水下爆炸威力试验与评价方法综述

毛致远, 段超伟, 胡宏伟, 冯海云, 宋 浦

水下爆炸威力试验与评价方法综述

毛致远, 段超伟, 胡宏伟, 冯海云, 宋 浦

(西安近代化学研究所, 陕西 西安, 710065)

准确合理地评估炸药水下爆炸威力对于水中战斗部设计、舰船毁伤评估等任务至关重要。以是否基于效应物为标准, 从自由场参数测量和效应物作功2个方面出发, 综述了水下爆炸威力评估的典型试验, 讨论了对应的评价方法, 重点介绍了板结构的爆炸膨胀试验及其对应的无量纲挠度表征手段。在现有研究成果的基础上提出: 1) 应建立标准化的效应物试验方法; 2) 应加强作功参量、炸药爆轰参量以及载荷参量之间关系的研究; 3）应将爆炸膨胀试验中的无量纲挠度方法应用于水下爆炸威力评价。

水下爆炸; 爆炸威力; 评价方法; 爆炸膨胀试验

0 引言

鱼雷、水雷和深水炸弹是打击水下舰船等目标的重要作战装备, 其装药能量直接影响战斗部的毁伤效能, 因此, 科学评价装药爆炸威力对战斗部设计和舰船毁伤评估具有重要意义。

水下爆炸载荷的种类和特性十分复杂, 除自由场爆炸的冲击波和气泡脉动载荷外, 在近场爆炸中还具有局部空化和水射流等多种耦合效应, 传统的评价方法不能很好地体现水下爆炸威力, 因此需要发展适用于水下环境的威力试验与评价方法。

水下爆炸参数测量试验可以评价炸药的能量输出和分配特性, 具有试验药量较大(几十克到几十千克)、精确度较高等优点, 但需要在爆炸水池中开展, 试验成本高、操作复杂, 且只表征了炸药水中爆炸的能量特征, 不能体现爆炸能量与目标的耦合作用。为了表征炸药水下爆炸对目标的驱动作功[1]和塑性变形作功[2], 人们开发了基于效应物的威力试验及评价方法, 如水下爆炸弹道摆试验[1]、板结构爆炸膨胀试验[3]等, 以变形能、动能、变形挠度等参量评价爆炸威力[4-6], 该类方法能够更全面地反映板结构与爆炸能量的耦合作用, 但由于影响爆炸作功的因素复杂, 尚未建立标准化的试验与评价方法, 通过板结构挠度的无量纲化, 不仅可实现标准化和通用性, 还能为炸药配方设计与选型、威力评估提供重要的理论依据。

文中列举了国内外水下爆炸威力的试验方法及评价手段, 分析了不同方法的优缺点及适用范围, 并对未来的研究发展提出了建议。

1 基于自由场参数测量的水下爆炸威力试验与评价方法

1.1 自由场水下爆炸威力试验

基于自由场的水下爆炸参数测量试验是测定炸药爆炸威力的重要方法, 其主要原理是将炸药悬挂在水下一定高度处, 在确保为理想水域的试验条件下起爆炸药, 通过水下压力传感器测量爆炸冲击压力随时间变化曲线, 积分得到对应的能量输出参数, 如冲击波能和气泡能, 通过对比不同组分炸药的能量大小和分配比例, 评估其爆炸威力。

赵琳等[7]从水下爆炸法的试验结果出发, 通过与理论比较, 表明水下爆炸法的测定是科学可靠的。张兴明等[8]利用水下爆炸测得工业炸药能量为爆热值的76.1%～78.8%, 证明了水下爆炸测定炸药爆炸威力的方法准确度较高。利用自由场水下爆炸试验系统, 可以通过新型炸药的冲击波峰值压力、冲量、能流密度、冲击波能与气泡能等参量分析其爆炸威力, 进而为炸药配方设计提供指导[9-10], 并成为针对结构的水下爆炸毁伤效应评估的有效辅助手段[11]。

自由场的水下爆炸法从本质上来说是一种能量测量方法, 以爆炸输出能量的大小和分配结构为对象, 对炸药威力进行讨论, 具有试验药量大、试验条件稳定可控、结果可重复性好等优点, 是一项实用的炸药爆炸威力测定技术, 但该方法对试验环境有较高要求, 试验实施难度和成本较高, 并且没有与目标的动响应建立对应关系, 无法直接体现炸药爆炸的毁伤威力。

