爆破型鱼雷爆炸威力试验评估方法

【装备理论与装备技术】

爆破型鱼雷爆炸威力试验评估方法

李洪涛，奚慧巍，高顺林，蒋文聪

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连116041)

摘要：为了探寻评估爆破型鱼雷战斗部爆炸威力的科学方法，研究了爆破型鱼雷的两种毁伤模式，梳理了在工程设计时采用的鱼雷爆炸威力表征模型，提出用能量法、通过试验测量手段，来评估战斗部爆炸威力，并建立评估模型。结果表明：爆破型鱼雷对水面舰艇的毁伤模式分接触爆炸和非接触爆炸；接触爆炸对舰船壳体局部结构造成毁伤，非接触爆炸对船底局部结构和总纵强度造成破坏；工程设计上采用的鱼雷爆炸威力表征模型，不适用于采用新型防护设计的现代舰船，忽视了气泡能对舰船总纵强度的破坏作用；用能量法评估爆破型鱼雷爆炸威力科学可行；鱼雷无靶静爆、实航固定靶、实航活动靶3种试验模式，不仅可实现威力评估，结合靶船毁伤情况，还可以对鱼雷的毁伤能力作出评价。

关键词：爆破型鱼雷；爆炸威力；能量评估法；试验方法

收稿日期：2015-03-24

作者简介：李洪涛(1966—)，男，硕士，高级工程师，主要从事武器装备、水下爆炸冲击试验与测量研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.005

中图分类号：TJ741

文章编号：1006-0707(2015)09-0018-04

本文引用格式：李洪涛，奚慧巍，高顺林，等.爆破型鱼雷爆炸威力试验评估方法[J].四川兵工学报，2015(9):18-21.

Citationformat:LIHong-tao，XIHui-wei，GAOShun-lin，etal.TestEstimatingMethodsforTorpedoBlastingWarheadExplosionPower[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):18-21.

TestEstimatingMethodsforTorpedoBlastingWarheadExplosionPower

LIHong-tao，XIHui-wei，GAOShun-lin，JIANGWen-cong

(TheNo. 91439thTroopofPLA,Dalian116041,China)

Abstract:The study of damage mode for blasting torpedo warhead，explosion power models, the energy estimating method and test methods was presented in this paper. Results show the following characters: The damage mode of blasting torpedo on surface ship includes contact explosion and noncontact explosion, and the former causes the local structure damage of outer hull, while the latter causes the local structure damage of bottom and longitudinal strength； Torpedo explosion power characterization model is adopted in warhead engineering design，and does not apply to the use of modern ship，and bubble effects on the longitudinal strength is ignored； By the method of energy evaluation of blasting torpedo explosion power is feasible； These three kinds of test methods can realize not only the explosion power evaluation，but also the damage ability evaluation.

Keywords：blastingtorpedo；explosionpower；energyestimatingmethod;testmethod

鱼雷按战斗部装药方式不同，可分为爆破型鱼雷和聚能型鱼雷。爆破型鱼雷一般为重型鱼雷，装药量大，主要由水面舰艇和潜艇投射，主要攻击目标是水面舰艇。以接触爆炸或近距离非接触爆炸为雷目交会条件，以冲击波超压、爆轰产物、气泡脉动、滞后流等为毁伤元素，以单枚或多枚齐射为主要攻击方式。

鱼雷对舰船的毁伤程度主要是由以下因素决定：装药量及起爆方式，爆心与舰船的距离和相对位置，目标舰船抗爆炸冲击防护能力等。现代作战舰艇为了抵御导弹、水中兵器等的毁伤，普遍增加了外壳厚度并使用高强度的合金材料，因此具有了很强的抗爆能力。使用一枚甚至几枚鱼雷去摧毁一艘现代舰艇，变得越来越困难。为了给目标毁灭性的打击，总是希望鱼雷的装药量越多越好，但在鱼雷的总体布局上却难以实现。当鱼雷装药量不能大量增加时，单条鱼雷命中目标往往不能给敌方目标以致命的打击。于是，开始研究如何提高鱼雷的爆炸威力，增加装药量、提高装药的TNT当量系数、在装药中加入铝粉等物质提高爆炸产生的气泡做功能力等方法被广泛采用。

