耦合爆炸式鱼雷战斗部研究现状与展望

鲁忠宝, 李军林, 鲁海玲, 黎 勤, 朱奇峰, 哈海荣

耦合爆炸式鱼雷战斗部研究现状与展望

鲁忠宝1, 李军林2, 鲁海玲3, 黎 勤1, 朱奇峰1, 哈海荣1

(1. 中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 2. 海军装备部, 陕西 西安, 710077; 3. 中国船舶西安东仪科工集团有限公司, 陕西 西安, 710065)

随着水下目标抗爆能力的不断提高, 传统鱼雷战斗部由于装药能量、能量利用率以及作用模式等的限制, 难以对目标造成高效毁伤, 因此需要寻求新型鱼雷战斗部形式。文中分别介绍了多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部、炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部相关技术的研究现状及应用前景, 同时论述了炸药与电池耦合爆炸式鱼雷战斗部相关技术的研究必要性与可行性。研究表明, 上述3种耦合爆炸式鱼雷战斗部均可有效提高对目标的毁伤威力。最后对3种耦合爆炸式鱼雷战斗部技术后续研究进行了展望。

鱼雷战斗部; 耦合爆炸; 毁伤

0 引言

战斗部作为兵器的有效载荷, 是对目标实施有效毁伤的功能系统。随着当前水下目标抗爆和机动能力的大幅度提高, 战斗部对水下目标的爆炸毁伤能力已经不能适应发展需求。如何提高战斗部对水下目标的毁伤威力是水中兵器战斗部研制的重要任务之一, 各军事大国都十分重视该领域的技术进展。

截至目前, 已经研制或者在研的水中兵器战斗部类型有中心起爆战斗部、聚能装药战斗部和定向起爆战斗部。中心起爆战斗部水下爆炸的能量在水中各个方向近似为均匀的球形分布, 实际作用到目标方向上的能量较小; 聚能装药战斗部产生的爆炸成型弹丸(explosively-formed projectile, EFP)在水中衰减很快, 只有垂直接触命中目标才能很好地发挥作用; 定向起爆战斗部只有在约10倍装药半径范围内的定向能量汇聚方向才能发挥效果。由此可见, 为了使当前单装药水中兵器战斗部能够有效地毁伤水下目标, 对交会距离与方位的要求都较为苛刻, 尽管如此也难以使战斗部的有限装药产生高效毁伤。受装药量的限制, 即使是采用新型高威力水中兵器炸药, 其能量密度也不能满足需求。

为了提高对水下目标的爆炸毁伤威力, 设想采用多个爆源起爆, 利用多个爆源爆炸威力场的耦合效应来提高目标方向上的毁伤威力, 即耦合爆炸式鱼雷战斗部技术[1-2]。该技术可以有多种实现方式, 其一是将战斗部装药分散为多个子装药分别起爆, 形成耦合爆炸效果, 即多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部技术; 其二是采用专门的引爆装置, 使鱼雷上其他的能量源如燃料、电池等被引爆, 与鱼雷的战斗部装药分别爆炸, 形成耦合爆炸效果, 即炸药与燃料(电池)耦合爆炸式鱼雷战斗部技术。文中介绍了多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部的威力场特性及目标毁伤效应、炸药与燃料耦合爆炸的可行性及验证情况、炸药与电池耦合爆炸的设想, 表明了上述3种耦合爆炸式鱼雷战斗部均可有效提高对目标的毁伤威力。

1 多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部

多个装药战斗部武器(也称子母弹)是一类能形成一定散布范围与散布密度作战效果的武器。国外采用子母式战斗部的武器很多, 尤其是陆上与空中武器, 已在战争中多次使用, 取得了重大的军事效益[3]。国内的空中武器中也有子母弹的装备与应用[4], 在多装药爆炸耦合效应方面, 已进行了两发阵列装药陆上爆炸威力场作用研究[5]。而水下有关多装药战斗部方面的研究并未深入开展, 只提出了一些设想[6]。鉴于当前单装药水中兵器战斗部的局限性以及空中子母战斗部的应用效果, 国内很多学者在水中兵器战斗部中开展了相关技术的初步研究, 将单发装药分散为多个子装药, 对其水下爆炸冲击波、气泡特性进行了研究[7-9], 研究表明各个子装药的爆炸威力场重新分布且在对称区域可以产生威力叠加增强作用。但以往的相关研究仅考虑了多个子装药的平面分布形式, 没有涉及多个子装药的立体分布形式, 也没有结合目标进行毁伤效应研究。文中在以往研究基础上, 结合实际应用, 考虑了战斗部空间布局、空间限制以及装药量等因素, 进行了不同分布形式的子装药威力场参数分析, 并针对典型目标进行了毁伤效应对比, 可为多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部的总体设计提供理论支撑, 以弥补单发装药的威力与精度的不足, 增大有效毁伤威力场范围, 有效提高对立体方位目标的毁伤概率。

