大当量集团装药水中沉底爆炸特性试验研究*

张姝红 金 辉

（中国人民解放军91439部队 大连 116041）

1 引言

装药水下沉底爆炸时，由于水底介质边界条件影响，与自由场条件下爆炸呈现出完全不同的特征［1～7］。国内外对于自由场条件下的水中爆炸研究较多，而对沉底边界条件下爆炸特性研究相对较少，对沉底边界的影响认识不够充分，相关的理论研究还不成熟。基于仿真和小当量试验研究认为沉底爆炸时冲击波的底部效应主要为反射波，不同底质有不同的反射效果，对某一具体的水底而言，反射角的大小是影响反射效果的主要因素［8～10］；同时沉底爆炸时对气泡脉动周期和压力等特性也产生影响［11］。由于沉底反射作用对装药的爆炸威力产生较大影响，在水中兵器装药指标设计和作战使用时需考虑海底边界反射作用。

大当量装药水中沉底爆炸更能客观真实反映沉底爆炸现象和输出特性。通过对大当量集团装药水中沉底爆炸试验数据分析，研究试验中水底底质对爆炸冲击波峰值压力和气泡脉动的影响，以及对毁伤作用的影响，可为沉底爆炸的水中兵器装药指标设计和毁伤研究提供参考。

2 水下爆炸基本理论

装药水下爆炸产生瞬时强冲击波，同时爆轰产物形成气泡脉动。自由场条件下冲击波压力按照指数规律衰减，气泡脉动膨胀收缩产生脉动压力，峰值约为冲击波峰值压力的10%～20%。对于密度为1.52g/cm3的TNT 炸药在自由场条件下的冲击波峰值压力［12］和气泡脉动周期［13］公式分别为

式中W为TNT 装药当量，kg；R为爆距，即炸点到测点距离，m；H为装药入水深度，m。

而对于装药水下沉底爆炸，一般根据不同底质在峰值压力计算时对装药当量W乘以相应的反射系数K，如泥沙底为1.2、砾石底为1.5，以此反映沉底爆炸时底质对爆炸作用的影响。但在实际试验中发现沉底爆炸不但对冲击波和气泡产生影响，在相同底质条件下测点方位角变化也会对反射作用产生影响。

3 水下爆炸试验

水下爆炸试验在海上实施，爆源为1000kgTNT集团装药，沉底布放；试验分散布设四个自由场压力传感器，悬布到水中，测点到爆源距离由远及近；爆源上布设零时传感器，记录爆炸零时时刻；水下爆炸测量设备布设在测量载体上，爆炸时刻记录爆炸零时信号和各压力传感器水中爆炸压力时程；利用声速仪测量水中声速。试验布设示意图如图1所示。

4 试验结果

试验测量得到了水中爆炸零时和压力时程曲线。典型实测压力时程曲线和冲击波段时程曲线如图2和图3所示。

图2 实测压力时程曲线

图3 实测冲击波段时程曲线

根据获取的爆炸零时和冲击波到达各压力传感器测点时刻得到冲击波传播时差，利用声速数据计算爆炸时刻炸点到各压力测点距离即爆距R；根据压力传感器布设深度和爆源布设深度得到各压力传感器与爆源垂直距离，计算传感器与爆源连线和海面之间的方位角α和方位角正弦值；由记录的压力时程曲线得到各压力测点冲击波压力峰值，根据式（1）计算各测点理论冲击波峰值，并根据测量峰值计算出海底反射系数K。试验测量爆距R、方位角α、方位角正弦值和计算得到的海底反射系数K如表1所示。

表1 试验结果

5 结果分析

5.1 沉底爆炸特性

由图2 和图3 实测压力时程曲线可以看出，在冲击波衰减段以及冲击波正压作用之后时程曲线不光滑、有多个峰值现象，说明沉底爆炸存在复杂的海底反射作用；由于测点靠近水面，因此冲击波到达前没有产生明显的前驱波；冲击波到达水面产生反射稀疏波，因此在各测点的冲击波衰减阶段均产生明显的水面截断现象。压力数据显示冲击波均按指数规律衰减，各测点冲击波压力峰值随着炸点到测点距离减小而减小，符合水下爆炸冲击波衰减规律和传播规律。

由压力时程曲线读取得到的二次气泡脉动周期均大于自由场条件下的理论计算值，说明沉底爆炸作用下气泡脉动周期有所延长；气泡脉动现象不明显，气泡脉动峰值压力很小，与文献［4］小当量试验现象一致，说明气泡脉动受沉底边界影响较大，大部分气泡能量被海底吸收。

5.2 方位角对沉底反射影响

试验结果对比显示各测点的冲击波峰值压力均大于自由场条件下的冲击波理论计算峰值压力，说明沉底爆炸对冲击波峰值有增强作用，与文献［2～3］中的仿真和小当量试验特性一致。反射系数K随方位角α变化如图4 所示。试验中各测点布设的方位角从57°增大到74°，由图4 可以看出，随着方位角增加海底反射作用增强，说明对于相同的底质，因方位角不同反射作用效果不同。

图4 反射系数K 随方位角α 变化

5.3 海底反射对毁伤能力影响

水中兵器对目标舰艇的毁伤能力一般以冲击因子作为标准，如冲击因子为0.2时，可使舰船退出战斗。文献［14］给出冲击因子SF计算公式为

式中W为装药当量，kg；K为沉底爆炸时海底反射系数；R为炸点到目标中心距离；α为方位角。

假设1000kgTNT 装药沉底爆炸，按冲击因子0.20 毁伤标准、设定海底反射系数为1.3、对应表1中的各方位角正弦值，利用式（3）计算得到对应的爆距R1；按毁伤标准冲击因子0.20、表2 中实测到的不同方位角对应的反射系数K，计算得到对应的爆距R2。由得到的R1、表1 中实测到的不同方位角对应的反射系数K，计算冲击因子SF；计算结果如表2 所示，R1、R2随方位角变化如图5 所示，SF随方位角变化如图6所示。

表2 方位角对冲击因子影响

图5 R1、R2 随方位角变化

图6 冲击因子SF 随方位角变化

由计算结果可以看出，对于相同的毁伤冲击因子，按照试验测量反射系数计算的爆距R2大于按照设定海底反射系数为1.3 计算的爆距R1，即对目标毁伤作用距离增大。对应57°、62°、69°、74°四个方位角，冲击因子大于设定的冲击因子0.2，说明在该方位角范围内毁伤作用有所增强，冲击因子随着方位角增加呈增大趋势。对比结果说明，沉底爆炸中装药与目标方位角变化引起的反射作用变化，会影响沉底爆炸对目标毁伤能力。

6 结语

大当量装药沉底爆炸试验更能真实反映沉底爆炸现象和规律，但试验实施难度大、消耗多，开展次数受限，虽然少量的试验不能完全揭示沉底爆炸规律和特性，但通过对数据的深入分析可以发现并验证装药沉底爆炸的基本现象和特性：

1）沉底爆炸属于复杂边界下的水下爆炸，冲击波传播规律与自由场有显著区别，沉底反射对冲击波起到增强的作用，增强作用大小和测点与装药的方位角有关。

2）当测点靠近水面时，由于冲击波传至自由面时形成反射稀疏波，使测量到的冲击波存在明显的自由水面截断效应现象。

3）沉底爆炸时，气泡脉动现象不明显，脉动峰值与自由场条件下相比小得多。

4）沉底爆炸时方位角变化对反射作用的影响会对装药破坏半径和毁伤能力产生影响。