整体爆破弹头爆炸当量定量评价研究*

2020-05-18涂国勇王海锋禄晓飞杨红兵

现代防御技术 2020年2期

涂国勇，王海锋，禄晓飞，杨红兵

(中国酒泉卫星发射中心，甘肃兰州 732750)

0 引言

在整体爆破弹头毁伤实验中，弹头实际爆炸当量不仅与弹头装药量有关，还与装药类型、药柱形状以及弹头的落地速度、姿态等因素有关[1]。因此，直接利用弹头装药量等效计算出的爆炸当量估值具有较大的不准确性[2]，工程中通常是利用布设在爆炸点附近的超压测量传感器和数据采集仪等设备，构建冲击波超压测量系统，测量记录各测点冲击波超压值，对获取的测量数据进行分析处理，进而计算给出实际爆炸当量[3-4]。

目前对整体爆破弹头爆炸当量的评价主要是依据《国防工程设计规范》中的爆炸当量评价经验公式，利用冲击波测量数据，拟合不同爆炸当量的冲击波超压曲线，通过曲线对比实现爆炸当量的概略估计[5]。

通过对冲击波传播规律经验公式的分析，选取适当的经验公式，构建完善严谨的数学模型，利用统计方法剔除异常数据，给出整体爆破弹头爆炸当量的定量分析结果，有效提升了整体爆破弹头的毁伤能力定量评价能力。

1 冲击波传播规律经验公式

(1)

整体弹头爆炸毁伤实验中，冲击波超压测量传感器的实际布设范围较大，比例距离的范围分布较广，实验中比例距离统计情况见表1。

表1 实验中比例距离统计结果Table 1 Statistical results of proportional distance in experiments

从表1中可以看出，比例距离最大值为19.600，最小值为0.729。需要说明的是，在实际毁伤测量实验中，布设在比例距离小于0.5以内区域的传感器均受到破坏，相应点位的有效测量数据未能获取。

综合比对分析现有冲击波传播规律经验公式，对于上述比例距离大于0.5的实验数据情况，只有Brode公式、Mills公式、叶晓华公式、金尼-格雷厄姆公式以及《国防工程设计规范》中提供的经验公式可以采用[8-10]。各经验公式如下：

(1) Brode公式

(2)

(2) Mills公式

(3)

(3) 叶晓华(Ye Xiaohua)公式

(4)

(4) 金尼-格雷厄姆(Ginnie-Graham)公式

(5)

(5) 《国防工程设计规范》中球形装药经验公式[5]

(6)

在对数坐标中，各经验公式预测的冲击波超压峰值与比例距离的关系见图1。

图1 不同经验公式中比例距离与冲击波超压值的关系Fig.1 Relation between the proportional distance and the peak overpressure in different empirical formulas

从图1中看出，当比例距离大于0.5(x>-0.301)时，随着比例距离增大，Brode公式预测的冲击波超压趋向于0.1 MPa，与其他公式预测结果偏差较大。实际实验中，冲击波超压测量值与除Brode公式外的其他4种经验公式预测结果吻合程度较好。因此，Brode公式不适合在实际实验条件下使用，其他4种经验公式在实际工程实验条件下均可采用。

2 整体爆破弹头爆炸当量评价方法

整体爆破弹头爆炸当量评价工作流程如下：①单个传感器当量评价；②异常数据判读；③爆炸当量综合计算；④结果评定。

2.1 单个传感器冲击波超压当量评价

毁伤测量系统中，传感器布设方式有自由场压力传感器布设和地面压力传感器布设2种。不同的传感器布设方法，爆炸当量评价方法不同[11-12]。自由场压力传感器布设是指将传感器布设在距地面3 m以上的空中，以避免受到地面反射等杂波的影响，传感器测量到的是入射冲击波超压；地面压力传感器布设是指将传感器布设在地面上，其上表面与地表平齐，测量到的是地面反射冲击波超压[13-14]。

通过对冲击波超压测量数据的预处理、噪声滤波处理、数据有效性验证及冲击波超压零位及峰值提取方法等研究，形成了一套完整的冲击波测量数据前期处理方法，完成了冲击波超压测量数据中峰值P的规范化提取[1]，据此可以对单个传感器测量数据的TNT爆炸当量进行计算。

2.1.1 自由场压力传感器当量评价

(7)

2.1.2 地面压力传感器当量评价

地面传感器测到的是地面反射冲击波超压。设冲击波入射角为φ(测点和战斗部爆心之间连线与垂直方向的夹角)，冲击波在地面产生马赫反射的临界角为φc，分2种情况计算各测点的冲击波TNT当量。

(1) 当0≤φ≤φc时，冲击波在地面产生正规反射，TNT当量ωTNT计算方法如下：

首先，根据提取到的各传感器冲击波超压测量值P′，按式(8)计算入射冲击波峰值超压P。

(8)

式中：P′为反射冲击波峰值超压；Pair为大气压力。

(2) 当φc≤φ≤90°时，冲击波在地面产生马赫反射，冲击波TNT当量计算方法如下：

首先，根据提取到的各传感器冲击波超压测量值P′，按式(9)计算入射冲击波峰值超压Pg:

P′=Pg(1+cosφ),

(9)

式中：Pg为入射冲击波峰值超压；φ为冲击波入射角。

最后，按式(10)计算各测点对应的冲击波TNT当量ωTNT:

ωTNT=ωgTNT/k,

(10)

式中：ωgTNT为Pg对应的冲击波TNT当量；k为与压力传感器安装地面相关的系数，对于混凝土、岩石等刚性地面，k=2；对于土壤地面，k=1.8。

2.2 异常数据判读处理

各测点得到的冲击波TNT当量ωTNT与其数学期望值E(ωTNT)相比较，如果满足式(11)，则该测点的冲击波TNT当量ωTNT为异常数据，予以剔除[15]。

|ωTNT-E(ωTNT)|≥3σω,

(11)

式中：E(ωTNT)为冲击波TNT当量ωTNT的数学期望值；σω为冲击波TNT当量ωTNT的有效数据的标准差。

对于存在多峰值冲击波超压的情况，将所有数据统一计算期望和方差，根据式(11)进行判读，剔除异常数据，若单个传感器的多个冲击波峰值均为有效数据，则选取距离数学期望较近的数据，剔除其他数据。

2.3 爆炸当量综合计算评价模型

剔除异常数据后，有效测点的冲击波TNT当量ωTNT的算术平均值即为战斗部实际爆炸当量。

(12)

否则从异常数据判读阶段开始循环处理，重新计算有效数据的标准差，并剔除异常数据。若有效数据个数小于总数(异常数据剔除开始时的数据数量)的80%，则终止循环。

上述爆炸当量的评价主要是基于单个经验公式完成的，不同经验公式之间存在一定的方法误差，因此需要利用多种经验公式分别计算爆炸当量，并进行加权融合计算以消除方法误差，但由于各经验公式之间并不存在明显的优劣区别，且均得到了大量的实验验证，因此利用各经验公式计算结果的均值作为爆炸当量的最终结果，可以更合理地对实际爆炸当量进行计算分析，见表2。表中，A为设计值。