1.1 威力场特性

选取相同炸药品种的单发炸药, 总质量1 kg,平均分散为2发炸药、4发平面均布炸药和8发立体均布炸药同时起爆, 并设置相同的分布间距, 其研究模型如图1所示, 模型方向选取如图2所示。分布装药的几何中心与图2中的中心点重合, 2发和4发炸药位于图中平面, 8发炸药分布于图2中的8个顶点方位。沿点、、方向上选取了距离中心点长度分别为1.97 m、2.25 m和2.53 m的3个研究点, 爆炸压力云图如图3所示。从图4中可以看出, 8发装药的模型在相同位置上的冲击波峰值压力相对更大, 变化更平稳, 立体方位的近场远场都较大, 空间利用率最好。

图1 4种不同分布形式多装药模型

图2 模型方向设置

图3 总质量1 kg的4种装药分布形式不同时刻压力云图

相同的药量和分布形式, 在分布间距不同时, 其爆炸威力场的分布特性也会不同, 分布间距过小, 不利于增大毁伤范围, 分布间距过大, 则存在不足以毁伤目标的威力场盲区, 根据目标毁伤效应的初步预计, 对8个0.125 kg药柱的立体分布间距选取1.97 m、2.53 m和3.10 m 共3种情况, 分析对比爆炸威力场特性, 得出间距为2.53 m时威力参数在近场及远场都有不错的增益[10]。

选择总药量为0.8 kg的8发0.1 kg立体分布(立方体边长为2.53 m)炸药、总药量为1 kg的8发0.125 kg立体分布(立方体边长为2.53 m)炸药、1 kg单发炸药以及1.25 kg单发炸药进行对比, 如图5所示, 可见总质量较小的8发药柱在研究点处的冲击波峰值压力大于总质量较大的单发药柱。表明采用8发立体分布子装药, 设定合适的分布间距, 立体威力场中冲击波峰值压力更大, 变化更平稳, 在空间上的分布更均匀, 冲击波的叠加现象更强烈。同时, 总药量较小的分布式炸药相对单发炸药也有明显提高的效果, 表明其具有工程适用价值。

在仿真研究的基础上, 进行典型分布形式的多装药水下爆炸威力场分布规律试验研究。选取1 kg的某单发炸药与相同品种的8发0.125 kg立体分布式炸药(立方体边长为2.53 m), 在爆炸水池中进行爆炸试验, 测试了在不同方位、不同距离处的压力; 试验结果与仿真分析所得出的规律一致,试验结果得出的二者冲量和能量对比情况如表1所示, 也表明采用特定的多发炸药的分布形式, 并按照分布间距与药量的匹配对应关系, 能显著提高特定方向上的冲击波能量。

表1 分布式装药与单发装药的冲量和能量试验结果对比

1.2 目标毁伤效应

在多装药水下爆炸耦合威力场特性研究基础上, 进行了典型分布的多装药对典型目标鱼雷的毁伤效应有限元仿真, 目标鱼雷的有限元模型见图6。炸药模型为8发立体对称分布子炸药, 间距9 m。并与总质量更大的相同炸药品种单发炸药进行对比。进行了单发装药以及多发分布式装药对目标鱼雷几种不同作用距离处毁伤效应仿真分析。在某一作用距离处, 单发装药对目标的毁伤主要为雷体中心部位壳体, 发生结构毁伤的区域适中, 以径向破坏为主。多发装药对目标的毁伤为多处壳体和舵机位置, 发生结构毁伤的区域更大, 毁伤效果更强, 见图7。结合毁伤目标, 从毁伤效应的角度再次验证了多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部具有很好的应用前景。

