鱼雷战斗部装药特点与发展

鲁忠宝, 黎 勤, 马军利, 王明洲

鱼雷战斗部装药特点与发展

鲁忠宝, 黎 勤, 马军利, 王明洲

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

战斗部装药作为鱼雷重要的战技指标, 炸药的选择与应用不仅影响毁伤威力, 也关系到全雷的安全性。文中分析了鱼雷战斗部爆炸能量释放特点, 针对不同的鱼雷战斗部, 根据目标特性及雷目交会特点,得出了反舰鱼雷选用高气泡能的炸药, 反潜鱼雷选用高爆速高爆压的炸药, 反鱼雷鱼雷(ATT)选用高冲击波能的炸药能获得更大的毁伤威力; 同时介绍了国内外水中兵器炸药的技术发展与应用情况, 从毁伤威力、安全性及装药工艺性等多个角度明确了鱼雷装药的基本需求, 并在此基础上, 从鱼雷战斗部威力的不同风险程度、不同装备应用时机的角度出发, 结合当前不同水中兵器炸药的性能对比, 针对不同类型鱼雷主装药选择与应用给出了建议。文中的研究可为鱼雷战斗部及水下炸药研究与发展提供参考。

鱼雷; 战斗部; 炸药; 毁伤威力

0 引言

鱼雷战斗部是鱼雷毁伤目标、完成最终战斗使命的功能系统, 而装药是战斗部爆轰后毁伤目标的能量来源。从毁伤威力来看, 战斗部对目标的最终毁伤效果与毁伤目标特性、雷目交会、战斗部的装药形式与装药品种都有直接关系。当雷目交会、目标特性和战斗部装药形式明确时, 毁伤效果则取决于装药的品种, 装药品种的能量越高, 对目标的毁伤威力就越大; 另外水下爆炸产生的冲击波与气泡脉动都会对目标产生毁伤效果, 即便总能量一致, 冲击波能与气泡能的不同能量构成比例对目标的毁伤效果也会有所差异。从工程应用与部队装备使用的角度来看, 频发的战斗部安全事故说明, 不能单方面追求毁伤威力, 应同时高度关注其不敏感性能, 提高其战场生存能力, 就此各海军强国先后出台了相应的不敏感弹药研究计划[1]。此外, 在进行鱼雷战斗部装药品种选型与应用时, 在重点考虑毁伤能力、装药安全性的同时, 也应考察装药的工艺性和经济性。虽然关于鱼雷战斗部以及水下炸药研究与发展的文献较多, 但能给出不同鱼雷主装药选择应用的理论依据与原则的文献却不多见。基于此, 文中详细分析了鱼雷战斗部装药的特点与基本需求, 介绍了国内外水中兵器炸药的技术发展和应用, 并针对不同鱼雷主装药选择与应用给出了建议。

1 鱼雷战斗部装药的作用特点

1.1 鱼雷战斗部爆炸能量释放特点

炸药在水中爆炸后, 其能量主要由冲击波能和气泡能两部分构成, 气泡脉动压力峰值较小, 但作用时间较长, 产生的冲量与爆炸冲击波产生的冲量基本相当[2]。冲击波能量和气泡能量的衰减规律是不同的, 冲击波能量随距离的增加衰减很快, 所以在不同距离上两者呈现出不同的能量构成比例, 对目标的作用程度也不同; 冲击波主要产生局部的结构性破坏, 而气泡主要引起整体性破坏。而且不同目标对不同的能量因素大小具有不同的易损性。水中爆炸对目标的多种作用方式并不是在任何一次爆炸中都全部出现, 而是与爆炸点和目标的相对位置密切相关。

针对炸药水下爆炸的特点, 水中兵器战斗部爆炸后, 若希望在较远距离处(20倍装药半径以外)仍能保持水中冲击波的较高超压和所产生的较高气泡脉动能量以摧毁水下目标, 就要求装药在水中爆炸时, 冲击波能量随距离衰减不能太快, 因此, 在设计与应用水下炸药时不应把高爆速高爆压作为提高水下威力的唯一途径, 提高炸药的水下冲击波能和气泡能应从提高炸药的爆热, 降低冲击波的能量消耗两方面努力。

