高速彈體侵徹下充液結構的破壞特性及防護技術研究進展

高圣智，侯海量，白雪飛，李永清，李 典

(海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

充液結構在高速彈體侵徹下的問題研究受到航天、兵器、船舶等領域學者的廣泛關注，其研究內容主要為：一是對高速彈體侵徹下充液結構內部產生的水錘效應的研究。當高速破片侵徹充液結構時，會在結構內部形成強烈的壓力波和液體流并作用于結構壁面，導致壁面出現大面積破口或爆裂，這種現象叫做水錘效應。由于其造成的災難性后果[1-3]，水錘效應已被視為導致飛機失事的最主要因素之一[4]。在“沙漠風暴”軍事行動中，約75%的飛機失事均與燃料箱有關[5]。針對水錘效應問題，早在二戰時期就引起了美國等西方國家學者的關注，BIRKHOFF，BURT，MOUSSA 等[6-8]開展了早期的研究。近 80 年來國內外學者在該領域進行了大量的理論分析、試驗研究和數值計算，取得了豐富的研究成果。劉國繁，紀楊子燚等[9-10]做了很多工作，在這方面進行了很好的總結。二是對高速彈體侵徹下充液結構的破壞特性及防護技術的研究。利用液體對彈體沖擊動能的耗散作用，充液結構可用于抵御彈體的沖擊與侵徹，大型艦船的防護液艙就是典型的代表[11-14]。在抗侵徹過程中，防護液艙后壁通常是不允許發生嚴重損傷的，而液艙前壁可以發生破損。液艙前壁的破損吸能是液艙吸能的重要組成部分，其破損時機和程度對液艙內的壓力波傳遞、液體流的運動等都有重要影響，從而又會影響到液艙后壁的變形和破壞。為了減輕充液結構的損傷破壞，國內外學者做了一些探討，提出了相關的防護技術。例如可以通過衰減水錘效應產生的沖擊波壓力，以減小結構的破損程度[15]。此外也可從破壞侵徹體角度出發，盡量吸收彈體的沖擊動能，衰減彈體的速度，從而分散載荷的密集度，避免壁面出現大范圍的破口[16]。

針對高速彈體侵徹下充液結構的破壞特性和防護技術，David Townsend等[17]開展了高速破片侵徹充液結構的沖擊實驗，觀察了在不同撞擊速度下結構前后壁板的破壞形貌，并提出2種減小結構損傷的技術。Disimile等[18]對大型油箱模擬器進行打靶試驗，利用布置在油箱內部和后壁上的7個壓力傳感器，對載荷特性進行了深入分析，為開展充液容器的防護工作奠定了基礎。J.A.Artero-Guerrero等[19]通過設計蜂窩結構放置在鋁管內部，有效地減少了鋁管的變形程度。李典等[20]通過數值仿真計算，分析了充液結構前、后面板的破壞模式，根據結構面板不同的破壞特性，分別將面板的破壞過程劃分為幾個階段。仲強等[16]則從破壞侵徹體的角度出發，在液艙結構前壁迎彈面增設抗彈陶瓷材料層，使高速彈體在進入液艙內部之前發生嚴重的墩粗變形，降低了彈體的侵徹性能，從而提高液艙結構的防護能力。

本文重點對充液結構承受的載荷特性、變形破壞特性以及水錘效應的衰減防護技術做詳細評述，對高速彈體侵徹下產生的水錘效應的未來研究方向進行展望。

1 高速彈體侵徹下充液結構中水錘效應的物理過程及彈體剩余特性

1.1 物理過程

關于水錘效應物理過程的分析，紀楊子燚等[10]已經開展了大量的工作，對該過程做了很好的總結。水錘效應一般分為沖擊階段、阻滯階段、空化階段和穿出階段4個階段[18]，如圖1所示。沖擊階段是彈體侵入的初始階段，充液結構前壁在侵入點高壓下可能發生破裂，彈體沖擊動能猛烈釋放，產生應力波向四周傳播，在液體中也會形成初始沖擊波[18]。彈體入水產生沖擊波的過程可視為撞擊位置處的點源產生沖擊波的過程[21]。

