爆炸沖擊波對模擬電臺靶標毀傷效應分析

崔國龍,姚文進,鄭 宇

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室， 南京 210094)

1 引言

在現代化、信息化戰爭背景下，電子目標成為戰爭中不可忽視的一類目標，殺爆彈主要毀傷元之一的爆炸沖擊波作為常規毀傷元對電子目標的毀傷受到了大量學者關注。在電子目標毀傷方面，任秀敏[1]研究了沖擊波對相控天線的毀傷。譚波[2]等研究了艦艇艙內設備的毀傷評估。安凱[3]研究了破片對航天器內部設備的毀傷。吳凡達等[4]研究了含能戰斗部對電子設備的失能毀傷。馬艷麗[5]研究了破片、沖擊波對雷達目標的毀傷。王丹等[6]建立了爆破彈藥對裝甲車通訊設備的毀傷律模型。在裝藥空爆產生的沖擊波威力參數計算方面，Sadovskyi[7]、Brode[8]相繼提出對爆炸沖擊波壓力的經驗計算公式及其適用范圍。Clare Knock等[9]對長徑比為4的圓柱形裝藥的軸向沖擊波峰值超壓進行了預測，結合沖擊波超壓傳感器的超壓數據,擬合得到軸向沖擊波超壓及比沖量的經驗計算公式。Knock[10]基于長徑比大于2的圓柱形藥柱沖擊波超壓、比沖量經驗公式的基礎上，通過B炸藥、Pentolite以及PE4的空爆試驗,擬合得到適用于任意長徑比的圓柱形裝藥的超壓預測公式。侯俊亮等[11]通過AUTODYN軟件對不同形狀和長徑比的沖擊波進行了數值仿真與分析，得出等效球形裝藥公式，并通過試驗進行了驗證。段曉瑜等[12]研究了不同炸藥在空氣中的爆炸沖擊波在地面的反射超壓，通過對試驗數據進行擬合，得出了炸藥在空氣中的爆炸沖擊波地面反射超壓公式。聶源等[13]通過歐拉流體力學軟件SPEED修正超壓計算公式中的修正因子，并通過校驗獲得了動爆條件下沖擊波計算公式。易仰賢[14]運用幾何方法分析確定了空中爆炸沖擊波馬赫反射的起點，給出了地面上馬赫反射峰值超壓的近似計算公式。

電臺作為最常用的通訊設備之一，受到常規彈藥爆炸沖擊波作用后,其生存能力對戰時通訊具有重要的影響，因此，不失去一般性，本文中以簡化電臺模型為研究對象，采用試驗方法，分析爆炸產生的沖擊波對模擬電臺靶標的毀傷效應。

2 靶標等效關系

隨著電子技術的發展，電臺從模擬電路逐步發展到數字電路，并進入軟件無線電架構方式實現傳統電臺的功能。電臺主要由供電裝置、信號處理裝置、發射裝置、接收裝置組成，對電臺進行等效設計，使用軟件無線電架構模擬電臺電路。

基于電臺主要功能的分析，將電臺等效為4個主要模塊，分別是電源模塊、數字模擬模塊、本振&發射模塊、接收模塊。

數字模擬模塊包括：基帶信號產生、中頻放大、中頻濾波、基帶信號檢測和發射中頻檢測功能，并提供數字電路運行指示；本振&發射模塊包括：上變頻、本振、射頻濾波、功率放大、上變頻檢測、本振檢測和發射射頻檢測功能；接收模塊包括：低噪放、射頻濾波、下變頻、接收射頻檢測和下變頻檢測功能；電源模塊：將外部電源轉換為電臺內各模塊電源，并提供電源指示。針對電臺電路，試驗模擬電路包括電臺電路以上4個模塊，并根據測試目的和要求，在相關位置增加測試電路，以此來驗證和評估電路功能是否正常。試驗采用的模擬電路模塊框圖如圖1。

圖1 試驗模擬電路模塊框圖Fig.1 Block diagram of test analog circuit module

模塊獨立結構封裝設計，采用型材鋁殼，堅固耐用兼顧成本，電源連接擬采用接線端子連接器，模擬射頻采用同軸射頻線纜。4個模塊及連接狀態如圖2所示。

圖2 模塊連接狀態圖Fig.2 Module connection diagram

3 沖擊波超壓理論計算

3.1 沖擊波入射超壓

為了研究沖擊波超壓對模擬電臺靶標的毀傷，對裝藥沖擊波理論超壓進行計算。沖擊波峰值超壓計算，通常根據爆炸相似律通過實驗建立經驗公式，因此在本次理論計算中沖擊波超壓計算使用Henrych公式[15]，用于計算裸裝藥沖擊波超壓值。

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：ΔPm為沖擊波峰值超壓(MPa)；r為距爆心的距離(m)；me為TNT炸藥質量(kg)。

試驗選取入射超壓峰值0.9 MPa、0.7 MPa、0.5 MPa、0.3 MPa、0.2 MPa、0.1 MPa、0.05 MPa、0.02 MPa，通過超壓經驗公式計算距離如表1所示。

表1 試驗距離與入射超壓

3.2 沖擊波反射超壓

由于測試使用與地面等高壁面超壓傳感器，因此測得超壓為斜反射超壓。對沖擊波超壓斜反射進行計算[16]。

正反射(φ0=0°)，有：

(4)