鱼雷战斗部爆炸能量的释放特点除了与炸药相关以外, 与战斗部的装药形式与起爆方式也密切相关, 根据以往相关水下战斗部的研究成果, 在战斗部的装药形式与起爆方式上, 定向起爆方式只有在10倍装药半径范围内的定向方向上才可提高对目标的毁伤效果, 其他方向和该范围外都会减弱[3]。聚能装药只有在垂直接触命中目标时, 才能提高对目标的毁伤效果, 在非雷头方向以及非接触命中时, 对目标的毁伤效果都会减弱。中心点起爆的爆破式战斗部, 则在各个方向上的爆炸能量近似均匀分布。因此战斗部的装药形式与起爆方式的设计与目标类型、雷目交会条件密切相关。

1.2 不同鱼雷战斗部作用特点

对于主要打击大型水面舰船的重型鱼雷战斗部, 根据前苏联的冲击波峰值压强标准[4], 冲击波峰值压强为70 MPa, 舰船的三层底被破坏, 而计算冲击波峰值压强的经验公式

用于反舰的重型鱼雷战斗部为近距离非接触爆炸, 装药设计时, 可以根据式(1)计算出其毁伤半径1, 并据此设计引信的动作距离。因此, 反舰鱼雷战斗部通常采用爆破式战斗部形式, 根据目标方位可设置中心起爆或定向起爆方式。

对于主要打击潜艇的鱼雷战斗部, 根据目前反潜鱼雷的制导与控制技术水平, 可以实现反潜鱼雷在一定角度范围内接触命中目标, 对于这种垂直接触作用方式, 聚能装药的战斗部可以有效发挥作用, 反潜鱼雷战斗部采用聚能装药形式可以实现对目标的贯穿侵彻, 并同时产生爆炸后效。

对于反鱼雷鱼雷(anti torpedo torpedo, ATT)战斗部, 因ATT及来袭鱼雷目标均为高速大机动的小目标航行体, 近距离拦截的难度较大, 定向起爆方式或聚能装药形式都难以发挥作用, 且定向战斗部的起爆网络与聚能战斗部的空腔装药使有效装药空间大幅减少, 反而削减了战斗部的威力。故ATT战斗部采用中心点起爆的爆破式战斗部形式, 缩减起爆装置的体积以增大有效装药容积, 是提高对来袭鱼雷目标毁伤威力的有效途径。根据相关资料, 北约PG37项目小组为反鱼雷武器建立的标准是冲击因子大于1.3 就可摧毁各种重型鱼雷[5], 按照北约的冲击因子基本公式

式中,为海底反射系数, 软质海底一般取1, 硬质海底一般取1.5。以轻型ATT战斗部装药为例, 可以预估得到在2作用距离范围内可以摧毁重型来袭鱼雷。

1.3 不同鱼雷战斗部装药能量构成的选择分析

当针对不同水下目标的不同鱼雷战斗部装药与起爆方式、雷目交会方式、目标特性都确定之后, 为获得对目标更强的毁伤效果, 还需要采用合适的炸药品种。由于不同品种炸药所装填的战斗部对目标的毁伤对比试验不充分, 故可先借助数值仿真软件进行相关研究。

对于反舰的重型鱼雷战斗部, 建立水下爆炸在引信作用范围1距离处对大型船体底部局部结构毁伤效应的计算模型, 选取总能量相近的2种炸药类型战斗部进行了毁伤效果对比, 一种为气泡能偏高的炸药, 一种为冲击波能偏高的炸药(见图1), 由仿真计算的结果可知, 气泡能高的炸药相对冲击波能高的炸药对船体造成的有效塑性应变更大。

