爆破战斗部水中兵器爆炸威力评定方法研究.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 1 5 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 2N o ．2 J u n ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 ～4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 9 爆破战斗部水中兵器爆炸威力评定方法研究 杨振1 ，沈晓乐2 1 ．海军9 1 3 8 8 部队，湛江5 2 4 0 0 0 ；2 ．海军9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要为确定爆破战斗部水中兵器爆炸威力评定方法，正确反映水中兵器作战性能和毁伤目标能力，基 于某舰船缩比模型的海上爆炸试验，以标准T N T 药球作为爆源，根据试验实测的冲击波压力数据和气泡脉 动数据，分析对比目前爆破战斗部水中兵器爆炸威力评价的常用方法，即冲击波压力峰值推算法和战斗部爆 炸相对能量评估方法，计算装药的T N T 当量。结果表明战斗部爆炸相对能量评估方法具有更高精度，可作 为爆破战斗部水中兵器爆炸威力评定的通用方法。 关键词爆破战斗部；爆炸威力；冲击波压力峰值推算法；爆炸相对能量评估方法；比冲击波能；比气 泡能 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 2 0 0 5 1 一0 3 R e s e a r c ho nE v a l u a t i o nM e t h o do fU n d e r w a t e r B l a s tB r i s a n c eo fW e a p o n 7SE x p l o s i v e Y A N GZ h e n1 ，S H E NX i a o l e 2 1 ．N a v yF o r c e s9 1 3 8 8 ，Z h a n j i a n g5 2 4 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．N a v yF o r c e s9 1 4 3 9 ，D a l i a n11 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt od e t e r m i n et h ee v a l u a t i o nm e t h o do fw e a p o n ’se x p l o s i v ep o w e ra n dt or e f l e c tt h eu n d e r w a t e r w e a p o n so p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c ea n dd a m a g et ot h et a r g e tp r o p e r l y ，b a s e do nas h i ps c a l em o d e l ，t h es t a n d a r dT N T e x p l o s i v ew a st e s t e da se x p l o s i o ns o u r c ei nt h i ss t u d y ．A c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a ，t h es h o c kw a v ep r e s s u r ea n d g a sb u b b l ep u l s a t i o nw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，i n c l u d i n gt h ec o m m o n l yu s e de x p l o s i v ep o w e re v a l u a t em e t h o d s s u c ha ss h o c kw a v ep r e s s u r ep e a kp r e d i c t i o na n dw a r h e a de v a l u a t i o nm e t h o do fr e l a t i v ee x p l o s i v ee n e r g yt oc a l c u l a t e e x p l o s i v eT N Te q u i v a l e n t ．