式(4)中：Δp2為正反射沖擊波超壓；Δp1為入射沖擊波超壓；p0為大氣壓。

正規斜反射φ0<φcr，由試驗可知，入射波壓力小于0.3 MPa時，反射波的壓力與入射角無關，仍可根據式(4)計算。

對于馬赫反射(φcr<φ0<90°)，有：

Δpm=ΔpmG(1+cosφ0)

(5)

1≤r≤10-15

(6)

其中，ΔpmG為地面爆炸時空氣沖擊波的峰值超壓。

試驗中測量3組壁面反射超壓，距爆心直線距離分別為0.92 m、1 m、1.88 m，根據勾股定理，入射角分別為40.6°、45°、68.1°，均大于馬赫反射臨界角。

通過計算，得到3個點斜反射超壓大小，如表2所示。

表2 斜反射理論超壓

4 試驗設計

4.1 試驗內容

試驗采用φ70 mm×70 mm TNT藥柱，藥柱質量為439 g，裸藥柱對不同距離處模擬電臺靶標進行沖擊波毀傷試驗。

4.2 試驗布置

使用吊繩將藥柱吊起，保證炸高為0.7 m。將靶標根據理論計算超壓大小分布在藥柱四周不同位置，在靶標后方加裝混凝土墩，用粗鐵絲固定靶標，保證沖擊波作用下靶標不發生位移。

由于靶標位置過于密集，因此使用相同質量與密度φ70 mm×70 mm TNT藥柱，將試驗分為2次進行，試驗布置如圖3所示。

圖3 試驗布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test layout

靶標由4個模塊組成，因此將4模塊平面分布于0.7 m高，使靶標整體位于與裝藥中心距離地面高度相同位置，靶標布置如圖4所示。試驗實際布置如圖5所示。

圖4 靶標布置示意圖Fig.4 Target layout diagram

圖5 試驗實際布置場景圖Fig.5 Test layout

5 試驗結果及分析

5.1 超壓情況

試驗中測得3組超壓數據，0.92 m處超壓峰值為1.82 MPa，1 m處超壓峰值為1.5 MPa，1.88 m處超壓峰值為0.28 MPa。其超壓曲線如圖6所示。

圖6 試驗測得斜反射超壓曲線Fig.6 Test measured oblique reflection overpressure curve

將試驗實測超壓與理論計算超壓列表，如表3所示。

表3 理論計算與試驗實測值

理論與試驗數據誤差最大為8%，可能是未考慮到爆炸產生的環境變化以及受到超壓傳感器測量精確程度的影響，因此試驗數據在誤差允許范圍內，可以認為理論計算是準確的。

5.2 模擬電臺靶標情況

試驗靶標共選取了8個點，對模擬電臺靶標爆炸沖擊波毀傷進行研究。

5.2.10.3～0.9 MPa

靶標在入射超壓為0.3～0.9 MPa時電路外殼脫落，內部電路芯片剝落，接口與連接線損壞，此時模擬電臺設備出現結構破壞，且隨作用于設備表面沖擊波超壓的增大，結構破壞程度越嚴重。試驗結果表明，當入射超壓為0.3～0.9 MPa，模擬電臺結構損壞，完全無法正常工作，定義為重度毀傷。試驗后靶標毀傷情況如圖7所示。

圖7 試驗后靶標毀傷效果圖Fig.7 Target damage after test

5.2.20.2 MPa

當沖擊波超壓為0.2 MPa時，靶標外部殼體出現較大變形，電源模塊的電路板可正常工作，但輸出接口完全損壞,不能為其他模塊供電，功能完全喪失；基帶模塊、接收模塊、發射模塊電路板上芯片與其他部件完全毀傷，模擬電臺失去功能，被完全毀傷。試驗后靶標毀傷情況如圖8所示。

圖8 0.2 MPa靶標毀傷效果圖Fig.8 Damage of 0.2 MPa target

5.2.30.05～0.1 MPa

靶標外部殼體被沖擊波損壞，接口未受損，電源模塊、基帶模塊可正常工作，接收模塊與發射模塊內部電路部分芯片被毀傷，僅有少部分功能可正常工作。模擬電臺作用部分受損，受到輕度毀傷。試驗后靶標毀傷情況如圖9所示。

圖9 試驗后靶標毀傷效果圖Fig.9 Target damage after test

5.2.40.02 MPa

靶標結構完整無明顯變形，外部殼體與內部電路均無毀傷，模擬電臺可正常工作，無毀傷。試驗后靶標毀傷情況如圖10所示。

圖10 試驗后靶標毀傷效果圖Fig.10 Target damage after test

6 結論

1) 沖擊波對靶標的毀傷程度隨著超壓的增大而增大，其中，沖擊波超壓約為0.2 MPa時，電源模塊接口損壞，其他模塊的芯片與部件完全毀傷，功能完全喪失；當沖擊波超壓在0.05～0.1 MPa時，試驗電路部分模塊喪失功能；沖擊波超壓低于0.02 MPa時，結構與內部部件均無破壞，功能正常。

2) 試驗中靶標外部殼體受損較內部電路更加嚴重，采用合理的外殼體防護結構及內部緩沖結構防護,可有效降低作用域電子元器件及封裝的沖擊載荷，降低沖擊波對電子部件的毀傷程度。

3) 研究結果可供爆炸沖擊波對典型電子靶標的毀傷效果評估參考。