1.2 自由场水下爆炸威力评价方法

爆炸当量法作为一种通用的评价方法, 常用于自由场水下爆炸威力试验中。早期的炸药当量系数都是根据能量相似原理按照爆热换算得到的, 所得爆炸当量某种程度上是对作功能力的考量[12]。为了便于计算炸药爆炸冲击波效应, 又引用冲击波参量进行表征, 利用超压、冲量等参数换算爆炸当量。由于自由场水下爆炸威力试验方法具有可以对临界直径比较大的炸药进行较大药量试验以及冲击波测量精度高等优点, 得到了广泛应用, 爆炸当量法也成为了炸药威力评价工作的常用方法。利用水下爆炸测量方法, 可以得到冲击波与气泡脉动超压的时程曲线。

单位质量炸药产生的有效冲击波能

气泡能是爆轰产物扩散对水环境作功的能量, 可以用第1次膨胀的周期来计算

通过与标准炸药爆炸对应参量对比, 可以换算得到各个参数相对应的爆炸当量。借助水下爆炸的能量当量换算法, 吴兴亮等[10, 13]讨论了聚黑铝炸药和RDX基含储氢材料炸药的能量输出特性; 李瑶瑶等[14-15]研究了不同粘接剂体系对PBX炸药能量输出当量的影响; 秦健等[16]针对几种典型炸药进行了试验, 对不同装药的能量输出结构及能量损失特性进行了分析, 表1列出了在3 m爆距处几种炸药的爆炸结果对比, 通过TNT当量换算, 直观地体现了不同炸药的能量结构差异。

表1 不同炸药水下爆炸能量输出结构参数

爆炸当量反映了炸药爆炸产生的峰值超压,以及比冲量等能量输出参数在一定爆距时的相对大小, 在讨论远场爆炸时有较好的适应性, 但由于水下环境的特殊性, 在中远场乃至近场爆炸时目标结构会对气泡脉动过程产生较大影响[2],与目标的耦合效应会造成能量在空间分布的非对称性, 乃至产生射流等载荷, 使得爆炸当量法在小爆距情形表现出很大的局限性, 不能有效对比在中远场和近场情形下的水下爆炸威力, 因此适用于近场爆炸的效应物评估方法得到发展。

2 基于效应物作功的水下爆炸威力试验与评价方法

2.1 基于效应物的水下爆炸威力试验

水中兵器战斗部主要有2类, 分别是爆破型战斗部和聚能破甲战斗部。其中爆破型战斗部利用装药爆炸对目标壳体造成塑性破坏, 强调装药的塑性变形作功能力。聚能战斗部则是通过形成具有强侵彻能力的金属射流增强局部破坏作用, 强调金属加速能力, 因此需针对不同作战场景配以不同作功特性的装药[17]。针对炸药水下爆炸的刚体驱动加速能力和塑性变形作功能力等, 分别设计了对应的试验方式, 将爆炸威力与不同的应用场景结合起来, 通过作功参数的测量, 间接反映炸药威力。

张显丕等[1]基于空中爆炸的弹道威力摆法[18]的原理设计了用于测量水下接触爆炸驱动能力的弹道摆, 以爆炸驱动下摆体获得的冲量来表征装药水下接触爆炸的威力, 试验装置如图1所示, 研究中还针对气泡膨胀和击砧端面变形造成的影响进行了可靠性分析, 证明了测量结果的合理性。

图1 水下爆炸弹道摆试验装置

舱段的缩比模型毁伤试验是爆炸威力评价中的常用方法, 但由于毁伤效应复杂, 无法对爆炸威力进行定量评价。因此对于非接触近场爆炸, 张显丕等[19]提出了加强舱段缩比模型的结构强度, 使其在爆炸作用下近似为刚体, 以其整体运动响应, 如位移量和运动加速度来表征爆炸载荷的驱动能力, 试验装置如图2所示。通过对不同爆距下的能量吸收比例的讨论, 并经与自由场入射波能量的对比, 可知该方法相对于弹道摆法, 更贴近于实际的舰船目标。

