不同装药战斗部壳体对水中兵器的爆炸威力*

程素秋，陈高杰，高 鑫，王树乐

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连 116041)

炸药在水下爆炸时，会产生冲击波和气泡脉动压力波，二者作用时间和频率不同，但均会对目标产生毁伤作用。而水中兵器的炸药是填装在金属壳体内，壳体的材料、厚度等特性参数对兵器爆炸威力是有影响的，研究战斗部壳体对其水下爆炸威力十分必要。

项大林等[1]对小当量柱形含铝炸药在厚6mm的钢壳或硬铝壳装药下进行了水下爆炸实验与数值模拟研究。盛振新等[2]运用数值模拟计算了不同壳体厚度的冲击波压力峰值，得到带壳装药水下爆炸峰值压力的拟合公式。梁斌等[3]对不同壳体装药在空气和混凝土靶中的爆炸效应进行了数值模拟及实验研究。张奇等[4]研究了战斗部壳体壁厚及壁厚半径比对爆炸空气冲击波传播特性的影响。师华强等[5]研究了水下爆炸冲击波的近场特性。K.Takashi等[6]对装药在不同的厚度、金属以及药量条件下，采用实验的方法开展了水下爆炸的特性研究，发现了壳体对爆炸效果的加强作用。D.A.Jones等[7]分别对6、12 mm钢壳约束下10 kg柱形H6炸药进行了实验与数值模拟研究，佐证了文献[6]的结论。程素秋等[8-9]对舱段模型在水下非接触爆炸下的动态响应进行了数值模拟及实验研究。孙华等[10]分析了PBX的主要性能特点及其装药技术在水中兵器战斗部上的应用。

本文中对相同成份的裸炸药和高强度铝壳战斗部水下爆炸进行对比实验，发现铝壳的存在使装药水下爆炸的比冲击波能、比气泡能及总比能量均有下降，而且不同的炸药下降的幅度不同。如果进一步研究不同材料的壳体(如钢、复合材料等)和裸炸药爆炸威力的差别，对现役兵器战斗部的爆炸威力的考核更具价值。

1 实验方法

爆炸实验是在某海域的实验码头进行的，实验选用复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝和TNT等4种装药，裸炸药实验中炸药形状是圆柱形，具体装药参数如表1所示。通过10个PCB138A型压力传感器及采集设备测量不同炸点的水中冲击波压力。实验时，吊车把测试电缆、压力传感器、被测炸药等组成的测量装置阵架吊放入水，测量系统完成信号的采集、存储、计算等工作。每次实验时的起爆方式、药包入水深度和实验水域深度基本相同(实验是在自然环境中，由于潮汐和海流等客观因素无法做到完全一样)。实验水域、传感器布置如图1所示。每种装药分别做3次实验，每次实验均设10个测点，测点距药包分别为3、4、…、12 m，药包入水深度10 m，实验海域深20 m左右，实验场景见图2。

表1 炸药性能参数Table 1 Detonation parameters of explosives

带壳战斗部实验时，要保证与裸炸药实验具有相同的冲击因子才能进行爆炸威力对比，因而入水深度和实验水深要远大于裸炸药实验。实验选取7个测点，传感器悬吊于固定在尼龙缆绳上的浮球下方，缆绳的一端固定在靶船船舷，另一端系在悬吊炸药包的浮筒上，第一个传感器到炸药包的距离为16 m，传感器之间的间隔为4 m。所用的测量设备和传感器与裸炸药完全相同，实验工况对比见表2。

表2 爆炸实验工况Table 2 Explosion experiment cases

2 无限水域中小当量炸药(无壳)的水下爆炸特性

(1)

(2)

式中：pm为峰值压力，W为炸药质量，R为爆炸距离，Es为冲击波能，ρ0为海水密度，c0为海水中声速。

由冲击波能除以炸药的质量可以得到比冲击波能es。各种炸药的比冲击波能与距离因子的对应关系如图4所示。

从图3中可以看出，不同炸药的水中冲击波峰值压力随距离因子的增加而衰减的规律符合库尔理论，冲击波峰值压力从大到小的顺序为热塑梯黑铝、熔梯黑铝、复合PBX、TNT，但个别测点有重合现象；图4中不同炸药的比冲击波能从大到小的顺序为复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT，但复合PBX、熔梯黑铝和热塑梯黑铝炸药的比冲击波能远大于传统TNT炸药的比冲击波能，而热塑梯黑铝炸药的比冲击波能在距离因子小于4 m/kg1/3时与复合PBX、熔梯黑铝相差较小，在距离因子大于4 m/kg1/3时，远低于复合PBX、熔梯黑铝。由此可知，新型装药(复合PBX、熔梯黑铝)的比冲击波能不仅远大于传统装药，其数值也较稳定，几乎不随距离因子的变化而变化。

比气泡能定义为单位质量的气泡能；不同炸药比气泡能与TNT比气泡能的比值为相对比气泡能。不同测点的炸药总能量为该点的冲击波能与气泡能之和，为使结果更科学，仍然按比能量进行计算，定义总比能量为该点的比冲击波能与比气泡能之和。不同炸药在不同测点的总比能量与该点的TNT总比能量相除，得到相对比总能量，即为不同炸药能量的综合评价。

