楊曉光

(水聲對抗技術(shù)重點實驗室，中國船舶工業(yè)集團公司船舶系統(tǒng)工程部，北京100036)

0 引言

溫壓彈由早期的云爆彈發(fā)展而來，由高能固態(tài)炸藥、高能金屬粉、起粘接作用的有機化合物和固態(tài)高效氧化劑構(gòu)成。在空氣中使用時，與TNT相比有遠(yuǎn)場超壓高、作用時間長及衰減慢的特點。其燃料云霧體(形成火球體積)也遠(yuǎn)大于同等質(zhì)量的TNT炸藥。在溫壓彈組成材料中增加強氧化劑的比例，可使其滿足在水下等低氧或無氧環(huán)境中使用的條件。

水下爆炸主要通過沖擊波載荷、氣泡的脈動效應(yīng)和氣泡坍縮產(chǎn)生的射流載荷對水中物體產(chǎn)生破壞作用。本文探討利用溫壓武器遠(yuǎn)場超壓高和形成氣泡體積大的特性提高對魚雷的軟毀傷和硬毀傷效果。

1 水下爆炸毀傷分析

水下爆炸是一個非常復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換的物理過程。從它對結(jié)構(gòu)的破壞角度來看，可分為2個過程:沖擊波的產(chǎn)生、傳播和爆炸物氣體與周圍水的慣性作用(氣泡作用)。物理實驗表明，藥包爆炸產(chǎn)生的沖擊波能量占總能量的53%左右，氣泡占總能量的47%左右［1］。氣泡運動所攜帶的能量與沖擊波攜帶的能量相當(dāng)，沖擊波具有壓力峰值大及頻率高等特征;而氣泡脈動壓力雖然壓力峰值較小，但作用時間很長，具有低頻特征，對水中結(jié)構(gòu)具有很強的破壞力。

1.1 爆炸沖擊載荷的作用

由于戰(zhàn)斗部破片速度在水中衰減得很快，所以它很難在一定距離上對目標(biāo)造成毀傷。水下爆炸戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷主要依靠爆炸沖擊波。假設(shè)目標(biāo)固定，目標(biāo)可視為一剛性壁。沖擊波垂直作用于剛性壁面時，質(zhì)點速度驟變?yōu)?，壁面處質(zhì)點的聚集，使壓力增加，在壁面發(fā)生正反射［2］。

在實際工作中，我們更關(guān)注的是炸藥在水中爆炸時，沖擊波作用于固定壁上入射壓力與反射壓力的關(guān)系，關(guān)注目標(biāo)表面實際受到的壓力載荷。

根據(jù)參考文獻［3］，水中沖擊波在剛體表面上正發(fā)射的壓力比見表1。

1.2 爆炸氣泡作用

爆炸物在引爆之后，變成高溫高壓氣體，該氣體被周圍的水圍成氣泡。氣泡內(nèi)部的高壓將驅(qū)使周圍的流體以小于聲速的速度向外擴散運動(滯后流)，在此階段，將水看成不可壓縮的介質(zhì)。由于慣性作用，氣泡將過度膨脹，同時其內(nèi)部壓力減小，直至占外部流體靜水壓很小的一部分，氣泡表面的負(fù)壓差使氣泡的膨脹運動停止，并使氣泡產(chǎn)生收縮(坍塌)運動。收縮過程由流場中周圍流體靜壓力驅(qū)動，該過程將會繼續(xù)直至不斷增加的內(nèi)部氣泡壓力將該過程瞬間逆轉(zhuǎn)過來。氣體和水的彈性特性為氣泡振蕩提供條件，將該過程稱為氣泡脈動，直至破裂。氣泡排開一部分密度比內(nèi)部氣體大的流體，排開的流體重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氣泡內(nèi)部的氣體的重量，這就提供了浮力。浮力使氣泡向上移動，由浮力及重力作用產(chǎn)生的氣泡運動及其向上遷移的過程如圖1所示［1］。

