【裝備理論與裝備技術(shù)】

爆破型魚雷爆炸威力試驗評估方法

李洪濤，奚慧巍，高順林，蔣文聰

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041)

摘要：為了探尋評估爆破型魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力的科學(xué)方法，研究了爆破型魚雷的兩種毀傷模式，梳理了在工程設(shè)計時采用的魚雷爆炸威力表征模型，提出用能量法、通過試驗測量手段，來評估戰(zhàn)斗部爆炸威力，并建立評估模型。結(jié)果表明：爆破型魚雷對水面艦艇的毀傷模式分接觸爆炸和非接觸爆炸；接觸爆炸對艦船殼體局部結(jié)構(gòu)造成毀傷，非接觸爆炸對船底局部結(jié)構(gòu)和總縱強(qiáng)度造成破壞；工程設(shè)計上采用的魚雷爆炸威力表征模型，不適用于采用新型防護(hù)設(shè)計的現(xiàn)代艦船，忽視了氣泡能對艦船總縱強(qiáng)度的破壞作用；用能量法評估爆破型魚雷爆炸威力科學(xué)可行；魚雷無靶靜爆、實航固定靶、實航活動靶3種試驗?zāi)Ｊ?，不僅可實現(xiàn)威力評估，結(jié)合靶船毀傷情況，還可以對魚雷的毀傷能力作出評價。

關(guān)鍵詞：爆破型魚雷；爆炸威力；能量評估法；試驗方法

收稿日期：2015-03-24

作者簡介：李洪濤(1966—)，男，碩士，高級工程師，主要從事武器裝備、水下爆炸沖擊試驗與測量研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.005

中圖分類號：TJ741

文章編號：1006-0707(2015)09-0018-04

本文引用格式：李洪濤，奚慧巍，高順林，等.爆破型魚雷爆炸威力試驗評估方法[J].四川兵工學(xué)報，2015(9):18-21.

Citationformat:LIHong-tao，XIHui-wei，GAOShun-lin，etal.TestEstimatingMethodsforTorpedoBlastingWarheadExplosionPower[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):18-21.

TestEstimatingMethodsforTorpedoBlastingWarheadExplosionPower

LIHong-tao，XIHui-wei，GAOShun-lin，JIANGWen-cong

(TheNo. 91439thTroopofPLA,Dalian116041,China)

Abstract:The study of damage mode for blasting torpedo warhead，explosion power models, the energy estimating method and test methods was presented in this paper. Results show the following characters: The damage mode of blasting torpedo on surface ship includes contact explosion and noncontact explosion, and the former causes the local structure damage of outer hull, while the latter causes the local structure damage of bottom and longitudinal strength； Torpedo explosion power characterization model is adopted in warhead engineering design，and does not apply to the use of modern ship，and bubble effects on the longitudinal strength is ignored； By the method of energy evaluation of blasting torpedo explosion power is feasible； These three kinds of test methods can realize not only the explosion power evaluation，but also the damage ability evaluation.

Keywords：blastingtorpedo；explosionpower；energyestimatingmethod;testmethod

魚雷按戰(zhàn)斗部裝藥方式不同，可分為爆破型魚雷和聚能型魚雷。爆破型魚雷一般為重型魚雷，裝藥量大，主要由水面艦艇和潛艇投射，主要攻擊目標(biāo)是水面艦艇。以接觸爆炸或近距離非接觸爆炸為雷目交會條件，以沖擊波超壓、爆轟產(chǎn)物、氣泡脈動、滯后流等為毀傷元素，以單枚或多枚齊射為主要攻擊方式。

