沉底水雷毁伤能力研究

李洪涛，奚慧巍，高顺林，蒋文聪

(91439部队96分队，辽宁 大连　116041)



沉底水雷毁伤能力研究

李洪涛，奚慧巍，高顺林，蒋文聪

(91439部队96分队，辽宁 大连116041)

摘 要：为了科学准确评价沉底水雷的毁伤能力，研究了水下爆炸对舰船的破坏作用、舰船破坏标准、沉底水雷打击能力设计指标及水雷毁伤战例，分析了沉底水雷毁伤能力工程设计标准与战例中舰船毁伤的吻合情况;结果发现：对于新型装药沉底水雷对现代作战舰艇的毁伤情况，目前的沉底水雷毁伤能力工程设计标准应用有较大的局限性；标准忽视了装药爆炸能量输出结构差别、舰船结构特性及防护能力差别对毁伤效果的影响，因而不适用于新型装药水雷对现代舰艇的毁伤情况；提出了水雷毁伤能力能量评价方法和评估模型，在实船试验基础上建立舰船能量破坏标准，以此来评价水雷的毁伤能力。

关键词：沉底水雷; 毁伤能力; 冲击波能; 气泡能 ;能量评估法; 舰船能量破坏标准

本文引用格式：李洪涛，奚慧巍，高顺林，等.沉底水雷毁伤能力研究[J].兵器装备工程学报，2016(7):42-46.

Citation format:LI Hong-tao，XI Hui-wei，GAO Shun-lin，et al.Study of Bottom Mines’ Damaging Ability[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):42-46.

水雷是一种布设在水中，待机毁伤舰船和限制其行动，或破坏桥梁、水工建筑的水中兵器。沉底水雷通常布设于几十米深的浅水区域，主要用于打击大中型水面舰艇。水雷对舰船的毁伤问题，近年来比较受关注，开展了数值模拟、冲击机试验、缩比模型试验、实船水下爆炸试验等系列研究，并获取了许多宝贵数据。针对水雷爆炸对舰船毁伤问题，国内朱锡[1]、张阿漫等[2]开展了对舰船局部结构和技术设备毁伤研究，蒲金云等[3]进行了对水面舰船总体生命力的影响研究，刘建湖等[4]开展对舰船冲击环境与技术设备冲击防护研究，研究比较深入并取得较好成果。

目前，水雷毁伤能力工程设计标准普遍采用冲击波峰值压力标准或冲击因子标准，这两种标准都是基于理想炸药对大量二战时期舰船进行实船爆炸试验基础上建立的。现代作战舰艇普遍增加了外壳厚度并使用高强度的合金材料，具有很强的抗爆能力，使用一枚甚至几枚水雷去摧毁一艘现代舰艇变得越来越困难。而基于老旧标准进行的水雷毁伤能力工程设计，很难达到预期的毁伤效果。文中提出水雷毁伤能力能量评价方法，建立能量评价模型、开展实船试验验证、编制舰船能量破坏标准，在该标准体系下开展水雷毁伤能力评价工作。

1水下爆炸对舰船的破坏作用

水雷水中爆炸产生高温高压气团，压力传递到周围水介质中以冲击波的形式向各个方向传播。冲击波过后，爆炸气体产物以气泡的形式做膨胀与收缩的循环运动，这个过程称为气泡脉动。如图1所示，通常气泡第一次脉动时形成的压力波(简称二次波)做功能力最强，也最有实际意义。研究表明：二次波的最大压力不超过冲击波压力的10%～20%，作用时间是冲击波作用时间的几十至上百倍。

图1　水下爆炸压力波和气泡脉动

Pm为爆炸冲击波峰值，一般为0～50 000个大气压；θ为爆炸冲击波持续时间，通常θ≤2 ms；Tα为二次波持续时间，几十毫秒至几百毫秒；T：冲击波与二次波的时间间隔，几十毫秒至几秒。

图2是一个典型的水下爆炸能量分布图[5]，它说明一次水下爆炸输出的能量包括冲击波能和气泡能，但有一半左右损失掉了。图3列举了水面舰船遭受远(A)、中(B)、近(C)3种距离水下爆炸冲击载荷的8种模式[6]。国内外进行了大量的模型、浮动冲击平台和实船水下爆炸试验研究[6-8]，针对水下爆炸对舰船的破坏作用，有了比较一致的认识：

