不同起爆方式對水下炸藥能量輸出影響的實驗研究

［摘 要］ 為了研究不同起爆方式對大當量水下戰斗部裝藥爆炸能量輸出的影響，在大型水域開展了20 kg級裝藥戰斗部水下靜爆實驗，測試了不同起爆方式下水中爆炸的能量輸出。結果表明：改變起爆方式，可使裝藥在爆炸近場的水中爆炸能量（沖擊波超壓、沖擊波能和總能量）輸出有較大的變化。其中，端面起爆方式下，水下爆炸近場R=6 m處的沖擊波超壓、沖擊波能和總能量可達到理想球形爆轟的97.3%、 81.2%和93.5%?？梢?，在裝藥形狀基本不變的條件下，改變起爆方式即可實現戰斗部結構優化，達到最大能量輸出。但起爆方式對炸藥的沖擊波超壓和能量輸出的影響存在區域效應，當R/r=12.00時，端面起爆與理想球形爆轟產生的沖擊波超壓相當；當R/r=16.77時，不同起爆方式下炸藥的沖擊波能、氣泡能和總能量相差不大，起爆方式對炸藥能量輸出的影響幾乎可以忽略。

［關鍵詞］ 起爆方式；水下爆炸；爆炸威力

［分類號］ TJ510; TQ560.7

Experimental Study on Effects of Different Detonation Methods on Energy Output of

Explosives in Underwater Explosion

LIU Yan， LEI Yongtao， TONG Zongbao， JIANG Zisheng， LIU Zhihua， LI Wenna

Jiangnan Industry Group Co.， Ltd. （Hunan Xiangtan， 411207）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to study the effect of different detonation methods on energy output of a large-equivalence underwater warhead， a 20 kg-level charge warhead underwater static explosion experiment was conducted in a large water area. The variation law of energy output in underwater explosions under different detonation methods was studied. Results indicate that changing the detonation method can cause significant changes in the output of explosive energy of the charge， such as shock wave overpressure， shock wave energy， and total energy， in the water near the explosion field. Under the end detonation method， the shock wave overpressure， shock wave energy， and total energy at the near-field R=6 m of underwater explosion can reach 97.3%， 81.2%， and 93.5% of the ideal spherical detonation， respectively. It can be seen that changing the detonation method can optimize the structure of the warhead and achieve maximum output energy， while keeping the shape of the charge basically unchanged. However， there is a regional effect on the impact of detonation methods on shock wave overpressure and energy output of explosives. When R/r=12.00， the shock wave overpressure generated by end detonation is equivalent to that generated by an ideal spherical detonation. When R/r=16.77， the difference in shock wave energy， bubble energy， and total energy of explosives under different detonation methods is not significant， and the influence of detonation methods on the energy output of explosives can be almost ignored.

［KEYWORDS］ detonation method; underwater explosion; explosive power

0 引言

水中爆炸會同時產生沖擊波效應和獨特的氣泡脈動效應，與空氣中爆炸相比，作用機理存在著本質差別。受總體結構限制，水中兵器采用的爆破型戰斗部一般采用中心管起爆的方式。中心管爆破型戰斗部爆炸的能量輸出與理想球形爆轟的能量輸出差別較大，特別是對于長徑比較大的戰斗部結構而言，有效載荷浪費更明顯。為了提高水中兵器戰斗部的毀傷威力，目前研發的主要趨勢是增加戰斗部裝藥量、采用新型高能炸藥、采用定向/聚能技術和串聯/隨進裝藥技術、同步爆炸網絡技術以及采用垂直命中接觸爆炸技術等［1-2］。

在總體設計的限定條件下，現役戰斗部不可能無限制地增加裝藥量。為提高戰斗部對高防護目標的毀傷能力，可改變戰斗部的起爆方式，控制水中爆炸場的能量作用及輸出結構，使戰斗部在水下爆炸時，爆炸能量向目標方向集中。目前，已經有學者研究了不同起爆方式對炸藥水下爆炸的影響［3-6］。關于大裝藥量戰斗部采用不同起爆方式時對水下遠場爆炸能量輸出的影響還鮮有報道。