根据实验测量的气泡脉动周期T，按下式计算炸药的气泡能：

(3)

表3中列出了4种裸炸药在海上实爆实验得到的比冲击波能、比气泡能、总比能量和相对比总能量。从表中可以看出，不同炸药的总比能量和相对比总能量的顺序由高到低分别是复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT。

表3 4种炸药的平均比冲击波能、平均比气泡能、总比能量及相对比总能量Table 3 Energy comparison of four kinds of explosives

通过以上分析得到：

(1) 不同炸药水中爆炸的比冲击波能递减顺序是：复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT；但热塑梯黑铝的比冲击波能随距离因子的增加而明显衰减，其他3种炸药的比冲击波能变化较小。

(2) 不同炸药水中爆炸的比气泡能的递减顺序是：复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT；

(3) 不同炸药的相对比总能量递减顺序是：复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT，其比值近似为：2.03∶1.94∶1.51∶1。

3 无限水域中带壳体战斗部的水下爆炸特性

实验方法和工况设置如第1节中所述。使用的测量设备与传感器和裸炸药实验完全相同，唯一不同的是裸炸药实验在近岸海水中，而战斗部实验是在深海水中。冲击波在海水中的平均传播速度按海水中声速计算，取c0=1 530 m/s。在计算炸药包爆炸后不同测点的冲击波能时，海水的密度按1 000 kg/m3计算。战斗部海上实爆实验场景如图5所示，4种装药战斗部的冲击波峰值、比冲击波能与爆炸距离的对应关系如图6～7所示。

从图6中可以看出，不同战斗部的水中冲击波峰值压力随爆炸距离的增加而衰减的规律符合库尔理论，冲击波峰值压力从大到小的顺序为热塑梯黑铝、复合PBX、熔梯黑铝、TNT，这与裸炸药略有不同；而图7中因数据点较少，没有做拟合曲线，从现有的数据发现，不同战斗部比冲击波能从大到小的顺序为熔梯黑铝、热塑梯黑铝、复合PBX、TNT，但中间二者相差不大，与裸炸药也不同。

做与裸炸药实验数据同样的分析，得到4种战斗部装药海上实爆实验的比冲击波能、比气泡能、总比能量和相对比总能量，详见表4。与表3对比，各项参数都有不同程度的下降，这些能量大多用于壳体的加热、爆炸和燃烧，可见战斗部壳体对于水中兵器爆炸威力的影响还是较大的。除比冲击波能从大到小的排序与裸炸药不同，其他参数从大到小排序与裸炸药基本相同。

表4 4种战斗部的平均比冲击波能、平均比气泡能、总比能量及相对比总能量Table 4 Energy comparison of four kinds of warheads

通过以上分析，可得到如下结论：

(1) 4种带壳战斗部的冲击波峰值压力随爆炸距离增加而衰减的规律均符合库尔公式，只是指数和系数不同，峰值压力从大到小分别是热塑梯黑铝、复合PBX、熔梯黑铝、TNT，热塑梯黑铝的峰值压力最大但衰减较快且一直连续下降，与裸炸药的实验结果一致；

(2) 4种带壳战斗部熔梯黑铝、热塑梯黑铝、复合PBX、TNT战斗部的平均比冲击波能，分别比裸炸药的平均比冲击波能低了17%、20%、31%和15%，除了实验环境的不同(裸炸药在浅水、战斗部在深水)，测试系统、压力传感器都一样，因而认为这些消耗的能量大部分用于壳体爆炸、燃烧；

(3) 4种带壳战斗部复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT的平均比气泡能分别比裸炸药的平均比气泡能减少23%、22%、13%和15%；

(4) 4种带壳战斗部复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT的总比能量分别比裸炸药的总比能量减少25%、21%、15%和15%；其相对比总能量递减顺序是复合PBX=熔梯黑铝(二者并列)、热塑梯黑铝、TNT，与TNT的相对比值近似为：1.80∶1.80∶1.51∶1。

4 结 论

通过无限水域中对4种裸炸药与带壳战斗部水下爆炸特性的实验研究，可以得到：

(1)冲击波峰值压力随对比距离(或爆炸距离)增加而衰减的规律均符合库尔公式，只是指数和系数不同；裸炸药峰值压力从大到小是热塑梯黑铝、熔梯黑铝、复合PBX、TNT，而带壳战斗部峰值压力则是热塑梯黑铝、复合PBX、熔梯黑铝、TNT，但热塑梯黑铝的冲击波压力衰减较快且一直连续下降；

(2)不同装药战斗部的壳体对其水下爆炸威力的影响是较为显著的。实爆实验中复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT的的总比能量分别比裸炸药的总比能量减少25%、21%、15%和15%；这些消耗的能量大多用于战斗部壳体的爆炸、燃烧。

因此，考核水中兵器水下爆炸时的爆炸威力时，战斗部壳体因素必须考虑，不能简化。