圖1 水錘效應過程Fig.1 The phases of hydrodynamic ram

在阻滯階段，彈體繼續侵入并不斷與液體發生撞擊，速度逐漸衰減；同時圓錐形的空腔已開始形成，并在空化階段不斷發展。由于阻滯階段和空化階段之間并沒有一個明顯的界限，有關這2個階段的研究內容是統一的。在阻滯階段液體的運動會產生徑向的壓力場，并逐漸形成空穴[4]；在空化階段空穴不斷膨脹并逐漸形成一個大的空腔，隨后空腔不斷振蕩會產生嚴重的壓力脈沖，對結構造成嚴重破壞。液體內的壓力場分布和空腔特性是這2個階段關注的重點問題。對液體內壓力場分布的研究從McMillen開始得到重視[22-23]，國外的 McMillen，P.C.Chou，Hopson，Disimile 等[18,22-25]，國內的唐廷、張偉等[26-27]在這方面做了大量的工作。由于實驗中彈體參數尺寸、靶板材料和厚度不同，得到的壓力計算模型具有一定的局限性。

在穿出階段，彈體穿出后壁時會形成局部高壓，并導致充液結構后壁彈孔周圍破裂[28-29]。后壁彈孔附近發生碟形變形，隨著空腔的膨脹擠壓，后壁彎曲變形增大。此外，紀楊子燚等[21]試驗中的高速攝影發現空腔在達到最大尺寸后開始從兩端沿軸向向中心收縮，在凹陷時有射流產生。

1.2 彈體剩余特性

彈體剩余特性的研究內容包括速度衰減特性和剩余變形特性。其中彈體速度衰減特性又包括彈體在穿透結構前壁時的速度衰減規律、彈體在水中的運動規律以及彈體在水中的彈道穩定性3部分內容。早在20世紀60年代，MORSE C R等[8]進行了關于彈體速度衰減問題的實驗研究，隨后CHOU P C等[24]進行了相關問題的理論分析。Power等[30-31]按照背空靶板的剩余計算公式計算彈體穿透背水靶板后的剩余速度，但這種假設顯然不合理。由于靶板后的水介質會對其抗侵徹能力產生影響，破片穿透充液容器壁板后的速度與穿透空背靶板不同。徐雙喜等[32]建立了分析模型探討背水靶板的穿甲過程，根據德瑪爾公式和破片穿甲的運動方程，推導出破片穿透背水靶板后的剩余速度計算公式，但其假設中沒有考慮破片侵徹背水靶板時傳遞到水中的能量，對侵徹后期的絕熱剪切現象也未能有足夠的認識。陳長海等[33-34]則建立了鈍頭彈高速侵徹中厚背水金屬靶板的瞬時余速計算模型，計算模型考慮了靶后水介質的動支撐作用和動能耗散等效應，理論計算值、實驗結果及仿真結果之間均擬合較好。關于彈體在水中運動規律的研究，文獻[10]做了很好的總結。關于水下彈道穩定性問題的研究，前期主要集中在低速魚雷的入水問題上，對于從空氣層入水的結構物，作用在結構物上的力的大小會影響其彈道特性[35-36]。而對于高速彈體的入水問題，較早開展這方面工作的有磯部孝、陳先富、顧建農、張偉、Guo Zitao 等[37-41]。研究表明彈體頭部形狀會對水下彈道穩定性產生影響，平頭彈具有較好的水下彈道穩定性。

而對彈體的變形失效及其形成機制的研究，沈曉樂等[42]通過數值仿真進行了中高速彈體侵徹入水的數值模擬，彈體入水后頭部發生嚴重的墩粗變形。這是因為彈體撞擊入水時存在一個變形臨界速度。當彈體初始速度超過彈性極限速度時，即此時彈體頭部受到的壓力作用會大于彈體材料的動態屈服抗壓強度，從而發生墩粗變形。仲強等[16]對彈體的破壞模式進行了分析，當靶板厚度較大時，彈體內的破壞模式會受到彈體初速、彈體頭部速度以及彈材塑性波速三者關系的影響，彈體主要發生墩粗—侵蝕破壞，如圖2所示。

圖2 實驗后所收集到的彈體變形破壞形貌[16]Fig.2 The projectile body deformation and failure morphology of the experiment[16]

