水下爆炸对沉底目标毁伤效应试验验证研究∗

张永坤

（91439部队 大连 116041）

1 引言

随着水中兵器对抗与反对抗技术的发展，各种反水中兵器（鱼雷、水雷）硬杀伤武器不断涌现，其对抗方式主要是通过引爆自身装药来毁伤工作状态下水中兵器的结构，或使得水中兵器丧失主要性能。当水中兵器处于水中工作状态时，在遭遇其它水中兵器或者反制武器所产生的水中爆炸作用下，其只能靠自身的结构特性来抵御水下爆炸作用，此时其抗水下爆炸的能力远小于发射之前。就水雷而言，水下爆炸毁伤水雷的过程极其复杂，整个过程包括炸药的水下爆炸、水下爆炸冲击波的形成和传播、水下爆炸冲击波和水雷的流-固耦合作用，以及水雷和药室内部塑性混合炸药在水下爆炸冲击波作用下的弹塑性响应和破坏这几个方面。目前国内学者通常根据所研究问题的特点，对水下爆炸载荷的两个阶段冲击波和爆炸气泡作用阶段分别进行研究，国内的学者对相应的毁伤情况进行了广泛的研究［1～10］。本文针对水下爆炸对沉底水雷毁伤机理进行试验验证研究，首先结合兵器抗冲击试验研究结果对水下爆炸作用下水雷的破坏模式进行分析，给出水雷破坏的定性特征；然后采用理论分析方法对水雷结构的抗毁伤机理进行分析，指出冲击波是导致水雷毁伤的主要因素；在此基础上，借助试验验证手段对目标水雷在水下爆炸作用下的毁伤机理作进一步验证分析，总结水雷在水下爆炸作用下的毁伤特点及失效规律。

2 水中爆炸作用下水雷破坏模式分析

水中兵器抗冲击包含两种状态，一是目标舰艇遭受攻击，舰载水中兵器在爆炸作用下的抗冲击状态，此种情况可与舰艇抗冲击或兵器毁伤试验一起进行考虑，这部分的相关研究已开展较多［1～10］，为后一种状态的兵器抗冲击研究奠定一定基础；第二种状态是兵器发射后在攻击目标的过程中遭受反制武器打击，或是兵器处于战斗状态遭受反制武器攻击，此种状态下主要判断遭受打击后兵器的状态以及是否还具备有效的打击能力，这种态势是兵器抗冲击更为关注的问题。

2.1 水雷破坏方式

水雷结构主要通常包括雷体、引信装置、回收系统、起爆装置等。根据水下爆炸载荷的强度等级和冲击作用下水雷结构的动态响应状况，水雷主要有以下三种破坏形式［11］。

1）冲击环境恶劣，水雷内部敏感部件破坏或水雷自爆。

当水雷受水下爆炸载荷作用后，仪器锅冲击响应非常剧烈，产生非常大的冲击加速度，从而造成固定在仪器锅上的敏感部件过载破坏，水雷失效。

2）失稳大变形，水雷内部敏感部件破坏或水雷自爆。

当水雷受较强水下爆炸载荷冲击作用后，内部敏感部件开始工作，诱使水雷自爆，或者因水雷壳体失稳大变形敏感部件被破坏，水雷失效。

3）雷体壳体破裂。

水雷壳体直接被冲击波撕裂，水雷内部进水，水雷失效。

采用雷体壳体破裂作为水雷破坏的唯一判据，是一种偏保守的水雷失效判据，满足该判据，水雷肯定失效。

2.2 水雷失效特征阈值

参照水中兵器抗水下爆炸破坏模式，水中兵器抗冲击阈值的确定需要通过雷体结构、推进装置、内部设备等三种抗冲击阈值综合判定。雷体结构阈值的判定主要考虑强度的影响，由雷体的材料、雷体形状及厚度、结构分布特点、加工工艺等因素确定。推进装置阈值判定考虑自身强度及位置结构的影响，主要由本身结构特征以及与雷体的连接部位、保护装置、工作方式等因素综合判定。内部设备阈值判定根据相关的国军标主要考虑设备冲击环境的影响，设备的冲击加速度、温度等参数达到一定量值，导致设备不能正常工作。比较而言，内部设备涉及单元比较多，也相对容易产生破坏，其阈值比较低。