魚雷對艦船的毀傷程度主要是由以下因素決定：裝藥量及起爆方式，爆心與艦船的距離和相對位置，目標(biāo)艦船抗爆炸沖擊防護(hù)能力等?，F(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇為了抵御導(dǎo)彈、水中兵器等的毀傷，普遍增加了外殼厚度并使用高強(qiáng)度的合金材料，因此具有了很強(qiáng)的抗爆能力。使用一枚甚至幾枚魚雷去摧毀一艘現(xiàn)代艦艇，變得越來越困難。為了給目標(biāo)毀滅性的打擊，總是希望魚雷的裝藥量越多越好，但在魚雷的總體布局上卻難以實現(xiàn)。當(dāng)魚雷裝藥量不能大量增加時，單條魚雷命中目標(biāo)往往不能給敵方目標(biāo)以致命的打擊。于是，開始研究如何提高魚雷的爆炸威力，增加裝藥量、提高裝藥的TNT當(dāng)量系數(shù)、在裝藥中加入鋁粉等物質(zhì)提高爆炸產(chǎn)生的氣泡做功能力等方法被廣泛采用。

目前，魚雷戰(zhàn)斗部的研制大多是在陸上進(jìn)行有限的陸上試驗，由于陸上與水下戰(zhàn)斗部的爆炸作用機(jī)理存在巨大差異，陸上試驗測試結(jié)果有很大的局限性，大多只能證明戰(zhàn)斗部爆轟的完全性，不能對魚雷戰(zhàn)斗部的毀傷性能進(jìn)行全面的考核，真正的毀傷性能得不到檢測和評估，魚雷戰(zhàn)斗部對水中目標(biāo)的毀傷結(jié)果更是無法進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評定[1]。

本文通過闡述爆破型魚雷戰(zhàn)斗部爆炸毀傷機(jī)理，梳理目前對爆破型魚雷爆炸威力的表征形式及存在的問題，提出通過試驗手段、利用能量評估方法，來評估爆破型魚雷戰(zhàn)斗部的爆炸威力。

1爆破型魚雷對水面艦艇的毀傷模式

炸藥水中爆炸會產(chǎn)生高溫高壓氣團(tuán)，壓力傳遞到周圍水介質(zhì)中以沖擊波的形式向各個方向傳播。沖擊波過后，爆炸氣體產(chǎn)物以氣泡的形式做膨脹與收縮的循環(huán)運(yùn)動，這個過程稱為氣泡脈動。如圖1所示，通常氣泡第一次脈動時形成的壓力波(簡稱二次波)做功能力最強(qiáng)，也最有實際意義。研究表明，二次波的最大壓力不超過沖擊波壓力的10%～20%，作用時間是沖擊波作用時間的幾十至上百倍[2]。

圖1　水下爆炸壓力波和氣泡現(xiàn)象

爆炸產(chǎn)物形成的氣泡在水中進(jìn)行多次膨脹和收縮運(yùn)動，而氣泡的每次脈動總要消耗一部分能量。最初約有爆炸總能量的53%消耗于沖擊波的形成，剩余的能量用于氣泡脈動。能量分配情況見表1[3]。

魚雷對艦船的攻擊分接觸爆炸和非接觸爆炸兩種方式。接觸爆炸就是魚雷與目標(biāo)直接碰撞產(chǎn)生爆炸，一般是利用觸發(fā)引信的慣性開關(guān)作為敏感元件來感知雷目相遇時產(chǎn)生的撞擊加速度；魚雷和艦船水中接觸爆炸時，爆炸產(chǎn)物和水中沖擊波直接作用在艦船殼體上，對目標(biāo)結(jié)構(gòu)的作用是一個高度非線性動態(tài)響應(yīng)過程，時間短，過程復(fù)雜。水中接觸爆炸根據(jù)爆炸部位的不同，可導(dǎo)致斷首、斷尾、中部艦體的較大破口或大面積塑性變形。當(dāng)接觸爆炸沖擊波作用于充滿液體的艙室時，沖擊波將通過艙內(nèi)液體傳播到其他部位，造成更大的破壞；在爆炸區(qū)域，可能導(dǎo)致艦載設(shè)備、管系、人員的嚴(yán)重?fù)p傷，或者電器設(shè)備短路起火、彈藥和可燃?xì)怏w爆炸等。