2 充液結構承受的載荷特性與變形破壞特性

2.1 載荷特性

本節所描述的載荷，不同于第1節所提到的液體內部的壓力場。當彈體垂直入射進入可視為無限域的水體時，在與液體撞擊過程中不斷產生沖擊波壓力，但該壓力并沒有作用到結構壁面，對該沖擊波壓力在流體中衰減規律的研究屬于水錘效應物理過程的研究內容，本節主要討論的是最終作用到艙室結構或蓄液容器壁面上的壓力載荷。對艦船防護液艙結構來說，作用到后壁上的壓力載荷是防護的重點。從仲強等[16]在壁面布置的壓力傳感器測得的復雜壓力信號來看，作用于壁面的壓力載荷具有多峰性，如圖3所示。

圖3 試驗所測壓力曲線[16]Fig.3 Pressure curve in the experiments[16]

根據不同時段上壓力載荷的特性，可將作用于結構壁面上的載荷大致分為六類[16,18,28]：彈體與液體碰撞產生的入射沖擊波；入射沖擊波到達壁面后反射形成的反射沖擊波；液體流動引起的對壁面擠壓作用而產生的空化壓力載荷；彈體運動至結構后壁附近時其頭部與后壁之間形成的局部高壓；后壁附近區域空化引起的對壁面的二次加載壓力；空腔膨脹至最大后開始塌陷產生射流引起的潰滅壓力載荷。對于后壁附近區域空化引起的二次加載，這種加載現象和李海濤等[43]研究的在水下爆炸沖擊波作用下結構附近局部空化引起的二次加載是相似的。這是因為彈體在液體中侵徹產生的沖擊波特性和水下爆炸沖擊波特性是一致的。彈體運動至后壁之前，水錘效應產生的沖擊波已經作用到結構后壁面并發生反射，后壁面附近的壓力迅速降至負壓，當負壓力達到水的空化壓力時在水和后壁面之間會形成空穴。而后水介質在空穴的吸引下向前加速運動，當水介質與壁面相接觸時，將對壁面產生二次加載。從空間上來看，充液結構前、后壁面上不同位置處的載荷特性不同。李典等[28]據此對前、后壁面進行了分區，并對各個區域建立了簡化計算模型，如圖4所示。對后壁而言，靠近撞擊點的區域Ⅰ主要承受入射沖擊波和局部高壓作用，該區域的載荷可簡化為雙三角載荷；而距離撞擊點最遠的區域Ⅲ，主要承受空化壓力載荷作用，其受到的載荷可簡化為長矩形脈沖載荷。

李典等[28]對壓力峰值進行了回歸分析，得到了前、后板所受入射沖擊波壓力峰值Pf關于傳播距離r、初速度v0的擬合關系式：

圖4 后板各區域載荷特性[28]Fig.4 Load characteristics of each division of the rear plate[28]

吳林杰等[44]在液艙后板上選取多個典型單元作為壓力測點，分析了后板載荷的空間分布特性，得到了后板載荷的擬合計算公式。液艙后板上任一點處的壓力峰值Pmax和比沖量的擬合公式如下：

