耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部研究現(xiàn)狀與展望

魯忠寶, 李軍林, 魯海玲, 黎 勤, 朱奇峰, 哈海榮

耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部研究現(xiàn)狀與展望

魯忠寶1, 李軍林2, 魯海玲3, 黎 勤1, 朱奇峰1, 哈海榮1

(1. 中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 海軍裝備部, 陜西 西安, 710077; 3. 中國船舶西安東儀科工集團(tuán)有限公司, 陜西 西安, 710065)

隨著水下目標(biāo)抗爆能力的不斷提高, 傳統(tǒng)魚雷戰(zhàn)斗部由于裝藥能量、能量利用率以及作用模式等的限制, 難以對(duì)目標(biāo)造成高效毀傷, 因此需要尋求新型魚雷戰(zhàn)斗部形式。文中分別介紹了多裝藥耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部、炸藥與燃料耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景, 同時(shí)論述了炸藥與電池耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部相關(guān)技術(shù)的研究必要性與可行性。研究表明, 上述3種耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部均可有效提高對(duì)目標(biāo)的毀傷威力。最后對(duì)3種耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)后續(xù)研究進(jìn)行了展望。

魚雷戰(zhàn)斗部; 耦合爆炸; 毀傷

0 引言

戰(zhàn)斗部作為兵器的有效載荷, 是對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效毀傷的功能系統(tǒng)。隨著當(dāng)前水下目標(biāo)抗爆和機(jī)動(dòng)能力的大幅度提高, 戰(zhàn)斗部對(duì)水下目標(biāo)的爆炸毀傷能力已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展需求。如何提高戰(zhàn)斗部對(duì)水下目標(biāo)的毀傷威力是水中兵器戰(zhàn)斗部研制的重要任務(wù)之一, 各軍事大國都十分重視該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展。

截至目前, 已經(jīng)研制或者在研的水中兵器戰(zhàn)斗部類型有中心起爆戰(zhàn)斗部、聚能裝藥戰(zhàn)斗部和定向起爆戰(zhàn)斗部。中心起爆戰(zhàn)斗部水下爆炸的能量在水中各個(gè)方向近似為均勻的球形分布, 實(shí)際作用到目標(biāo)方向上的能量較小; 聚能裝藥戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的爆炸成型彈丸(explosively-formed projectile, EFP)在水中衰減很快, 只有垂直接觸命中目標(biāo)才能很好地發(fā)揮作用; 定向起爆戰(zhàn)斗部只有在約10倍裝藥半徑范圍內(nèi)的定向能量匯聚方向才能發(fā)揮效果。由此可見, 為了使當(dāng)前單裝藥水中兵器戰(zhàn)斗部能夠有效地毀傷水下目標(biāo), 對(duì)交會(huì)距離與方位的要求都較為苛刻, 盡管如此也難以使戰(zhàn)斗部的有限裝藥產(chǎn)生高效毀傷。受裝藥量的限制, 即使是采用新型高威力水中兵器炸藥, 其能量密度也不能滿足需求。

為了提高對(duì)水下目標(biāo)的爆炸毀傷威力, 設(shè)想采用多個(gè)爆源起爆, 利用多個(gè)爆源爆炸威力場(chǎng)的耦合效應(yīng)來提高目標(biāo)方向上的毀傷威力, 即耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)[1-2]。該技術(shù)可以有多種實(shí)現(xiàn)方式, 其一是將戰(zhàn)斗部裝藥分散為多個(gè)子裝藥分別起爆, 形成耦合爆炸效果, 即多裝藥耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù); 其二是采用專門的引爆裝置, 使魚雷上其他的能量源如燃料、電池等被引爆, 與魚雷的戰(zhàn)斗部裝藥分別爆炸, 形成耦合爆炸效果, 即炸藥與燃料(電池)耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)。文中介紹了多裝藥耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部的威力場(chǎng)特性及目標(biāo)毀傷效應(yīng)、炸藥與燃料耦合爆炸的可行性及驗(yàn)證情況、炸藥與電池耦合爆炸的設(shè)想, 表明了上述3種耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部均可有效提高對(duì)目標(biāo)的毀傷威力。