A sar e s u l t ，t h ee v a l u a t i o nm e t h o do fr e l a t i v ee x p l o s i v ee n e r g yh a sh i g h e rp r e c i s i o na n di t canb eu s e da sag e n e r a lm e t h o df o re v a l u a t i o no fw e a p o ne x p l o s i v ep o w e r ． K e yw o r d s b l a s tw a r h e a d ；w e a p o ne x p l o s i v ep o w e r ；s h o c kw a v ep r e s s u r ep e a kp r e d i c t i o n ；e v a l u a t i o nm e t h o d o fr e l a t i v ee x p l o s i v ee n e r g y ；s p e c i f i cs h o c kw a v ee n e r g y ；s p e c i f i cb u b b l ee n e r g y 爆破战斗部是水中兵器常用的战斗部类型，其 对目标的毁伤破坏主要是由战斗部在水中爆炸形成 的冲击波、由爆炸产物所形成的球状气室 气泡 和 由气泡脉动形成的脉动压力波及其它力量作用的结 果⋯。爆破战斗部水中兵器爆炸威力是反映水中 兵器作战性能和毁伤目标能力的重要参数，也是水 中兵器试验鉴定的重要内容。目前主要通过水下爆 收稿日期2 0 1 5 0 3 2 6 作者简介杨振 1 9 7 3 一 ，男，学士、工程师，主要从事装备试验测 量与数据处理方向研究， E - m a i l 11 5 7 2 3 6 2 0 6 q q ．c o m 炸物理场，即冲击波压力场、气泡脉动、能量等方面 进行评定，方法不统一规范。因此，研究确定科学规 范的评定方法，对于考核爆破战斗部水中爆炸威力、 建立水中兵器爆炸威力评定体系、有效检验水中兵 器作战性能和毁伤能力具有重要意义。 从爆破战斗部爆炸威力的主要表征参数人手， 结合工程实践和海上试验经验，对目前常用爆炸威 力评定方法的可靠性进行分析比较，以获得爆破战 斗部水中爆炸威力评定的通用方法。 万方数据 5 2爆破 2 0 1 5 年6 月 1 爆破型战斗部爆炸威力主要表征参数 水下爆炸是一个非常复杂的能量转换的物理过 程，其载荷可分为冲击波和气泡两大部分。冲击波 具有高频特征，对舰船结构造成严重的局部破坏；气 泡运动引起的滞后流以及脉动压力，呈现低频特征， 对舰船造成总体破坏，且气泡坍塌形成的高速射流 还将引起舰船结构的局部毁伤。2J 。因此，爆炸威力 表征参数包含冲击波参数和气泡脉动参数。 1 ．1 冲击波参数 在水下爆炸中，冲击波是引起目标破坏的主要 作用因素，用于表征爆炸威力的冲击波参数主要有 冲击波压力、比冲量和冲击波能。 1 冲击波压力P t 对于铸装T N T 球形药包，水中冲击波的波后压 力随时问变化的衰减规律P t 可表示为旧1 P t P 。e 。删 1 P m _ 5 2 ．4 警 3 ，2 ≤瓦R 2 4 0 2 式中P 。为冲击波压力峰值，M P a ；0 为时间常数，S ； 形肿为药量，k g ；R 为爆距，m ；R 。为炸药药包半径，i n 。 2 比冲量， ， J P t d t P 。e “朋d t P 。0 1 一e 。佃 3 6 3 比冲击波能E ， E ， 。4 r r R 2 f 0 6 W T N T P w C w J o 阳P 2 ￡ d ￡ 4 L 5 1 L ‘，u 6＼叶， 式中E 。为比冲击波能，J ／k g ；R 为爆距，m ；‰，为 药量，k g ；p 。为水密度，k g ／m 3 ；C 。