠粘貼, 沖擊加速度傳感器使用焊接在測點的螺紋座安裝固定。目標靶上測點的布置如圖6所示。

1.4 測試系統

1.4.1 爆炸威力場參數測試系統

爆炸威力場參數測試試驗起爆及測試框圖如圖7所示。

圖5 戰斗部與模擬目標靶布局

圖6 模擬目標靶上測點布置圖

圖7 爆炸威力場參數測試試驗起爆及測試框圖

由一臺同步脈沖發生器主控, 同時輸出多路電壓訊號, 一路觸發高壓脈沖發生器,起爆戰斗部中的雷管。另外4路電壓觸發數字示波器, 記錄水下壓力傳感器的壓力時程數據。

1.4.2 模擬目標靶響應測試系統

模擬目標靶響應測試試驗起爆及測試框圖如圖8所示。由一臺同步脈沖發生器主控, 同時輸出多路電壓訊號。一路觸發高壓脈沖發生器, 起爆戰斗部中的雷管。另外使用多路電壓輸出來觸發數字示波器, 記錄加速度傳感器的壓力時程數據和應變數據。

圖8 模擬目標靶響應測試試驗起爆及測試框圖

2 試驗結果及分析

2.1 威力場參數試驗

2.1.1 試驗結果

不同戰斗部水下爆炸威力場參數試驗爆炸瞬時照片如圖9所示。

圖9 水下爆炸瞬時照片

不同起爆方式和炸藥品種的戰斗部試驗測試得到的各個研究點的沖擊波峰值壓力原始數據, 經剔除奇異值, 對獲得的多個有效值進行平均處理后統計如表1所示。

因相同品種炸藥不同起爆方式, 在不同方向、不同測點處的氣泡脈動周期相差極小, 故在計算氣泡能參數時取氣泡脈動周期的平均值。氣泡能計算數據如表2所示。

表1 不同戰斗部試驗各研究點沖擊波峰值壓力平均值統計(單位: MPa)

表2 氣泡能數據匯總表

對不同起爆方式和炸藥品種的戰斗部試驗測試得到的各個研究點的沖擊波能數據, 經剔除奇異值, 對獲得的多個有效值進行平均處理后統計如表3所示。

2.1.2 結果分析

針對表1中的統計數據分析可知:

1) 總體看來, 在相同方向相同距離處, 炸藥為B戰斗部的峰值壓力大都比炸藥為A戰斗部的壓力大, 這是因為炸藥B為沖擊波能高的炸藥品種;

表3 不同戰斗部試驗各研究點比沖擊波能平均值統計(單位: MJ·kg–1)

2) 對2種炸藥的定向起爆戰斗部, 在定向能量匯聚方向的峰值壓力大都比相應的中心起爆戰斗部的壓力大, 說明起爆方式能改變威力場能量分配, 定向匯聚方向上能量得到增強。

針對表2中的統計數據分析可知:

1) 氣泡能的分布主要與炸藥品種相關, 與起爆方式、方位和距離的關系不大;

2) 炸藥A的戰斗部的氣泡能TNT當量系數明顯大于炸藥B的戰斗部氣泡能的TNT當量系數。

針對表3, 結合表2的統計數據分析可知:

1) 炸藥A的氣泡能比炸藥B的氣泡能高; 炸藥B的沖擊波能比炸藥A的沖擊波能高; 總能量方面兩者的差別不明顯, 與炸藥品種選型的預期一致;

2) 不同起爆方式、不同炸藥品種的戰斗部能量各方向的差異不太明顯, 但總體上可看出, 90°水平徑向的沖擊波能及總能量比其他3個方向略低; 正下方的沖擊波能及總能量略高;

3) 起爆方式不同, 也帶來能量分布的差異, 根據有效的沖擊波能數據可以看出, 對2種炸藥的定向起爆戰斗部, 在定向能量匯聚方向, 正上方的沖擊波能比相應的中心起爆戰斗部的沖擊波能大。

2.2 目標靶響應試驗

2.2.1 試驗結果

各一發炸藥A和炸藥B定向起爆戰斗部對目標靶進行試驗, 定向能量匯聚方向朝向目標靶, 測試應變數據和加速度數據。試驗測試得到典型的應變信號如圖10所示。應變最大值如表4所示。

試驗測試得到典型的沖擊加速度信號如圖11所示。加速度最大值如表5所示。

圖10 典型的應變信號(炸藥B, 內板邊角5#, X向)

