水下武器抗爆试验爆源等效问题分析

张梦,孙曙日,张宏欣

(中国人民解放军 91439部队43分队，辽宁 大连 116041)

0 引言

水下武器装备在科研和鉴定试验中，经常需要考核武器装备的抗爆性能。由于完全当量的实爆(战雷等)试验爆源装药量大，安全风险等级高，海上实施困难，且成本消耗巨大。例如美国福特级航空母舰的抗冲击试验计划预算总额约占航母造价的5%之多。因此，在某些条件下，为了使武器装备能够尽快形成战斗力，同时节约试验成本，有时会采用小药量等效方法对大当量条件下的抗爆指标进行换算[1-2]，得出等效的试验考核结论。然而，由于实施等效考核没有明确的规范作为指导，且对于等效爆距计算和最小装药量的选取具有较强的个人经验性和一定的随意性，最终换算的结果同样缺乏相应的标准，导致经常引起争议，因此，有必要对等效试验常用的等效换算方法进行分析研究，下面就一些相关问题进行探讨。

1 等效方法

1.1 冲击波超压等效方法

定义变量C1如下

式中：W为TNT装药质量;R为爆源距离测量点的爆距。

根据库尔经验公式[3]，水下爆炸自由场中的冲击波超压P可由下式计算[4]：

式中：t为冲击波对被试品的作用时间，冲击波压力峰值由著名的533公式给出，

冲击波衰减时间常数为

可以看出，对于任意2种不同的工况，若其C1是相等的，则所考虑的入射点的超压Pm相等。这种形式的C1曾被北约和苏联用于潜艇结构生命力考核[5]，是使用较早的一种等效形式。

1.2 冲击因子等效方法

1.2.1 基于平面波假定的冲击因子

基于平面波假定的冲击因子C2的形式为

这是基于平面波假定且结构遮挡的冲击波能量相等来定义的。

当水下爆炸冲击波是平面波时，无论爆炸大小如何，被试品在垂直于平面波传播方向上的投影面积为常数，此时只要C2保持不变，则冲击波的入射能量不变。

在实际情况中，水下爆炸冲击波是一球形波，对任意球面波而言，被试品在垂直于球面波传播方向的投影面积随药包位置的变化而变化。此时，若仅仅保持C2不变，并不能保证水下爆炸冲击波入射能量不变。

1.2.2 基于球面波理论的冲击因子

C3可以看作是C2的一个修正。修正因子Km的物理意义是考虑球面波效应后对平面波假设的修正。其值域在0～1之间。C3能够较准确地描述水下爆炸的冲击环境，无论何种工况，只要C3相等，结构的冲击响应也应近似相等[6-7]。

冲击因子C1和C2中仅包含药量和爆距信息，因此较难用于等效；C3则除包含药量和爆距信息外，还包含结构尺度。

2 不同等效方法的比较

实爆爆源以1 000 kg TNT药量，爆距80 m为例，等效药包重量分别取为20 kg、10 kg、5 kg、1 kg。(K2取1.5，忽略α角的影响)。实爆1000 kg TNT药量爆源，爆距80 m处冲击波峰值和冲击因子为

药包选取(20 kg、10 kg、5 kg、1 kg)TNT药量，冲击波超压等效爆距：R20=21.715 m;R10=17.235 m;R5=13.680 m;R1=8.000 m。

药包选取(20 kg、10 kg、5 kg、1 kg)TNT药量，冲击因子等效爆距：R20=11.314 m;R10=8.000 m;R5=5.657 m;R1=2.529 m。

药包选取(20 kg、10 kg、5 kg、1 kg)TNT药量，通过冲击因子等效，利用库尔公式计算出各爆距上冲击波超压值：P20=12.374 MPa;P10=14.100 MPa;P5=16.008 MPa;P1=21.763 MPa。式中[8]：SF为冲击因子；P为冲击波超压值；K1为TNT当量系数；K2为海底反射系数，硬质海底一般取1.5；W为水雷装药量，kg；R为爆源至舰船中心的距离，m；α为爆源至舰船中心连线与水平面的夹角。

通过比较看出，利用冲击因子等效比冲击波超压等效考核更为严格，冲击波超压等效适用于远场，冲击因子等效更适用于近场。冲击因子等效药包重量越小，对被试品局部冲击载荷越大。等效药包重量的选取，应根据被试品尺度的大小酌情而定，尽量使被试品整体受到的冲击载荷相一致。

3 等效试验设计

在抗冲击考核试验中，由于受海况和测量条件等诸多不利因素的限制，有时不易确定被试品在水下的姿态，使得被试品的各个部位相对于爆源的距离是不一样的，从而使得被试品各部分受到的冲击载荷出现差异。

为达到被试品迎爆面各点承受的冲击载荷尽量接近实战，等效药量的选取与被试品的尺度有一定的关系。从下图中可以看出，等效药量越大爆距AD(S)越大，AB和AD的差值越小。反之，被试品尺度越大，等效药量就应取的越大，这样才能保证AB和AD的差值在允许的范围内。

以1 000 kgTNT药量爆源为例，沉底爆炸，爆距(AD)80 m，设被试品长为3 m(忽略α的影响，海底反射系数1.5)。正横布放时(如图1所示)，AB=80.014 m。纵向布放时(如图2所示)，EH=81.5 m，EF=78.5 m。冲击因子的变化为