图2 舱段模型剖面图

舰船和潜艇壳体结构多为气背金属板、加筋板、多层板和复合板等, 针对这类结构的水下爆炸响应已有较多研究成果, 其中板结构由于其典型性, 早在19世纪20年代, 布鲁斯顿(Bruceton)和吴兹-霍勒(Woods Hole)试验室就利用铜膜片的塑性变形对爆炸效应的强弱进行了研究[20]。

由于水下作战中打击目标的结构多为金属板及其加固结构, 因此针对平板类结构的爆炸威力评价在水下爆炸中有着重要地位, 部分国家针对板结构水下爆炸膨胀试验已形成了指定的军用规范[3]。爆炸膨胀试验主要有两方面用途: 1) 对新材料和新结构进行冲击响应评估, 检测其抗爆能力; 2) 对炸药爆炸威力进行评价。利用爆炸膨胀试验, Kumar等[21]结合试验板的膨胀挠度讨论了铝粉含量对RDX基混合炸药威力的影响, 试验装置如图3所示, 包括左侧由底座固定的气背金属板以及右侧悬置的炸药, 表2是装药均为45 g柱形、金属板及爆炸工况一致的情况下, 不同铝含量炸药爆炸作用后金属板膨胀挠度。

图3 水下爆炸膨胀试验装置

表2 爆炸膨胀试验金属板膨胀挠度

通过爆炸挠度的对比, Kumar等[22]认为PBX- 25具有较好的爆炸威力, 此外, Kumar等还借助爆炸膨胀试验, 研究了水背板、气背板以及半充水板的响应区别。在国内, 张显丕等[2]通过对可滑移边界效应靶的爆炸膨胀试验, 分析了靶板的动响应特性, 建立了基于效应靶的炸药近场非接触爆炸威力评估试验装置和试验方法, 并对近场爆炸作用下能量吸收利用情况进行了分析, 结合变形能和入射冲击波能与常规装药威力评估结果进行了对比。张斐等[23]和李旭东等[24]借助爆炸膨胀试验, 分析了多次水下爆炸载荷作用下的抗爆和抗冲击能力, 获得了钢板与焊接板的塑性变形规律。

在试验的基础上, 仿真技术已经成为水下爆炸膨胀试验的有效辅助手段。随着数值仿真技术的发展, 依靠LS-DYNA与AUTODYN等的爆炸膨胀仿真计算也得以实现, Suresh等[25-26]结合试验数据, 基于LS-DYNA建立并验证了水下爆炸膨胀试验仿真模型, 研究了气背舱室充水比例对板变形结果的影响, 分析了不同板厚下低碳矩形钢板的变形挠度和变形挠曲线规律, 并结合爆炸冲击因子进行了讨论。李旭东[24]等和张斐等[27]通过建立仿真模型, 对多次爆炸加载下板结构的变形规律进行了仿真, 较准确地还原了试验测得的空化闭合二次加载效应。

现有的基于效应物的试验方法从驱动加速能力、塑性作功能力等方面对炸药水下爆炸威力进行比较, 其中对金属板的爆炸膨胀试验作为一种标准化程度较高的试验方法被广泛应用。

2.2 基于效应物的水下爆炸威力评价方法

水下爆炸效应物毁伤威力评价方法针对破孔半径、塑性变形能和加速度场等作功参数进行了研究[4], 结合试验得到了基于钢板厚度和装药当量的破损长度表征模型, 并利用目标舰船壳体破损的总长度来对爆炸威力进行评价。类似的, 也可以利用效应物壳体破坏半径, 结合试验数据得到基于舰船壳体对应系数和爆炸当量的破坏半径经验公式, 来评价爆炸威力[5]。高浩鹏等[6]利用船体多点的加速度作为评价标准, 构建了加速度场与装药当量之间的函数关系, 最终通过对比加速度相似情形下的等效当量对爆炸威力进行评价。以上评价方法虽以不同的效应物作功参量来反映爆炸威力, 但均未考虑效应物本身的特征量, 因此只在效应物特征严格一致时才具备威力对比的能力, 缺乏通用性。