3 水雷抗冲击毁伤机理分析

根据水雷的损伤情况，引起其损伤的水中爆炸载荷主要是冲击波载荷。反制武器对水雷的攻击情况一般可理解为一定当量的药包打击相对较小的目标。水雷目标处于静止或锚泊状态，对于沉底水雷而言，反制武器载荷中冲击波载荷完全起主导作用，气泡的作用基本可忽略［12］。炸药从在水中起爆后冲击波波前即将接触水雷时刻开始，到水下冲击波完全扫过水雷、使水雷结构的塑形动响应结束时刻截止，是研究水下爆炸对结构冲击的关心时间区域。通常炸雷中炸药的爆炸距离一般在几米到几十米，由于水下爆炸冲击波的传播速度约为1500m/s，故这一过程的时间在毫秒量级。

水雷抗冲击毁伤机理研究主要考虑三方面的问题，首先是反制武器装药自身的威力指标。根据具体的装药类型以及装药量，提出反制武器的冲击波参数，主要是冲击波压力峰值以及冲击波冲量。第二是水雷自身的参数。具体包括水雷材料参数、结构形状、结构组成等要素。水雷结构不仅有钢质结构的，考虑隐身性能还大量采用玻璃钢材料。钢质材料一般都视为各项同性材料，其破坏形式主要为壳体塑形变形以及加强结构失稳，需要考虑钢质结构在高压冲击极端条件下的应变率强化、温度软化效应等问题。玻璃钢结构抗爆性能的薄弱环节往往是部件间接头和结合部位，在瞬态冲击载荷作用下，玻璃钢的破坏不仅与压力峰值有关同时与压力作用时间长度有关。玻璃钢的破坏主要是纤维和基体破坏，其抗爆能力主要表现在玻璃钢的结构形式、制造工艺以及材料配方等方面。第三是爆炸冲击载荷与水雷的相互作用。影响因素主要包含爆炸方位、爆炸距离以及边界条件等。对水雷而言，其抗爆炸冲击需考虑雷的沉底或是悬浮布放状态、炸药处于雷的正横或是首尾位置，爆距的控制由反制武器自身的打击半径来确定，不同爆距可能造成水雷内部敏感器件破坏、失稳大变形、壳体破裂等不同程度的毁坏。

水下非接触爆炸对结构的破坏主要是水下爆炸冲击波和脉动压力波作用的结果，作用时间短，过程复杂。当水下爆炸位置距离目标较远时，冲击载荷较小，只能使目标结构发生弹性变形和较大的加速度冲击环境，在目标结构没有发生塑性损伤的时候使结构内部的敏感部件由于冲击过载而失效，从而使目标结构失去原有的功能。当水下爆炸距离目标结构逐渐靠近时，随着冲击载荷的逐渐增大结构会逐渐发生塑性变形，且变形程度与随着爆炸距离的减小逐渐加剧，结构内部空间发生变化，内部构建由于受到挤压而破坏，失去工作功能，造成目标结构失去原有功能。当爆炸距离进一步缩小时，目标结构表面开始出现裂纹、局部破裂穿透，从而结构内部进水，内部空间极度压缩，许多构件被压坏，部分电子元件短路失效，结构被彻底破坏，完全失去原有的功能。当水雷受水下爆炸载荷作用后，仪器锅冲击响应非常剧烈，产生非常大的冲击加速度，从而造成固定在仪器锅上的敏感部件过载破坏，水雷失效。