SFAD=0.219 11；SFAB=0.219 07；

SFEH=0.215 08；SFEF=0.223 30。

被试品正横状态时冲击因子最大差值：

SF=0.219 11-0.219 07=0.000 4

被试品纵向状态时冲击因子最大差值：

SF=0.223 30-0.215 08=0.008 22

等效实施被试品正横状态时冲击因子最大差值：

1)等效药量取20 kg TNT：等效爆距S=11.313 7 m；爆距A1B=11.412 7 m，SFA1B=0.217 2，变化量ΔSF=0.001 896 5；

2)等效药量取10 kg TNT：等效爆距S=8 m；爆距A1B=8.139 4 m，SFA1B=0.215 36，变化量ΔSF=0.003 748；

3)等效药量取1 kg TNT：等效爆距S=2.529 8 m；爆距A1B=2.94 1 m，SFA1B=0.188 47，变化量ΔSF=0.030 67。

等效实施被试品纵向状态时冲击因子最大差值：

1)等效药量取20 kg TNT：等效爆距S=11.313 7 m；爆距EF=9.813 7 m，SFEF=0.252 6，爆距EH=14.313 7 m，SFEH=0.173 19，变化量ΔSF=0.079 4；

2)等效药量取10 kg TNT：等效爆距S=8 m；爆距EF=6.5 m，SFA1B=0.269 6，爆距EH=9.5 m，SFA1B=0.184 5，变化量ΔSF=0.085 1；

3)等效药量取1公斤TNT：等效爆距S=2.529 8 m；爆距EF=1.029 8 m，SFEF=0.538 2，爆距EH=4.029 8 m，SFEH=0.137 5，变化量ΔSF=0.400 6。

实弹爆炸试验时，由于爆距相对较大，被试品在水下姿态对整体考核影响较小。而等效方法实施对药包要精确定位，通常采取刚性支撑的办法，为了便于海上实施方便，支杆长度不宜太长，即爆距不能太大，也就是说药包重量选择要合适。同时等效方法考核，对海上试验的组织实施提出了更高的要求。

4 等效试验实施举例

4.1 某型水下武器抗爆科研试验Ⅰ

1)试验条件。

等效药量15 kg TNT，爆距13 m，沉底爆炸，水深40 m。

2)试验方法。

①药包采用有线引爆方式，引爆系统包括起爆电源、起爆电缆、辅助器材等。起爆电源选择12 V直流电源，起爆电缆选择橡胶、屏蔽、芯线直径≥1.5 mm2的两芯电缆，辅助器包括电缆保护索、浮球、浮标等。

②为了确保药包的精确位置，试验武器与药包之间爆距通过刚性三脚支架保证。三脚支架长13 m，为便于操作分成3段。

③试验武器与药包采取同步布放的方法实施。将三脚支架首段固定在试验武器上并一同放置船舷外，并与另2段三脚支架连为一体，三脚支架尾端挂药包并用系绳牵住，药包和试验武器同步缓慢布放直至海底。起爆缆放到起爆船上，边行驶边释放起爆缆至安全区域，检测起爆电路工作状态，正常后待命。当接到起爆命令后，操作人员接通起爆电路，起爆电源通过起爆电缆加到电雷管上，电雷管爆炸药包被引爆。布放后态势如图3。

3)试验结果。

引爆药包2个，2个试验武器经检查外观均无损伤、气密检测合格、引信没有误动且功能正常。结论：该型水下武器抗爆性能满足要求。

4.2 某型水下武器抗爆科研试验Ⅱ

1)试验条件。

等效药量1 kg TNT，爆距3 m，沉底爆炸，水深7 m。

2)试验方法。

①药包采用有线引爆方式，引爆系统包括起爆电源、起爆电缆等。起爆电源选择12 V直流电源，起爆电缆选择橡胶、屏蔽、芯线直径≥1.5 mm2的两芯电缆。

②为了确保药包的精确位置，试验武器与药包之间爆距通过钢管保证，钢管长3 m。

③钢管一头固定在试验武器尾端，一头固定药包，通过吊车实施布放，即将试验武器、钢管、药包准备完毕后，用吊车布入海底。起爆电源放在岸上，通过电缆与爆源连接。操作人员接通起爆电路，起爆电源通过起爆电缆加到电雷管上，电雷管爆炸药包被引爆。实施态势如图4。

3)试验结果。

引爆药包2个，2个试验武器经检查外观均出现明显损伤(尾盖检查孔盖)，气密检测合格，防拆装置启动，引信一体化接收器声灵敏度降低。结论：该型水下武器抗爆性能不满足要求。

5 结束语

用药包等效代替实爆考核，应该是一种不得已才为之的办法。利用冲击因子等效方法代替水下武器抗爆考核，比冲击波超压等效方法更科学、合理、严格。如果等效药包选择过小，被试品局部受到的冲击载荷将很大，不利于整体考核。等效药包药量的选取，应根据被试品尺度、实施可行性等因素综合而定。综合全文所述，给出建议如下：1)在实爆条件不具备，或实施困难的情况下进行等效考核；2)等效考核中，应确保被试品整体结构受到的冲击载荷相等或接近；3)有抗干扰要求时，药包产生的声场强度应大于引信工作门限；4)利用冲击因子公式进行等效计算；5)确定等效药量时应考虑被试品尺度因素，建议选择15～20 kg TNT当量；6)尽早制定等效实施规范、标准。