冲击波和二次波是水下爆炸的主要载荷。虽然幅值上二次波比冲击波小得多，但冲量比冲击波大，对舰船结构的低频响应有重大影响。冲击波是水质点位移的纵向压缩波，是使舰船壳体产生强烈冲击振动并遭受破坏的主要能源。滞后流是气泡膨胀引起水质点的径向运动，使舰船产生总体阶跃位移，是使安装频率为数十赫兹的舰载设备产生冲击振动并遭受破坏的主要能源。二次波是气泡收缩至最小时产生的辐射压力波，是使舰船产生几赫兹低频运动的主要能源。大药量水下爆炸时，二次波和气泡脉动可能引起舰船总体共振并造成结构破坏。大药量水下接触和近距离非接触爆炸，主要造成舰船壳体、人员毁伤；中远场爆炸，主要造成船体结构和舰载设备损伤。

图2　水下爆炸能量分布图

图3　水面舰船遭受的水下爆炸冲击载荷

2沉底水雷毁伤能力研究

2.1水下爆炸对舰船的毁伤标准

目前，在进行水雷毁伤能力设计时采用的舰船破坏标准，主要有前苏联的冲击波峰值压力标准和北约国家的冲击因子标准。这两个标准均是在大量实船爆炸试验基础上建立起来的，所用靶船为二战时期的舰船。

2.1.1冲击波峰值压力标准

前苏联以冲击波峰值压力作为衡量水中爆炸对舰船的破坏标准。峰值压力计算公式[9]：

(1)

式(1)中，Pm为冲击波峰值压力(kg/cm2)；K1为水雷装药的TNT当量系数；K2为水底反射系数。一般软底质取1.2，硬底质取1.5；W为装药质量(kg)；R为爆心到舰船的距离(m)。破坏等级分3级，见表1。

表1　前苏联舰船破坏等级

2.1.2冲击因子标准

北约国家以冲击因子作为衡量水中爆炸对舰船的破坏标准。冲击因子计算公式[10]：

(2)

符号意义同式(1)。破坏等级分13级，见表2。

表2　北约国家舰船破坏等级

2.2沉底水雷毁伤能力设计

沉底水雷爆炸对水面舰艇的毁伤域，是一个以水雷水面投影点为圆心、以引信水面动作半径Rs为半径的圆形区域，进入该区域的水面舰艇将受到水雷的攻击并遭受损伤。水雷战技指标中与打击能力相关的参数通常只有2项：引信水面动作半径Rs和装药的TNT当量(装药质量与TNT当量系数的乘积)。设计一型水雷时，其使命任务、打击对象、使用条件(主要是水深条件)明确后，确定一个目标毁伤程度标准(如规定冲击因子SF最低可接受值)，以及装药类型和装药量，装药的TNT当量随之确定。然后按下式确定理论破坏半径(能给予目标规定破坏程度的最大距离)R[11]：

(3)

田跃华等[11]从爆炸产生的冲量和能量损失角度研究了水面效应对破坏半径的影响，提出了理论破坏半径的修正公式：

Rx=aRl+bH

(4)

Rs与Rx间有如下关系(图4)：

(5)

式(5)中，Rl为理论破坏半径(m)；SF为冲击因子。Rx为有效破坏半径(m)；a、b为修正系数，通过试验获得；Rs为引信水面动作半径(m)；H为水雷所处深度(m)；h为水面目标吃水深度(m)。

图4　沉底水雷破坏半径示意图

Rs作为一项指标，给出的一般是定值。但从式(5)可知，Rs与水雷所处深度和目标吃水深度相关，实战时需根据水雷布深、目标吨位等因素灵活设置引信灵敏度，使Rs与Rx相匹配，获得最佳的毁伤效果。

2.3沉底水雷毁伤能力验证

根据文献资料[12-13]整理的二战以来沉底水雷对水面舰艇的毁伤战例见表3。表中峰值压力Pm采用式(1)计算，冲击因子SF采用式(2)计算，K1=1，K2=1.2。对比表3中Pm、SF、毁伤效果与表1和表2的2种破坏标准，可得出如下初步结论：