式中：v為破片速度；δ為破片厚度；r為液艙后板上任一點到其中心點的距離。

彈體向前運動的同時，因液體沿垂直于彈道方向向外運動，結構壁面開始受到液體的擠壓作用，該作用持續至液體停止運動[45]。李典、仲強等[16,46-47]將上述液體對結構壁面造成的擠壓載荷定義為空化壓力載荷，試驗和仿真結果顯示初始沖擊波壓力峰值大于空化載荷峰值，但由于空化載荷的作用時間更長，其比沖量遠大于初始沖擊波壓力比沖量，因此空化壓力載荷是導致前、后面板變形破壞的主要載荷。吳曉光等[48]通過布置在充液結構側壁的壓力傳感器，結合文獻[28]對沖擊載荷在結構壁面的作用過程進行了分析，將所測壓力時程曲線主要化分為入射沖擊波載荷和空化壓力載荷兩部分。前者峰值高、作用時間短，通常會造成壁面的局部破損，在容器體積遠大于空腔膨脹體積時對結構破壞起主要作用；后者峰值小、作用時間長，會導致結構壁面發生大面積的薄膜鼓脹變形甚至破壞，當容器體積與空腔膨脹體積相差不大時對 結 構 變 形 破 壞起 主 要 作 用[16,19,28,44,48]。 白 強 本 等[4]在模擬中發現部分充液結構的損傷明顯小于完全充液結構，但在彈體侵徹前期充水比對壁面的變形幾乎沒有影響，間接證明了該類載荷對結構的危害性。這是因為前期的主要作用載荷為入射沖擊波載荷，而到后期主要作用載荷為液體流動產生的擠壓載荷。由于空氣較強的可壓縮性，后期在部分充液結構中的液體會向空氣層運動，使得擠壓載荷對壁面的作用減弱。劉雨曦等[49]同樣提出了空化壓力的概念。根據液艙前面板的變形破壞模式，推斷前面板受到空化壓力載荷的作用，并將平頭彈造成的結構面板變形量更大的原因歸結于空化壓力的影響。相比于其他形狀的彈體，平頭彈產生的空腔更大，導致空化壓力增大，進而對面板造成更大的塑性變形，這再次反映出空化壓力載荷對結構的變形破壞起著重要作用。

多數學者的研究表明彈體侵徹充液結構產生的主要破壞載荷為入水產生的沖擊波載荷和空腔膨脹引起的空化壓力載荷[50-51]。弄清這兩類載荷在結構壁面的作用機理，對減少因水錘效應造成的結構毀傷，設計具有更好防護性能的液艙結構有著重要意義。由于空化壓力載荷作用時間長、范圍廣、影響因素復雜多變，針對空化壓力載荷的理論研究相對有限。

2.2 變形破壞特性

充液結構在高速彈體侵徹下的動響應過程和載荷特性密切相關。彈體沖擊過程產生的各類載荷，終將作用于結構壁面，致使結構發生變形破壞。李典等[20]將充液結構的能量耗散分為吸收、消化2個階段。液體作為中間介質先迅速吸收彈體的沖擊動能，后在彈體排開的液體的擠壓作用下將吸收的能量逐步轉化為結構變形能。充液結構的動響應主要分為2個階段[20]：第1階段為當彈體穿透結構前壁與液體發生碰撞時，在液體中產生半球形的高強沖擊波。由于激波產生位置靠近結構前壁，初始沖擊波壓力首先作用于撞擊點附近區域并形成反射波，結構前壁開始向外發生凸起變形。隨后產生的沖擊波壓力傳遞到結構各壁面，迫使壁面產生運動[52]，結構后壁附近出現局部空化，空化會導致出現二次加載現象，因此壁面測到的壓力信號和計算得到的壓力波均具有多峰性[28,44]。第2階段壁面在空化壓力載荷的作用下彎曲變形程度逐漸加劇。隨著彈體侵徹的深入，其周圍的液體不斷被排開，空腔得以持續膨脹，壁面持續受到壓力載荷的擠壓作用，一直到空腔達到最大尺寸[28]，隨后空腔潰滅再次產生沖擊波，該沖擊波壓力和之前沖擊波壓力影響一樣，此時結構已經發生變形并可能還在運動。

圖5 液艙結構破壞過程[16]Fig.5 Damage stage of the fluid cabin structure[16]

