反潛戰斗部對耐壓殼結構的毀傷威力評估方法與實驗

王樹山, 桂秋陽, 盧熹, 賈曦雨, 高源, 梁策

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京 100081;2.沈陽理工大學 裝備工程學院, 遼寧 沈陽 110159)

0 引言

戰斗部(毀傷)威力,或簡稱威力,是武器(彈藥)戰斗部毀傷元的毀傷性能與能力,也是彈藥戰斗部自身特性。對確定的彈藥戰斗部,其威力是不受外界環境和因素影響的[1]。毀傷威力可以從不同角度和方面進行表征與描述,主要包括:1)直接通過毀傷元參數的形式進行量化表征,如破片速度、質量,沖擊波超壓、比沖量,射流速度等;2)間接通過與目標結合以毀傷因素對等效靶、效應物和目標實體的作用結果進行量化表征,如對一定材質靶板的侵徹或貫穿厚度、射流破孔直徑/深度、密集(有效)殺傷半徑、殺傷面積等[2-3]。前者反映毀傷因素的本征性能,后者反映其對具體目標的毀傷威力。由于武器(彈藥)主要由戰斗部及毀傷元完成毀傷功能,毀傷威力主要針對戰斗部和毀傷元[4]。

典型反潛(魚雷/深彈)戰斗部主要有爆破和聚能兩種類型,也在發展和應用爆破-聚能復合型[5]。聚能戰斗部的威力主要通過穿孔孔徑以及穿靶數量來評價[6],爆破戰斗部的威力則通過靶板的變形、撕裂和破口來評價[7],兩種毀傷效應難以統一對比、評價[8]。此外,由于水介質的特殊性,聚能戰斗部在水下發生爆炸后也會產生一定的爆破效應[9]。如何量化這種耦合毀傷效應,并與專門利用聚能-爆破耦合效應的二級串聯戰斗部進行量化區分和比較?這些問題直接決定了反潛戰斗部的威力評估方法與結果是否科學、合理、可信。

另一方面,反潛戰斗部對潛艇耐壓殼的毀傷模式主要有整體結構失穩,殼體局部破口、撕裂、塑性大變形等[10]。單層殼體和雙層殼體[11](內層耐壓殼、外層非耐壓殼、中間1 m左右水層)不同的結構特征[12],會導致不同類型戰斗部的目標適應性和毀傷威力存在顯著差別[13-14]。

目前,水中兵器戰斗部威力評定與考核依然依賴地面靜爆試驗[15],這顯然是難以滿足實際工程需求的[16]。科學評估反潛戰斗部威力,量化對比同一類型戰斗部對不同類型耐壓殼體,以及不同戰斗部對相同類型耐壓殼體的毀傷威力差別,是工程上亟需解決的共性基礎問題,可為反潛武器總體設計、戰斗部方案選型、威力考核與試驗,以及武器作戰效能評估提供重要的技術和數據支撐[17-18]。

本文針對不同類型反潛戰斗部對最具代表性的潛艇耐壓結構毀傷評估問題,提出一種綜合考慮多種毀傷效應的反潛戰斗部綜合毀傷威力評估方法,并通過毀傷威力評估試驗完成了聚能、爆破和聚爆模擬戰斗部毀傷威力量化表征和對比的實例分析。結果表明所提出的評估方法可以實現不同類型反潛戰斗部毀傷威力的量化與比較,能夠為反潛戰斗部設計改進或新型戰斗部的研制提供參考和支撐。

1 反潛戰斗部綜合毀傷威力量化表征與評估方法

1.1 基本思路

實現不同戰斗部威力或者毀傷效應比較的關鍵在于評價標準的統一,以及威力考核指標的量化。戰斗部威力量化指標的選取一般可以從3個方面考慮,分別是戰斗部參數、載荷參數和目標毀傷效應參數。