表1　水下爆炸能量分配情況

非接觸爆炸時，魚雷不與目標(biāo)直接碰撞，而是在相距一定距離時就發(fā)生爆炸。由近炸引信感知目標(biāo)距離和方向，并適時發(fā)出起爆信號。目前，魚雷一般采用觸發(fā)-近炸聯(lián)合引信，攻擊的目標(biāo)一般為單個目標(biāo)，當(dāng)魚雷接近并以一定角度和距離在目標(biāo)附近通過時，近炸引信能可靠探測目標(biāo)并適時引爆戰(zhàn)斗部。當(dāng)魚雷在船底中部附近爆炸時，沖擊波和氣泡同時作用在艦船上。具有作用時間短、峰值壓力大特點的沖擊波載荷首先發(fā)揮作用，通常會引起船底板的局部破壞，如出現(xiàn)局部塑性區(qū)、局部破口等，局部損傷較接觸爆炸要輕；隨后氣泡載荷開始發(fā)揮作用，氣泡的膨脹收縮運(yùn)動會引起艦船底部的壓力場變化，引起船體結(jié)構(gòu)的“鞭狀運(yùn)動”，危機(jī)艦船的總縱強(qiáng)度；嚴(yán)重時，中拱和中垂?fàn)顟B(tài)可能會使艦船從中部折斷破壞，同時氣泡脈動載荷會使艦船產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動，造成設(shè)備、人員的大范圍損傷。

2爆破型魚雷爆炸威力表征模型

目前，對爆破型魚雷爆炸威力的描述沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常采用爆炸沖擊波壓力、破壞半徑、殼體破口長度等參數(shù)來表征。

2.1艦船殼體破損總長度

接觸爆炸時，魚雷爆炸威力用艦船殼體破損總長度來表示[4]

(1)

式(1)中：W為魚雷裝藥量(TNT當(dāng)量)，kg；Lz為艦船殼體破損總長度，m；tk為艦船殼體鋼板厚度，cm。

對于大中型水面艦艇，所能承受的最大允許破口長度的統(tǒng)計值為13m。

2.2沖擊波壓力

非接觸爆炸時，魚雷爆炸威力用沖擊波壓力來表示[4]

(2)

式(2)中：p為魚雷爆炸沖擊波壓力，atm；k為炸藥的質(zhì)量系數(shù)，通過試驗確定；R為艦船到爆心的距離，m；α為常數(shù)，通過試驗確定；對于裝藥密度為1.52g/cm3的TNT炸藥，k=533，α=1.13。

實戰(zhàn)和試驗結(jié)果表明：p≥700atm時，可擊沉沒有裝甲防護(hù)的水面艦艇；p≥465atm時，可使水面艦艇受到嚴(yán)重?fù)p傷；p≥310atm時，可使水面艦艇受到中等損傷。

2.3破壞半徑

設(shè)計魚雷裝藥量時，魚雷爆炸威力用破壞半徑來表示。爆破型魚雷對于有防雷裝置艦艇的破壞半徑為

(3)

式(3)中：rp為爆破型魚雷破壞半徑；kc為系數(shù)，對于戰(zhàn)列艦kc=0.4～0.5；對于航母與巡洋艦kc=0.55～0.6。

對于無防雷裝置艦艇的破壞半徑為

(4)

式中：p為破壞無防雷裝置艦艇所需壓力，Pa；對于驅(qū)逐艦，p=1 200Pa。

上述3種爆破型魚雷爆炸威力的表征形式存在以下共性問題：研制單位進(jìn)行爆破型戰(zhàn)斗部裝藥設(shè)計時，通常采用上述方法計算裝藥量，其實并不代表戰(zhàn)斗部的真實爆炸威力，也缺乏實戰(zhàn)檢驗；所用的經(jīng)驗公式可能適用于對老式艦船的毀傷，而對于采用新型防護(hù)設(shè)計的現(xiàn)代艦船適用性大大降低；以戰(zhàn)斗部裝藥量、產(chǎn)生的沖擊波壓力大小衡量其爆炸威力的觀點，忽視了氣泡能的影響，而非接觸爆炸氣泡能對艦船總縱強(qiáng)度的毀傷是致命的。