对于反潜的轻型鱼雷战斗部, 建立了典型的球形药型罩聚能战斗部垂直接触命中目标时对模拟潜艇防护结构的爆炸毁伤效应计算模型, 选取了2种总能量相近、密度相近, 一种为高爆速高爆压, 一种为低爆速低爆压的不同炸药品种进行毁伤效果的计算对比(见图2), 仿真结果可知, 高爆速高爆压炸药驱动所形成的自锻弹丸具有更强的侵彻贯穿能力。

对于ATT战斗部, 建立了包含全雷壳体、雷头橡胶、战斗部装药、鳍、舵、轴、配重梁及其他等效结构重型鱼雷模型[6]。选取了2种总能量相近, 一种为气泡能偏高, 一种为冲击波能偏高的不同炸药品种进行对典型重型鱼雷目标爆炸毁伤仿真研究, 模型选取的都为正横交会姿态, 作用距离均为2(见图3)。由仿真结果可知, 冲击波能高的炸药相对气泡能高的炸药, 对来袭鱼雷造成的冲击响应更大。

在非接触爆炸范围内的反舰及反雷战斗部, 因冲击波能随距离的增加衰减极快, 而气泡能衰减相对较慢, 气泡能的毁伤贡献不容忽视。以上的仿真计算是假设鱼雷及目标均为静止状态进行的, 在反舰及反雷战斗部的装药品种选择上, 考虑利用气泡的毁伤能量, 还需要结合不同的战斗部与目标的相对运动, 进行爆炸气泡半径及作用时机的预计。

根据水下爆炸气泡半径以及脉动周期的经验公式[7]

R=(0.1×/0)1/3(3)

式中:R为水中爆炸气泡首次膨胀的最大半径, m;为装药量, kg;0为周围水的静压力, MPa;为与炸药性质有关的系数, 对TNT炸药,=1.6。

=(1/3/05/6) (4)

式中:为水中爆炸气泡脉动周期, s;0为气泡所处位置的流体静压的等效水深, m;为与炸药性质有关的系数, 对TNT炸药,=2.11。

对于反舰的重型鱼雷战斗部, 可以根据装药预计其最大气泡半径R1, 气泡脉动周期1, 可以得知R1与目标作用距离1较为接近,R1≈21, 因此更多的气泡脉动能量会作用到目标上。即便考虑舰船的相对运动, 因其速度低, 尺度大, 在气泡脉动周期1内, 仍然可以认为雷目作用距离与最大气泡半径接近, 而气泡的冲量与爆炸冲击波的冲量基本相当。因此, 对于爆炸气泡能够有效作用于目标的反舰鱼雷战斗部, 采用对气泡预估的方式仍然可以确定, 采用气泡能高的炸药相对冲击波能高的炸药, 对船体造成的毁伤更强。

对于ATT战斗部, 同样可以根据装药预计其最大气泡半径R2, 气泡脉动周期2, 可知R2远小于目标作用距离2; 另外, 由于ATT与来袭鱼雷均为高速的大机动小目标, 雷目相对速度很大, 在气泡脉动周期2时间内, 来袭鱼雷到爆心的相对位移很大, 可以估算得出此时的雷目距离已经远远超出毁伤半径范围, 甚至达到10倍毁伤半径以外, 气泡脉动能量完全来不及作用到毁伤目标上。因此, 根据雷目交会特点, 针对ATT战斗部, 采用对气泡预估的方式仍然可以确定, 要提高最终的毁伤效果, 其装药应该选择冲击波能高的炸药品种, 而不必在意气泡能的大小。

2 水中兵器用炸药的发展与应用

水中兵器用炸药的发展目前已经历4代, 第1代为单质炸药, 如早期水中兵器装药用过炮棉、苦味酸及代拿买特, 二战期间主要用TNT, 美国在战争紧张时用过低成本的阿马托, 后期发展到能量更高的黑索金(RDX)和奥克托金(HMX)[8]。

