水中兵器毁伤效能评估现状及发展

徐功慧， 李家波， 赵红光， 邵建军

(中国人民解放军91439部队， 辽宁大连 116041)



水中兵器毁伤效能评估现状及发展

徐功慧， 李家波， 赵红光， 邵建军

(中国人民解放军91439部队， 辽宁大连 116041)

摘要：为真实评估水中兵器毁伤效能，从仿真、毁伤评估等方面对我国开展水中兵器目标毁伤效能评估现状进行论述，分析了水中兵器毁伤效能评估中存在的不足，提出了相应的研究建议。通过分析得出，我国在仿真评估、冲击因子评估及能量评估方面都存在着难以实现水中兵器毁伤效能准确评估的问题。水中兵器毁伤效能评估应在水中兵器毁伤仿真、水中兵器毁伤效能数据库、目标靶及水中兵器毁伤效能评估体系等方面深入研究。

关键词：水中兵器； 水下爆炸； 毁伤效能； 评估； 仿真评估； 数值模拟； 发展建议

1引 言

水中兵器毁伤效能〔1-2〕是影响海军作战能力的重要组成部分。其中，战斗部对目标毁伤效能已成为水中兵器作战效能的核心部分。能否实现水中兵器毁伤效能的真实评估，直接影响水中兵器设计、试验鉴定部门科学考核及指挥员进行战场态势判断。

水中兵器毁伤效能与水下爆炸威力、目标打击部位及目标抗毁伤能力等因素有关〔3-4〕。因此，水中兵器的毁伤效能评估取决于对水下爆炸内在特征和目标特征两大因素的掌握。水下爆炸内在特征包括毁伤机理、毁伤威力、打击方式及命中精度等；目标特征包括目标结构、材质、强度，击中目标部位，目标易损性及防护能力〔5-9〕等。

充分分析我国开展水下爆炸毁伤效能试验、评估现状，进而提出改进方法，是水下爆炸发展的迫切需求。本文广泛搜集了国内外水下爆炸研究资料,经过归纳整理，重点在仿真计算研究、毁伤评估方面进行论述并提出了相应的发展建议。

2水下爆炸效能评估方法分析

水中兵器毁伤效能取决于其自身的威力和目标的防护性能〔10-12〕。效能评估需要回答的问题是：某种爆炸在特定条件下的目标毁伤等级。水下目标的毁伤评估目前主要有仿真评估、冲击因子评估及能量评估。

2.1仿真评估

水中兵器对目标的作用过程分为两部分：近场作用和远场作用。近场作用以局部效应为主，远场作用以整体效应为主。近场爆炸评估方法主要包括Lagrange、 Euler两种主要方法等。两种计算方法的比较见表1。

表1　Lagrange法与Euler法的比较

目前可应用于水中兵器毁伤的软件主要有：ABAQUS、DYNA、USA、AUTODYN。这些软件的优缺点比较见表2。

表2　国内外毁伤计算软件功能评价

从表1、表2可以得出，仿真作为一种手段在水下爆炸毁伤效能研究中扮演着重要的角色〔10〕，但应用于该研究领域还存在不少问题。主要集中体现在：仿真方法大多都依赖于商业成熟软件〔11〕，而这些软件大多都是国外知识产权，并且国外在软件应用方面都有一定的技术封锁；仿真方法具有多样性，主要集中在有限元法和无网格法，国内多家单位在仿真计算中从建模到求解都没有统一的标准，仿真结果的准确性和可靠性难以作出评估。随着计算机硬件技术的发展，仿真虽然能解决很多问题，但应用于该领域还存在一些技术难点，如复杂结构的网格适应性、非线性连接件模拟、水中复杂边界条件模拟、新型装药及结构建模〔12-14〕等。