3爆破型魚雷爆炸威力試驗評估方法

3.1能量評估法

爆破型魚雷戰(zhàn)斗部的爆炸威力，最終體現(xiàn)在其做功能力上，因此應(yīng)從能量觀點來評價其爆炸威力。根據(jù)遠(yuǎn)程能量測試結(jié)果，炸藥水下爆炸總能量可粗略認(rèn)為由初始沖擊波能和氣泡能構(gòu)成。沖擊波是水下爆炸主要輸出載荷，其傳播過程中發(fā)生對非理想流體介質(zhì)水的不可逆沖擊加熱，在初始傳播階段發(fā)生能量損失，總能量由下式得到

A0=μEs+Eb

(5)

式(5)中：A0為總能量，Es、Eb分別為沖擊波能和氣泡能，μEs為初始沖擊波能；而μ是能量損失因子，其數(shù)值可按Bjarnholt的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算：

(6)

(7)

距離炸藥中心R處的水下爆炸沖擊波能量按下式計算[6]

(8)

式(8)中：Es為距離裝藥中心R處的沖擊波能量，MJ/kg；ρw為水的密度，常溫淡水一般取1.0g/cm3；Cw為水的聲速，常溫淡水一般取1 460m/s；m為炸藥質(zhì)量(含傳爆藥的爆炸等效質(zhì)量)，kg；ta為沖擊波到達(dá)時間，s；τ為積分上限，取τ=ta+6.7θ，s。θ為水中沖擊波的時間衰減常數(shù)，為沖擊波時程曲線上從峰值壓力下降到其1/e幅值的時間，e為自然對數(shù)底數(shù)常數(shù)。

氣泡能按下式計算[6]

(9)

式(9)中：Eb為氣泡能，MJ/kg；ph為炸藥中心處靜水壓和試驗時當(dāng)?shù)卮髿鈮褐?，Pa；h為炸藥中心入水深度，m。Tb為氣泡脈動周期，s；通過判讀沖擊波壓力時程曲線獲得。

基于上述分析研究，爆破型魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力應(yīng)是上述相關(guān)參數(shù)的函數(shù)，即有

Wp=f(μ,Es,Eb)=

(10)

可見，在試驗條件下，可以通過測量手段比較準(zhǔn)確地評估爆破型魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力。接觸爆炸時，可只考慮沖擊波能的作用；非接觸爆炸時，初始沖擊波能和氣泡能都要考慮。

3.2試驗方法

利用魚雷水下靜態(tài)爆炸試驗，測量相關(guān)參數(shù)，計算爆炸沖擊波能和氣泡能，可以比較準(zhǔn)確評估魚雷的爆炸威力；利用魚雷實航爆炸試驗，不僅可以評估魚雷的爆炸威力，還可以對目標(biāo)艦船的毀傷情況進(jìn)行測量和評估，進(jìn)而評估出魚雷的毀傷能力。

3.2.1靜態(tài)爆炸試驗工況設(shè)計

魚雷裝藥雷體(不裝引信，加裝起爆控制系統(tǒng))懸浮于水下爆炸深度，在該深度上布放自由場壓力傳感器(一般不少于六只，建議將傳感器錯位安裝)，傳感器敏感元件到爆心的距離應(yīng)大于最大氣泡脈動半徑，試驗工況如圖2所示。試驗系統(tǒng)通常由魚雷裝藥雷體、壓力傳感器組、起爆裝置、觸發(fā)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，數(shù)據(jù)采集可由起爆裝置(同步機(jī))觸發(fā)，也可通過安裝在雷體上的零時傳感器觸發(fā)，壓力信號經(jīng)低噪聲信號電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖2　魚雷靜態(tài)爆炸試驗

3.2.2實航爆炸試驗工況設(shè)計

新型魚雷在設(shè)計定型時都要進(jìn)行實航打靶試驗，可結(jié)合實航爆炸試驗測量評估魚雷的毀傷能力。實航爆炸試驗分為攻擊固定靶和活動靶兩種情況。攻擊固定靶時，靶船錨泊于海面，潛艇瞄準(zhǔn)發(fā)射魚雷，魚雷出管后以直航方式攻擊靶船；攻擊活動靶時，按照實戰(zhàn)條件下的戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行。靶船穩(wěn)速穩(wěn)向航行，發(fā)射艇隱蔽探測、跟蹤，解算目標(biāo)運(yùn)動要素，發(fā)射魚雷并自動導(dǎo)向目標(biāo)。這兩種方式的主要區(qū)別在于：前者可以測量自由場壓力，并利用沖擊波時差法解算爆心位置坐標(biāo)(通過3個以上已知坐標(biāo)點的壓力測點，測出其與爆心之間的準(zhǔn)確距離，利用方程可求解爆心位置坐標(biāo))，而后者在運(yùn)動的靶船周圍布設(shè)測點很難實施，無法準(zhǔn)確測量爆心位置，但攻擊方式更貼近實戰(zhàn)。