1) 战例的毁伤效果与2种破坏标准基本吻合，说明2种破坏标准在当时的历史条件下是适用的。毁伤战例大部分发生在二战时期，爆炸水雷为老式沉底水雷，受损舰船与为制定舰船破坏标准而进行的实船爆炸试验所用靶船为同一年代舰船，说明实船爆炸试验开展较充分，得出的结论正确，制定的标准可行。

2) 冲击波峰值标准只给出了对船体的破坏等级，忽视了舰船结构特征、舰载设备安装方式等的影响。亦即过于重视冲击波而忽视了气泡脉动的影响，而水雷通常是中、远场爆炸，气泡脉动对舰船结构和舰载设备的损伤更有实际意义。因此，冲击波峰值标准更适合于接触或近距离非接触爆炸，重点在于对壳体的毁伤。

3) 冲击因子标准是依据大量统计数据和信息建立的，考虑了爆炸对船体、结构、设备的影响但并不充分，也过于笼统，实际使用起来有很多不便。

4) 对于水雷在船底正下方爆炸情况，2种标准的适用性均不理想。如表3序号为6、7的2次爆炸，船体正下方的气泡脉动具有低频特征，与船体的总体低阶固有频率接近，能激起舰船整体的鞭状运动，使船体呈中拱或中垂状态，对舰船结构和设备造成严重毁伤，船底正下方爆炸对舰船毁伤是最严重的，这一点在2种标准中没有体现。

5) 战例说明，装药几百公斤的沉底水雷在作用半径内爆炸，对具有装甲防护的大型舰船只能造成轻伤(船体正下方爆炸时除外)，对于驱逐舰以下吨位舰船，因没有足够的防护装置和隔舱，面临着较大威胁。

2.4沉底水雷毁伤能力评价

随着军事高新技术发展，现代作战舰艇普遍加强了抗冲击防护设计，大型舰艇也普遍采用了装甲防护。几百公斤装药的老式沉底水雷，对现代作战舰艇的威胁越来越小。为了增加水雷的毁伤能力，通常采取两种有效措施。一是加大装药量，但当装药量增加到一定数量之后，再增加装药量时，水雷的破坏威力增加不大，也就是装药量有个最高限值，不能无限增加。另外，增加装药量会导致水雷的体积和重量增加，给作战使用带来不便。二是使用高能炸药，国外已广泛采用高爆热含铝混合炸药，如Torpex、DBX、HBX系列、PBXN系列等炸药。提高沉底水雷的毁伤能力，最根本的途径是提高其装药的爆炸做功能力，而炸药金属化是达到这一目标的有效方法。在理想炸药中加入铝粉，一方面能够显著提高炸药爆热，降低了爆速和爆压，使初始冲击波超压峰值下降，而传播过程中因铝粉的二次反应使得冲击波超压下降减慢，水中爆炸的冲击波能和气泡能明显提高；另一方面可通过调整炸药爆压和爆轰产物膨胀做功方式，使整个爆炸的能量输出结构更趋于合理，增大毁伤能力。

沉底水雷攻击水面舰艇时，一般属于中远场爆炸态势，主要依靠爆炸后产生的冲击波和气泡脉动毁伤目标。水雷的引信水面动作半径Rs某种程度上代表了其毁伤能力，设计Rs依据的标准主要是冲击波峰压标准或冲击因子标准，但Rs并不能代表新型装药水雷真实的毁伤能力，因为这两种标准不再适用于新型装药水雷对现代作战舰艇的毁伤情况，必须制定新的破坏标准。水下爆炸毁伤目标的主要能源来自33%的冲击波能和17%的气泡能(图2)，毁伤能力的大小，最终取决于冲击波和气泡脉动的做功能力，从能量角度去评价水雷的毁伤能力，更具有科学性和现实意义。本文提出适用于所有水雷的毁伤能力能量评价方法。该方法包括：建立能量评价模型，计算炸药水下爆炸释放的总能量、冲击波能、气泡能等；开展大量实船爆炸毁伤试验，进行统计分析，建立不同雷目交汇条件下冲击波能、气泡能、总能量与毁伤效果(船体、结构、设备)的对应关系。爆源采用水雷新型装药或战斗部；靶船采用现役作战舰艇(远场)、退役舰艇(中近场、船底正下方)、等效靶、模型等；测量参数包括爆距，攻角，自由场压力、壁压、冲击加速度、位移、动应变时程曲线，冲击谱等；建立舰船能量破坏标准(我国军标)，列出造成船体、结构、设备不同级别毁伤所对应的冲击波能、气泡能、总能量标准；依据该标准开展对水雷毁伤能力评价活动。