與空結構的破壞特性相比，充液結構在高速彈體侵徹下的破損問題以作用于結構壁面載荷的復雜性為主要特征，液體內產生的沖擊波、液體流、空化等物理現象，均會對結構壁面的變形破壞產生影響。就破壞模式而言，空結構壁板在高速彈體侵徹下會發生剪切沖塞破壞，通常僅在撞擊點區域附近發生變形，而其他區域往往不受影響[20]。然而，當充液結構遭受高速彈體侵徹時，結構的破壞模式受彈體侵徹和液體擠壓作用共同決定[48]，當前、后面板的厚度匹配比不同時，破壞模式也會發生變化。一般地，前面板破壞模式以整體薄膜變形和局部剪切沖塞為主，其變形過程大致可分為 2 個階段[16,20-21,49]：第 1 階段彈體穿入結構前壁造成壁面發生剪切沖塞破壞，第2階段隨著空腔的不斷膨脹，液體對壁面造成明顯的擠壓作用，致使壁面發生膨脹變形。后面板的破壞模式主要為局部隆起-碟形-彎曲變形，其破壞過程可劃分為4個階段[20-21,29,49]：第 1 階段彈體侵徹產生的入射沖擊波傳遞到結構后壁，使其發生輕微彎曲變形；第2階段當彈體運動至結構后壁附近時，彈體前部的局部高壓區作用于結構后壁，使其發生蝶形變形；第3階段當彈體穿出后壁時致使撞擊點處隆起，碟形變形進一步加劇；第4階段彈體穿出后壁后，隨著空腔體積不斷增大，液體繼續對壁面施加擠壓作用，壁面彎曲變形程度繼續增大。前后面板的變形均是由局部破口變形到整體的變形[46]。但是當前、后面板厚度較薄時，前面板可能會發生失穩凹陷變形[48]；后面板則發生薄膜鼓脹-花瓣開裂破壞。通常情況下后面板的變形破壞明顯比 前 面 板 要 嚴 重[16,47,49,53]， 這 是 因 為 在 彈 體 侵 徹 之 前 ，后面板已受到最初的高壓沖擊波和空化壓力載荷作用。

對于充液結構的結構壁面，多為較薄的鋁合金或鋼板制成。2005年Nishida等[54]對鋁合金薄壁方管進行了沖擊試驗，研究壁板裂紋的擴展方式，結果表明壁板材料的強度和子彈的直徑是最主要的影響因素。Ren Peng等[55]以結構前、后壁面上幾個測點的應變時程曲線為依據，探究了彈丸形狀和彈丸初速度對結構破壞模式的影響，并建立了彈丸CRH值、彈丸動能和前后面板歸一化橫向撓度的定量關系。Varas等[53]通過試驗研究了空管和完全充水管受到高速彈體撞擊后變形的差異。試驗結果表明在未充水情況下，鋁管前后壁出現2個圓孔，周圍發生塑性變形。而在完全充水情況下，由于出口壁在受到彈體侵徹前就已受到預應力的作用，導致出現花瓣開裂。從高速攝影看出充液鋁管的主要變形發生在彈體穿出鋁管后。陳照峰等[56]認為油箱的變形主要發生在空化階段和彈體穿出階段。結構變形破壞模式受面板厚度、彈體速度、彈體形狀、容器尺寸及充水比等因素的影響。陳亮等[57]通過數值仿真得到了不同方向侵徹下飛機油箱的整體損傷破壞云圖，結果表明液艙沖擊是造成油箱損傷的主要因素，侵徹方向對油箱的損傷程度影響很大。楊硯世等[58]發現隨著彈體速度的增加，充液箱體內部形成的空腔相對細長，對壁面的擠壓范圍相對狹小，所以變形直徑有所減小。

此外，針對多彈丸侵徹問題，韓璐、楊硯世、孔祥韶等[52,58-59]開展了一些數值仿真計算。韓璐等[52]研究了彈丸數量、彈丸入射間距以及彈丸入射時間間隔對結構前、后壁變形的影響。藍肖穎等[60]開展了雙彈丸侵徹的試驗研究，主要分析了液體內的壓力場分布規律。由于多彈丸侵徹隨機性較大，無法有效控制彈丸的間距和入射角度，目前針對多彈丸侵徹問題的研究多以數值仿真為主。

3 水錘效應衰減防護技術

通過對充液結構在高速彈體侵徹下受到的載荷特性與變形破壞特性展開研究，闡明了充液結構的破壞機理，為充液結構的防護設計提供了依據。就耗能機制而言，彈體的動能主要通過充液結構前后壁板的穿甲作用、液體中的壓力波及液體的運動等形式耗散[61]。據此，針對充液結構的防護技術大致可分為3類：第1類防護技術是減小彈體在充液結構中的侵徹能力。對于防護液艙結構，其主要目的是保證其后方結構和艙室的安全，盡量減少液艙內壁的損傷破壞[16]。為了達到該目的，應盡可能減少入射彈體的動能。目前主要做法有在結構前壁增設抗彈陶瓷材料層，使彈體在侵徹液艙前，首先遇到抗彈陶瓷材料，并發生變形、碎裂、翻轉運動等，增大其與液體的接觸面積，改變其在液艙中的侵徹彈道，有效減小其在液艙中的侵徹能力，從而實現抵御高速彈體侵徹的目的。仲強等[16,46]針對陶瓷/液艙復合結構開展了試驗研究和數值仿真計算，利用陶瓷的高硬度和高強度特點對彈體進行侵蝕墩粗，提前降低彈體的入水速度，增大彈體在水中運動的阻力，從而減少了傳遞給充液結構的能量。

