多爆源耦合威力場研究概述＊

車靖平，李健翔，虎若曦，張怡輝，盧 熹

（1.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159）

近年來，大型水面艦艇的建造鋼材及設備的安排在不斷優化，對艦艇起到了重要的保護作用。在爆破型魚雷精確打擊技術水平不斷提高的背景下，優化大型水面艦艇結構設計以及打擊大型水面艦艇在完成作戰任務情況下盡可能縮減武器成本的需求開始凸顯[1]。目前，大多數學者研究僅限于單個戰斗部內多點起爆的戰斗部聚能效應，極少數學者研究多個戰斗部之間的耦合威力場。

多個戰斗部可通過沖擊波的耦合實現能量的聚焦，但其并不僅僅是沖擊波的簡單疊加，還涉及到沖擊波陣面驅動效應耦合及波后物質流耦合等復雜耦合機理的問題，如能量源的特征、沖擊波的傳播方向以及波后粒子運動狀態等，是一個復雜的基礎問題。本文基于戰斗部沖擊波毀傷的基本原理，開展多爆源耦合威力場的研究概述，有助于提高對大型水面艦艇的破壞力，為水下高效毀傷研究論證提供新的思路。

1 多爆源耦合威力場的國內外研究現狀

近年來，關于爆炸威力場的研究日益增多。其發展進程逐漸由單點爆炸向多點爆炸推進。主要研究內容包括以下幾個方面：①多點聚集爆炸造成的沖擊波殺傷范圍和爆炸威力遠超單點爆炸，且沖擊波超壓和沖量都大大增加。②陣列爆炸相對于同質量整體單點爆炸，可造成沖擊波間的相互作用，且提高了沖量和沖擊波作用的時間。在陣列爆炸中沖擊波間的疊加使得爆炸威力得到了極大的增強，提高了毀傷能力。對不同的裝藥布局情況下的沖擊波威力增益規律進行研究。③研究的方式逐漸從進行大量實體爆炸毀傷試驗轉變為通過AUTODYN等軟件對爆炸問題開展相關的數值模擬。沖擊波耦合效果如圖1所示。

圖1 沖擊波耦合效果圖

1.1 國內研究現狀

在軍用方面，林尚劍等[2]研究了沖擊波疊加效應對增強沖擊波超壓峰值的影響，通過單個10 g TNT和4個2.5 g TNT同時起爆的水箱試驗對比，得出沖擊波疊加后峰值顯著上升的結論。李旭東[3]通過數字散斑相關方法結合高速攝影技術，對多點同時爆炸引發的水泥砂漿介質中沖擊波的相互作用規律進行了試驗研究，得出將全部炸藥集中于一點爆炸相比，將炸藥分散于多點同時爆炸，在多個應力波的匯聚線上，離爆炸點更遠的距離范圍內都會維持一個更高的應力狀態的結論，提出了一個工程中可用的抗沖擊能力最強的地下建筑的具體結構。顧文彬等[4]進行了淺層水中2個爆源等沉底爆炸沖擊波相互作用數值模擬，研究了水底水面對沉底爆炸沖擊波傳播與相互作用的影響，得出2個結論：①水底水面對裝藥爆炸作用影響較大，使爆炸威力下降；②2個裝藥同步爆炸，沖擊波相互作用可使沖擊作用次數、沖擊波峰值壓力大小和沖擊作用沖量等增加，大大提高了爆炸威力。胡宏偉等[5]進行了2種水底介質、不同水深情況下的爆炸試驗，通過分析觀測點沖擊波峰值壓力得出，水底介質、觀測點和裝藥之間的距離對峰值壓力影響較大。

在民用方面，孟聞遠等[6]、胡俊強等[7]研究了兩點水下爆炸沖擊波對冰體的破壞效應，通過分析沖擊波壓力和破壞面形狀并與單點爆炸情況進行沖擊波峰值壓力對比，得出了在兩點同時起爆的情況下，沖擊波發生疊加，沖擊波壓力比單點爆炸的沖擊波壓力大，破壞效果好的結論。陳明生等[8]研究多點云霧爆炸超壓場的分布特性，對4個非圓柱體云霧的爆炸超壓的相互作用過程進行了數值模擬，得到了中心區域沖擊波相互作用演化過程與超壓變化規律，從而實現云霧能量分布的最優化或在工業災害預防方面降低沖擊波的疊加效應。劉玲等[9]對多點爆炸微差起爆后，發現由于爆炸時間有所不同，會對人員和建筑物造成嚴重的多次毀傷進行模擬，為公共場所爆炸恐怖襲擊事故與救援工作提供理論指導與技術支持。