1 多裝藥耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部

多個(gè)裝藥戰(zhàn)斗部武器(也稱子母彈)是一類能形成一定散布范圍與散布密度作戰(zhàn)效果的武器。國外采用子母式戰(zhàn)斗部的武器很多, 尤其是陸上與空中武器, 已在戰(zhàn)爭(zhēng)中多次使用, 取得了重大的軍事效益[3]。國內(nèi)的空中武器中也有子母彈的裝備與應(yīng)用[4], 在多裝藥爆炸耦合效應(yīng)方面, 已進(jìn)行了兩發(fā)陣列裝藥陸上爆炸威力場(chǎng)作用研究[5]。而水下有關(guān)多裝藥戰(zhàn)斗部方面的研究并未深入開展, 只提出了一些設(shè)想[6]。鑒于當(dāng)前單裝藥水中兵器戰(zhàn)斗部的局限性以及空中子母戰(zhàn)斗部的應(yīng)用效果, 國內(nèi)很多學(xué)者在水中兵器戰(zhàn)斗部中開展了相關(guān)技術(shù)的初步研究, 將單發(fā)裝藥分散為多個(gè)子裝藥, 對(duì)其水下爆炸沖擊波、氣泡特性進(jìn)行了研究[7-9], 研究表明各個(gè)子裝藥的爆炸威力場(chǎng)重新分布且在對(duì)稱區(qū)域可以產(chǎn)生威力疊加增強(qiáng)作用。但以往的相關(guān)研究僅考慮了多個(gè)子裝藥的平面分布形式, 沒有涉及多個(gè)子裝藥的立體分布形式, 也沒有結(jié)合目標(biāo)進(jìn)行毀傷效應(yīng)研究。文中在以往研究基礎(chǔ)上, 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用, 考慮了戰(zhàn)斗部空間布局、空間限制以及裝藥量等因素, 進(jìn)行了不同分布形式的子裝藥威力場(chǎng)參數(shù)分析, 并針對(duì)典型目標(biāo)進(jìn)行了毀傷效應(yīng)對(duì)比, 可為多裝藥耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部的總體設(shè)計(jì)提供理論支撐, 以彌補(bǔ)單發(fā)裝藥的威力與精度的不足, 增大有效毀傷威力場(chǎng)范圍, 有效提高對(duì)立體方位目標(biāo)的毀傷概率。

1.1 威力場(chǎng)特性

選取相同炸藥品種的單發(fā)炸藥, 總質(zhì)量1 kg,平均分散為2發(fā)炸藥、4發(fā)平面均布炸藥和8發(fā)立體均布炸藥同時(shí)起爆, 并設(shè)置相同的分布間距, 其研究模型如圖1所示, 模型方向選取如圖2所示。分布裝藥的幾何中心與圖2中的中心點(diǎn)重合, 2發(fā)和4發(fā)炸藥位于圖中平面, 8發(fā)炸藥分布于圖2中的8個(gè)頂點(diǎn)方位。沿點(diǎn)、、方向上選取了距離中心點(diǎn)長度分別為1.97 m、2.25 m和2.53 m的3個(gè)研究點(diǎn), 爆炸壓力云圖如圖3所示。從圖4中可以看出, 8發(fā)裝藥的模型在相同位置上的沖擊波峰值壓力相對(duì)更大, 變化更平穩(wěn), 立體方位的近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)都較大, 空間利用率最好。

圖1 4種不同分布形式多裝藥模型

圖2 模型方向設(shè)置

圖3 總質(zhì)量1 kg的4種裝藥分布形式不同時(shí)刻壓力云圖

相同的藥量和分布形式, 在分布間距不同時(shí), 其爆炸威力場(chǎng)的分布特性也會(huì)不同, 分布間距過小, 不利于增大毀傷范圍, 分布間距過大, 則存在不足以毀傷目標(biāo)的威力場(chǎng)盲區(qū), 根據(jù)目標(biāo)毀傷效應(yīng)的初步預(yù)計(jì), 對(duì)8個(gè)0.125 kg藥柱的立體分布間距選取1.97 m、2.53 m和3.10 m 共3種情況, 分析對(duì)比爆炸威力場(chǎng)特性, 得出間距為2.53 m時(shí)威力參數(shù)在近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)都有不錯(cuò)的增益[10]。