2.2冲击因子评估〔15-19〕

该方法是基于水下爆炸冲击波相似律得出。美国人库尔在上世纪50年代经大量实验证明，若用来测量冲击波压力及其他特性的长度和时间的比例尺与药包尺寸均增加相同的倍数，则这些特性不变，即冲击波压力Pm=K(W1/3/R)α。同理，该点作用时间及冲量均具有相似律。基于相似律原理的冲击波超压冲击因子定义为C=W1/3/R。式中：C为冲击因子；W为炸药质量；R为爆源与目标距离。英国和前苏联曾经采用这种目标毁伤评估标准。

冲击因子破坏标准包含了标准炸药TNT炸药当量系数、至目标中心的距离，具有一定的局限性。首先，采用这种方法最显著的缺点是小药量爆源对较短爆距爆炸作用目标的冲击波压力存在大于大装药量爆源远距离爆炸时产生的冲击波超压的可能，而前者爆炸对目标产生的毁伤不一定大。这是因为该方法只考虑了冲击波超压单一因素。根据炸药水中爆炸相似律可知，大当量的爆源爆炸作用时间及冲量也会随之增大，该方法恰恰忽略了作用时间及冲量的影响。其次，随着舰船制造技术的发展，西方国家舰船壳体部分采用了高强度的复合材料、缓冲吸能材料，在内壳和外壳间距、水柜的布设、缓冲舱等均进行了较大的改进，使其抗接触爆炸毁伤能力大幅度增强。而冲击因子的计算方法无法因目标、设备及人员的变化而变化，这会导致标准给出的评价方法无法客观反映目标的毁伤效能。

2.3爆炸能量评估〔20-23〕

由于冲击因子评估方法存在不足，以美国为代表的西方国家开始采用能量评估方法进行水中爆炸目标的毁伤评估。

炸药水中爆炸的能量表现为爆炸时产生的冲击波能及气泡能。根据当前水中爆炸能量评估进展，只能够实现理想炸药在自由场条件下的爆炸能量评估，而对炸药在复杂边界条件及非理想炸药的爆炸能量评估方面仍存在诸多问题。为提高炸药水中爆炸能量，水中兵器普遍采用含铝复合炸药。TNT理想炸药爆轰波的传播在化学反应区内进行。含铝复合炸药的爆轰波传播与理想炸药有显著区别，在前沿冲击波过后，铝粉还会与爆炸产生的氮气及碳氧化物中的氧发生反应，放出更多的热量。由于铝粉具有典型的后燃效应，含铝炸药水中爆炸会释放更多的气泡能。将含铝炸药的爆炸能量换算成TNT当量，无法评价其对气泡能的影响即含铝炸药水中爆炸反应机理与TNT不同势必会导致不同的毁伤机理。在沉底爆炸气泡能的评估中，爆炸后气泡形状及脉动周期的变化问题，现在仍没有可信的评估方法。

3开展水中兵器毁伤效能评估的发展建议

3.1加强水中兵器毁伤仿真研究

随着计算机技术的飞速发展，当前的计算方法也不断更新，计算规模不断扩大，从最初的梁模型发展到今天，对包括适当深度的水在内的全船建模已成为建模方法的主流，计算效率和精度都有了长足的进步。但是，由于水下爆炸的复杂性，要想使数值计算方法达到最终实用，还需要在计算效率和计算精度上进一步提高，同时使建模更为规范和快捷。主要包括以下一些方面：

(1)新型流体单元的构造。由于对水面舰艇的计算中，通常会出现大片产生空泡的区域，构造更高效的流体单元，可明显提高计算速度。在固体单元的处理时，重点解决网格的变形问题；对于流体的处理，重点解决水中爆炸特性传播，尤其是金属化炸药水中爆炸传播特性问题。

(2)计算结果的处理方法。复杂结构的数值计算中会出现高频数值噪声等问题，需要更合理有效的处理计算结果来得到更精确的解。目前国际上水下爆炸数值模拟计算较成熟的是DYNA软件和USA(Underwater Shock Analysis)模块相结合。USA采用了边界元(BEM)方法和双重渐近近似(DAA)理论。由于其明显的军事作用，美国将USA模块对中国大陆禁运。

