不同能量输出结构战斗部水下爆炸毁伤威力试验研究

鲁忠宝, 黎 勤, 哈海荣



不同能量输出结构战斗部水下爆炸毁伤威力试验研究

鲁忠宝, 黎 勤, 哈海荣

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

水中兵器战斗部对大型水面舰船的爆炸毁伤威力, 除了与作用距离相关之外, 还与作用方位、战斗部的装药品种、起爆方式等都有密切关系。为了得出攻击大型水面舰战斗部所需最佳攻击方位, 以及装药与起爆方式设计准则, 文中选取典型炸药品种、典型起爆方式的战斗部装药, 进行水下爆炸全方位威力场参数的试验测试, 以及典型战斗部底部爆炸对舰船目标模拟靶响应的试验测试, 得出了不同能量输出结构战斗部水中爆炸能量的输出规律及其对舰船目标的毁伤规律, 确定了水中兵器战斗部适宜选取总能量高、气泡能也高的炸药品种, 采用底部攻击及定向起爆方式, 使能量汇聚方向朝上, 以获取最佳毁伤效果。文中的研究可为打击大型水面舰船的水中兵器战斗部总体设计提供参考。

水中兵器; 战斗部; 炸药; 起爆方式; 水面舰船; 毁伤

0 引言

水中兵器战斗部为了有效打击大型水面舰船, 除了需要合适的作用距离之外, 战斗部的作用方位、炸药品种与起爆方式也会影响其爆炸毁伤威力。对此, 国内外已有大量研究成果。例如, 针对定向起爆方式与威力场分布规律的关系研究, 文献[1]进行了装药水下爆炸时不同定向起爆方式下威力场参数的仿真计算与对比分析, 但研究点仅在同一个水平面内, 没有涉及不同炸药、不同立体方位(如上方, 下方)威力场参数的对比研究; 针对水下爆炸对舰船目标的毁伤研究, 涉及到水下爆炸冲击波、气泡载荷、对舰船目标毁伤效应的仿真计算与爆炸试验等, 但只是将水下战斗部处理为1个炸药包或者1个爆炸载荷, 没有考虑战斗部的起爆方式、炸药品种对目标毁伤效应的差异, 而且研究重点是舷侧起爆, 没有涉及战斗部底部爆炸对双层舰船结构的试验研究[2-8]; 针对底部打击大型水面舰船的水中兵器战斗部的炸药选型, 虽已完成初步论证分析, 但尚未进行实爆试验作为可行性支撑论证[9]。

基于此, 有必要进行不同能量构成的炸药品种、不同起爆方式的战斗部装药水下爆炸立体全方位的威力场参数测试, 以及底部方位爆炸对舰船模拟目标靶响应的试验测试, 从而获取攻击舰船战斗部的最佳作用方位、装药能量构成及起爆方式。

文中试验一共进行了10发正式测试, 包含8发不同炸药品种、不同起爆方式的水中爆炸威力场参数测试试验和2发舰船模拟目标靶爆炸冲击响应测试试验, 获得了有效的测试数据, 最终得出不同能量输出结构战斗部水中爆炸能量的输出规律及其对目标的毁伤规律。文中的研究可为打击大型水面舰船的水中兵器战斗部总体设计提供参考。

1 不同能量输出结构战斗部水下爆炸毁伤威力试验

1.1 试验用战斗部装药

试验用战斗部装药为缩比尺寸,起爆方式有中心点起爆方式、定向起爆方式2种。装药品种选取了典型的高气泡能水中兵器用炸药A和典型的高冲击波能水中兵器用炸药B。装药品种、起爆方式都将影响战斗部的能量输出结构, 由不同的起爆方式、不同能量输出结构的炸药品种, 构成实现不同的战斗部。

中心点起爆的战斗部如图1所示, 由雷管起爆导爆索后起爆中心起爆药, 然后再起爆主装药。定向起爆战斗部外部尺寸同中心点起爆战斗部, 为圆周八分位相邻三线同时起爆方式, 如图2所示。该方式采用15个点同步起爆结构实现多分位定向起爆功能, 15个点同步起爆是通过1个雷管起爆传爆药柱, 再起爆15根相同长度的导爆索, 导爆索同时起爆扩爆药来实现。