随着混合炸药的发展, 出现了TNT+RDX+铝粉系列的炸药, 水中爆炸威力得到了提高, 取代了第1代单质炸药, 形成了第2代水中兵器炸药。典型的有美国研制的H-6、HBX-1、HBX-3等配方。如美国MK-15应用了H-6炸药, 德国的SUT鱼雷应用了SW39炸药。苏联研制的RS211炸药在45-36型鱼雷中得到了应用。RS211是这类炸药的典型代表, 其冲击波能、总能量分别为1.36、1.50倍TNT当量, 其主要成分和性能与美国的HBX类炸药相似[9]。

随着水下武器装备的不断发展, 上述炸药在水下威力和安全性方面越来越不能满足要求。为了提高水中兵器的水下性能和安全性, 美国于上世纪50年代末期开始研制新一代高性能水下炸药, 研究重点是浇注复合高分子粘结炸药(PBX), 其代表品种是装填MK48和MK46鱼雷的PBXN- 103和PBXN-105炸药, 形成了第3代水中兵器炸药。后来又发展了能量密度更高的PBX-9205、PBX-9010、PBX-9404等。

上世纪70年代末, 80年代初, 美国研究了安全性更好、成本更低的水中炸药PBXN-111, 用于MK98水雷的核心装药, 其冲击波能、总能量分别为1.35倍、1.83倍TNT当量。1991年以来, 欧洲研制了3种与PBXN-111类似的配方, 即英国的ROWANEX1301、德国的KS57和法国的B2211D,法国的B2211D已用于“石鱼”水雷的战斗部装药。澳大利亚不仅引进“石鱼”水雷及其炸药装药, 且仿制了美国的PBXN-111炸药。PBXN炸药具有更高的作功能力, 良好的安全性, 是国外现装备的最先进的水下炸药。国内研制的GUHL-1、RBUL-1、JULH-1等炸药密度达到1.8 g/cm3以上, 总能量达到2倍以上TNT当量, GUHL-1气泡能较高, 而RBUL-1与JULH-1冲击波能较高; 还有一种ROB炸药, 相比较而言该炸药爆压很高, 密度稍低, 已在水中兵器中得到了应用。

随着不敏感弹药技术的发展, 美、英、法、澳大利亚及其他一些北约国家相继制定了发展新型不敏感水下炸药的政策和计划, 都在大力研究高性能低感度水下炸药。水中兵器用炸药的发展趋势是“两高一低”, 即高冲击波能、高气泡能和低易损性。各国都正在积极发展第4代水中炸药, 推动高威力小质量的新一代水中兵器, 例如: 美国发展了不敏感混合炸药, 如以DNAN 基PAX系列炸药、以蜡为添加剂的MNX-194等熔铸炸药、AFX-757、PBXN-109、PBXIH-135、PAX-2A、PAX-3 以及TATB基等高聚物黏结炸药[10], 其中部分已得到装备应用。

我国在GUHL-1的基础上改进配方研制了GUHL-3。相比GUHL-1, GUHL-3装药工艺相似, 密度及总能量相近, 但冲击波能更强, 但气泡能较弱, 具有更高的安全性。还有一类炸药以HMX取代RDX, 如我国的聚奥氯铝-1炸药, 具有高爆热、高膨胀能、抗高撞击过载的特性, 密度高, 安全性也极高, 装药工艺以压装为主。为提高混合炸药的能量和能量密度, 开展了DNTF、CL-20、TNAZ等高能量密度化合物, 以及新型含能粘结剂PolyNIMMO在混合炸药配方中的应用[11], 具有很好的稳定性, 爆炸威力得到明显提高[12], 比如DNTF+AP+Al 体系的熔铸炸药, 总能量可以达到TNT的3倍, 并开展了应用研究。但由于工艺尚不够成熟, 安全性试验考核不够充分, 未见正式装备报道。从提高气泡能的角度, 在炸药中加入2种或2种以上的可发生合金化反应的金属组合有钛和硼、铝和锰、锆和镍等, 能够大幅度提高气泡能, 如开展了含铝及硼金属化炸药的配方与其能量输出特性研究[13]。为了实现混合炸药的钝感化, 一方面引入TATB、NTO和FOX-7 等新型高能不敏感炸药, 另一方面通过采用物理化学手段使高能炸药组分降感、改善晶体品质及采用分子间炸药等途径[14]。