圖6 液艙結構動響應與破壞過程Fig.6 Dynamic response and failure process of the fluid cabin structure

第2類防護技術是衰減充液結構內部的沖擊波壓力，吸收液體中的沖擊波能。作為造成結構變形破壞的主要載荷，在傳播路徑上提前對沖擊波壓力進行衰減，可減輕作用在結構壁面上的沖擊波壓力載荷，這方面已開展了很多研究。David等[17]提出2種減輕水錘效應對充液容器破壞的方法，一種是在容器內部放置多個由輕質塑料和鋁材制成的薄板，利用阻抗差異使沖擊波壓力在傳遞過程中發生明顯衰減；另一種是向充液容器內通入氣體，從而在容器內產生均勻分布的氣泡，利用沖擊波與氣泡相互作用發生反射和透射，致使沖擊波分散。2種方法本質上都是利用波阻抗的差異，使沖擊波在傳播過程中發生反射形成稀疏波。之后，Disimile等[15]在液體中布置多層具有三角形截面的桿件，使波之間相互發生干擾，從而顯著地衰減了初始沖擊波壓力，削弱了入射沖擊波對結構后板的破壞。基于這一思想，并結合一維應力波理論，李營等[51]利用不同介質之間較大的波阻抗差異，在液體中加入空氣夾層，沖擊波在遇到空氣夾層時會反射產生稀疏波，從而有效降低了充液容器的塑性變形。此外，彈體侵徹充液結構過程中還會產生滯后流載荷，利用空氣夾層結構易發生塑性變形的特性吸收液體中的沖擊波能，可減弱滯后流對結構壁面的作用效果。孔祥韶等[62]在液艙內部加設橡膠材料，利用材料之間波阻抗的差異，應力波在其界面處形成反射波，從而有效減輕了液艙結構的毀傷程度。

圖7 四個安裝在油箱模擬器內部的衰減裝置[15]Fig.7 Four mitigation members installed within fuel tank simulator[15]

第3類防護技術是減輕液體流動造成的對結構壁面的擠壓作用，增加充液結構內部能量的耗散。對于燃料箱結構，其主要目的是保證箱體的完整性，防止油箱結構發生爆裂。為了達到該目的，應盡可能阻礙液體運動，以減少其對壁面的擠壓作用，提前耗散傳遞給結構壁面的能量。J.A.Artero-Guerrero等[19]通過在鋁管內部安置胞元朝向不同的蜂窩結構以限制空腔的膨脹，從而限制了液體的流動。同時鋁管內部的蜂窩胞元又能夠吸收液體的壓力波能和動能，使傳遞至鋁管壁面的能量大大減少。最優的結構形式可使鋁管膨脹體積減少54%，從而大幅度減少結構的變形破壞。蔡斯淵等[63]對不設置隔層、設置雙層板隔層和設置波紋夾芯版隔層的3種液艙結構模型進行防護能力的對比分析，結果表明設置隔層能起到減小液艙結構后板變形的效果，能使液艙結構承受更大的沖擊載荷，且波紋夾芯板隔層的防護效能更好，這是因為波紋板吸能效果更好。由于爆炸沖擊波和水錘效應產生的沖擊波本質上是一致的，這種抵御爆炸沖擊波載荷的方法在充液結構抵御高速彈體侵徹領域同樣適用。侯海量等[64]在液艙結構前壁設置泄壓孔，液艙在遭受高速彈體侵徹時該孔會打開，使艙內液體泄漏一部分，從而減輕液體流動造成的擠壓作用。