图1 中心点起爆战斗部

图2 定向起爆战斗部

1.2 模拟目标

选取某典型舰船底部较薄弱的局部结构进行简化及缩比作为模拟目标, 模拟目标的材料为Q235钢, 各部分焊接制作而成, 模型为双层底, 在隔板与内板上开通水孔, 双层底间注满水, 保证不渗漏。围壁板的上端四角设置有悬挂孔。实物见图3所示。

图3 模拟目标靶实物

1.3 试验方案

试验分为不带模拟目标的威力场参数测试与带模拟目标的目标响应测试两部分。

1.3.1 威力场参数测试试验方案

该测试涉及不同炸药品种、不同起爆方式战斗部威力参数的对比, 测点选取为0°和90°(以轴线为基准)水平面内、正上方及正下方距离战斗部中心1.0 m, 1.5 m及2 m处的4个方位共12个点。其中定向起爆战斗部试验时, 能量的汇聚方向向上, 15个起爆点在正下方。为保证测点位置要求, 专门设计了刚性支架, 用来固定战斗部和测试传感器, 支架由实心钢棒焊成三角体。使用吊车将安装好战斗部及传感器的试验支架整体吊入水中, 从而保证了传感器与战斗部之间的距离和角度。测点布置及试验支架如图4所示。

图4 测点布置及试验支架图

Fig. 4 Layout diagram of test points and test holder

1.3.2 模拟目标靶爆炸响应测试试验方案

战斗部悬挂于模拟目标靶中心正下方, 距模拟目标底部1.3 m, 采用定向起爆战斗部, 能量汇聚方向朝上, 即起爆点在下, 试验布局见图5所示。

在模拟目标靶内板上设置3处应变测试点, 进行正交2个方向的测试; 内板上同时设置3处冲击加速度测试点, 加速度测试方向为板面法向。应变和冲击加速度测点位于目标靶小隔舱的中心处, 2个品种炸药战斗部试验时测试点设置相同。应变片用胶粘贴, 冲击加速度传感器使用焊接在测点的螺纹座安装固定。目标靶上测点的布置如图6所示。

1.4 测试系统

1.4.1 爆炸威力场参数测试系统

爆炸威力场参数测试试验起爆及测试框图如图7所示。

图5 战斗部与模拟目标靶布局

图6 模拟目标靶上测点布置图

图7 爆炸威力场参数测试试验起爆及测试框图

由一台同步脉冲发生器主控, 同时输出多路电压讯号, 一路触发高压脉冲发生器,起爆战斗部中的雷管。另外4路电压触发数字示波器, 记录水下压力传感器的压力时程数据。

1.4.2 模拟目标靶响应测试系统

模拟目标靶响应测试试验起爆及测试框图如图8所示。由一台同步脉冲发生器主控, 同时输出多路电压讯号。一路触发高压脉冲发生器, 起爆战斗部中的雷管。另外使用多路电压输出来触发数字示波器, 记录加速度传感器的压力时程数据和应变数据。

图8 模拟目标靶响应测试试验起爆及测试框图

2 试验结果及分析

2.1 威力场参数试验

2.1.1 试验结果

不同战斗部水下爆炸威力场参数试验爆炸瞬时照片如图9所示。

图9 水下爆炸瞬时照片

不同起爆方式和炸药品种的战斗部试验测试得到的各个研究点的冲击波峰值压力原始数据, 经剔除奇异值, 对获得的多个有效值进行平均处理后统计如表1所示。

因相同品种炸药不同起爆方式, 在不同方向、不同测点处的气泡脉动周期相差极小, 故在计算气泡能参数时取气泡脉动周期的平均值。气泡能计算数据如表2所示。

表1 不同战斗部试验各研究点冲击波峰值压力平均值统计(单位: MPa)