在国内通常采用大型通用有限元分析商业软件与自主研发程序相结合的方式开展水下爆炸的数值模拟计算，但还存在着很多难以解决的计算问题，如对整船目标的计算收敛问题。做近场爆炸时，应对爆源、结构和结构周围近场的水介质采用DYNA软件中的单元来模拟，对远场的水介质用USA模块来处理；做远场爆炸时，结构用DYNA软件中的单元模拟，流体场全部用USA模块处理。应对近场、远场的单元模块进一步优化，解决计算无法收敛、失真的问题。

(3)探讨和总结更为合理的建模方法。对大型复杂结构的计算过程中，如何建立更为合理的模型需要长期的经验积累。目前，数值计算方法的计算精度仍需要接受试验的考核，不断总结更合理简洁的建模方法，显得十分必要。

(4)探寻更为合理的材料模型和损伤模型。舰船结构存在很大的材料特性不同，随着舰船抗毁伤技术的发展，很多新型材料及新型抗毁伤性能结构正在应用于舰船抗毁伤设计中。如有不同钢材料结构、三明治结构、纤维金属层合板材料等。对这些新型材料或新型结构的毁伤模型，国内还缺少研究数据，需要通过试验研究等确定适合特定目标的材料模型和损伤破坏模型。

开展仿真技术研究，可有效降低研究成本、加快项目研究进度。水中兵器毁伤研究是一项高投入、高风险性的试验，由于我国还处于发展阶段，开展仿真技术研究，可有效提高研究效率，加快项目研究进度。

3.2建立完备的水中兵器毁伤数据库

水中兵器毁伤数据库对水中兵器试验鉴定、作战使用等具有重要意义，以美国为代表的西方国家非常重视水中兵器毁伤数据库建设。美国于1946年12月成立了水下爆炸研究部门。该部门于1961年与美国海军水面作战中心的卡得罗克部门结盟，组建了舰艇生存能力与武器爆炸效应评估研究部门，多年来逐步发展建立了完善的武器毁伤效应数据库，形成了一套规范的学科体系，用于承担美国海军的武器爆炸试验、测试及评估分析任务。韩国于1990年开始建设水中兵器爆炸试验评估中心，1995年完成第一期建设，2001年完成第二期建设。该中心由国防系统试验中心支持，主要任务是承担水中兵器毁伤效应试验、测试与评估。澳大利亚成立了防御科技组织，该组织完成了大量的澳大利亚海军水下爆炸冲击试验研究工作。

与西方发达国家相比，我国现役水中兵器毁伤效能数据库建设应随着水中兵器的发展同步展开。由于不同装药爆炸能量的产生、传递、与目标的作用方式、作用机理都存在不同；小当量装药爆炸试验中，由于试验环境、试验条件存在较大差别，试验结果与实际作战时的爆炸毁伤效能会有很大不同。因此，应开展实际作战环境下的爆炸毁伤性能试验，取得真实的爆炸毁伤效能试验数据，建立国内统一的毁伤效能数据库，提高数据库使用效率。

3.3加强目标靶研究

水中兵器按其作战使命不同，作战对象主要有水面舰艇、潜艇、蛙人以及码头等军事目标。应加强敌方目标靶的研究。应对西方国家舰船壳体材料，抗沉水柜的布设、缓冲舱设置等均进行科学系统研究，建立外军舰艇目标模拟靶、潜艇舱段综合试验舱，开展我国水中兵器对目标靶的毁伤效能研究，充分掌握其抗爆炸毁伤能力，解决目前目标毁伤因子难以评判的难题。

3.4加强水中兵器毁伤效能评估研究，完善毁伤评估体系建设

应从水中兵器的毁伤目标指标出发，根据实际作战环境下的爆炸毁伤性能试验数据及仿真研究成果，研究水中兵器水下爆炸做功能力、能量输出结构。针对具体目标壳板、舱室、舰(艇)载设备的毁伤机理和毁伤效果，加强对复杂边界条件下水中兵器爆炸毁伤研究，制定不同边界条件下水中兵器爆炸毁伤效能指标。进行新型装药、新型装药结构战斗部的爆炸毁伤研究，细化新型战斗部对各种典型目标和目标不同方位毁伤效能指标。总结出规律，建立各种水中兵器爆炸威力、近距对舰艇结构的毁伤评估以及远距对舰艇的冲击评估毁伤评估方法、标准和计算、评估模型，依此建立完善的水中兵器毁伤效能评估指标体系，编制或修订军标规范。

