基于能量修正的战斗部爆炸威力数据处理方法*

李　琛　李家波　刘文思

(91439部队　大连　116041)

基于能量修正的战斗部爆炸威力数据处理方法*

李琛李家波刘文思

(91439部队大连116041)

摘要为有效检验和准确评估战斗部爆炸威力，确定合理的战斗部爆炸威力数据处理方法，分别采用冲击波峰值压力修正和能量修正的方法处理冲击波压力时程数据，计算战斗部爆炸能量，并依据炸药爆炸相对能量评估法评估战斗部爆炸威力。经试验数据处理结果分析验证，采用能量修正处理冲击波压力时程数据的方法能够有效修正测量系统误差和忽略战斗部水中爆炸热损耗能的计算误差，从而提高爆炸能量的计算精度，该方法可作为战斗部爆炸威力数据处理的通用方法。

关键词战斗部爆炸威力; 爆炸能量; 数据处理方法; 能量修正

Class NumberTN219

1引言

战斗部爆炸威力是反映水中兵器作战性能和毁伤目标能力的重要参数，也是水中兵器试验鉴定的重要内容。目前战斗部爆炸威力主要通过水下爆炸物理场，即冲击波压力场、气泡脉动、爆炸能量等方面进行评估。战斗部爆炸能量测定通常采用炸药水下爆炸能量的测定方法，测定方法研究在国内外已经取得很大进展[1～7]，但这些研究未涉及大量装药战斗部爆炸能量的测定和修正。在处理冲击波压力时程数据计算战斗部爆炸能量过程中，常采用标定压力传感器灵敏度修正冲击波峰值压力的方法修正测量系统误差；但因忽略战斗部水中爆炸的热损失能[8]带来的误差无法修正，难以准确计算战斗部爆炸能量。因此，研究确定合理的冲击波压力时程数据处理方法对于有效考核和准确评估战斗部爆炸威力、客观评定水中兵器作战性能和毁伤目标能力具有重要意义。

本文基于炸药爆炸相对能量评估法[9]评估爆破战斗部爆炸威力，分别采用冲击波峰值压力修正和能量修正的方法处理冲击波压力时程数据，计算战斗部爆炸能量；通过试验结果对比及误差分析，确定合理的战斗部爆炸威力数据处理方法，以减小测量系统误差和忽略战斗部水中爆炸热损耗能的计算误差，从而提高战斗部爆炸威力评估的准确性。

2爆破型战斗部爆炸威力的表征

衡量水中爆炸威力的两个重要能量参数是冲击波能和气泡能[10]。爆破战斗部球形装药水中爆炸释放的能量，一部分随水中冲击波传出，称为冲击波能Es；一部分存在于爆炸产物气泡中，称为气泡能Eb；还有一部分能量以热的形式散逸在水中，称为热损失能。热损失能无法直接测量，一般把Es与Eb的和作为炸药总能量ER的近似值。爆破型战斗部爆炸威力WT用战斗部装药TNT当量表征，即战斗部装药和标准铸装TNT炸药的相对比爆炸能量与战斗部装药质量的乘积。

2.1冲击波能Es

在水下爆炸中，冲击波是引起目标破坏的主要作用因素。

1) 冲击波压力P(t)

对于铸装TNT球形药包，水中冲击波的波后压力随时间变化的衰减规律P(t)[11]可表示为

P(t)=Pme-t/θ

(1)

(2)

式中，Pm为冲击波压力峰值(Pa)；θ为时间常数(s)；WTNT为药量(kg)；R为爆距(m)，R0为炸药药包半径(m)。

2) 冲击波能Es[2]

(3)

式中，Es为冲击波能(J/kg)；R为爆距(m)；WTNT为药量(kg)；ρw为水密度(kg/m3)；cw为水中声速(m/s)；θ为冲击波衰减常数(s)；P(t)为距爆源R处冲击波超压(Pa)随时间变化的函数关系。

2.2气泡能Eb

装药在无限水介质中爆炸时，气泡脉动引起的二次压力波峰值一般不超过冲击波峰值的20%，但其作用时间远大于冲击波作用时间。

气泡能Eb[2]

(4)

式中，Eb为气泡能(J/kg)，Tb为第一次气泡脉动周期(s)，由(5)式确定；ρw为水密度(kg/m3)；Ph为炸药深度h(m)处的静水压力(Pa)。

(5)

2.3爆炸能量ER

一般把冲击波能Es与气泡能Eb的和作为炸药总能量ER的近似值，即

ER=Es+Eb

(6)

2.4战斗部爆炸威力WT

战斗部爆炸威力，即战斗部装药TNT当量WT由式(7)确定：

WT=W×η

(7)

(8)

式中：W为战斗部装药质量，η为战斗部装药与标准铸装TNT药球的相对比爆炸能量，ERTNT为标准铸装TNT药球水下爆炸能量理论值。由式(9)、(10)计算标准TNT药球水下爆炸冲击波能Es和气泡能的理论值[8]：

(9)

Eb=1.99×106(J/kg)

(10)

并由式(6)计算标准TNT药球水下爆炸能量理论值ERTNT。

3战斗部爆炸威力数据处理方法

战斗部爆炸威力数据处理即冲击波压力时程数据的处理，目前可采用冲击波峰值压力修正的方法及爆炸能量修正的方法，二者主要差别是标定试验中修正的参数不同。标定试验取标准铸装TNT药球(密度为1.52g/cm3)作为爆源，试验工况与战斗部爆炸威力试验相同。

3.1冲击波峰值压力修正

冲击波峰值压力修正基于标定试验中，标准TNT 药球爆炸产生的冲击波峰值压力实测值和由式(2)计算的理论值进行对比，修正压力传感器灵敏度系数；并将修正后的压力传感器灵敏度用于战斗部爆炸试验中冲击波压力时程数据的修正，计算爆炸能量和TNT当量，从而获得战斗部爆炸威力。主要步骤如下：