3 鱼雷主装药基本需求与发展趋势

3.1 鱼雷主装药基本需求

1) 炸药的设计与应用需要根据战斗部的毁伤方式和目标易损性进行。为了提高对目标的毁伤威力, 对于聚能鱼雷战斗部, 需要考虑爆速高爆压高的炸药品种; 对于水下爆破式战斗部, 在装药品种的选择应用上, 适宜选择爆炸能量高, 而不是爆速爆压高的炸药品种, 具体对于反舰的重型鱼雷战斗部, 适宜选择气泡能高的炸药品种; 而对于ATT战斗部, 则适应选择冲击波能高的炸药品种。

2) 从安全性的角度出发, 不敏感战斗部是当前的发展方向。鱼雷战斗部的不敏感性需求涉及到多方面的因素, 要有合适的装药结构, 其装药结构形式要避免应力集中, 腔体光滑, 外壳均匀无缺陷。当然首要的前提条件是所选用的火炸药配方和性能要满足不敏感性要求[15], 需要通过慢速烤燃、快速烤燃、射流撞击、殉爆、子弹撞击、破片撞击及热碎片撞击等安全性试验, 还需要随战斗部通过各项力学环境与气候环境的适应性考核。

3) 所选炸药要有良好的安定性且性能稳定。鱼雷战斗部的装药由于其贮存寿命要求长达20年以上, 如果炸药安定性不好, 会造成战斗部的报废, 也是危险源。

4) 装药的工艺性要好。一方面装药工艺要安全、稳定、方便操作, 另外装药工艺质量要有保证。因鱼雷战斗部的装药腔体复杂, 适宜选取采用浇注或者熔铸类装药工艺的炸药品种, 不适宜选取压装工艺。

5) 所选炸药的原料要求来源丰富, 生产简便安全, 成本低廉, 适于大量生产。

3.2 鱼雷主装药选择应用的发展趋势

在进行水中兵器战斗部主装药的选择应用时, 涉及到诸多因素, 一方面希望选取技术成熟、得到更多应用与充分考核的炸药品种, 降低各类风险, 尤其是确保安全性; 另一方面, 还希望所选炸药能够最大限度地适合本战斗部的需求; 此外水中兵器战斗部的发展与需求也牵引了新型炸药的研制与发展, 新型炸药也期望在水中兵器战斗部中得以应用。因此鱼雷主装药的选择与应用就需要根据自身的需求, 结合当前国内外水中兵器炸药的发展、应用情况以及技术成熟度来综合考虑, 涉及到各个方面的取舍与权衡。

从最大限度地提高对水下目标的毁伤威力的角度出发, 反舰鱼雷战斗部需要选取总能量高、气泡能高的炸药品种, GUHL-1炸药相对较为合适。当然随着大型舰船抗爆能力的提高, 还需要气泡能更高的炸药, 比如含硼的金属化炸药, 而该炸药的技术成熟度不高, 相关的安全性考核与应用研究不充分。反潜的聚能鱼雷战斗部需要选取爆速高爆压高的炸药品种, ROB炸药相对较为合适, 而随着潜艇防护能力的提高以及不敏感弹药的发展需求, 同样需要有新型的高爆速高爆压且安全性高的炸药。对于ATT战斗部, 需要选取冲击波能高的炸药品种, GUHL-3、RBUL-1、JULH-1炸药相对较为合适。而随着来袭鱼雷抗爆能力的提高, 机动性也越来越大, 还需要冲击波能更高的炸药, 比如DNTF基混合炸药, 故还需要针对DNTF基炸药加快应用研究。