为水中声速，m ／s ； 0 为冲击波衰减常数，S ；P t 为距爆源尺处冲击波 超压 P a 随时间变化的函数关系∽J 。 1 ．2 气泡脉动参数 装药在无限水介质中爆炸时，气泡脉动引起的 二次压力波峰值一般不超过冲击波峰值的2 0 ％，但 其作用时间远大于冲击波作用时间，二者比冲量比 较接近。用于表征爆炸威力的气泡脉动参数主要有 二次压力波峰值、二次压力波比冲量和气泡能。 1 二次压力波峰值P 。。 P 舶7 2 ．≠a W l ／3 P o 5 P 舶 1 产 5 式中，P 0 为与装药同深度处的静水压。 2 二次压力波比冲量，。 卜6 ．0 4 1 0 3 警警 6 式中Q 为炸药的爆热；卵为凡一1 次脉动后留在产 物中的能量分数；Z 为第凡次脉动开始时，气泡中心 所在位置的静压力。 3 比气泡能E 和 5 ／2 E 6 0 ．6 8 4 等 7 wT N “J ” 式中死为第一次气泡脉动周期，S ，由式 8 确 定[ 43 ；p 。为水密度，k g ／m 3 ；P 。为炸药深度h m 处 的静水压力P a 。 咒- 0 3 0 8 厅面 丽 8 2 爆破型战斗部爆炸威力的评定方法 爆破型战斗部爆炸威力的评定方法通常有冲击 波峰值压力推算法和战斗部爆炸相对能量评估方 法‘引。 2 ．1 冲击波峰值压力推算法 冲击波峰值压力推算法基于经验公式 2 实现 对爆炸威力的估算，主要步骤如下 1 通过冲击波压力时程曲线，获得不同爆距足 测点冲击波压力峰值P ⋯由式 2 可推出 形州 枭广1 3 9 2 计算战斗部爆炸的T N T 当量值肜，，评定战 斗部装药爆炸威力 ∑形 W r 生 1 0 式中，n 为有效数据个数。 2 ．2 战斗部爆炸相对能量评估方法 衡量水中爆炸威力的两个重要能量参数是冲击 波能和气泡能MJ ，冲击波能和气泡能可作为战斗部 炸药总能量的近似值l7 I 。战斗部爆炸相对能量评 估方法估算爆炸威力的主要步骤如下 1 通过冲击波压力时程曲线，获得不同爆距尺 测点的冲击波时间衰减常数0 、冲击波到达时间t s 和 气泡脉动周期L 。 2 由式 4 、式 7 式计算距离装药中心R 处 各测点的比冲击波能E 。、比气泡能E 。，并计算爆炸 能量‰。爆炸能量‰为比冲击波能E 。和比气泡能 既之和 E R E 。 既 1 1 3 计算各爆距处的相对比爆炸能量叼。，将叩i 的 平均值叼作为炸药爆炸能量T N T 当量系数 F∑，7 。 等川 生12r／i 1 2 2 万，7 72 _ L 万方数据 第3 2 卷第2 期杨振，沈晓乐爆破战斗部水中兵器爆炸威力评定方法研究 5 3 式中E 为1k gT N T 标准药球水下爆炸能量理论 值；n 为有效数据个数。 4 计算战斗部爆炸的T N T 当量值形，，评定战 斗部装药爆炸威力 W r W 叼 1 3 式中W 为战斗部炸药质量；叼为炸药爆炸能量T N T 当量系数。 3 爆炸威力试验评定方法对比 3 ．1 试验工况及结果 用6k gT N T 炸药进行舰船缩比模型海上爆炸 试验，工况设置及数据结果如表1 所示。 表1 试验工况设置及试验结果 T a b l e1T h ee x p e r i m e n t a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dr e s u l t s 冲击波压力 工况深度／爆距／峰值P 。／P a mm - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 实测值理论值 表中E 。和既为修正后数据。选用1k g 标准铸 装T N T 药球作为爆源进行标定试验，将实测的比冲 击波能E ，和比气泡能既与密度为1 ．5 2g ／c m 3 标准 铸装T N T 药球的比冲击波能E ，和比气泡能E 。的理 论值 1 4 、 1 5 进行对比，以修正各测点的爆炸能 量值‘8 。。 ，f i l l ／3 、0 E 。 1 ．0 4 fw 。T N T1 ．0 5 M J ／k g 1 4 ＼“， E 6 1 ．9 9 M J ／k g 1 5 3 ．