4 水雷抗水下爆炸毁伤机理试验验证

在水雷抗水下爆炸作用破坏模式及毁伤机理分析的基础上，结合水池爆炸试验对沉底水雷抗毁伤机理进行验证。

4.1 目标水雷相关参数

目标水雷由雷体和仪表锅两部分组成，雷体内部装填炸药和感应线圈棒，安全起见，炸药采用与原装药密度一致的黄沙和铁砂的混合物模拟。仪表锅内部安装引信装置、电池组和水压保险器。感应线圈棒、水压保险器、电池组均与引信装置联接。目标水雷在空气中约重500kg，在水中约重220kg，目标水雷壳体厚度约4mm，雷体结构图如图1所示。

图1 典型沉底水雷目标结构示意图

4.2 试验过程

试验在爆炸水池进行，其水域面积为200m×150m，最大水深为30m。爆源采用35kgTNT当量药包，通过悬挂绳和布放绳悬挂在浮球下方，定深10m。两个目标水雷通过悬挂绳和保护绳分别悬挂在两个浮筒下方，定深10m，其中一个背对炸雷弹，另一个横对炸雷弹。定义雷体轴线与冲击波作用方向垂直为横对状态，雷体轴线与冲击波作用方向平行为背对状态。浮筒之间通过带法兰的距离控制杆联接以准确控制爆距，试验工况如表1所示。

表1 试验工况

自由场压力传感器悬挂在距离控制杆下方，根据炸雷弹中心到目标水雷几何中心的距离等距布放（将测点布置在以炸雷弹药柱中心为圆心，爆距为半径的圆上）。布放完毕后，将测量导线拉到浮动冲击平台上，在浮动冲击平台内的缓冲平台上进行测量。

4.3 试验结果

试验结果包括自由场压力时程曲线及目标水雷毁伤观测效果两部分，通过观测目标水雷结构、内部设备等，对抗毁伤效果进行定量分析；通过自由场压力峰值、冲量等参数对水雷抗毁伤效果进行定性分析，两者结合进行判定。

4.3.1 自由场压力测量结果及分析

各个工况条件下的冲击波压力时程曲线如图2～图4所示，冲击波的峰值压力和冲量的统计结果列于表2。

表2 冲击波峰值压力和冲量对比

图2 爆距7.2m处压力时程曲线（工况1）

图3 爆距8.7m处压力时程曲线（工况2）

图4 爆距9.4m处压力时程曲线（工况3）

表2中峰值及冲量的计算采用式（1）。

Pm冲击波压力峰值，MPa；W装药量，kg；R测点至爆心距离，m。

水中冲击波冲量计算采用式（2）。

I为水中冲击波比冲量，kPa·s。

由表2可知，冲击波峰值压力以及冲量试验值均小于理论估算值，峰值压力试验值与理论估算值比较接近（稍微偏小），冲量偏差比较大。由此可知，在目标水雷已经失效的情况下，冲击波压力峰值基本达到试验的理论值，在此种状态下的冲击波冲量未达到理论值，试验测量结果比较小。说明冲击波冲量未达到理论值的试验态势下，只要冲击波压力峰值达到理论设计值（炸药当量大于一定值），目标水雷就会失效。

在工程实践中以冲击波冲量作为毁伤判据标准更为严厉，在炸药当量达到数十千克TNT装药的情况下，以压力峰值作为水雷目标的判据是可行的，只要冲击波压力峰值达到设计值，水雷就会失效。

4.3.2 目标水雷毁伤效应试验结果及分析

试验过程中，测量获取了典型距离处的自由场压力时程；试验后，对目标水雷进行检测，主要检测雷体、仪表锅、引信装置、电池组、感应线圈棒以及开孔等部分，观测其结构是否变形、进水，性能是否正常。

不同工况不同雷体状态下毁伤效应如表3～5所示，表3为横对状态毁伤效应，表4为背对状态毁伤效应，表5为横对背对状态毁伤效果比对。

表3 不同工况下横对状态毁伤效应

表4 不同工况下背对状态毁伤效应

表5 横对背对状态毁伤效果比对

由表3可知，横对状态下，感应线圈棒性能参数正常，引信装置失效，仪表锅进水，破坏严重。随着爆距变小，电池组性能参数由正常变为无法检测；雷体结构凹陷逐渐增多，变形逐渐加大，但未进水。