水錘效應的衰減防護技術是基于水錘效應引起的壓力載荷的作用機理，彈體侵徹產生的入射沖擊波載荷和空腔膨脹引起的空化壓力載荷被視為造成結構變形破壞的主要載荷，因此目前有關水錘效應衰減防護技術主要是圍繞衰減入射沖擊波載荷和空化壓力載荷。

圖8 三種保護結構切平面圖[19]Fig.8 Images of the cut plane of each protected configuration[19]

4 結 語

相比空氣介質而言，液體介質具有高密度和不可壓縮的特點，導致其與空氣具有截然不同的載荷傳遞和耗散特性。對于彈體侵徹類局部集中強沖擊載荷具有遠大于空氣的耗散效率[32,42]。液體介質可以通過水錘效應將彈丸動能轉化為壓力波和液體流[1-2,18]，將局部集中沖擊載荷耗散為分布式壓力載荷和空化擠壓載荷[16,28]，從而分散沖擊能量的時空分布密集度[44]。因此，利用液體對彈體沖擊動能的耗散作用，液艙結構可用于抵御彈體的沖擊與侵徹[20,48]。液艙結構在抵御大質量破片群侵徹的同時，還要盡可能減少其自身重量，實現防護結構的輕量化。以往的研究表明，彈體侵徹產生的入射沖擊波和侵徹后期由于空腔膨脹產生的空化壓力載荷是造成充液結構損傷的主要載荷，因此在進行液艙結構設計時首先要考慮如何更有效地衰減沖擊波載荷和空化壓力載荷，目前采取的措施是在充液結構內部設置阻抗相差較大的隔層或抑制空腔膨脹的蜂窩結構。此外，選用吸能性能更好的材料和結構構型用于液艙防護結構，同樣可達到減少結構損傷的效果。針對上述科學問題，目前尚存在幾方面問題有待進一步開展：

1）關于空化擠壓載荷特性問題的研究。空化壓力載荷作為造成結構變形破壞的主要載荷，必須明確其載荷特性。而目前的研究對初始時刻產生的沖擊波壓力已經得到一些計算公式，數值模擬也較為準確，而對空化壓力載荷的作用規律以及充液結構對空化壓力載荷的耗散特性認識還不是很清楚，也未建立相關的計算方法。同時，水錘效應產生的載荷和結構之間是強流固耦合問題，自由液面對空化擠壓載荷的影響也需要進一步的研究。

2）關于數值模擬的流固耦合問題。數值仿真中的彈體尺寸很小，流體作為中間介質既要實現和破片的有效耦合，又要和充液結構有效耦合是比較困難的。同時在水錘效應中流體作用時間很長，數值計算時間過長易出現不收斂現象，導致計算的終結。為了保證計算的順利進行，這些問題必須要解決。同時，目前得到仿真計算結果還只能用作科學問題研究的定性分析，還無法定量地去計算壓力載荷大小、破口尺寸、變形區域等物理量。尤其對于某些物理過程，如空腔的反復膨脹、潰滅過程的模擬還比較困難，仍需要進一步發展。

3）關于充液結構防護技術問題的研究。目前已經開展了一些研究，比如在充液結構內部填充一些衰減沖擊波或者吸能較好的材料、在液艙結構后壁粘貼橡膠材料等，起到了一定的衰減防護效果。但目前這方面的研究仍處于初步探討階段，對其破壞特性和耗能機理認識還不夠深入，距離設計計算方法的提出與實際工程應用還有很長的路要走。

4）關于多彈丸侵徹問題的研究。在實際工程背景下，防護液艙不只會受到單個彈丸的作用，多數情況下會遭受高速破片群的作用。而目前關于多彈丸侵徹問題研究仍比較少，這是因為試驗和數值仿真的開展都比較困難。試驗方面，由于多彈丸侵徹的影響因素較多，比如多彈丸的發射技術較難控制彈丸的間距、飛散角度、速度等；而數值仿真中又存在彈丸和流體耦合的問題，尤其對于多彈丸，需要保證每個彈丸均和流體有效耦合，這對網格的劃分、流固耦合的設置等提出了更高的要求，因此關于多彈丸侵徹對水錘效應造成的影響還有待研究。