戰斗部參數(裝藥類型、藥量、密度、裝填比等)能夠在一定程度上直觀反映戰斗部威力,但通常只適用于相同類型戰斗部間大多數參數相同、少數參數不同的情況,如藥量、藥類型、裝填比不同的爆破戰斗部,或者設計錐角、炸高不同的聚能戰斗部。

不同類型戰斗部的有效輸出載荷不同。爆破型戰斗部的載荷主要來自爆炸沖擊波和氣泡脈動。沖擊波載荷的特征參量[19]主要包括沖擊波超壓、比沖量、能流密度等;氣泡脈動載荷的特征參量主要包括脈動壓力幅值、作用時間、脈動周期等。聚能型戰斗部所形成載荷除沖擊波和氣泡脈動外,還包括聚能侵徹體,其特征參量包括速度、直徑等。顯然,很難將通過統一的可量化指標來衡量不同載荷的毀傷威力。

目標毀傷效應是戰斗部對目標最終作用的結果,包含了戰斗部各種載荷的綜合作用特征,能夠直觀反映目標的真實毀傷結果。雖然在不同類型戰斗部的作用下,目標結構的破壞模式可能不同,但總是會表現為變形、大變形、破口和撕裂中一種或幾種效應疊加,可以相對統一的量化表征為目標靶的變形撓度和(等效)破孔孔徑等。當多種毀傷效應共存時,目標的毀傷等級可根據單一毀傷效應的評價結果進行加和處理。

綜上所述,戰斗部參數及其載荷參數,雖然分別從不同層面反映了戰斗部的威力,但是很難與目標毀傷建立直接聯系并統一量化表征。利用目標毀傷效應結果能夠相對統一地分析和評價不同水中兵器戰斗部毀傷威力。基于上述思想,提出綜合考慮多種毀傷效應參數的反潛戰斗部綜合毀傷威力指數,以及相應的威力指數獲取方法。

1.2 基于潛艇耐壓殼多效應毀傷的綜合毀傷威力指數

潛艇在反潛戰斗部的作用下,主要毀傷模式包括潛艇殼體局部的結構破壞、艇體總縱強度損傷和沖擊導致艇內設備的振動損傷等。其中,當潛艇耐壓殼體由于反潛戰斗部作用產生變形、破損,不僅會影響潛艇整體的耐壓強度而導致作戰能力的降低,當殼體產生破損后,海水會涌入艙室造成內部設備的侵水損壞,同時影響潛艇的浮力功能,嚴重時直接造成潛艇整體的沉沒。本文主要針對潛艇耐壓殼體局部破壞這種毀傷模式,研究反潛戰斗部對潛艇耐壓殼體結構的毀傷威力評估方法。

反潛戰斗部作用下潛艇殼體的毀傷效應主要為變形、聚能穿孔或撕裂破口3種。殼體變形可以用最大變形撓度ω表征;聚能穿孔一般形貌較規則,為圓形孔洞;撕裂破口形貌不規則,但也可以通過等面積換算將其等效為圓形,因此聚能穿孔和撕裂破口均可用等效破孔直徑φ來表征。

每種毀傷效應分別對應獨立的毀傷閾值和毀傷等級。通常將潛艇毀傷劃分為3個等級(Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級毀傷)[20],對應潛艇主要表現為:潛艇解體或沉沒;潛艇必須立即上浮,無法繼續戰斗;作戰能力下降。以等效破孔直徑φ為例,其對應潛艇 3個毀傷等級的閾值分別為φⅠ、φⅡ、φⅢ。當破孔直徑φ>φⅠ時,判斷潛艇目標達到Ⅰ級毀傷;當φⅡ<φ<φⅠ時,毀傷達到Ⅱ級;當φⅢ<φ<φⅡ時,毀傷達到Ⅲ級。同理,最大變形撓度閾值分別為ωⅠ、ωⅡ、ωⅢ。