3.5整合资源，形成强大的集体攻关力量

水中兵器毁伤效能及舰艇毁伤研究工作具有涉及单位多、研究内容包含多个学科、研究工作经费需求大、时间跨度长等特点，不能仅仅依靠一两次试验或通过一两次专项研究就达到预期，需要充分整合军地优势资源、成立专门的组织机构、组建专门的研究队伍、制定相应的政策和研究规划，形成全国一盘棋的态势，在关键瓶颈难点上集中攻关，大幅提高攻关能力。首先应在充分的研究基础上建立完善的水中兵器毁伤效能指标体系，建立统一的研究平台，以约束水中兵器设计、规范研究方向、提供评估依据。然后在统一的研究平台上，统筹硬件建设，避免重复投资；在技术研究上应开展水中兵器水中爆炸能量传播特性、目标响应特性、仿真模块的建立、算法的优化及标准体系的建立等的分工协作研究，聚力攻关，形成水中兵器毁伤评估能力。

4结 语

客观真实评价我国水中兵器毁伤效能是影响海军作战能力的重要环节。水中兵器毁伤效能评估应在水中兵器毁伤仿真、水中兵器毁伤效能数据库、目标靶及水中兵器毁伤效能评估体系等方面重点发展，进一步整合军地资源，组成国家队，形成强大的集体攻关力量。

参考文献(References)：

〔1〕 张振华，牟金磊，陈崧，等. 大型水面舰艇在重型鱼雷水下近距爆炸作用下的毁伤效应[J]. 海军工程大学学报，2013，25(1)：48-53.

ZHANG Zhen-hua，MOU Jin-lei，CHEN Song，et al. Anomalous dynamics response of ship beam to near-field underwater explosion of heavy torpedo[J]. Journal of Naval University of Engineering， 2013，25(1)：48-53.

〔2〕 周方毅，詹发民，吴雨强，等. 不同药型罩聚能装药水中接触爆炸毁伤效应[J]. 工程爆破，2014，20(1)：9-12.

ZHOU Fang-yi，ZHAN Fa-min，WU Yu-qiang，et al. Damage effect from underwater contact blasting of different liners shaped charge[J]. Engineering Blasting，2014，20(1)：9-12.

〔3〕 李万，张志华，李庆民，等. 水下爆炸作用下结构的毁伤评估研究[J]. 船舶力学，2014，18(1-2)：90-97.

LI Wan，ZHANG Zhi-hua，LI Qing-min，et al. Research on damage assessment of underwater structure by underwater explosion[J]. Journal of Ship Mechanics，2014，18(1-2)：90-97.

〔4〕 鄢顺伟，杜茂华，王伟力，等. 战斗部内爆对舰艇舱室的毁伤效应仿真[J]. 海军航空工程学院学报，2013，28(2)：181-187.

YAN Shun-wei, DU Mao-hua, WANG Wei-li，et al. Damage effect simulation of warhead inner explosion in warship cabin[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical，2013，28(2)：181-187.

〔5〕 王金娥，杨文山. 水下爆炸射流载荷对平板结构的冲击毁伤特性研究[J]. 船舶工程，2014，36(1):40-43.

WANG Jin-e, YANG Wen-shan. Study on impingement damage characteristics of jet load on flat plate structure subjected to underwater explosion[J]. Ship Engineering，2014，36(1):40-43.

〔6〕 陈海龙，周姝，孙丰，等. 水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验效果估算方法评估[J]. 舰船科学技术，2013，35(10)：33-37.