图6 典型目标鱼雷有限元网格模型

2 炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部

当前频发的爆炸事故中, 经常出现燃料/燃油等的爆炸[11], 受其启发, 对于采用高能燃料作为动力源的水中兵器如热动力鱼雷, 若其燃料被引爆, 能量快速释放, 也具有一定的毁伤威力。鱼雷用奥托燃料的理论能量为2 934 kJ/kg[12], 约为0.7倍的TNT当量, 虽具有较高的安全性, 但若给予足够的能量刺激, 也可以被引爆, 并具有不小的毁伤威力[13]。从鱼雷的航程设计与雷目交互的统计情况来看, 在鱼雷战斗部起爆时, 鱼雷的燃料可能剩余不小。因此考虑采用专门的方式来引爆鱼雷燃料, 通过开展炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部相关技术研究, 将剩余燃料转化为爆炸毁伤能量, 可明显提高对目标的毁伤能力。

图7 单发装药及多发装药对目标毁伤效果对比图

2.1 燃料引爆方案

采用聚能装药的形式设计了一种高安全性、高可靠性、体积小巧的燃料引爆装置(见图8)。通过合理设计聚能装药的各部分材料、结构等参数, 控制其产生的高速金属射流能量, 来有效引爆燃料。在以往经验及理论分析的基础上, 采用试验的方式, 确定射流起爆燃料的条件, 获得聚能装药设计参数, 形成能可靠引燃的燃料引爆装置。

图8 燃料引爆装置组成

2.2 燃料引爆试验验证

将被发燃料放置于见证板上, 其中被发燃料的上盖作为屏蔽板, 设置了几种尺寸厚度来模拟隔舱厚度, 支架放置于被发燃料顶盖上用于调节锥形装药与被发燃料之间的距离; 锥形装药固定于支架的上部。试验布局如图9所示。锥形装药爆炸产生射流, 经过屏蔽板后作用于被发燃料, 依据试样放置的地点有无残药以及见证板的破坏情况和典型位置处的冲击波超压来判断其是否发生爆轰。

图9 燃料引爆试验布局图

在距爆心不同距离处布放PCB113型壁面压力传感器。在燃料引爆装置的射流冲击作用后, 被发燃料的火球演化过程如图10所示。被发燃料被引爆后, 可以从测点的爆炸压力曲线看出, 出现了第2个峰值(见图11); 而无燃料被引爆时, 测得的爆炸压力曲线只有首个峰值(见图12), 由压力曲线可以判断燃料被引爆。

图10 射流冲击作用后被发燃料的火球演化过程

图11 爆炸压力时程曲线(燃料被引爆)

图12 爆炸压力时程曲线(无燃料被引爆)

从试验可以看出, 在引爆装置的射流冲击作用下, 经过几种不同厚度屏蔽板的被发燃料均发生了爆燃或爆轰, 见证板上有明显炸痕, 如图13所示, 装药壳体破碎成了长条破片或小碎片。试验表明所设计的燃料引爆装置经过隔板引爆燃料是可行的。

3 炸药与电池耦合爆炸式鱼雷战斗部

基于炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部技术的启发, 电动力鱼雷虽然没有燃料, 但其电池也属于高能源材料, 若采用一定的激励措施, 也可以被引爆。

图13 见证板破孔情况

根据相关资料[14], 电池在受到针刺或撞击时可以造成短路, 使得热分解反应发生, 导致热量失控而最终爆炸。额定容量约 7.7 W·h的18650 型锂离子电池发生热爆炸时, 其爆炸当量值最大可达 5.45 g TNT。根据类比估算, 重型鱼雷电池容量的爆炸当量可达50 kg TNT以上, 若能将其转化为爆炸毁伤能量, 能够明显提高毁伤能力。可以预见, 未来高性能电池若能解决电极材料及配方、热管理、储存和使用安全性、组合电池等关键技术, 其实际比能量会更大, 发生爆炸时的爆炸当量也将更大, 将大幅度提高对目标的毁伤威力。