為了使研究更貼近實際應用，選用20 kg級PBX類炸藥裝藥的實驗戰斗部，對在不同起爆方式下不同距離處的沖擊波超壓和水下輸出能量進行了對比分析。對提高水中兵器毀傷威力具有積極的指導意義。

1 實驗

1.1 實驗布置

采集系統：986A0151 Genesis Tower高速數據采集系統，德國HBM公司。壓力傳感器：PCB138系列水下爆炸壓力傳感器。

實驗在湖上開展。在岸基兩側固定布放鋼絲繩。實驗戰斗部和壓力傳感器懸吊在鋼絲繩上，并懸布于水下一定深度處。采集與實驗戰斗部同等水深、不同距離處的壓力-時間曲線。

水深15 m，以實驗戰斗部為中心，對稱布置壓力傳感器。距爆點6、8、10、12 m和14 m的位置處布設水下壓力傳感器。實驗現場布置如圖1所示，1#～10#代表傳感器標號。

1.2 實驗工況

共包含4種實驗工況，分別為長徑比為1的單點起爆方式（I）和長徑比為3的中心管起爆（II）、射流起爆（III）、端面起爆（IV）。均裝填一種PBX澆注炸藥，柱形裝藥，裝藥量為20 kg左右。實驗戰斗部如圖2所示；4種工況如表1所示。其中，長徑比為1的單點起爆實驗戰斗部作為標準用于實驗結果對比。

均采用200 m長的導爆管雷管起爆，起爆雷管為8#雷管。在水深約50 m、寬度接近300 m的自由水域完成實驗，水流速度0.026～0.115 m/s，無來往船只，水面基本無風浪。

2 結果與分析

2.1 標準實驗戰斗部

根據采集到的有效數據，典型的沖擊波超壓曲線和氣泡脈沖曲線如圖3所示。

根據水中爆炸的幾何相似律，球形裝藥中心起爆時，超壓的變化規律為［7-8］：

Δp=k3WRα。（1）

式中： Δp為水下沖擊波超壓；k為與實驗條件相關的常數；W為裝藥質量；R為距爆點的距離；α為與裝藥類型相關的常數。

工況I為PBX標準實驗戰斗部的實驗數據（平均值）。根據多組實測數據，反推式（1）中本次實驗的k=84.859 0、a=1.360 3，擬合度達到0.995 7。其中，C=3W/R，說明PBX標準實驗戰斗部的能量輸出接近球形爆轟，擬合曲線如圖4所示。

2.2 沖擊波超壓

根據采集系統的數據，繪制4種工況條件下的Δp與R的關系曲線，如圖5所示。

由圖5分析可知：工況I，即標準實驗戰斗部，在水下爆炸產生的沖擊波超壓最高；其次是工況IV；最低的是工況II和III。

在爆炸近場，與標準實驗戰斗部的沖擊波超壓最為接近的是工況IV，即端面起爆的方式。采用端面起爆的實驗戰斗部，在R=6 m處，沖擊波超壓達到理想球形爆轟的97.3%。分析原因可能是：在端面起爆方式下，傳爆序列中傳爆藥柱與主裝藥的接觸面積大，使得主裝藥能在短時間內完成爆轟；而工況II和工況III，由于起爆方式影響，徑向損失較大，發展到穩定爆轟的距離和時間較長，在爆炸近場沖擊波超壓偏低。

另外，在R=10～14 m處，工況IV的沖擊波超壓略大于工況I。可能是由于端面起爆時，主裝藥能在相對較短時間內形成穩定爆轟，生成的爆轟產物相對較多。在較遠距離處，水下炸藥中的鋁粉與爆轟產物發生反應，釋放能量相對較多，對沖擊波的補充相對明顯。