CHEN Hai-long，ZHOU Shu，SUN Feng，et al. Estimation on estimation method of warship shell experimental damage subjected to underwater contact explosion[J]. Ship Science and Technology，2013，35(10)：33-37.

〔7〕 梁德利，王超，岳永威，等. 大型军辅船抗空爆结构毁伤特性数值研究[J]. 传感器与微系统，2013，32(5)：24-27.

LIANG De-li，WANG Chao，YUE Yong-wei，et al. Numerical research on damage performance of large-scale auxiliary military ship anti air explosion structure[J]. Transducer and Microsystem Technologies，2013，32(5)：24-27.

〔8〕 侯海量，张成亮，李茂，等. 冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性[J]. 爆炸与冲击，2015，35(1)：116-122.

HOU Hai-liang，ZHANG Cheng-liang，LI Mao，et al. Damage characteristics of sandwich bulkhead under the impact of shock and high-velocity fragments[J]. 2015，35(1)：116-122.

〔9〕 宋贵宝，蔡滕飞，李红亮. 舱室在爆炸冲击载荷作用下的结构毁伤研究[J]. 科学技术与工程，2014，14(3)：268-270.

SONG Gui-bao，CAI Teng-fei，LI Hong-liang. Studies on damage effect of cabin structure subjected to the explosion impulsion load[J]. Science Technology and Engineering，2014，14(3)：268-270.

〔10〕 崔杰，智广信，黄超. 基于ALE算法的船体板架射流载荷下毁伤模式分析[J]. 噪声与振动控制，2015，35(2)：188-193.

CUI Jie，ZHI Guang-xin，HUANG Chao. Analysis of damage modes of a ship′s stiffened plate subjected to bubble jet loading based on ALE method[J]. Noise and Vibration Control，2015，35(2)：188-193.

〔11〕 王耀辉，陈海龙，岳永威，等. 水下接触爆炸作用下的船体板架结构毁伤研究[J]. 中国舰船研究，2012，7(4)：76-82.

WANG Yao-hui，CHEN Hai-long，YUE Yong-wei，et al. Damage study on ship plate frame subjected to the underwater contact explosion[J]. Chinese Journal of Ship Research，2012，7(4)：76-82.

〔12〕 姜颖资，王伟力，黄雪峰，等. 爆炸冲击波对反舰导弹发动机舱的毁伤效应[J]. 海军航空工程学院学报，2014，29(4)：341-344.

JIANG Ying-zi，WANG Wei-li，HUANG Xue-feng，et al. Damage effect to anti-ship missile engine cabin by explosion shock waves[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2014，29(4)：341-344.

〔13〕 张伟，田阿利，王珂，等. 舱内爆炸破片特性及其毁伤威力[J]. 舰船科学技术，2015，37(4)：13-18.

ZHANG Wei，TIAN A-li，WANG Ke，et al. Research on characteristics of explosive fragment in ship and its destructive power[J]. Ship Science and Technology，2015，37(4)：13-18.

〔14〕 姚熊亮，许维军，梁德利. 水下爆炸时舰船冲击环境与冲击因子的关系[J]. 哈尔滨工程大学学报，2004，25(1)：6-10.

YAO Xiong-liang, XU Wei-jun,LIANG De-li. The relation of impulsive environment and impulsive factor on underwater explosion of ship[J]. Journal of Harbin Engineering University，2004，25(1)：6-10.

〔15〕 陆遐龄，梁向前，胡光川，等. 水中爆炸的理论研究与实践[J]. 爆破，2006，23(2)：9-13.

LU Xia-ling, LIANG Xiang-qian, HU Guang-chuan，et al. Theoretical research and engineering practice about underwater blasting[J]. Blasting，2006，23(2)：9-13.

〔16〕 周方毅，陈晓强，张可玉，等. 无限水介质中爆炸冲击波压力计算公式辨析[J]. 爆破，2003，20(1)：6-11.

ZHOU Fang-yi, CHEN Xiao-qiang, ZHANG Ke-yu，et al. Analyses on formulae of pressure caused by explosive shock wave in indefinite water media[J]. Blasting，2003，20(1)：6-11.