目前, 各类电池爆炸事故的频繁出现引起了广泛的关注与研究, 国内也开展了锂离子电池的爆炸机理研究[14], 提出外部短路、内部短路及过充3种方式都可能导致锂电池芯爆炸, 也对其热爆炸的温度、机理、热爆炸当量进行了研究。电池短路时, 电流通过电池的瞬间产生大量的热, 使电池温度升高到正极热分解的温度, 正极热分解导致电池热量失控。传统的锂电池若被刺穿, 到处都在发生微短路, 会使电池产生热量, 如果温度达到150℃, 电解质就会着火并引发爆炸。这些研究指出了引爆电池的可行性, 但其引爆机理未涉及鱼雷电动力的电池类型, 也未涉及大容量电池的安全、可靠引爆方法与实现途径。

国内仅提出了炸药与电池耦合爆炸式鱼雷战斗部的构想, 但尚未开展相关研究。在现有炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部技术以及锂离子电池热起爆机理的研究基础上, 以装备高能电池的电动力鱼雷为对象, 开展鱼雷电池的起爆方法研究, 以及炸药与电池耦合爆炸技术研究, 具有技术可行性, 相关研究工作急需开展。

4 总结与展望

文章介绍了几种耦合爆炸式鱼雷战斗部技术的相关研究情况, 表明了几种耦合爆炸式鱼雷战斗部均可有效提高对目标的毁伤威力。

1) 对于多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部, 在以往研究基础上, 文中进行了不同分布数量、分布形式的多发装药水下爆炸威力特性及目标毁伤效应研究, 结果表明多装药耦合爆炸式战斗部在鱼雷中具有很高的应用价值。后续需要开展子装药开舱抛撒及水下散布控制技术研究, 以期获得多装药耦合爆炸式水中兵器战斗部的实现途径与方法, 为工程应用提供理论参考。

2) 对于炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部, 在奥托燃料的冲击波感度研究的基础上, 研制了燃料引爆装置, 进行了燃料引爆试验验证, 结果表明通过燃料引爆装置经过隔板引爆鱼雷燃料来提高毁伤威力是可行的。后续需要开展炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部总体设计, 考虑在现有热动力鱼雷战斗部成熟技术的基础上加装燃料引爆装置, 实现炸药与燃料的耦合爆炸, 以兼顾安全性与保障性。

3) 对于炸药与电池耦合爆炸式鱼雷战斗部, 目前尚未开展研究。需要首先启动的研究内容包括: 典型鱼雷电池的可靠引爆方法与威力特性分析、典型装药与电池水中爆炸耦合威力场特性分析, 以及炸药与电池耦合爆炸式鱼雷战斗部总体技术。当前要解决的关键问题是鱼雷电池的引爆机理与途径。

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Research Status and Prospects for Coupling Explosion-based Torpedo Warheads

LU Zhong-bao1, LI Jun-lin2, LU Hai-ling3, LI Qin1, ZHU Qi-feng1, HA Hai-rong1

(1. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China; 2. The Armaments Department of the PLAN, Xi’an 710077, China; 3. Xi’an DongYi Science Technology & Industry Group Co., Ltd., China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710065, China)

Traditional torpedo warheads cannot deliver high efficiency damage to underwater targets based on limitations associated with their charge energy, utilization of charge energy, and damage mode. Therefore, a novel type of torpedo warheads is required. This paper discusses the research status and application prospects of multi-charge coupling explosion-based torpedo warheads and explosive-fuel coupling explosion-based torpedo warheads, as well as related technologies, and discusses the necessity and feasibility of explosive-battery coupling explosion-based torpedo warheads. It is concluded that coupling explosion-based torpedo warheads can deliver high-efficiency damage to underwater targets. Finally, the future study of three coupling explosion-based torpedo warhead technologies is discussed.

torpedo warhead; coupling explosion; damage

鲁忠宝, 李军林, 鲁海玲, 等. 耦合爆炸式鱼雷战斗部研究现状与展望[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(3): 314-320.

TJ630.3; TJ510.3

R

2096-3920(2022)03-0314-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.006

2022-03-10;

2022-05-18.

鲁忠宝(1978-), 男, 研究员, 主要研究方向为水中兵器战斗部.

(责任编辑: 吴 攀)