1)由标定试验冲击波压力时程曲线，获得不同爆距Ri测点冲击波峰值压力Pmt；

2)由式(2)计算标准TNT药球不同爆距Ri测点冲击波峰值压力理论值Pmi；

4)通过压力传感器的灵敏度修正系数修正战斗部爆炸试验冲击波压力时程数据；

5)由式(3)～式(6)计算距离装药中心R处各测点的Es、Eb和ER；

6)由式(7)、式(8)计算战斗部爆炸的TNT当量值WT。

3.2爆炸能量修正

爆炸能量修正基于标定试验中，标准TNT药球爆炸产生的冲击波能和气泡能的实测值及由经验公式式(9)、式(10)得到的理论值进行对比，修正爆炸能量；并将爆炸能量修正系数用于战斗部爆炸试验中冲击波压力时程数据的修正，计算爆炸能量和TNT当量，从而获得战斗部爆炸威力。主要步骤如下：

1)由标定试验冲击波压力时程数据和式(3)～式(6)，计算距离装药中心R处各测点的冲击波能Es、气泡能Eb和爆炸能量ER；

2)由式(9)、(10)计算密度为1.52g/cm3标准铸装TNT药球距离装药中心R处的Es和Eb的理论值；

4)根据实测的战斗部爆炸试验冲击波、气泡能数据，乘以修正系数k，并由式(7)、式(8)，计算战斗部爆炸的TNT当量值WT。

4试验数据处理方法对比

采用6kg标准TNT药球进行2次标定试验和4次爆炸试验，分别采用文中的两种数据处理方法，计算药球爆炸能量和威力，并进行误差分析。

4.1试验工况及数据处理结果

采用冲击波峰值压力修正方法处理爆炸威力数据，结果如表1所示，其中工况1、2 为标定试验数据。

采用能量修正方法处理爆炸威力数据，结果如表2所示，其中工况1、2 为标定试验数据。

表1　冲击波峰值压力修正方法数据处理结果

表2　能量修正方法数据处理结果

从表1可以看出，采用冲击波峰值压力修正方法修正爆炸威力数据，计算爆炸威力结果与6kgTNT的误差为15%；从表2可以看出，采用能量修正方法修正爆炸威力数据，计算爆炸威力结果与6kgTNT的误差为0.37%。

4.2试验结果分析

试验数据处理结果表明，在处理冲击波压力时程数据计算爆炸威力的方法中：

1)冲击波峰值压力修正方法误差相对较大

受海面、海底以及目标反射等的影响，冲击波压力时程曲线上会出现驼峰、海面截断效应等非线性特征，如图1所示。采用冲击波峰值压力修正方法，线性修正冲击波压力时程数据，如图2所示，在计算冲击波能时必然会带来较大误差；同时，气泡能和冲击波压力时程数据中的脉动周期有关，修正冲击波峰值压力无法对气泡能进行修正，从而导致计算爆炸威力的误差相对较大。

图1　冲击波压力时程曲线

图2　冲击波峰值压力修正时程曲线

2)爆炸能量修正方法误差相对较小

炸药水中爆炸释放的能量有一部分以热的形式散逸在水中，这部分热损失能虽无法测量，但通过标定试验能量修正后，不仅减小了测量系统误差同时修正了忽略热损失带来的计算误差，因此，用能量修正的数据处理方法计算战斗部爆炸威力的误差相对较小。

3)用冲击波峰值压力修正方法处理冲击波压力时程数据时，气泡能无法修正，若气泡能采用实测值计算爆炸威力，误差在15%左右。

5结语

本文分别采用冲击波压力峰值修正和能量修正方法处理冲击波压力时程数据，6kg标准TNT药球作为爆源进行两次标定试验和四次爆炸试验，计算炸药的爆炸威力。从试验结果和数据误差分析中可以看出：冲击波峰值压力修正法通过峰值压力理论值线性修正冲击波压力时程数据，只能修正系统误差和冲击波能，对气泡能无法修正，因此，难以修正因忽略炸药水中爆炸热损失能带来的计算误差，计算爆炸威力误差较大；爆炸能量修正法修正战斗部爆炸能量，不仅修正系统误差，同时对因忽略炸药水中爆炸的热损失能带来的计算误差也能加以修正，在计算战斗部爆炸威力时误差较小。因此，基于能量修正的冲击波压力时程数据处理方法可作为爆破战斗部爆炸威力数据处理的通用方法。

参 考 文 献

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Data Processing Method of Blast Warhead Explosive Power Based on Energy Modification

LI ChenLI JiaboLIU Wensi

(No.91439 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn order to effectively test and accurately assess blast warhead explosive power, reasonably determinate warhead explosion data processing method, it respectively uses shock wave peak pressure modification method and energy modification method to process shock wave pressure-time data in this passage in calculating warhead explosion energy and assessing warhead explosion power based on explosive energy relative evaluation method. The processing results of test data validate that the energy modification method can effectively modify measurement system error and the calculation error which ignore the warhead explosion heat consumption, so as to improve the precision of the calculation of explosion energy. This method can be used as a general data processing method of warhead explosion power.

Key Wordsblast warhead explosive power, specific explosion energy, data processing method, energy modification method

*收稿日期：2015年12月7日,修回日期：2016年1月30日

作者简介：李琛,女,硕士,高级工程师,研究方向：水下爆炸试验测量与数据处理。李家波,男,工程师,研究方向：水下爆炸试验总体。

中图分类号TD235.3

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.020

刘文思,男,博士,工程师,研究方向：水下爆炸试验测量与数据处理。