目前，鱼雷战斗部的研制大多是在陆上进行有限的陆上试验，由于陆上与水下战斗部的爆炸作用机理存在巨大差异，陆上试验测试结果有很大的局限性，大多只能证明战斗部爆轰的完全性，不能对鱼雷战斗部的毁伤性能进行全面的考核，真正的毁伤性能得不到检测和评估，鱼雷战斗部对水中目标的毁伤结果更是无法进行客观准确的评定[1]。

本文通过阐述爆破型鱼雷战斗部爆炸毁伤机理，梳理目前对爆破型鱼雷爆炸威力的表征形式及存在的问题，提出通过试验手段、利用能量评估方法，来评估爆破型鱼雷战斗部的爆炸威力。

1爆破型鱼雷对水面舰艇的毁伤模式

炸药水中爆炸会产生高温高压气团，压力传递到周围水介质中以冲击波的形式向各个方向传播。冲击波过后，爆炸气体产物以气泡的形式做膨胀与收缩的循环运动，这个过程称为气泡脉动。如图1所示，通常气泡第一次脉动时形成的压力波(简称二次波)做功能力最强，也最有实际意义。研究表明，二次波的最大压力不超过冲击波压力的10%～20%，作用时间是冲击波作用时间的几十至上百倍[2]。

图1　水下爆炸压力波和气泡现象

爆炸产物形成的气泡在水中进行多次膨胀和收缩运动，而气泡的每次脉动总要消耗一部分能量。最初约有爆炸总能量的53%消耗于冲击波的形成，剩余的能量用于气泡脉动。能量分配情况见表1[3]。

鱼雷对舰船的攻击分接触爆炸和非接触爆炸两种方式。接触爆炸就是鱼雷与目标直接碰撞产生爆炸，一般是利用触发引信的惯性开关作为敏感元件来感知雷目相遇时产生的撞击加速度；鱼雷和舰船水中接触爆炸时，爆炸产物和水中冲击波直接作用在舰船壳体上，对目标结构的作用是一个高度非线性动态响应过程，时间短，过程复杂。水中接触爆炸根据爆炸部位的不同，可导致断首、断尾、中部舰体的较大破口或大面积塑性变形。当接触爆炸冲击波作用于充满液体的舱室时，冲击波将通过舱内液体传播到其他部位，造成更大的破坏；在爆炸区域，可能导致舰载设备、管系、人员的严重损伤，或者电器设备短路起火、弹药和可燃气体爆炸等。

表1　水下爆炸能量分配情况

非接触爆炸时，鱼雷不与目标直接碰撞，而是在相距一定距离时就发生爆炸。由近炸引信感知目标距离和方向，并适时发出起爆信号。目前，鱼雷一般采用触发-近炸联合引信，攻击的目标一般为单个目标，当鱼雷接近并以一定角度和距离在目标附近通过时，近炸引信能可靠探测目标并适时引爆战斗部。当鱼雷在船底中部附近爆炸时，冲击波和气泡同时作用在舰船上。具有作用时间短、峰值压力大特点的冲击波载荷首先发挥作用，通常会引起船底板的局部破坏，如出现局部塑性区、局部破口等，局部损伤较接触爆炸要轻；随后气泡载荷开始发挥作用，气泡的膨胀收缩运动会引起舰船底部的压力场变化，引起船体结构的“鞭状运动”，危机舰船的总纵强度；严重时，中拱和中垂状态可能会使舰船从中部折断破坏，同时气泡脉动载荷会使舰船产生强烈的震动，造成设备、人员的大范围损伤。

2爆破型鱼雷爆炸威力表征模型

目前，对爆破型鱼雷爆炸威力的描述没有统一的标准，通常采用爆炸冲击波压力、破坏半径、壳体破口长度等参数来表征。

2.1舰船壳体破损总长度

接触爆炸时，鱼雷爆炸威力用舰船壳体破损总长度来表示[4]

(1)

式(1)中：W为鱼雷装药量(TNT当量)，kg；Lz为舰船壳体破损总长度，m；tk为舰船壳体钢板厚度，cm。

对于大中型水面舰艇，所能承受的最大允许破口长度的统计值为13m。

2.2冲击波压力

非接触爆炸时，鱼雷爆炸威力用冲击波压力来表示[4]

(2)

式(2)中：p为鱼雷爆炸冲击波压力，atm；k为炸药的质量系数，通过试验确定；R为舰船到爆心的距离，m；α为常数，通过试验确定；对于装药密度为1.52g/cm3的TNT炸药，k=533，α=1.13。