从安全性的角度出发, 通常需要选取得到应用与充分考核, 安全性高的钝感炸药。而高能量密度化合物应用于混合炸药中, 能获得更高的威力但同时却会降低安全性。从炸药的配方设计本质来看, 一直是在寻求高威力与高安全性的矛盾平衡点, 往往追求了高安全性, 会适当降低威力。

从工艺性的角度出发, RDX基炸药的浇注装药工艺、DNTF基炸药的熔铸装药工艺更适合鱼雷战斗部。因鱼雷战斗部的装药腔体形状十分复杂, 虽然HMX基炸药兼有较高的安全性与较高的威力, 但其压装工艺在鱼雷战斗部中适应性较差, 不适宜采用。

通常水中兵器的发展与炸药的发展是相辅相成、同步进行的, 如果需要马上装备应用炸药, 对于鱼雷战斗部, 在能够满足毁伤威力要求的条件下, 可以偏保守地选取得到广大应用与充分安全性考核的技术成熟的炸药品种, 适当牺牲威力指标。若鱼雷战斗部的毁伤威力存在一定的风险, 且近期将装备部队, 在战斗部装药的选取上就需要兼顾威力与安全性。若鱼雷战斗部毁伤威力不足的风险较大, 且并非马上装备, 仅仅属于预先研究项目或者背景需求项目, 装药品种的选取与应用则需要重点考虑炸药的威力指标与能量构成等, 可以考虑鱼雷战斗部的科研与更适用于该武器炸药的工程应用研究同步进行。比如可以由该战斗部需求来牵引意向炸药的应用研究, 如爆炸威力试验, 工艺扩大试验, 安全性试验与考核等研究工作, 以期及时得以应用。

4 结论

文中详细分析了鱼雷战斗部装药的特点与基本需求, 介绍了国内外水中兵器炸药的技术发展和应用, 并针对不同类型鱼雷主装药选择与应用给出了建议。通过分析, 可以形成如下结论:

1) 反舰鱼雷选用高气泡能的炸药, 反潜鱼雷选用高爆速高爆压的炸药, ATT选用高冲击波能的炸药, 能获得更大的毁伤威力;

2) 鱼雷战斗部所选炸药满足不敏感性要求成为发展趋势;

3) 鱼雷战斗部适宜选用浇注或者熔铸类装药工艺、不宜采用压装工艺的炸药;

4) 鱼雷战斗部炸药的选用需要考虑应用时机, 兼顾威力与安全性, 炸药的应用研究与鱼雷战斗部开发可以同步进行。

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(责任编辑: 杨力军)

Research on Charge in Torpedo Warhead

LU Zhong-bao, Li Qin, MA Jun-li, WANG Ming-zhou

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

Warhead charge is an important tactical and technical specification for a torpedo. The selection of explosive type affect the damage power and charge security of the torpedo. In this paper, the energy release characteristics of torpedo warhead are analyzed. According to the characteristics of target and encounter condition, it is educed that the charge in torpedo warhead can release higher damage power if the anti-warship torpedo select high bubble-energy explosive, the anti-submarine torpedo select high detonation-velocity high detonation-pressure explosive, and the anti-torpedo torpedo select high shock-wave energy explosive. And the worldwide development and applications of explosive used in underwater weapons are introduced, the basic need of torpedo charge is determined considering damage power, security and charging technology. Further, in consideration of the degrees of risk of warhead power, the using occasion of different equipments, and the properties of explosive for different underwater weapons, some suggestions about explosive selection and application for different type of a torpedo are offered.This study may provide a reference for the research and development of torpedo warhead and underwater explosive.

torpedo; warhead; explosive; damage power

TJ630.1; TJ410.5

A

2096-3920(2018)01-0010-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.01.002

鲁忠宝, 黎勤, 马军利, 等. 鱼雷战斗部装药特点与发展[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(1): 10-15.

2017-06-27;

2017-12-26.

鲁忠宝(1978-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要从事水中兵器战斗部的研究与设计.