由表4可知，背对状态下，引信装置失效，电池组失效。随着爆距变小，感应线圈棒性能参数由正常变为不正常；雷体逐渐出现裂纹并开始进水；仪表锅逐渐凹陷并进水。

表5比较了最小爆距情况下背对状态及横对状态下目标雷的毁伤情况。背对情况下雷体结构、开孔、感应线圈棒的毁伤情况比较严重；横对情况下仪表锅、引信装置、电池组的毁伤比较严重。

从试验试验效应综合来分析，影响因素主要有以下几方面。

1）爆距的影响

通过试验结果比对发现，在横对状态下，随着爆距减小，雷体表面出现多处凹陷，并且呈变大的趋势，但是雷体未进水；仪表锅端面首先发生凹陷，然后内部进水，最后导致撕裂。在背对状态下，随着爆距减小，雷体表面出现多处凹陷，并且呈变大的趋势，最终雷体进水；仪表锅端面首先发生凹陷，然后内部少量进水，最后侧面发生产生扭曲变形，内部进水。

从爆炸毁伤效果来看，爆炸距离对毁伤效果的影响与爆炸动力学理论基本一致，即随着爆距的减小，毁伤效果更加明显。

2）方位的影响

在相同的试验工况下，背对状态的毁伤效果更加明显。以最小爆炸距离作用下来比对，横对状态下，雷体多处凹陷但未进水；仪表锅端面整体凹陷，迎爆面发生产生扭曲变形，根部撕裂，内部进水；开孔处变形大。背对状态下，雷体多处凹陷，出现裂纹，雷体进水；仪表锅整体凹陷，侧面发生产生扭曲变形，有一处裂纹，内部进水；开孔处变形严重。

爆距相同的情况下，不同方位，目标雷体结构变形存在明显差别，直观效果显示背对状态毁伤效果更加显著，雷体多处凹陷，出现裂纹，进水明显，而横对状态下雷体凹陷但未进水。产生此种情况的原因主要与雷体结构特征有关，雷体为细长圆柱体，纵向横向采用的加强结构比较少，轴向惯性矩比径向惯性矩小，导致轴向抗变形能力小，所以产生的变形量大。

3）毁伤判据说明

试验结果表明，在水下爆炸作用下目标水雷的破坏形式主要包括雷体破裂进水、仪表锅破损、仪表锅根部撕裂、组件性能不正常等。在试验中发现仪表锅破损进水情况出现比较多，由于试验中保持目标水雷的状态，在雷体进行填砂处理，而仪表锅结构与实际相同为空腔，故导致仪表锅部分的抗水下爆炸能力很弱，进水失效的条件很容易满足。考虑水下炸雷对水雷破坏的严格要求，保证水雷完全失效，在海战中开辟绝对的安全航道，采用雷体壳体破裂作为水雷破坏的唯一判据，这是一种偏保守的水雷失效判据，满足该判据，水雷肯定实效。

5 结语

通过研究得到一些有意义的结论：

1）在工程实践中以冲击波冲量作为毁伤判据标准更为严厉，在炸药当量达到数十千克TNT装药的情况下，以压力峰值作为水雷目标的判据是可行的。

2）从爆炸毁伤效果来看，爆炸距离变化对毁伤效果的影响与爆炸动力学理论基本一致，即随着爆距的减小，毁伤效果更加明显。

3）从试验结果来看，方位角度变化对毁伤效果存在一定的影响，爆距相同情况下，背对状态的毁伤效果更加明显。

4）通过试验结果，对水雷破坏模式进行分析，采用雷体壳体破裂作为水雷破坏的唯一判据，这是一种偏保守的水雷失效判据，满足该判据，水雷肯定失效。

5）试验设计过程中根据毁伤机理忽略了气泡作用，从装药的角度以及试验的态势情况来看，装药产生的气泡对水雷目标产生了一定的毁伤作用，应该对试验结果进行修正。