表3　沉底水雷毁伤战例

注：*表示原资料中没有明确的数据，为估计值。舭部：船舷侧板与底板的弯曲部。

本文对能量评价方法不展开具体论述，只给出能量评价模型如下：

令单位质量炸药水下爆炸释放的总能量，亦即所做的总膨胀功为A，由下式计算[14]：

(6)

A为总膨胀功(MJ/kg)；Kf为装药几何形状系数。中心起爆的球形装药Kf=1，对于长度/直径比=6的圆柱形装药Kf=1.08-1.10；μ为冲击损失系数；es为单位质量炸药的初始冲击波能，也即比冲能(J/kg)；eb为单位质量炸药的气泡能，也即比气泡能(J/kg)。

(7)

爆压Pcj计算[14]：

(8)

Pcj为爆压(GPa)；ρ0为装药密度(kg/m3)；D为装药水中爆速(m/s)。

es计算[14]：

(9)

R为爆心到测点的距离(m)；W为炸药质量(kg)；ρw为装药深度处水的密度(kg/m3)；Cw为装药深度处水的声速(m/s)；θ为冲击波时间常数(冲击波压力从峰值压力Pm衰减到0.37Pm的时间)(s)；P(t)为炸药爆轰产生的初始冲击波阵面上的压力，随时间呈负指数衰减：

(10)

考虑了边界效应的eb计算式[14]：

(11)

W为炸药质量(kg)；C为需通过试验数据计算的常数；K3为在给定水域条件和炸药位置上的常数。

(12)

ρw为装药深度处水的密度(kg/m3)；Ph为测量tb时装药深度处静水压(Pa)；tb为Ph、Phn条件下实测首次气泡脉动周期(s)；Phn为实测试验水域表面的标准大气压与Ph之和(Pa)。

3结束语

水雷的毁伤能力，取决于其水下爆炸能量输出和膨胀做功能力，与装药爆热、能量输出结构、装药起爆方式等因素相关。采用水雷毁伤能力能量评价方法，建立能量评价模型，开展实船毁伤试验，对数据和毁伤效果进行统计分析，在此基础上建立舰船能量破坏标准，在该标准体系下开展水雷毁伤能力评价，对于提高我国水雷毁伤能力以及水中兵器战斗部威力设计具有重要的军事意义。

参考文献：

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[2]张阿漫，郭君，孙龙泉.舰船结构毁伤与生命力基础[M].北京：国防工业出版社，2012.

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(责任编辑周江川)

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2015-12-29

作者简介：李洪涛(1966—)，男，硕士，高级工程师，主要从事武器装备、水下爆炸冲击试验与测量研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.010

中图分类号：TJ61；E925.21

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0042-05

Study of Bottom Mines’ Damaging Ability

LI Hong-tao，XI Hui-wei，GAO Shun-lin，JIANG Wen-cong

(96 Unit, the No. 91439thTroop of PLA, Dalin 116041, Dalian 116041, China)

Abstract:The study of power source for underwater explosion damage，ship damage criterion, bottom mines’ academic destructive ability and design standard and the bottom mine damage examples were presented in this paper for evaluating the destructive ability of bottom mine scientifically and accurately. Results found that according to the damage examples，the ship damage effect was basically indentical with the two kinds of criterion that were applicable at the time of the historical condition; The difference about explosion energy output structure，the ship structure characteristics and the protection ability were ignored in the criterions，so they are not suitable for the new charge mine damage to modern ships.That the energy evaluation method for the mine damage ability, and building the ship energy damage criterion according to real ship tests were presented in order to evaluate the mine damage ability.

Key words：bottom mine；destructive ability；shock wave energy；bubble energy；energy evaluating method；ship energy damage criterion

【装备理论与装备技术】