選擇總藥量為0.8 kg的8發(fā)0.1 kg立體分布(立方體邊長為2.53 m)炸藥、總藥量為1 kg的8發(fā)0.125 kg立體分布(立方體邊長為2.53 m)炸藥、1 kg單發(fā)炸藥以及1.25 kg單發(fā)炸藥進(jìn)行對(duì)比, 如圖5所示, 可見總質(zhì)量較小的8發(fā)藥柱在研究點(diǎn)處的沖擊波峰值壓力大于總質(zhì)量較大的單發(fā)藥柱。表明采用8發(fā)立體分布子裝藥, 設(shè)定合適的分布間距, 立體威力場(chǎng)中沖擊波峰值壓力更大, 變化更平穩(wěn), 在空間上的分布更均勻, 沖擊波的疊加現(xiàn)象更強(qiáng)烈。同時(shí), 總藥量較小的分布式炸藥相對(duì)單發(fā)炸藥也有明顯提高的效果, 表明其具有工程適用價(jià)值。

在仿真研究的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行典型分布形式的多裝藥水下爆炸威力場(chǎng)分布規(guī)律試驗(yàn)研究。選取1 kg的某單發(fā)炸藥與相同品種的8發(fā)0.125 kg立體分布式炸藥(立方體邊長為2.53 m), 在爆炸水池中進(jìn)行爆炸試驗(yàn), 測(cè)試了在不同方位、不同距離處的壓力; 試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析所得出的規(guī)律一致,試驗(yàn)結(jié)果得出的二者沖量和能量對(duì)比情況如表1所示, 也表明采用特定的多發(fā)炸藥的分布形式, 并按照分布間距與藥量的匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系, 能顯著提高特定方向上的沖擊波能量。

表1 分布式裝藥與單發(fā)裝藥的沖量和能量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.2 目標(biāo)毀傷效應(yīng)

在多裝藥水下爆炸耦合威力場(chǎng)特性研究基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了典型分布的多裝藥對(duì)典型目標(biāo)魚雷的毀傷效應(yīng)有限元仿真, 目標(biāo)魚雷的有限元模型見圖6。炸藥模型為8發(fā)立體對(duì)稱分布子炸藥, 間距9 m。并與總質(zhì)量更大的相同炸藥品種單發(fā)炸藥進(jìn)行對(duì)比。進(jìn)行了單發(fā)裝藥以及多發(fā)分布式裝藥對(duì)目標(biāo)魚雷幾種不同作用距離處毀傷效應(yīng)仿真分析。在某一作用距離處, 單發(fā)裝藥對(duì)目標(biāo)的毀傷主要為雷體中心部位殼體, 發(fā)生結(jié)構(gòu)毀傷的區(qū)域適中, 以徑向破壞為主。多發(fā)裝藥對(duì)目標(biāo)的毀傷為多處殼體和舵機(jī)位置, 發(fā)生結(jié)構(gòu)毀傷的區(qū)域更大, 毀傷效果更強(qiáng), 見圖7。結(jié)合毀傷目標(biāo), 從毀傷效應(yīng)的角度再次驗(yàn)證了多裝藥耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部具有很好的應(yīng)用前景。

圖6 典型目標(biāo)魚雷有限元網(wǎng)格模型

2 炸藥與燃料耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部

當(dāng)前頻發(fā)的爆炸事故中, 經(jīng)常出現(xiàn)燃料/燃油等的爆炸[11], 受其啟發(fā), 對(duì)于采用高能燃料作為動(dòng)力源的水中兵器如熱動(dòng)力魚雷, 若其燃料被引爆, 能量快速釋放, 也具有一定的毀傷威力。魚雷用奧托燃料的理論能量為2 934 kJ/kg[12], 約為0.7倍的TNT當(dāng)量, 雖具有較高的安全性, 但若給予足夠的能量刺激, 也可以被引爆, 并具有不小的毀傷威力[13]。從魚雷的航程設(shè)計(jì)與雷目交互的統(tǒng)計(jì)情況來看, 在魚雷戰(zhàn)斗部起爆時(shí), 魚雷的燃料可能剩余不小。因此考慮采用專門的方式來引爆魚雷燃料, 通過開展炸藥與燃料耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部相關(guān)技術(shù)研究, 將剩余燃料轉(zhuǎn)化為爆炸毀傷能量, 可明顯提高對(duì)目標(biāo)的毀傷能力。

圖7 單發(fā)裝藥及多發(fā)裝藥對(duì)目標(biāo)毀傷效果對(duì)比圖

2.1 燃料引爆方案

采用聚能裝藥的形式設(shè)計(jì)了一種高安全性、高可靠性、體積小巧的燃料引爆裝置(見圖8)。通過合理設(shè)計(jì)聚能裝藥的各部分材料、結(jié)構(gòu)等參數(shù), 控制其產(chǎn)生的高速金屬射流能量, 來有效引爆燃料。在以往經(jīng)驗(yàn)及理論分析的基礎(chǔ)上, 采用試驗(yàn)的方式, 確定射流起爆燃料的條件, 獲得聚能裝藥設(shè)計(jì)參數(shù), 形成能可靠引燃的燃料引爆裝置。