炸藥水下爆炸產生的沖擊波在傳播過程中保持著較快的衰減速率。在較遠距離處，不同起爆方式下實驗戰斗部爆炸產生的沖擊波超壓趨近相等。如對于工況IV，當R/r=12.00（r為裝藥半徑），即R=10 m時，與標準實驗戰斗部爆炸產生的沖擊波超壓相當。對于工況II和工況III而言，在R=14、12 m時，與標準實驗戰斗部的沖擊波超壓相當。說明不同起爆方式對炸藥水中爆炸沖擊波壓力的影響在一定距離后消失，存在一定的區域效應。此區域之外，可能對應了炸藥水中爆炸沖擊波的球形化。

2.3 能量

炸藥在水中爆炸時釋放出多種可測量的量，如：利用傳感器可測到測點處的峰值壓力pm、氣泡波第一次的脈動周期、壓力指數衰減的時間常數θ及p～t曲線等。再通過數值積分和計算，可得到被測炸藥的沖擊波能E及氣泡能Eb，進而計算得到總能量Etol。

Etol=E+Eb。（2）

根據文獻［8-9］，炸藥水下爆炸的沖擊波能：

E=K14πR2WρWcW6.7θ0p2（t）dt;

p（t）=pme-t/θ。（3）

式中：pm為水中沖擊波初始壓力的峰值；θ為沖擊波的指數衰減時間常數，pm衰減到pm/e所需的時間，e=2.718；ρW為水的密度；cW為水中聲速；K1為比例系數，由TNT標定的平均數值計算得出。

氣泡能用炸藥在水下爆炸時、爆炸生成的氣體產物克服靜水壓第一次膨脹、達到最大值時所做的功來度量。

Eb=0.683 9K2p5/2hρ3/2W×T3W。（4）

式中：ph為裝藥深處的靜水壓力;T為第一次氣泡脈動的周期；K2為比例系數，由TNT標定的平均數值計算得出。

不同起爆方式下的水下爆炸能量的計算結果見表2。

由表2可以看出，在爆炸近區，起爆方式對實驗戰斗部水下能量輸出的影響主要以沖擊波能為主，對氣泡能的影響不大。與起爆方式對沖擊波超壓的影響結果一致，工況I標準實驗戰斗部的水下爆炸輸出能量最大，工況IV次之，工況II和III最小。工況IV，即采用端面起爆的實驗戰斗部在距離爆點6 m處沖擊波能和總能量可達到理想球形爆轟的81.2%、 93.5%。

不同起爆方式對炸藥水下能量輸出的影響隨著距離的增加逐漸減弱。當R/r=16.77，即距離爆點R=14 m處，不同起爆方式下實驗戰斗部的沖擊波能、氣泡能和總能量相差不大。

3 結論

針對長徑比較大的爆轟型戰斗部進行了水下靜爆實驗研究，得出了以下結論：

1）在裝藥形狀基本不變的條件下，改變起爆方式即可實現戰斗部結構優化，達到最大能量輸出。對于爆轟型長徑比較大的裝藥結構而言，采用端面起爆的方式較適宜。在爆炸近場R=6 m處，炸藥的沖擊波超壓、沖擊波能和總能量可達到理性球形爆轟的97.3%、 81.2%和93.5%。

2）起爆方式僅在近場一定距離內對炸藥的沖擊波超壓有影響，存在一定的區域效應。對于采用端面起爆的裝藥結構，當R/r=12.00時，與理想球形爆轟產生的沖擊波超壓相當。

3）不同起爆方式對炸藥水下爆炸能量輸出的影響隨著距離的增加而減弱。對于長徑比為3的柱形裝藥戰斗部，當R/r=16.77時，不同起爆方式下炸藥的沖擊波能、氣泡能和總能量相差不大，起爆方式對炸藥能量輸出的影響幾乎可以忽略。不同起爆方式對水下炸藥爆炸能量輸出的影響有待在理論和實驗上做進一步研究。

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