表4 模擬目標靶應變測試最大應變數值匯總表

爆炸試驗后, 目標模擬靶的內板無明顯變形, 底板變形顯著, 底板的中心部位靠近隔板處變形最大, 如圖12所示。

2.2.2 毀傷響應分析

根據表4中的數據可以看出, 目標模擬靶內板的中心位置因正對著戰斗部, 爆炸載荷較大, 因而應變較大; 而內板的靠近邊角處由于存在圍壁板對內板的邊界強約束效應, 從而使載荷無法釋放, 應變也較大, 但由于受研究條件的限制, 目標靶模型不可能采用真實尺度, 不可避免地存在模型的邊界效應。雖然總體來看, 沖擊波能較大的炸藥B, 造成的目標模擬靶邊界的應變最大, 但考慮到小模型尺寸的邊界效應, 應該重點研究的是目標模擬靶內板的中心位置, 此處的邊界效應最小。以內板中心位置為參照可以看出, 氣泡能較大的炸藥A造成的目標模擬靶的應變比沖擊波能較大的炸藥B造成的應變要大很多。而當前對艦船目標的毀傷, 通常采用應變作為判據, 以此為準則的話, 采用氣泡能較高的炸藥, 造成艦船目標的毀傷效果會更強。另外, 試驗現場炸藥A爆炸將艦船模擬目標靶掀起的高度遠遠大于炸藥B, 掀起高度越大, 目標整體毀傷效應應該更顯著, 這樣也可以得出, 以艦船整體毀傷效應為準則的話, 采用氣泡能較高的炸藥, 造成的毀傷效果會更強。

圖11 典型的沖擊加速度信號(炸藥A, 內板中心2#)

表5 最大沖擊加速度數值匯總表

圖12 目標模擬靶底板變形情況

根據表5中的數據可以看出, 所有測點的沖擊加速度都在6 000g以上(部分傳感器損壞、超量程)。由炸藥為A的定向起爆戰斗部作用下目標靶有效的加速度數據可以看出, 內板中心位置沖擊加速度高達14011.39g。若以加速度為設備損傷判據, 根據相關資料, 艦船內板加速度達到234.4g, 即可使設備受損[10], 而文中試驗模型戰斗部作用距離大致在引信作用距離范圍處, 并不很近, 但由于戰斗部位于艦船正下方, 沖擊加速度遠遠大于該值。這也表明了要毀傷艦船目標, 戰斗部位于艦船底部爆炸效果十分突出。

3 結論

針對文中試驗所選取的典型炸藥品種、典型起爆方式的不同能量輸出結構的戰斗部, 進行了水下爆炸威力場參數的測試, 及艦船模擬目標靶響應的測試, 由于測點很近, 傳感器損壞較嚴重, 少數測點未能獲得完整的信號, 但從獲得的有效數據分析, 仍可得出如下結論:

1) 對不同的炸藥品種, 采用定向起爆方式,相對中心起爆方式, 都可使峰值壓力在定向能量匯聚方向得到增強, 沖擊波能也可得到增強;

2) 氣泡能的分布主要與炸藥品種相關, 與起爆方式、方位、距離的關系不大;

3) 不同起爆方式和炸藥品種的戰斗部能量匯聚在上下水平各個方向的差異雖不太, 但總體上水平徑向方向的沖擊波能及總能量比其他方向略低, 正下方的沖擊波能及總能量略高;

4) 戰斗部位于艦船目標的底部爆炸, 對目標的毀傷效果顯著;

5) 對于總能量相近的炸藥, 氣泡能較大裝藥, 相對沖擊波能較大的裝藥對正上方艦船目標造成的應變更大, 整體毀傷效果也更明顯。

文中通過試驗測試與研究, 得出的上述不同能量輸出結構戰斗部水中爆炸能量的輸出規律及其對艦船目標的毀傷規律, 可以指導打擊大型水面艦船的水中兵器戰斗部的總體設計。即對于底部攻擊大型水面艦船的水中兵器戰斗部, 從提高毀傷威力的角度, 適宜采用定向起爆方式, 使能量匯聚方向朝上, 而且需要選取總能量高、氣泡能也高的炸藥品種。

由于受研究經費的限制, 少量近距離測點的傳感器超量程或損壞, 沒有全部補充, 試驗數據還不夠充分; 而且小尺度的縮比艦船模型還不能完全體現艦船整體的毀傷效應, 雖然得出了初步定性的研究規律, 具有指導意義, 但相關工作還有待進一步深入, 需要采用更大的試驗模型, 開展更多的試驗研究, 獲得更多的數據, 進而得出更多的定量研究結論。

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Experimental Study on Underwater Explosion Damage Power of Warhead with Different Energy Output Configuration

LU Zhong-bao, LI Qin, HA Hai-rong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Explosion damage power of underwater weapon warhead to large surface ship depends on action range, as well as action location, warhead charge variety, and detonation mode. In order to obtain the best position for attacking warhead of a large surface ship and the design criteria of charge and detonation modes, this study chose the warhead with typical explosive type and typical detonation mode to test the power field parameters in all directions of underwater explosion and the response of simulated ship target to bottom explosion of a typical warhead. The output law of underwater explosion energy of a warhead with different energy output configuration and the damage law to ship target were obtained. It is concluded that the explosive with high total energy and high bubble energy is suitable for the underwater weapon warhead; bottom attack and directional detonation can converge energy upward to obtain the best damage effect. This study may provide a reference for overall design of the underwater weapon warhead for attacking large surface ship.

underwater weapon; warhead; explosive; detonation mode; surface ship; damage

魯忠寶, 黎勤, 哈海榮. 不同能量輸出結構戰斗部水下爆炸毀傷威力試驗研究[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(1): 71-77.

TJ630. 1; TQ560.1; U661.43

A

2096-3920(2019)01-0071-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.012

2018-09-03;

2018-11-05.

國防基礎科研項目(B0820132045).

魯忠寶(1978-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要從事水中兵器戰斗部的研究與設計.

(責任編輯: 楊力軍)