使用温压战斗部的硬杀伤反鱼雷武器探讨

2012-10-20杨晓光

舰船科学技术 2012年4期

杨晓光

(水声对抗技术重点实验室，中国船舶工业集团公司船舶系统工程部，北京100036)

0 引言

温压弹由早期的云爆弹发展而来，由高能固态炸药、高能金属粉、起粘接作用的有机化合物和固态高效氧化剂构成。在空气中使用时，与TNT相比有远场超压高、作用时间长及衰减慢的特点。其燃料云雾体(形成火球体积)也远大于同等质量的TNT炸药。在温压弹组成材料中增加强氧化剂的比例，可使其满足在水下等低氧或无氧环境中使用的条件。

水下爆炸主要通过冲击波载荷、气泡的脉动效应和气泡坍缩产生的射流载荷对水中物体产生破坏作用。本文探讨利用温压武器远场超压高和形成气泡体积大的特性提高对鱼雷的软毁伤和硬毁伤效果。

1 水下爆炸毁伤分析

水下爆炸是一个非常复杂的能量转换的物理过程。从它对结构的破坏角度来看，可分为2个过程:冲击波的产生、传播和爆炸物气体与周围水的惯性作用(气泡作用)。物理实验表明，药包爆炸产生的冲击波能量占总能量的53%左右，气泡占总能量的47%左右［1］。气泡运动所携带的能量与冲击波携带的能量相当，冲击波具有压力峰值大及频率高等特征;而气泡脉动压力虽然压力峰值较小，但作用时间很长，具有低频特征，对水中结构具有很强的破坏力。

1.1 爆炸冲击载荷的作用

由于战斗部破片速度在水中衰减得很快，所以它很难在一定距离上对目标造成毁伤。水下爆炸战斗部对目标的毁伤主要依靠爆炸冲击波。假设目标固定，目标可视为一刚性壁。冲击波垂直作用于刚性壁面时，质点速度骤变为0，壁面处质点的聚集，使压力增加，在壁面发生正反射［2］。

在实际工作中，我们更关注的是炸药在水中爆炸时，冲击波作用于固定壁上入射压力与反射压力的关系，关注目标表面实际受到的压力载荷。

根据参考文献［3］，水中冲击波在刚体表面上正发射的压力比见表1。

1.2 爆炸气泡作用

爆炸物在引爆之后，变成高温高压气体，该气体被周围的水围成气泡。气泡内部的高压将驱使周围的流体以小于声速的速度向外扩散运动(滞后流)，在此阶段，将水看成不可压缩的介质。由于惯性作用，气泡将过度膨胀，同时其内部压力减小，直至占外部流体静水压很小的一部分，气泡表面的负压差使气泡的膨胀运动停止，并使气泡产生收缩(坍塌)运动。收缩过程由流场中周围流体静压力驱动，该过程将会继续直至不断增加的内部气泡压力将该过程瞬间逆转过来。气体和水的弹性特性为气泡振荡提供条件，将该过程称为气泡脉动，直至破裂。气泡排开一部分密度比内部气体大的流体，排开的流体重量远远超过了气泡内部的气体的重量，这就提供了浮力。浮力使气泡向上移动，由浮力及重力作用产生的气泡运动及其向上迁移的过程如图1所示［1］。

图1 气泡脉动上浮及相应时刻压强示意图Fig.1 Pressure and diameter of bubble when floating

水下爆炸脉动气泡的特点有二:①脉动气泡能产生很高的压力，其幅值为冲击波压力的20%左右;②持续的时间长，约为s级，冲击波作用则为ms级。气泡脉动是空气中爆炸所没有、水下爆炸所特有的现象。

气泡在第1次坍塌(脉动)后，气泡内的剩余能量只有初始能量的7%左右，所以一般只考虑1次脉动气泡对水中结构的破坏作用。

2 温压弹药的特点

温压弹是在燃料空气炸弹的基础上研制出来的，是燃料空气炸弹的高级发展型。它采用含有氧化剂的固体药剂，当固体药剂呈颗粒状散开后，形成的爆炸杀伤力比液态的燃料空气炸弹更强。

2.1 温压弹药冲击波特性

冲击波对目标的毁伤作用通常用超压峰值ΔP、正压作用时间t+和比冲量I+3个参量来度量。利用这3种测量值的大小作为衡量温压弹威力大小。比较冲击波毁伤的3个准则，如果仅用超压准则评价温压弹的威力，将忽视温压弹爆炸波正压作用时间长、相应的毁伤效果强的事实。如果仅用冲量准则评价温压弹的威力，将忽视目标毁伤存在临界超压的事实。而超压－冲量准则考虑问题比较全面，更具有普遍意义［4］。