表2 气泡能数据汇总表

对不同起爆方式和炸药品种的战斗部试验测试得到的各个研究点的冲击波能数据, 经剔除奇异值, 对获得的多个有效值进行平均处理后统计如表3所示。

2.1.2 结果分析

针对表1中的统计数据分析可知:

1) 总体看来, 在相同方向相同距离处, 炸药为B战斗部的峰值压力大都比炸药为A战斗部的压力大, 这是因为炸药B为冲击波能高的炸药品种;

表3 不同战斗部试验各研究点比冲击波能平均值统计(单位: MJ·kg–1)

2) 对2种炸药的定向起爆战斗部, 在定向能量汇聚方向的峰值压力大都比相应的中心起爆战斗部的压力大, 说明起爆方式能改变威力场能量分配, 定向汇聚方向上能量得到增强。

针对表2中的统计数据分析可知:

1) 气泡能的分布主要与炸药品种相关, 与起爆方式、方位和距离的关系不大;

2) 炸药A的战斗部的气泡能TNT当量系数明显大于炸药B的战斗部气泡能的TNT当量系数。

针对表3, 结合表2的统计数据分析可知:

1) 炸药A的气泡能比炸药B的气泡能高; 炸药B的冲击波能比炸药A的冲击波能高; 总能量方面两者的差别不明显, 与炸药品种选型的预期一致;

2) 不同起爆方式、不同炸药品种的战斗部能量各方向的差异不太明显, 但总体上可看出, 90°水平径向的冲击波能及总能量比其他3个方向略低; 正下方的冲击波能及总能量略高;

3) 起爆方式不同, 也带来能量分布的差异, 根据有效的冲击波能数据可以看出, 对2种炸药的定向起爆战斗部, 在定向能量汇聚方向, 正上方的冲击波能比相应的中心起爆战斗部的冲击波能大。

2.2 目标靶响应试验

2.2.1 试验结果

各一发炸药A和炸药B定向起爆战斗部对目标靶进行试验, 定向能量汇聚方向朝向目标靶, 测试应变数据和加速度数据。试验测试得到典型的应变信号如图10所示。应变最大值如表4所示。

试验测试得到典型的冲击加速度信号如图11所示。加速度最大值如表5所示。

图10 典型的应变信号(炸药B, 内板边角5#, X向)

表4 模拟目标靶应变测试最大应变数值汇总表

爆炸试验后, 目标模拟靶的内板无明显变形, 底板变形显著, 底板的中心部位靠近隔板处变形最大, 如图12所示。

2.2.2 毁伤响应分析

根据表4中的数据可以看出, 目标模拟靶内板的中心位置因正对着战斗部, 爆炸载荷较大, 因而应变较大; 而内板的靠近边角处由于存在围壁板对内板的边界强约束效应, 从而使载荷无法释放, 应变也较大, 但由于受研究条件的限制, 目标靶模型不可能采用真实尺度, 不可避免地存在模型的边界效应。虽然总体来看, 冲击波能较大的炸药B, 造成的目标模拟靶边界的应变最大, 但考虑到小模型尺寸的边界效应, 应该重点研究的是目标模拟靶内板的中心位置, 此处的边界效应最小。以内板中心位置为参照可以看出, 气泡能较大的炸药A造成的目标模拟靶的应变比冲击波能较大的炸药B造成的应变要大很多。而当前对舰船目标的毁伤, 通常采用应变作为判据, 以此为准则的话, 采用气泡能较高的炸药, 造成舰船目标的毁伤效果会更强。另外, 试验现场炸药A爆炸将舰船模拟目标靶掀起的高度远远大于炸药B, 掀起高度越大, 目标整体毁伤效应应该更显著, 这样也可以得出, 以舰船整体毁伤效应为准则的话, 采用气泡能较高的炸药, 造成的毁伤效果会更强。

图11 典型的冲击加速度信号(炸药A, 内板中心2#)