試驗系統(tǒng)通常由發(fā)射潛艇、魚雷戰(zhàn)雷、靶船、測量系統(tǒng)等組成。測量系統(tǒng)包括壓力傳感器組(固定靶)、應(yīng)變片、加速度傳感器等，遙控觸發(fā)裝置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。攻擊固定靶試驗工況如下圖，在靶船四周選取4個測點，成對布設(shè)壓力傳感器，布設(shè)深度與魚雷爆炸深度相同；在靶船上布設(shè)應(yīng)變片、加速度傳感器、遙控觸發(fā)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(可回收)等；魚雷在靶船下方一定深度和一定范圍內(nèi)爆炸，采集自由場壓力、應(yīng)變、沖擊加速度等信息。

圖3　魚雷攻擊固定靶實航爆炸試驗

3.2.3試驗測量與數(shù)據(jù)處理

1) 靜態(tài)爆炸試驗。測量參數(shù)：水的密度ρw，水中聲速Cw，魚雷裝藥雷體爆炸深度處靜水壓與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐蚿h，裝藥雷體距測點距離Ri，爆炸深度h，沖擊波壓力時程pi(t)，爆炸零時t0，氣泡脈動周期Tib。

所需測量設(shè)備：水文測量設(shè)備(ρw，Cw，h)，大氣壓力計(ph)，自由場壓力測量系統(tǒng)(p(t)，t0，Tb)。

通過測量自由場壓力、爆炸零時等參數(shù)，取不少于3個測點測量值的平均值，計算各測點爆距、沖擊波能、氣泡能和爆炸能量，評估魚雷水中爆炸威力。

2) 實航爆炸試驗。測量參數(shù)及測量設(shè)備：在靜態(tài)爆炸試驗測量基礎(chǔ)上，增加應(yīng)變、沖擊加速度測量參數(shù)及測量系統(tǒng)，靶船殼體破口尺寸、船體結(jié)構(gòu)損傷情況等。利用測量數(shù)據(jù)計算爆心位置、沖擊波能、氣泡能和爆炸能量，結(jié)合應(yīng)變、沖擊加速度數(shù)據(jù)和殼體破口尺寸、船體結(jié)構(gòu)損傷情況等，評估魚雷的毀傷能力。

4結(jié)論

爆破型魚雷對水面艦艇的毀傷模式分接觸爆炸和非接觸爆炸。接觸爆炸對艦船殼體局部結(jié)構(gòu)造成毀傷，非接觸爆炸對船底局部結(jié)構(gòu)和總縱強(qiáng)度造成破壞；工程設(shè)計上，常用艦船殼體破損總長度、作用在艦船上的沖擊波壓力、魚雷破壞半徑等作為爆破型魚雷爆炸威力表征模型。這些模型可能適用于老式艦船目標(biāo)，卻并不適用于采用新型防護(hù)設(shè)計的現(xiàn)代艦船；這些模型也忽視了氣泡能對艦船總縱強(qiáng)度的重要作用；用能量法評估爆破型魚雷爆炸威力，有理論和工程模型支撐，通過試驗測量相關(guān)參數(shù)，可以實現(xiàn)威力評估；設(shè)計的魚雷無靶靜爆、實航固定靶、實航活動靶3種試驗?zāi)Ｊ剑蓡为毥M織實施，也可結(jié)合部隊訓(xùn)練、演練進(jìn)行，不僅可實現(xiàn)威力評估，結(jié)合靶船毀傷情況，還可以對魚雷的毀傷能力作出評價。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯周江川)