為解決多毀傷效應戰斗部威力統一表征的問題,首先定義某種毀傷效應參數與其毀傷閾值的比(如φ/φⅠ等)為毀傷貢獻度σi(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)。則反潛戰斗部綜合毀傷威力可表示為n種不同毀傷效應的貢獻度之和,即

(1)

式中:εi為第i級毀傷下的綜合毀傷威力指數;μn為毀傷效應的權重因子。

在一次毀傷事件中,不同毀傷元所發揮的比重需要系統性研究,本文研究工作不足以支撐權重因子的賦值,因此認為所有毀傷效應是等權重的,即μ1=μ2=μ3=…=μn=1。在此前提下,若需要判定目標的毀傷等級,需首先基于毀傷效應參數和毀傷閾值對全部3個等級的威力指數進行計算。當毀傷威力指數εi大于1,表示目標毀傷達到或超過了當前指數對應的毀傷等級。目標毀傷等級程度判斷如表1所示。

表1 基于綜合毀傷威力指數的毀傷等級評價

若εⅠ≥1,目標當前的毀傷等級達到了Ⅰ級毀傷;若εⅠ<1且εⅡ≥1,目標當前的毀傷等級為Ⅱ級毀傷;若εⅡ<1且εⅢ≥1,目標當前的毀傷等級為Ⅲ級毀傷;若εⅢ<1,目標當前的毀傷等級為小于Ⅲ級毀傷或無毀傷。利用綜合毀傷威力指數εi,就能夠實現不同戰斗部在相同毀傷等級下的威力量化比較,也能反映同一戰斗部不同毀傷效應的綜合作用結果。

根據上述定義,任一毀傷效應貢獻度大于1時,綜合毀傷威力指數εi的值就一定大于1。若有兩種不同戰斗部的綜合毀傷威力指數分別為εⅡ=1.5和ε′Ⅱ=4.5,雖然同樣達到Ⅱ級毀傷,但顯然指數ε′Ⅱ更高,即對應戰斗部的威力更大。若某一戰斗部的全部毀傷效應對目標的毀傷貢獻度均小于1,從單一效應來看顯然無法達到該級毀傷。但若干種不同效應的貢獻度加和后,εi仍可能大于1,能夠體現戰斗部多毀傷效應綜合作用結果。綜合毀傷威力指數εi的獲取流程如圖1所示。

圖1 綜合毀傷威力指數量化評估流程Fig.1 Flow chart of quantitative assessment of DPI

1.3 綜合毀傷威力評估試驗效應靶

為獲得戰斗部針對某一典型艇體耐壓殼結構毀傷效應,通常需建立該典型目標易損艙段的原型或等效靶模型,并進行試驗[21]。等效靶模型的設計越接近原型結構,其毀傷效果的參考價值越高。但是,試驗成本會隨著模型真實度的提高呈幾何倍數增加,而且模型越逼真、特殊性越強,其毀傷試驗結論的一般性就越差,對具有不同結構、尺寸、材料的其他艙段或目標的直接參考價值就越低[22]。因此,根據潛艇耐壓結構典型特征[23]以及反潛戰斗部對潛艇殼體局部近場作用特點,提出一種能夠反映某一類型艇體結構典型毀傷效應特征的效應靶,用于反潛戰斗部威力評估,如圖2所示。

圖2 試驗靶標結構與實物圖Fig.2 Schematic and photo of the test target

該效應靶基于典型單層殼體潛艇局部結構建立,主體為直徑2 m(避免沿邊緣的剪切破壞)、高 1 m(避免迎爆面靶板裂瓣向內彎折撞擊另一側背板)的圓柱筒,筒體中空模擬空氣背艙,迎爆面靶板厚度與目標殼體相同。為防止迎爆面鋼板破壞嚴重而無法回收或測量,板背面焊接6根肋骨,肋骨尺寸和分布與目標模型殼體肋骨相同(或具有相同的極限彎矩)。側板和背爆面板適當加筋以提高靶標整體強度。整個靶標中迎爆面材料為921鋼,其他部位材料均為Q235鋼。