表5 最大冲击加速度数值汇总表

图12 目标模拟靶底板变形情况

根据表5中的数据可以看出, 所有测点的冲击加速度都在6 000g以上(部分传感器损坏、超量程)。由炸药为A的定向起爆战斗部作用下目标靶有效的加速度数据可以看出, 内板中心位置冲击加速度高达14011.39g。若以加速度为设备损伤判据, 根据相关资料, 舰船内板加速度达到234.4g, 即可使设备受损[10], 而文中试验模型战斗部作用距离大致在引信作用距离范围处, 并不很近, 但由于战斗部位于舰船正下方, 冲击加速度远远大于该值。这也表明了要毁伤舰船目标, 战斗部位于舰船底部爆炸效果十分突出。

3 结论

针对文中试验所选取的典型炸药品种、典型起爆方式的不同能量输出结构的战斗部, 进行了水下爆炸威力场参数的测试, 及舰船模拟目标靶响应的测试, 由于测点很近, 传感器损坏较严重, 少数测点未能获得完整的信号, 但从获得的有效数据分析, 仍可得出如下结论:

1) 对不同的炸药品种, 采用定向起爆方式,相对中心起爆方式, 都可使峰值压力在定向能量汇聚方向得到增强, 冲击波能也可得到增强;

2) 气泡能的分布主要与炸药品种相关, 与起爆方式、方位、距离的关系不大;

3) 不同起爆方式和炸药品种的战斗部能量汇聚在上下水平各个方向的差异虽不太, 但总体上水平径向方向的冲击波能及总能量比其他方向略低, 正下方的冲击波能及总能量略高;

4) 战斗部位于舰船目标的底部爆炸, 对目标的毁伤效果显著;

5) 对于总能量相近的炸药, 气泡能较大装药, 相对冲击波能较大的装药对正上方舰船目标造成的应变更大, 整体毁伤效果也更明显。

文中通过试验测试与研究, 得出的上述不同能量输出结构战斗部水中爆炸能量的输出规律及其对舰船目标的毁伤规律, 可以指导打击大型水面舰船的水中兵器战斗部的总体设计。即对于底部攻击大型水面舰船的水中兵器战斗部, 从提高毁伤威力的角度, 适宜采用定向起爆方式, 使能量汇聚方向朝上, 而且需要选取总能量高、气泡能也高的炸药品种。

由于受研究经费的限制, 少量近距离测点的传感器超量程或损坏, 没有全部补充, 试验数据还不够充分; 而且小尺度的缩比舰船模型还不能完全体现舰船整体的毁伤效应, 虽然得出了初步定性的研究规律, 具有指导意义, 但相关工作还有待进一步深入, 需要采用更大的试验模型, 开展更多的试验研究, 获得更多的数据, 进而得出更多的定量研究结论。

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Experimental Study on Underwater Explosion Damage Power of Warhead with Different Energy Output Configuration

LU Zhong-bao, LI Qin, HA Hai-rong

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

Explosion damage power of underwater weapon warhead to large surface ship depends on action range, as well as action location, warhead charge variety, and detonation mode. In order to obtain the best position for attacking warhead of a large surface ship and the design criteria of charge and detonation modes, this study chose the warhead with typical explosive type and typical detonation mode to test the power field parameters in all directions of underwater explosion and the response of simulated ship target to bottom explosion of a typical warhead. The output law of underwater explosion energy of a warhead with different energy output configuration and the damage law to ship target were obtained. It is concluded that the explosive with high total energy and high bubble energy is suitable for the underwater weapon warhead; bottom attack and directional detonation can converge energy upward to obtain the best damage effect. This study may provide a reference for overall design of the underwater weapon warhead for attacking large surface ship.

underwater weapon; warhead; explosive; detonation mode; surface ship; damage

鲁忠宝, 黎勤, 哈海荣. 不同能量输出结构战斗部水下爆炸毁伤威力试验研究[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 71-77.

TJ630. 1; TQ560.1; U661.43

A

2096-3920(2019)01-0071-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.012

2018-09-03;

2018-11-05.

国防基础科研项目(B0820132045).

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.

(责任编辑: 杨力军)