圖1 氣泡脈動上浮及相應(yīng)時刻壓強示意圖Fig.1 Pressure and diameter of bubble when floating

水下爆炸脈動氣泡的特點有二:①脈動氣泡能產(chǎn)生很高的壓力，其幅值為沖擊波壓力的20%左右;②持續(xù)的時間長，約為s級，沖擊波作用則為ms級。氣泡脈動是空氣中爆炸所沒有、水下爆炸所特有的現(xiàn)象。

氣泡在第1次坍塌(脈動)后，氣泡內(nèi)的剩余能量只有初始能量的7%左右，所以一般只考慮1次脈動氣泡對水中結(jié)構(gòu)的破壞作用。

2 溫壓彈藥的特點

溫壓彈是在燃料空氣炸彈的基礎(chǔ)上研制出來的，是燃料空氣炸彈的高級發(fā)展型。它采用含有氧化劑的固體藥劑，當(dāng)固體藥劑呈顆粒狀散開后，形成的爆炸殺傷力比液態(tài)的燃料空氣炸彈更強。

2.1 溫壓彈藥沖擊波特性

沖擊波對目標(biāo)的毀傷作用通常用超壓峰值ΔP、正壓作用時間t+和比沖量I+3個參量來度量。利用這3種測量值的大小作為衡量溫壓彈威力大小。比較沖擊波毀傷的3個準(zhǔn)則，如果僅用超壓準(zhǔn)則評價溫壓彈的威力，將忽視溫壓彈爆炸波正壓作用時間長、相應(yīng)的毀傷效果強的事實。如果僅用沖量準(zhǔn)則評價溫壓彈的威力，將忽視目標(biāo)毀傷存在臨界超壓的事實。而超壓－沖量準(zhǔn)則考慮問題比較全面，更具有普遍意義［4］。

用沖擊波超壓準(zhǔn)則研究溫壓彈的威力是一種可行的方案，同時溫壓彈和TNT炸彈爆炸壓力在一定的條件下具有一定的相似性，通過試驗［4］和計算結(jié)果表明，6.8 kg溫壓彈平均TNT當(dāng)量比約為2.6。圖2是2種爆炸物的爆炸場超壓距離比擬合曲線。

圖2 2種爆炸物的爆炸場超壓距離比擬合曲線Fig.2 Curve fitting of two explosives over pressure distribution

2.2 強氧化劑對溫壓彈藥的誘導(dǎo)作用

早期溫壓武器都是在空氣中使用的，通過1次爆炸將液體或固體燃料微粒在空氣中充分?jǐn)U散，延遲一段時間之后點燃燃料空氣混合物，實現(xiàn)2次爆炸。第3代溫壓武器將2次爆炸系統(tǒng)改為1次爆炸系統(tǒng)，即在燃料被迅速拋撒形成云霧的同時誘發(fā)云霧的爆轟。1次起爆型溫壓武器的延遲期為毫秒量級，沒有充裕的時間讓燃料和空氣混合均勻，不能充分地利用空氣中的氧氣來實現(xiàn)爆轟對實現(xiàn)穩(wěn)定爆轟。這種條件類似于水下無氧環(huán)境，無法利用周圍環(huán)境中的氧氣。

［5］中提到某液相1次起爆型溫壓燃料在空氣中不能實現(xiàn)爆轟，而在純氧氣中能實現(xiàn)爆轟。在該燃料中添加適量的強氧化劑作為誘導(dǎo)劑后就能在空氣中實現(xiàn)爆轟。受此啟發(fā)，可將固態(tài)強氧化劑如高氯酸鹽或硝酸鹽與復(fù)合燃料混合，配成適合在低氧環(huán)境下使用的富含氧化劑的混合燃料。為提高FAE爆轟威力，可選擇3個主要約束條件(能量性能、起爆性能和離散性能)作為燃料組分搭配的依據(jù)。對應(yīng)3個約束條件，分別選擇各具特點的燃料組分，通過調(diào)節(jié)燃料組分的質(zhì)量配比，配制成一系列復(fù)合燃料進行試驗，可避免燃料選擇的盲目性。