考慮雙層殼體結構的外層殼體一般為非耐壓殼,故以“鋼板+水層”套筒的形式模擬非耐殼對戰斗部毀傷載荷的影響,而不考慮非耐壓殼對潛艇局部結構強度的影響,以降低試驗變量復雜程度。其中,水層套筒高度為447 mm,模擬非耐壓殼的 921鋼板厚4 mm。具體實現方式如圖3所示。

圖3 模擬雙層殼體的水層套筒結構與實物圖Fig.3 Water-cylinder for double-hull simulation

2 戰斗部毀傷威力評估海上試驗

為驗證上述反潛戰斗部毀傷威力評估試驗方法,在開放海域開展了模擬戰斗部水下毀傷威力海上試驗。

2.1 模擬戰斗部

試驗用模擬戰斗部包括聚能、爆破和聚爆3種類型,裝藥均為注裝B裝藥,藥量基本相同(8 kg TNT當量),且裝藥質心與毀傷目標距離相同(305.5 mm),戰斗部結構如圖4所示。

圖4 模擬戰斗部結構示意圖Fig.4 Schematic of the model warheads

爆破模擬戰斗部結構如圖4(a)所示,藥柱直徑為144 mm,高度為245 mm。

聚能模擬戰斗部結構如圖4(b)所示,藥柱直徑為144 mm,高度為285 mm,藥型罩采用半球殼型結構,材料為紫銅。

聚爆模擬戰斗部采用兩級串聯裝藥結構,如圖4(c)所示,爆破級裝藥在前,聚能級裝藥在后,聚能裝藥直徑為144 mm,藥柱高度為166 mm,藥量約為2.78 kg,藥型罩與聚能戰斗部一致。

2.2 試驗布置與工況

試驗海域水深為8～10 m。為盡可能減小邊界效應影響,戰斗部及靶標應布置于大約為4～5 m的深度,距離岸邊約100 m。為實現試驗系統的海上布放,試驗采用浮體、壓載體及鋼絲繩的牽拉作用將靶標保持在預定水深,戰斗部與靶標以水平方位布置,壓載體與靶標下部焊接為一體,如圖5所示。

圖5 試驗系統海上布置與現場圖Fig.5 Layout andpicture of the offshore test system

試驗共設計6種工況,詳見表2,每種工況各做1次。

表2 試驗工況

3 試驗結果與分析

3.1 單層殼體靶標毀傷效應試驗結果

爆破戰斗部對模擬單層殼體靶標的毀傷效應靶的整體破壞結果如圖6(a)所示。迎爆面靶板在爆炸沖擊作用下發生顯著向內凹陷變形,中部出現大破口,中部兩根肋骨間的板殼斷開成兩段,分別沿著兩邊肋骨發生剪切撕裂,并向內彎折。

對毀傷后的靶板進行三維(3D)掃描(見圖6(b)),直接讀取迎爆靶最大變形撓度約為 512 mm;利用像素分析讀取撕裂大破口的面積,再通過等面積變換將不規則大破口等效為圓形,可得破口的等面積圓直徑為833 mm。

圖6 爆破戰斗部對單層殼體靶標試驗結果Fig.6 Results from blast warhead against single-hull target and 3D scan picture

聚能戰斗部對模擬單層殼體靶標的毀傷效應靶的整體破壞結果如圖7(a)所示。迎爆面靶板中心形成穿孔破壞,孔眼邊緣形貌較規則,符合典型聚能侵徹體破壞特征。同時,聚能裝藥的水下爆破效應造成迎爆面靶板產生向內凹陷變形,最大變形撓度位于靶板中心處。經3D掃描測量,迎爆面靶板最大變形撓度為368 mm,中心聚能穿孔孔徑為 81 mm。

圖7 聚能戰斗部對單層殼體靶標試驗結果Fig.7 Results from shaped charge warhead against single-hull target and perforation hole