1.2 國外研究現狀

在軍用方面，KIM等[10]研究了近水面爆炸產生的壓縮波與沖擊波在氣液兩相中的傳播現象。PHILLIPS等[11]研究了多彈爆炸產生的空氣沖擊波撞擊地面所引起的地沖擊效應，對6枚彈藥的爆炸地沖擊效應進行計算機數值模擬，為多彈爆炸的地沖擊效應預測提供資料。KMETYK等[12]進行了7枚呈六角形布置彈藥的爆炸聚集效應數值分析。

在民用方面，HAGEDORN[13]采用UDEC程序評估了噴錨支護洞室在2次相繼沖擊作用后的穩定性。YUGO等[14]通過現場監測發現相鄰錨固巷道受連續爆破荷載作用時會發生破壞，并提出相應的抗爆措施。

2 多爆源耦合對威力場的主要影響因素

影響多爆源耦合威力場的因素主要有爆炸單元的陣列距離、裝藥數量、爆炸單元的起爆時序。陣列距離、裝藥數量、起爆時序的變化將會對爆炸后沖擊波作用時間、沖量、沖擊波間的相互作用、沖擊波作用區面積、爆炸能量的利用效率、爆炸后對局部區域以及特定方向的毀傷效能等產生影響。

多爆源爆炸通過控制若干爆炸單元的起爆位置和起爆時序，使爆炸毀傷元素在時間、空間維度優化分布和聚焦疊加，以提高彈藥的爆炸能量利用率和毀傷效能[15]。將若干爆炸單元按計算好的最優布局進行放置，同時引爆爆炸單元，將使爆炸沖擊波等毀傷元素在時間、空間維度進行合理的分布與疊加，使疊加作用區內的能量利用率大幅提高，產生的聚能效應將引起正應變在聚集區域強烈的非線性激增，并且將在距離爆炸點更長的距離內維持高應力狀態，增強了局部區域或特定方向毀傷元的強度，毀傷效應的效能達到最大。

沖擊波作用時間和沖量隨陣列距離的增加而增大，且不同布局的裝藥，沖擊波超壓與沖量也有所不同。若在最優布局的情況下精確控制起爆時序，使爆炸單元按規定的起爆間隔進行起爆，將會使毀傷元素多次對規劃好的特定區域進行反復“掃蕩”，對目標單位產生了多次作用，能達到更好的破壞和殺傷效果。對陣列爆炸距離進行合理布局，將在優化陣列爆炸能量分布的同時，滿足不同場合下對不同目標的毀傷要求，進而為更加復雜環境下的作業提供巨大幫助，是較好的摧毀各種復雜高強度保護目標的選擇手段之一，同時有助于對后續爆炸特性的研究提供有力支持。在不改變各爆源之間陣列間距的情況下，對裝藥的數量進行改變，將會導致沖擊波的壓力峰值以及沖擊波的作用時間與沖量發生改變。當采用多點爆炸時，相對于單點爆炸，沖擊波超壓與沖量顯著增加。效果如圖2所示。

圖2 起爆時序、爆源數量、間距影響效果簡圖

3 多爆源耦合威力場存在的問題

通過大量中外文獻歸納并總結國內外發展狀況，關于水多爆源耦合威力場研究仍存在以下問題：①水下爆炸沖擊波能量在波陣面上均勻分布，使得能量在對目標有效方向分布較少，而在其他方向耗散過多，無法實現毀傷能量在攻擊方向上的高效利用與精確控制；②目前國內外對水下多點爆炸沖擊波威力場的耦合效應僅有少量的試驗研究，數值仿真及理論研究均為空白，水下多點爆炸問題并未形成一個體系，水下多點爆炸問題有待于進一步的研究；③試驗中測點與裝藥均處于同一水深位置，對于不同水深位置沖擊波壓力耦合效應有待進一步研究；④大多數研究僅對小藥量水下兩點爆炸的情況進行了研究，極少數試驗將研究成果擴展到大藥量的情況；⑤大部分研究從壓力的角度對水下兩點爆炸沖擊波耦合效應進行研究，未從沖量的角度來考慮沖擊波的耦合效應。

4 結語

由此可見，國內對多個戰斗部之間的耦合威力場研究與國外研究相比仍遠遠不夠。國內外對地下和空中爆炸方面的研究較為豐富，但對水中爆炸方面的研究幾乎為空白。水下多點爆炸能量耦合技術在水下高效毀傷領域有著很廣闊的應用前景，設計水下無人作戰系統的作戰應用和想定研究，有助于豐富水下作戰手段和方法，可為新型作戰方式和作戰力量提供支撐。多爆源耦合作用在實戰中可以對敵水面艦艇實現水下高效毀傷，此外還能夠為水中武器設計、毀傷效能分析、水幕反導等技術的應用提供參考。