圖8 燃料引爆裝置組成

2.2 燃料引爆試驗(yàn)驗(yàn)證

將被發(fā)燃料放置于見證板上, 其中被發(fā)燃料的上蓋作為屏蔽板, 設(shè)置了幾種尺寸厚度來模擬隔艙厚度, 支架放置于被發(fā)燃料頂蓋上用于調(diào)節(jié)錐形裝藥與被發(fā)燃料之間的距離; 錐形裝藥固定于支架的上部。試驗(yàn)布局如圖9所示。錐形裝藥爆炸產(chǎn)生射流, 經(jīng)過屏蔽板后作用于被發(fā)燃料, 依據(jù)試樣放置的地點(diǎn)有無殘藥以及見證板的破壞情況和典型位置處的沖擊波超壓來判斷其是否發(fā)生爆轟。

圖9 燃料引爆試驗(yàn)布局圖

在距爆心不同距離處布放PCB113型壁面壓力傳感器。在燃料引爆裝置的射流沖擊作用后, 被發(fā)燃料的火球演化過程如圖10所示。被發(fā)燃料被引爆后, 可以從測(cè)點(diǎn)的爆炸壓力曲線看出, 出現(xiàn)了第2個(gè)峰值(見圖11); 而無燃料被引爆時(shí), 測(cè)得的爆炸壓力曲線只有首個(gè)峰值(見圖12), 由壓力曲線可以判斷燃料被引爆。

圖10 射流沖擊作用后被發(fā)燃料的火球演化過程

圖11 爆炸壓力時(shí)程曲線(燃料被引爆)

圖12 爆炸壓力時(shí)程曲線(無燃料被引爆)

從試驗(yàn)可以看出, 在引爆裝置的射流沖擊作用下, 經(jīng)過幾種不同厚度屏蔽板的被發(fā)燃料均發(fā)生了爆燃或爆轟, 見證板上有明顯炸痕, 如圖13所示, 裝藥殼體破碎成了長條破片或小碎片。試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的燃料引爆裝置經(jīng)過隔板引爆燃料是可行的。

3 炸藥與電池耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部

基于炸藥與燃料耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的啟發(fā), 電動(dòng)力魚雷雖然沒有燃料, 但其電池也屬于高能源材料, 若采用一定的激勵(lì)措施, 也可以被引爆。

圖13 見證板破孔情況

根據(jù)相關(guān)資料[14], 電池在受到針刺或撞擊時(shí)可以造成短路, 使得熱分解反應(yīng)發(fā)生, 導(dǎo)致熱量失控而最終爆炸。額定容量約 7.7 W·h的18650 型鋰離子電池發(fā)生熱爆炸時(shí), 其爆炸當(dāng)量值最大可達(dá) 5.45 g TNT。根據(jù)類比估算, 重型魚雷電池容量的爆炸當(dāng)量可達(dá)50 kg TNT以上, 若能將其轉(zhuǎn)化為爆炸毀傷能量, 能夠明顯提高毀傷能力。可以預(yù)見, 未來高性能電池若能解決電極材料及配方、熱管理、儲(chǔ)存和使用安全性、組合電池等關(guān)鍵技術(shù), 其實(shí)際比能量會(huì)更大, 發(fā)生爆炸時(shí)的爆炸當(dāng)量也將更大, 將大幅度提高對(duì)目標(biāo)的毀傷威力。

目前, 各類電池爆炸事故的頻繁出現(xiàn)引起了廣泛的關(guān)注與研究, 國內(nèi)也開展了鋰離子電池的爆炸機(jī)理研究[14], 提出外部短路、內(nèi)部短路及過充3種方式都可能導(dǎo)致鋰電池芯爆炸, 也對(duì)其熱爆炸的溫度、機(jī)理、熱爆炸當(dāng)量進(jìn)行了研究。電池短路時(shí), 電流通過電池的瞬間產(chǎn)生大量的熱, 使電池溫度升高到正極熱分解的溫度, 正極熱分解導(dǎo)致電池?zé)崃渴Э亍鹘y(tǒng)的鋰電池若被刺穿, 到處都在發(fā)生微短路, 會(huì)使電池產(chǎn)生熱量, 如果溫度達(dá)到150℃, 電解質(zhì)就會(huì)著火并引發(fā)爆炸。這些研究指出了引爆電池的可行性, 但其引爆機(jī)理未涉及魚雷電動(dòng)力的電池類型, 也未涉及大容量電池的安全、可靠引爆方法與實(shí)現(xiàn)途徑。