聚爆戰斗部對模擬單層殼體靶標的毀傷效應靶的整體破壞結果如圖8所示。靶標的破壞模式與爆破戰斗部工況(見圖6)相似,但整體變形程度更大,邊緣輪廓成橢圓狀,撕裂破口上端邊緣處由于變形過大甚至擊穿背爆靶板(見圖8(b))。經3D掃描測量,靶板最大變形撓度為549 mm,撕裂破口等面積圓直徑為957 mm。

圖8 聚爆能戰斗部對單層殼體靶標試驗結果Fig.8 Results from implosion warhead against single-hull target

3.2 雙層殼體靶標毀傷效應試驗結果

爆破戰斗部對模擬雙層殼體靶標的毀傷效應靶整體破壞結果如圖9所示。靶標僅產生凹陷變形,未見任何穿孔、破口。經3D掃描測量,迎爆靶板最大變形撓度為304.34 mm。

圖9 爆破戰斗部對雙層殼體靶標試驗結果Fig.9 Results from the blast warhead against double-hull target

聚能戰斗部對模擬雙層殼體靶標的毀傷效應靶的整體破壞結果如圖10所示。靶標破壞模式與圖7 相似,主要表現為聚能穿孔破壞與靶面向內的凹陷變形。但戰斗部與靶面間的水層對爆炸沖擊波和聚能侵徹體產生了顯著影響,主要體現為迎爆靶板的變形程度相對單層殼體靶板較輕,以及聚能穿孔(見圖10(b))的形貌都不規則(相對于圖7(b))。 經三維掃描測量,迎爆靶板最大變形撓度為 284 mm,射流穿孔直徑為73 mm。

圖10 聚能戰斗部對雙層殼體靶標試驗結果Fig.10 Results from shaped charge warhead against double-hull target and perforation hole

圖11 聚爆戰斗部對雙層殼體靶標試驗結果Fig.11 Results from implosion warhead against double-hull target and perforation hole

聚爆戰斗部對模擬雙層殼體靶標的毀傷效應靶整體破壞結果如圖11所示,靶標的破壞模式與聚能戰斗部工況(見圖10)相似,不同之處主要體現在迎爆面靶板中心破壞相對更大。

相比于聚能戰斗部,聚爆戰斗部中的聚能裝藥尺寸小、藥量小,顯然聚能侵徹威力偏小。再受雙層殼體靶標中水層的影響,聚能侵徹能力進一步降低,未能穿透靶標背板。但由于二級串聯爆破裝藥的作用,迎爆靶板上的聚能穿孔被撕裂擴孔,形成不規則三角狀破口。

經3D掃描測量,迎爆面靶板最大變形撓度為318 mm,撕裂破口的等面積圓直徑約為157 mm。

綜上所述,不同戰斗部作用下效應靶的破壞模式主要表現為凹陷變形、聚能穿孔和撕裂破口3種。可以定性地說,爆破型和聚爆型戰斗部對單層殼體靶標破壞威力更大,聚能型和聚爆型戰斗部對雙層殼體靶標破壞效果更顯著。具體的量化結果需要利用試驗所獲得的毀傷效應參數值(見表3),結合2.2節提出的綜合毀傷威力指數計算方法給出。

表3 毀傷效應參數測量值

4 戰斗部綜合毀傷威力分析

在利用式(1)計算戰斗部綜合毀傷威力指數時,除了需要表3中的試驗實測毀傷效應參量,還需要用于判定目標/結構毀傷等級的毀傷閾值。在目標易損性研究中,毀傷等級的劃分不僅需要考慮目標的結構/材料特征,還要考慮目標的功能特征。因此,需要通過獨立且系統理論、試驗研究,才能夠得到某一目標的毀傷閾值。

