舰船水上动爆冲击波超压测量研究∗

（91550部队43分队 大连 116023）

1 引言

舰船的冲击波超压测量对提高反舰船武器的性能和提升舰船抗打击能力设计都非常重要，国内外多家科研机构展开了相关研究。瑞典在20世纪70年代潜艇舱段水下爆炸测试中布设了78个测量通道。荷兰在1996年的Troika爆炸测试中布设了56个测量通道。美国在海狼级核潜艇的爆炸测试中布设了1600多个测量通道。2000年韩国在MSH实船的爆炸测试中布设了200个测试通道。取得了大量原始数据。国内实船爆炸测试较少，1981年在某型实船爆炸测试中布设了197个测量通道。2007年到2008年进行了三型舰船动爆测试，测试技术有一定的进步［1］。敖妙［2］通过群触发技术，提高了舰船爆炸测试触发的可靠性，通过数据的多位置冗余备份和无线传输技术，提高了数据的获取率。劳展杰［3］利用自研的软件对导弹穿舱爆炸进行了仿真研究。戴荣等［4］探讨了舰船毁伤特征在打击效果评估中的应用。但对舰船水上动爆冲击波超压测量的研究较少，针对这一问题，本文研究分析了影响冲击波超压的因素和动爆对冲击波超压测量的影响，利用美国的BlockⅡ反舰导弹进行实例计算，并对舰船水上动爆冲击波测量的关键技术进行了分析。

2 影响冲击波超压的因素分析

2.1 爆炸冲击波超压估算

根据爆炸动力学理论，装药在空气介质中爆炸时的冲击波超压估算公式［5～6］为

其中，Δp为冲击波波阵面上的超压，单位：MPa；ωt为质量为ω的装药的TNT当量，单位：kg；R为距爆心的距离，单位：m。

在密闭空间中，冲击波运动方向垂直于壁面时，壁面承受最大超压，即

其中，p0为大气压，Δpm为反射冲击波超压，多方指数γ取1.4。

2.2 带壳装药对冲击波超压的影响

装药爆炸后，释放的能量分为三个方面，爆轰产物内能的增加、爆轰产物动能的提升和产生的破片的动能。由于带壳装药爆炸时首先要破坏外壳，因此能量会比裸露装药要小。带壳装药与裸露装药的关系［7］为

其中，ωq为带壳装药相当于裸露装药的当量；ω为装药的质量；α为装填系数，α=ω/(ω+q)，q为壳体的质量；a和b为形状系数，圆柱形壳体装药a=1，b=2，球形壳体装药，a=2/3，b=3；r0为装药壳体的初始半径，rp0为装药壳体破裂半径，钢壳近似取rp0=1.5r0，铜壳取rp0=2.24r0；多方指数γ取 1.4［8］。

装药释放的总能量只有很少一部分消耗在壳体的变形和破碎上，约占1%～3%，在精度要求不高的估算中可以忽略。

2.3 装药速度对冲击波超压的影响

因为装药的运动，导致爆炸冲击波超压能量增加。由能量相似原理，总能量等于装药爆炸产生的能量和装药运动产生的动能之和，可以认为相当于装药量增加［7，9］：

其中，ωv为运动装药相当于静止装药的质量；Q为装药的爆热；v为装药运动的速度；ω为装药的质量。

3 动爆对冲击波超压测量的影响

3.1 着靶位置不确定

精确制导装药的命中精度通常用圆误差概率（Circular Error Probability，CEP）来表征，圆误差概率是指以瞄准点为中心，以半径R画一个圆形，在稳定投射条件下多次投射，将有50%的落点位于这个圆形之内，详见文献［7］的相关内容。

由CEP的定义，结合圆概率定义，容易推出当R≈2.55RCEP时（取两位小数，下同），装药的概率Pm为

即精确制导装药有0.99的概率是落在以瞄准点为圆心，半径为2.55RCEP的圆内，因此可认为导弹的着靶点半径为2.55RCEP。

如美国的捕鲸叉BlockⅡ反舰导弹，CEP半径10m，续航速度0.85马赫，战斗部装药为99kg的PBX炸药［10～11］，PBX炸药的爆热为8210KJ/kg。则着靶点位置0.99的概率是以瞄准点为圆心半径25.5m的圆，0.5的概率是半径为10m的圆。

在动爆测试中，由于受风、海流和靶体动力的影响，靶体本身也不是固定的，除了计算着靶区域外，还需要把靶体本身的运动参数列入计算，包括位置、速度、航向、姿态等。

3.2 冲击波超压峰值的变化

装药的TNT当量计算公式为

其中，ωt为装药的TNT当量，单位：kg；ω为装药的质量，单位：kg；Q为装药的爆热，单位：KJ/KG；Qt为TNT炸药的爆热，4180 KJ/kg。

仍以美国的捕鲸叉BlockⅡ反舰导弹为例，在密闭舱室内爆炸时，利用式（6）算出其TNT当量为194.45kg。声速取340m/s，利用式（4）算出其由于运动导致总当量增加为195.44kg，增加0.50%。不计装药壳体的破碎和变形消耗的能量，标准大气压p0取0.10MPa，利用式（1）、（2）对在密闭舱室内爆的爆炸冲击波超压从1m～10m，步长为1m，进行估算，结果如表1。