用冲击波超压准则研究温压弹的威力是一种可行的方案，同时温压弹和TNT炸弹爆炸压力在一定的条件下具有一定的相似性，通过试验［4］和计算结果表明，6.8 kg温压弹平均TNT当量比约为2.6。图2是2种爆炸物的爆炸场超压距离比拟合曲线。

图2 2种爆炸物的爆炸场超压距离比拟合曲线Fig.2 Curve fitting of two explosives over pressure distribution

2.2 强氧化剂对温压弹药的诱导作用

早期温压武器都是在空气中使用的，通过1次爆炸将液体或固体燃料微粒在空气中充分扩散，延迟一段时间之后点燃燃料空气混合物，实现2次爆炸。第3代温压武器将2次爆炸系统改为1次爆炸系统，即在燃料被迅速抛撒形成云雾的同时诱发云雾的爆轰。1次起爆型温压武器的延迟期为毫秒量级，没有充裕的时间让燃料和空气混合均匀，不能充分地利用空气中的氧气来实现爆轰对实现稳定爆轰。这种条件类似于水下无氧环境，无法利用周围环境中的氧气。

［5］中提到某液相1次起爆型温压燃料在空气中不能实现爆轰，而在纯氧气中能实现爆轰。在该燃料中添加适量的强氧化剂作为诱导剂后就能在空气中实现爆轰。受此启发，可将固态强氧化剂如高氯酸盐或硝酸盐与复合燃料混合，配成适合在低氧环境下使用的富含氧化剂的混合燃料。为提高FAE爆轰威力，可选择3个主要约束条件(能量性能、起爆性能和离散性能)作为燃料组分搭配的依据。对应3个约束条件，分别选择各具特点的燃料组分，通过调节燃料组分的质量配比，配制成一系列复合燃料进行试验，可避免燃料选择的盲目性。

通过试验［5］，在混合燃料中添加高氯酸铵不仅能提供活性氧充当诱导剂，提高燃料的有效反应率，而且高氯酸铵反应后生成大量气体，故适量添加高氯酸铵能增强原温压弹药的爆轰威力，高氯酸铵为制作混合燃料的强氧化剂最优选择。通过调节各组分的质量配比，改变复合燃料的能量性能、起爆性能和离散性能，可以调节温压燃料的环境适应性。也可根据打击目标的抗爆能力决定燃料组分，从而达到系统优化的目的。水下使用温压弹所需的强氧化剂组分比例可按使用环境的不同(深水或浅水)及对目标的破坏预期(软硬杀伤)分别通过试验确定。

3 使用温压武器反鱼雷探讨

不同深度下水下爆炸产生的气泡大小有很大差异，图3是推算水下爆炸气泡直径的工具图表，用直线连接图表二侧的装药当量和右侧的水深，可粗略得到生成气泡的直径和持续时间。由表可见，对于水面舰的鱼雷防御，少量装药即可形成大型气泡，如能在鱼雷下方产生大直径的气泡，可对来袭鱼雷结构产生硬毁伤。

图3 爆炸气泡半径和第一脉动周期求解图表Fig.3 Calculating graph of max bubble radius and first bubble period

当使用悬浮式拦截弹作为反鱼雷武器时，武器发射布阵后等待来袭鱼雷接近的过程中有充分的时间使温压燃料与氧化性气体混合。可使用类似于二次爆炸系统的引爆方法，在悬浮式拦截弹的水下战斗部位置布置1个气囊(称为混合气囊)，弹体入水后在该气囊内充入氧化性气体(如纯氧)和液态温压燃料，来袭鱼雷到达时引爆混合气囊内的气体混合物。若将混合气囊做成星形或装设多个较小的分气囊同时引爆，能进一步增大气泡体积和冲击波的破坏范围。

而对于潜深较大潜艇，则主要考虑结合诱饵使用小型化温压武器，利用远场超压破坏来袭鱼雷的传感器，实现软杀伤。200 m水深时，在冲击波作用时间段，由于静水压力与冲击波产生压力的叠加，产生压力及加速度峰值较0 m水深时大很多，使用水深的增加可以提高毁伤半径，如图4所示［2］。