实战和试验结果表明：p≥700atm时，可击沉没有装甲防护的水面舰艇；p≥465atm时，可使水面舰艇受到严重损伤；p≥310atm时，可使水面舰艇受到中等损伤。

2.3破坏半径

设计鱼雷装药量时，鱼雷爆炸威力用破坏半径来表示。爆破型鱼雷对于有防雷装置舰艇的破坏半径为

(3)

式(3)中：rp为爆破型鱼雷破坏半径；kc为系数，对于战列舰kc=0.4～0.5；对于航母与巡洋舰kc=0.55～0.6。

对于无防雷装置舰艇的破坏半径为

(4)

式中：p为破坏无防雷装置舰艇所需压力，Pa；对于驱逐舰，p=1 200Pa。

上述3种爆破型鱼雷爆炸威力的表征形式存在以下共性问题：研制单位进行爆破型战斗部装药设计时，通常采用上述方法计算装药量，其实并不代表战斗部的真实爆炸威力，也缺乏实战检验；所用的经验公式可能适用于对老式舰船的毁伤，而对于采用新型防护设计的现代舰船适用性大大降低；以战斗部装药量、产生的冲击波压力大小衡量其爆炸威力的观点，忽视了气泡能的影响，而非接触爆炸气泡能对舰船总纵强度的毁伤是致命的。

3爆破型鱼雷爆炸威力试验评估方法

3.1能量评估法

爆破型鱼雷战斗部的爆炸威力，最终体现在其做功能力上，因此应从能量观点来评价其爆炸威力。根据远程能量测试结果，炸药水下爆炸总能量可粗略认为由初始冲击波能和气泡能构成。冲击波是水下爆炸主要输出载荷，其传播过程中发生对非理想流体介质水的不可逆冲击加热，在初始传播阶段发生能量损失，总能量由下式得到

A0=μEs+Eb

(5)

式(5)中：A0为总能量，Es、Eb分别为冲击波能和气泡能，μEs为初始冲击波能；而μ是能量损失因子，其数值可按Bjarnholt的经验公式进行计算：

(6)

(7)

距离炸药中心R处的水下爆炸冲击波能量按下式计算[6]

(8)

式(8)中：Es为距离装药中心R处的冲击波能量，MJ/kg；ρw为水的密度，常温淡水一般取1.0g/cm3；Cw为水的声速，常温淡水一般取1 460m/s；m为炸药质量(含传爆药的爆炸等效质量)，kg；ta为冲击波到达时间，s；τ为积分上限，取τ=ta+6.7θ，s。θ为水中冲击波的时间衰减常数，为冲击波时程曲线上从峰值压力下降到其1/e幅值的时间，e为自然对数底数常数。

气泡能按下式计算[6]

(9)

式(9)中：Eb为气泡能，MJ/kg；ph为炸药中心处静水压和试验时当地大气压之和，Pa；h为炸药中心入水深度，m。Tb为气泡脉动周期，s；通过判读冲击波压力时程曲线获得。

基于上述分析研究，爆破型鱼雷战斗部爆炸威力应是上述相关参数的函数，即有

Wp=f(μ,Es,Eb)=

(10)

可见，在试验条件下，可以通过测量手段比较准确地评估爆破型鱼雷战斗部爆炸威力。接触爆炸时，可只考虑冲击波能的作用；非接触爆炸时，初始冲击波能和气泡能都要考虑。

3.2试验方法

利用鱼雷水下静态爆炸试验，测量相关参数，计算爆炸冲击波能和气泡能，可以比较准确评估鱼雷的爆炸威力；利用鱼雷实航爆炸试验，不仅可以评估鱼雷的爆炸威力，还可以对目标舰船的毁伤情况进行测量和评估，进而评估出鱼雷的毁伤能力。

3.2.1静态爆炸试验工况设计

鱼雷装药雷体(不装引信，加装起爆控制系统)悬浮于水下爆炸深度，在该深度上布放自由场压力传感器(一般不少于六只，建议将传感器错位安装)，传感器敏感元件到爆心的距离应大于最大气泡脉动半径，试验工况如图2所示。试验系统通常由鱼雷装药雷体、压力传感器组、起爆装置、触发装置、数据采集系统等组成，数据采集可由起爆装置(同步机)触发，也可通过安装在雷体上的零时传感器触发，压力信号经低噪声信号电缆传输至数据采集系统。