研究中使用的效應靶標僅作為典型潛艇結構的抽象等效物,并沒有具體作戰功能特征。因此,嚴格來講,僅依照靶標的實體破壞特征對其進行毀傷等級的劃分是沒有意義和根據的。為了演示和驗證2.2節提出綜合毀傷威力指數計算方法和其對毀傷效應的量化結果,結合對模型靶標的易損性分析專題研究,給出的基于單一毀傷效應的效應靶破壞等級判據和毀傷閾值具體如表4所示。

表4 試驗靶標毀傷等級與毀傷閾值

表5 模擬戰斗部毀傷不同結構靶標的威力指數

將表5中數據繪制成圖12,直觀對比3種不同類型戰斗部對單層殼體靶標的毀傷威力。其中3種戰斗部對單層殼體均達到了Ⅰ級毀傷,而爆破和聚爆戰斗部的威力指數相差不大,與第4節中對試驗結果定性分析結論一致。

圖12 不同類型戰斗部對單層殼體靶標的毀傷威力Fig.12 DPI of different warheads against single-hull targets

圖13 不同類型戰斗部對雙層殼體靶標的毀傷威力Fig.13 DPI of different warheads against double-hull targets

圖14 戰斗部對不同類型靶標的威力指數比Fig.14 DPI ratio of the warhead against different targets

因為1.3節所提出的用于模擬雙層殼體靶標并未考慮非耐壓殼體的結構強度,僅考慮了雙層殼體結構中水層對戰斗部毀傷效應的影響。水層的存在使戰斗部相對耐壓殼體的爆距增加,戰斗部爆破威力降低,這也是爆破和聚爆戰斗部對雙層殼體靶標的威力指數顯著下降(下降幅度達到80%～90%)的最主要原因。

聚能戰斗部侵徹體的破甲能力當然也會因為彈目間距的增加而降低,但總體受影響幅度并不大(單、雙層靶標迎爆面靶板穿孔直徑分別為81 mm和73 mm),威力指數降低不到20%。雖然,1.3節中提出的試驗靶標并未考核聚能類戰斗部的侵徹能力(穿透靶板層數),從評價指標上一定程度地弱化了聚能類戰斗部的毀傷威力。但試驗結果和上述量化分析結果仍然足以從側面說明,聚能戰斗部在水下爆炸后所產生的爆破毀傷效應能量利用率并不高。聚爆戰斗部中聚能、爆破裝藥的藥量較單一效應戰斗部都分別有所降低,但能量利用效率顯著提高,因此能夠對單、雙層殼體靶標產生更好的毀傷結果。

綜上所述,戰斗部綜合毀傷毀傷威力指數實現了對戰斗部威力更加直觀的量化表征,解決了不同類型戰斗部在針對不同結構以及不同破壞模式條件下的威力分析和比較問題。最重要的是,這種表征方法能夠清晰反映定性分析無法體現的關鍵細微差別,能夠明確解答定性分析中模糊不清關鍵問題。

5 結論

本文提出一種歸一化的戰斗部綜合毀傷威力量化表征與評估方法,在此基礎上設計了單/雙層殼體結構的毀傷效應靶標,進行了聚能、爆破和聚爆3型模擬戰斗部的海上試驗,分別獲得了戰斗部綜合毀傷威力指數,并進行了3型戰斗部綜合毀傷威力的量化對比與分析。得出主要結論如下:

1)所提出的戰斗部綜合毀傷威力表征與評估方法可量化分析同一戰斗部對不同艇體結構以及不同戰斗部對同一艇體結構的毀傷威力差別;

2)同等條件下,爆破和聚能戰斗部分別對單層殼體和雙層殼體靶標具有相對更大的毀傷威力,聚爆戰斗部對兩種類型結構的毀傷威力均優于單純的爆破戰斗部或聚能戰斗部;

3)不同戰斗部對雙層殼體靶標較單層殼體靶標的毀傷威力均有所下降,其中爆破戰斗部下降90%以上,聚爆戰斗部下降近80%,而聚能戰斗部下降只有不到20%。