固支金属板作为一种典型结构, 针对其的爆炸膨胀试验技术比较成熟, 试验方法比较完善, 研究其在爆炸载荷下的变形规律对于炸药水下爆炸威力评价具有参考意义。但目标结构在水下爆炸作用下的动态响应问题非常复杂, 涉及的影响因素很多, 无法对不同工况下得到的试验变形挠度等结果参量进行横向对比, 只能就单一工况进行讨论。针对此, 可利用量纲分析手段对影响板结构变形挠度的相关参量进行分析, 综合考虑爆炸载荷特征参量与金属板特征参量, 建立与无量纲变形挠度的经验关系式, 对不同工况的爆炸膨胀试验威力进行对比, 以拓展评价手段的通用性。

1972年, Johnson将材料简化为理想刚塑性, 对其运动控制方程进行无量纲化, 经过推导分析得到了名为Johnson数的无量纲数[28]

在Johnson数的基础上, 引入外部变量从不同途径进行了修正, 得到不同形式的无量纲数, 修正原则突出无量纲量与板结构的无量纲挠度的线性相关性。针对空中爆炸的研究成果比较丰富, 但水中的无量纲挠度研究结果仍比较欠缺, 表3列出了水下爆炸中得到应用的量纲分析结果及对应的经验公式, 通过板和自由场爆炸载荷的固有参量计算得到对应的无量纲因子, 再结合试验数据对无量纲因子与板的无量纲挠度进行线性拟合, 得到可以表征不同板结构参量和不同爆炸输出能量下板结构无量纲挠度的经验公式。

表3 无量纲因子与经验公式

总体来看, 上述研究从能量、运动参量以及变形量等角度对水下爆炸威力进行评价, 但现有方法缺少体系化和通用性, 爆炸膨胀试验的无量纲挠度方法为炸药水下爆炸威力的评价及预估提供了可行性, 通过收集更多的试验数据及结合实际影响因素改善其形式, 可以进一步拓展其在水下爆炸中的适用性和精度。

3 结束语

水下爆炸的载荷具有多样性和复杂性, 在不同爆距和结构特性下会体现不同的载荷形式。水下爆炸参数测量的试验方法只能对输出能量进行讨论, 而效应物方法能够体现输出能量与结构物的耦合作用, 应当结合水中兵器的具体作战场景, 加强效应物方法的研究, 以更好地对水下爆炸威力进行评估。

1) 目前的效应物试验方法多是针对单一工况而建立, 存在标准化和通用性不足的问题, 建议设计规范化的试验, 建立用于科学合理地评估水下爆炸威力的标准体系。

2) 现有的效应物方法没有厘清作功参量与炸药爆轰参量以及爆炸载荷参量间的关系, 需要更深入地探究炸药性能参数与爆炸威力的相关性, 以便更好地指导炸药配方设计。

3) 针对板结构爆炸膨胀试验的无量纲挠度分析和表征方法比较丰富, 但缺乏在水下爆炸中的验证, 鉴于这类方法的通用性较强、应用范围较广, 值得在水下威力评价中验证、推广和应用。

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Review of Testing and Evaluation Methods for Underwater Explosion Power

MAO Zhi-yuan, DUAN Chao-wei, HU Hong-wei, FENG Hai-yun, SONG Pu

(Xi’an Modern Chemical Research Institute, Xi’an 710065, China)

Accurate and reasonable evaluation of the underwater explosion power of explosives is very important for underwater warhead design, ship damage assessment, and other tasks. Based on the effector-oriented standard, from the two perspectives of free-field parameter measurement and effector work, this paper summarizes typical experiments conducted for underwater explosion power evaluation, discusses corresponding evaluation methods, and focuses on the explosion bulge testing of a plate structure and its corresponding dimensionless characterization means for deflection. Based on existing research results, we propose: 1) establishing a standardized effector testing method; 2) strengthening research on the relationships among work parameters, explosive detonation parameters, and load parameters; 3) applying the dimensionless deflection used in explosion expansion testing to the evaluation of underwater explosion power.

underwater explosion; explosion power; evaluation method; explosion bulge test

毛致远, 段超伟, 胡宏伟, 等. 水下爆炸威力试验与评价方法综述[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(3): 384-390.

TJ610.1; U674.7; O383.1

R

2096-3920(2022)03-0384-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.015

2022-03-10;

2022-04-06.

毛致远(1998-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下爆炸技术.

(责任编辑: 杨力军)