图2　鱼雷静态爆炸试验

3.2.2实航爆炸试验工况设计

新型鱼雷在设计定型时都要进行实航打靶试验，可结合实航爆炸试验测量评估鱼雷的毁伤能力。实航爆炸试验分为攻击固定靶和活动靶两种情况。攻击固定靶时，靶船锚泊于海面，潜艇瞄准发射鱼雷，鱼雷出管后以直航方式攻击靶船；攻击活动靶时，按照实战条件下的战术进行。靶船稳速稳向航行，发射艇隐蔽探测、跟踪，解算目标运动要素，发射鱼雷并自动导向目标。这两种方式的主要区别在于：前者可以测量自由场压力，并利用冲击波时差法解算爆心位置坐标(通过3个以上已知坐标点的压力测点，测出其与爆心之间的准确距离，利用方程可求解爆心位置坐标)，而后者在运动的靶船周围布设测点很难实施，无法准确测量爆心位置，但攻击方式更贴近实战。

试验系统通常由发射潜艇、鱼雷战雷、靶船、测量系统等组成。测量系统包括压力传感器组(固定靶)、应变片、加速度传感器等，遥控触发装置，数据采集系统等。攻击固定靶试验工况如下图，在靶船四周选取4个测点，成对布设压力传感器，布设深度与鱼雷爆炸深度相同；在靶船上布设应变片、加速度传感器、遥控触发装置、数据采集系统(可回收)等；鱼雷在靶船下方一定深度和一定范围内爆炸，采集自由场压力、应变、冲击加速度等信息。

图3　鱼雷攻击固定靶实航爆炸试验

3.2.3试验测量与数据处理

1) 静态爆炸试验。测量参数：水的密度ρw，水中声速Cw，鱼雷装药雷体爆炸深度处静水压与当地大气压之和ph，装药雷体距测点距离Ri，爆炸深度h，冲击波压力时程pi(t)，爆炸零时t0，气泡脉动周期Tib。

所需测量设备：水文测量设备(ρw，Cw，h)，大气压力计(ph)，自由场压力测量系统(p(t)，t0，Tb)。

通过测量自由场压力、爆炸零时等参数，取不少于3个测点测量值的平均值，计算各测点爆距、冲击波能、气泡能和爆炸能量，评估鱼雷水中爆炸威力。

2) 实航爆炸试验。测量参数及测量设备：在静态爆炸试验测量基础上，增加应变、冲击加速度测量参数及测量系统，靶船壳体破口尺寸、船体结构损伤情况等。利用测量数据计算爆心位置、冲击波能、气泡能和爆炸能量，结合应变、冲击加速度数据和壳体破口尺寸、船体结构损伤情况等，评估鱼雷的毁伤能力。

4结论

爆破型鱼雷对水面舰艇的毁伤模式分接触爆炸和非接触爆炸。接触爆炸对舰船壳体局部结构造成毁伤，非接触爆炸对船底局部结构和总纵强度造成破坏；工程设计上，常用舰船壳体破损总长度、作用在舰船上的冲击波压力、鱼雷破坏半径等作为爆破型鱼雷爆炸威力表征模型。这些模型可能适用于老式舰船目标，却并不适用于采用新型防护设计的现代舰船；这些模型也忽视了气泡能对舰船总纵强度的重要作用；用能量法评估爆破型鱼雷爆炸威力，有理论和工程模型支撑，通过试验测量相关参数，可以实现威力评估；设计的鱼雷无靶静爆、实航固定靶、实航活动靶3种试验模式，可单独组织实施，也可结合部队训练、演练进行，不仅可实现威力评估，结合靶船毁伤情况，还可以对鱼雷的毁伤能力作出评价。

参考文献：

[1]郭涛，吴亚军.鱼雷战斗部技术研究现状及发展趋势[J].鱼雷技术，2012，20(1)：74-76.

[2]王晓峰，陈鲁英.炸药的水下爆炸威力[J].兵工学报：火化工分册，1995(1)：30-34.

[3]沈哲.鱼雷战斗部与引信技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[4]张阿漫，郭君，孙龙泉.舰船结构毁伤与生命力基础[M].北京：国防工业出版社，2012.

(责任编辑周江川)