由表1可以看出，从1m～5m，冲击波超压变化154.80倍，从1m～10m，冲击波超压变化1727.06倍。在进行爆炸冲击波测量时，既要覆盖冲击波的数值范围，又要防止量程过大造成信号信噪比过小而失真。静爆测试中，由于装药位置确定，可以根据计算选择合适量程的传感器进行测量。动爆测试中，由于着靶位置不确定，导致冲击波超压变化很大，容易超出传感器的量程，致使数据失真度较高，甚至无法测量。

表1 密闭舱室内爆冲击波超压与距离的关系

4 舰船水上动爆冲击波超压测量的关键技术

4.1 数据获取

由前面的分析可知，舰船水上动爆造成冲击波超压数值变化范围很大，很难获得真实有效的数据，为解决这一难题，目前的主要方法如下。

1）在同一位置附近布设多个不同量程的传感器

理论上可以较好地解决冲击波超压峰值动态范围较大的问题，但由于传感器本身非常昂贵，一般单个都是万元级别的，而且由于工作环境恶劣，传感器和配套线缆的布设、防护难度很大。随着传感器数量的增加，传感器的同步触发、数据的存储和传输难度也随之增大。在传感器造价没有大幅下降、相关技术没有大的进步的情况下实现难度较大。

2）采用自动增益控制技术

采用自动增益控制技术的系统一般分为可变增益控制部分和反馈部分两部分，信号采集后分别进入两个部分，反馈部分将输入信号幅值与参考信号相比较，根据比较结果控制可变增益部分的增益的大小，以达到信号既有较好的信噪比和精度又不会因为信号幅度太大而造成截幅的目的，在多个领域有广泛应用［12］。缺点是在反馈控制增益调整和稳定的时间段内，输入输出关系不确定，可能会造成数据失真或丢失。冲击波超压这种高瞬态数据正压作用时间一般都在ms级别，前沿上升时间在μs级别，对系统的响应速度和稳定性有很高的要求，如果自动增益系统的响应时间与冲击波超压作用时间相比不能忽略不计的话，就会对测试数据的可信度造成影响。目前自动增益系统的响应时间也在μs级别，因此采用该技术采集的测试数据有一定的不确定性，有待自动增益系统的响应速度进一步提升。

3）采用多增益技术

即同时采用多种不同增益对同一信号进行放大的技术。使用时通过多支并联放大电路对采集到的信号进行放大并存储，通过比较选取放大后数值最接近放大电路A/D转换满量程但不截幅的支路作为最优信号输出，提高数据传输效率。通过最优选择使得选出的信号有较高的信噪比，而且是同时完成，不存在数据丢失。是目前比较好的解决动爆测试数据处理的方法［13］。

4.2 数据防护

由于舰船动爆测试的费用极高，涉及到大量兵力行动，而且测试是破坏性的，被试舰船有可能会在被攻击后不适合人员再登上甚至沉没，因此如何将得到的数据保护好并下载下来是关键技术之一。目前主要的方法是通过冗余设计，提高数据防护的鲁棒性。如使用多点存储点，舰船倾覆集中存储点自动脱落抗沉技术，并结合无线加密传输技术将数据传至安全平台的方法提高数据防护的可靠性。如文献［2］的测试数据除在各测点进行存储外还在被试船只的船首和船尾分别设置集中数据存储点，并将其中一个集中存储点用浮箱进行保护，防止船只沉没造成数据丢失，并对数据进行无线传输，较有效提高了数据的防护能力。文献［1］对无线数据压缩和加密进行了优化，并设计了基于时间的智能自毁功能，如果在设定的时间内未对数据进行读取，测试数据将被自动清除，有效提高了数据防护能力。

4.3 同步触发

所有数据只有在统一的时间轴下才更能反映毁伤的过程，因此同步触发技术也是测试的关键技术之一，主要也是通过冗余设计、粗壮设计来提高同步触发的可靠性。组合使用内触发和外触发技术，利用手动和爆炸产生的超压、冲击震动、断线、声、光等效应来进行传感器的同步触发。组合的触发种类越多触发的可靠性越高，但系统的复杂程度增强，可靠性变低，因此通常不同时采用超过三种的触发方式。

5 结语

针对舰船水上动爆冲击波超压测量问题，分析了影响冲击波超压的因素、动爆对冲击波测量的影响，利用美国的捕鲸叉BlockⅡ反舰导弹进行了实例计算，总结了舰船水上动爆冲击波超压测量的关键技术，对测试工作的开展和装备的建设有帮助和参考意义。虽然国内在舰船动爆测试中做了不少的研究，获得了一定的数据和测试结果，但相关研究的层次仍有较大的提升空间，主要原因是舰船动爆测试成本高，危险程度高，工况复杂，组织实施难度大。水下爆炸是实战中造成舰船毁伤的另一个主要因素，二战中的大型战列舰如俾斯麦号、大和号等的沉没都主要由是水下爆炸造成的，由于水的密度和可压缩性等与空气有很大区别，舰船的水下动爆问题有待进一步研究。