國內(nèi)僅提出了炸藥與電池耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部的構(gòu)想, 但尚未開展相關(guān)研究。在現(xiàn)有炸藥與燃料耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)以及鋰離子電池?zé)崞鸨瑱C(jī)理的研究基礎(chǔ)上, 以裝備高能電池的電動(dòng)力魚雷為對(duì)象, 開展魚雷電池的起爆方法研究, 以及炸藥與電池耦合爆炸技術(shù)研究, 具有技術(shù)可行性, 相關(guān)研究工作急需開展。

4 總結(jié)與展望

文章介紹了幾種耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部技術(shù)的相關(guān)研究情況, 表明了幾種耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部均可有效提高對(duì)目標(biāo)的毀傷威力。

1) 對(duì)于多裝藥耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部, 在以往研究基礎(chǔ)上, 文中進(jìn)行了不同分布數(shù)量、分布形式的多發(fā)裝藥水下爆炸威力特性及目標(biāo)毀傷效應(yīng)研究, 結(jié)果表明多裝藥耦合爆炸式戰(zhàn)斗部在魚雷中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)需要開展子裝藥開艙拋撒及水下散布控制技術(shù)研究, 以期獲得多裝藥耦合爆炸式水中兵器戰(zhàn)斗部的實(shí)現(xiàn)途徑與方法, 為工程應(yīng)用提供理論參考。

2) 對(duì)于炸藥與燃料耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部, 在奧托燃料的沖擊波感度研究的基礎(chǔ)上, 研制了燃料引爆裝置, 進(jìn)行了燃料引爆試驗(yàn)驗(yàn)證, 結(jié)果表明通過燃料引爆裝置經(jīng)過隔板引爆魚雷燃料來提高毀傷威力是可行的。后續(xù)需要開展炸藥與燃料耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部總體設(shè)計(jì), 考慮在現(xiàn)有熱動(dòng)力魚雷戰(zhàn)斗部成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上加裝燃料引爆裝置, 實(shí)現(xiàn)炸藥與燃料的耦合爆炸, 以兼顧安全性與保障性。

3) 對(duì)于炸藥與電池耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部, 目前尚未開展研究。需要首先啟動(dòng)的研究內(nèi)容包括: 典型魚雷電池的可靠引爆方法與威力特性分析、典型裝藥與電池水中爆炸耦合威力場(chǎng)特性分析, 以及炸藥與電池耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部總體技術(shù)。當(dāng)前要解決的關(guān)鍵問題是魚雷電池的引爆機(jī)理與途徑。

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Research Status and Prospects for Coupling Explosion-based Torpedo Warheads

LU Zhong-bao1, LI Jun-lin2, LU Hai-ling3, LI Qin1, ZHU Qi-feng1, HA Hai-rong1

(1. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China; 2. The Armaments Department of the PLAN, Xi’an 710077, China; 3. Xi’an DongYi Science Technology & Industry Group Co., Ltd., China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710065, China)

Traditional torpedo warheads cannot deliver high efficiency damage to underwater targets based on limitations associated with their charge energy, utilization of charge energy, and damage mode. Therefore, a novel type of torpedo warheads is required. This paper discusses the research status and application prospects of multi-charge coupling explosion-based torpedo warheads and explosive-fuel coupling explosion-based torpedo warheads, as well as related technologies, and discusses the necessity and feasibility of explosive-battery coupling explosion-based torpedo warheads. It is concluded that coupling explosion-based torpedo warheads can deliver high-efficiency damage to underwater targets. Finally, the future study of three coupling explosion-based torpedo warhead technologies is discussed.

torpedo warhead; coupling explosion; damage

魯忠寶, 李軍林, 魯海玲, 等. 耦合爆炸式魚雷戰(zhàn)斗部研究現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(3): 314-320.

TJ630.3; TJ510.3

R

2096-3920(2022)03-0314-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.006

2022-03-10;

2022-05-18.

魯忠寶(1978-), 男, 研究員, 主要研究方向?yàn)樗斜鲬?zhàn)斗部.

(責(zé)任編輯: 吳 攀)