〔17〕 胡俊波，张志华，李庆民，等. 水下爆炸对水下目标的毁伤评估研究[J]. 振动与冲击，2010，29(10)：206-210.

HU Jun-bo, ZHANG Zhi-hua, LI Qing-min,et al. Damage assessment of underwater explosion for underwater target[J]. Journal of Vibration and Shock，2010，29(10)：206-210.

〔18〕 李万，张志华，梁胜杰，等. 水下目标在水下爆炸作用下的毁伤指标研究[J]. 振动与冲击，2012，31(10)：40-44.

LI Wan，ZHANG Zhi-hua，LIANG Sheng-jie，et al. Damage indexes of underwater target subjected to underwater explosion[J]. Journal of Vibration and Shock，2012，31(10)：40-44.

〔19〕 姚熊亮，曹宇，郭君，等. 一种用于水面舰船的水下爆炸冲击因子[J]. 哈尔滨工程大学学报，2005，28(5)：501-509.

YAO Xiong-liang,CAO Yu, GUO Jun，et al. Research on the response of warships to impulsive factor of underwater explosions[J]. Journal of Harbin Engineering University，2005，28(5)：501-509.

〔20〕 崔杰，张阿漫，郭君，等. 舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果[J]. 爆炸与冲击，2012，32(4)：355-360.

CUI Jie，ZHANG A-man，GUO Jun，et al. Damage effect of cabin structure subjected to bubble jet[J]. Explosion and Shock Waves，2012，32(4)：355-360.

〔21〕 张志华，李万，罗荣，等. 两装药水下爆炸毁伤目标振动信号时频分析[J]. 振动与冲击，2013，32(9)：79-83.

ZHANG Zhi-hua，LI Wan，LUO Rong，et al. Time-frequency analysis of vibration signal of underwater target subjected tounderwater explosion of two explosive charges[J]. Journal of Vibration and Shock，2013，32(9)：79-83.

〔22〕 张成亮，朱锡，侯海量，等. 爆炸冲击波与高速破片对夹层结构的联合毁伤效应试验研究[J]. 振动与冲击，2014，33(15)：184-188.

ZHANG Cheng-liang，ZHU Xi，HOU Hai-liang，et al. Tests for combined damage effect of blast waves and high-velocity fragments on composite sandwich plates [J]. Journal of Vibration and Shock，2014，33(15)：184-188.

〔23〕 周霖，徐更光. 含铝炸药水中爆炸能量输出结构[J]. 火炸药学报，2003，26(4)：30-36.

ZHOU Lin, XU Geng-guang. Configuration of underwater energy output for aluminized explosive mixtures[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants，2003，26(4)：30-36.

Situation and development of the damage efficiency evaluation on underwater weapons

XU Gong-hui， LI Jia-bo， ZHAO Hong-guang， SHAO Jian-jun

(PLA 91439 Unit, Dalian 116041, Liaoning， China)

ABSTRACT：In order to evaluate the damage efficiency of underwater weapon，the present situation of damage evaluation of underwater weapon target was discussed from the aspects of simulation and damage evaluation. The shortcomings of the evaluation of the underwater weapon damage were analyzed，and the research direction suggestion was put forward. According to the analysis, it was difficult to realize the accurate evaluation of the weapon damage efficiency in simulation evaluation, impact factor evaluation and energy evaluation. Underwater weapon damage efficiency evaluation should take further study on the simulation of underwater weapon damage，underwater weapon damage efficiency database，target and damage efficiency evaluation system.

KEY WORDS:Underwater weapons; Underwater explosion; Damage efficiency; Evaluation; Simulation and evaluation; Numerical simulation; Development suggestion

文章编号：1006-7051(2016)02-0038-05

收稿日期：2015-10-30

作者简介：徐功慧(1967-)，男，高级工程师，主要从事水中兵器爆炸威力试验及舰船设备抗冲击试验研究。E-mail：sjj05@126.com

中图分类号：TD235; O382.1

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.008