2 试验结果分析 试验结果表明 1 冲击波压力峰值推算法计算待测炸药的 T N T 当量误差相对较大，战斗部爆炸相对能量评估 方法计算待测炸药的T N T 当量误差相对较小；冲击 波压力峰值推算法通过测点的压力峰值测量值，利 用经验公式 2 的推导公式 9 以估算炸药的爆炸 威力，在理论上是成立的；但由于测点有限，压力峰 值为有限的几个离散值，同时，受海面、海底以及目 标反射等的影响，冲击波压力时程曲线上会出现驼 峰、海面截断效应等非线性特征，如图1 所示，压力 峰值测量值与理论值存在一定偏差，从而导致估算 爆炸威力的误差相对较大。 2 战斗部爆炸相对能量评估方法采用的是通 过各测点的能量估算炸药的爆炸威力，经验公式 4 、 7 是在大量试验数据基础上总结得来的，针 对各型炸药都通用；同时，炸药爆炸释放的能量有一 部分以热的形式散逸在水中，这部分热损失能无法 测量，但是可以通过标定试验进行修正，从而忽略热 损失带来的计算误差，修正后的爆炸能量与理论值 误差较小，爆炸能量的测量值与理论值比较如图2 所示，因此，用标定试验修正后的能量数据估算战斗 部爆炸威力的误差相对较小。 ， Ⅱ 。z ● 宝 ≤ 衄i ∞ m 蹬 蝰 4 ．24 ．44 ．64 ．85 ．0 t ／m 击波压力时程曲线 P r e s s u r e t i m ecurve } I L [ 1 №雾蹇苦 23456 工况序号 图2 爆炸能量的测量值与理论值比较 F i g ．2 T h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so fe x p l o s i o ne n e r g y 下转第9 4 页 鹾％ 嚣”翼撕鬻㈨ 一蹦～一 一蹦～～ 能V訾～巷 蹦％ 荔”翼恍 M H 挖 m 8 6 4 2 O 乏 ∞山＼钆 O 弘 4 ● 昏 0 图n 3 万方数据 9 4爆破 2 0 1 5 年6 月 上接第5 3 页 3 冲击波压力峰值只能反映战斗部爆炸达到 的冲击波瞬时超压，不能有效反映战斗部炸药爆炸 后在水中的能量输出过程；战斗部爆炸能量中比冲 击波能是冲击波压力时程的平方在一定时间内的积 分，比气泡能反映的是炸药水下爆炸生成的气体产 物克服静水压力第一次膨胀达到最大值时所作的 功。因此，战斗部爆炸能量能正确表达战斗部炸药 的能量输出结构，从而掌握炸药对舰船结构的冲击 损伤特性。 4 T N T 的有效破坏冲击波能约占总能量的 3 3 ％。T N T 爆轰感度较低，爆轰成长较慢，故消耗在 爆轰成长过程 不完全爆轰 的能量相对要多一些， 使得其爆炸能量的实测值要稍偏低一些。 4 结论 通过舰船缩比模型海上实爆试验的测量数据， 采用冲击波峰值压力推算法和战斗部爆炸相对能量 评估方法估算炸药的爆炸威力，可以得出如下结论 1 冲击波峰值压力推算法利用有限测点的离 散自由场压力峰值推算爆炸威力误差较大；爆炸相 对能量评估方法采用爆炸产生的能量与标准T N T 药球爆炸产生的能量进行比较，以估算炸药的爆炸 威力，误差较小。 2 冲击波压力峰值只能反映战斗部爆炸达到 的瞬时超压；战斗部爆炸能量能正确表达战斗部炸 药的能量输出结构，从而掌握炸药对舰船结构的冲 击损伤特性。 3 战斗部爆炸相对能量评估方法用于估算爆 破战斗部水中兵器爆炸威力具有通用性和更高可靠 性，可作为爆破战斗部水中兵器爆炸威力试验的通 用评定方法。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 孟庆玉，张静远，宋保维．鱼雷作战效能分析[ M ] ．北 京国防工业出版社，2 0 0 3 ． [ 2 ] 姚熊亮，张阿漫．船体振动与噪声[ M ] ．北京国防工 业出版社，2 0 1 0 ． [ 3 ] RHC o l e ．水下爆炸[ M ] ．北京国防工业出版社， 1 9 9 0 ． [ 4 ] B J A R N H O L TG ．E x p l o s i v ee x p a n s i o nw o r k si nu n d e r w a t e r d e t o n a t i o n s [ C ] ／／P r o c e e d i n g so f6 t hS y m p o s i u mO f fD e t o n a t i o n ，S a n D i e g o ，1 9 7 6 5 4 0 5 5 0 ． [ 5 ] G J B 7 6 9 2 - 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