通過試驗［5］，在混合燃料中添加高氯酸銨不僅能提供活性氧充當(dāng)誘導(dǎo)劑，提高燃料的有效反應(yīng)率，而且高氯酸銨反應(yīng)后生成大量氣體，故適量添加高氯酸銨能增強原溫壓彈藥的爆轟威力，高氯酸銨為制作混合燃料的強氧化劑最優(yōu)選擇。通過調(diào)節(jié)各組分的質(zhì)量配比，改變復(fù)合燃料的能量性能、起爆性能和離散性能，可以調(diào)節(jié)溫壓燃料的環(huán)境適應(yīng)性。也可根據(jù)打擊目標(biāo)的抗爆能力決定燃料組分，從而達到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。水下使用溫壓彈所需的強氧化劑組分比例可按使用環(huán)境的不同(深水或淺水)及對目標(biāo)的破壞預(yù)期(軟硬殺傷)分別通過試驗確定。

3 使用溫壓武器反魚雷探討

不同深度下水下爆炸產(chǎn)生的氣泡大小有很大差異，圖3是推算水下爆炸氣泡直徑的工具圖表，用直線連接圖表二側(cè)的裝藥當(dāng)量和右側(cè)的水深，可粗略得到生成氣泡的直徑和持續(xù)時間。由表可見，對于水面艦的魚雷防御，少量裝藥即可形成大型氣泡，如能在魚雷下方產(chǎn)生大直徑的氣泡，可對來襲魚雷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生硬毀傷。

圖3 爆炸氣泡半徑和第一脈動周期求解圖表Fig.3 Calculating graph of max bubble radius and first bubble period

當(dāng)使用懸浮式攔截彈作為反魚雷武器時，武器發(fā)射布陣后等待來襲魚雷接近的過程中有充分的時間使溫壓燃料與氧化性氣體混合?？墒褂妙愃朴诙伪ㄏ到y(tǒng)的引爆方法，在懸浮式攔截彈的水下戰(zhàn)斗部位置布置1個氣囊(稱為混合氣囊)，彈體入水后在該氣囊內(nèi)充入氧化性氣體(如純氧)和液態(tài)溫壓燃料，來襲魚雷到達時引爆混合氣囊內(nèi)的氣體混合物。若將混合氣囊做成星形或裝設(shè)多個較小的分氣囊同時引爆，能進一步增大氣泡體積和沖擊波的破壞范圍。

而對于潛深較大潛艇，則主要考慮結(jié)合誘餌使用小型化溫壓武器，利用遠(yuǎn)場超壓破壞來襲魚雷的傳感器，實現(xiàn)軟殺傷。200 m水深時，在沖擊波作用時間段，由于靜水壓力與沖擊波產(chǎn)生壓力的疊加，產(chǎn)生壓力及加速度峰值較0 m水深時大很多，使用水深的增加可以提高毀傷半徑，如圖4所示［2］。

圖4 不同水深下迎爆面點壓力曲線比較Fig.4 The comparison of pressure-time curve face explosion center in diffrent depth

4 結(jié)語

本文通過分析溫壓武器的原理，通過在一次爆炸型溫壓原料組份中增加氧化劑和在氣囊中與氧化性氣體預(yù)先混合的方案，使其具備在水下使用的條件。溫壓武器先天的特點使其在破壞水中結(jié)構(gòu)和對魚雷傳感器軟殺傷具有潛在優(yōu)勢，有進一步研究的價值。

參考文獻:

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［2］劉曉歐，尹韶平，高山.反魚雷魚雷毀傷效果計算分析［J］.魚雷技術(shù)，2008，16(3):1 －5.

［3］潘正偉，劉平香.水下爆炸對魚雷毀傷的實驗研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2003.12，25(6):52 －55.

［4］崔曉榮，周聽清，俞永華，沈兆武.強氧化劑對FAE誘導(dǎo)作用的實驗研究［J］.含能材料，2006，14(1):12 －15.

［5］趙永濤，白春華，張奇.溫壓彈爆炸超壓場實驗研究［J］.爆破，2004，21(4):15 －17.