爆炸冲击波对模拟电台靶标毁伤效应分析

崔国龙,姚文进,郑 宇

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室， 南京 210094)

1 引言

在现代化、信息化战争背景下，电子目标成为战争中不可忽视的一类目标，杀爆弹主要毁伤元之一的爆炸冲击波作为常规毁伤元对电子目标的毁伤受到了大量学者关注。在电子目标毁伤方面，任秀敏[1]研究了冲击波对相控天线的毁伤。谭波[2]等研究了舰艇舱内设备的毁伤评估。安凯[3]研究了破片对航天器内部设备的毁伤。吴凡达等[4]研究了含能战斗部对电子设备的失能毁伤。马艳丽[5]研究了破片、冲击波对雷达目标的毁伤。王丹等[6]建立了爆破弹药对装甲车通讯设备的毁伤律模型。在装药空爆产生的冲击波威力参数计算方面，Sadovskyi[7]、Brode[8]相继提出对爆炸冲击波压力的经验计算公式及其适用范围。Clare Knock等[9]对长径比为4的圆柱形装药的轴向冲击波峰值超压进行了预测，结合冲击波超压传感器的超压数据,拟合得到轴向冲击波超压及比冲量的经验计算公式。Knock[10]基于长径比大于2的圆柱形药柱冲击波超压、比冲量经验公式的基础上，通过B炸药、Pentolite以及PE4的空爆试验,拟合得到适用于任意长径比的圆柱形装药的超压预测公式。侯俊亮等[11]通过AUTODYN软件对不同形状和长径比的冲击波进行了数值仿真与分析，得出等效球形装药公式，并通过试验进行了验证。段晓瑜等[12]研究了不同炸药在空气中的爆炸冲击波在地面的反射超压，通过对试验数据进行拟合，得出了炸药在空气中的爆炸冲击波地面反射超压公式。聂源等[13]通过欧拉流体力学软件SPEED修正超压计算公式中的修正因子，并通过校验获得了动爆条件下冲击波计算公式。易仰贤[14]运用几何方法分析确定了空中爆炸冲击波马赫反射的起点，给出了地面上马赫反射峰值超压的近似计算公式。

电台作为最常用的通讯设备之一，受到常规弹药爆炸冲击波作用后,其生存能力对战时通讯具有重要的影响，因此，不失去一般性，本文中以简化电台模型为研究对象，采用试验方法，分析爆炸产生的冲击波对模拟电台靶标的毁伤效应。

2 靶标等效关系

随着电子技术的发展，电台从模拟电路逐步发展到数字电路，并进入软件无线电架构方式实现传统电台的功能。电台主要由供电装置、信号处理装置、发射装置、接收装置组成，对电台进行等效设计，使用软件无线电架构模拟电台电路。

基于电台主要功能的分析，将电台等效为4个主要模块，分别是电源模块、数字模拟模块、本振&发射模块、接收模块。

数字模拟模块包括：基带信号产生、中频放大、中频滤波、基带信号检测和发射中频检测功能，并提供数字电路运行指示；本振&发射模块包括：上变频、本振、射频滤波、功率放大、上变频检测、本振检测和发射射频检测功能；接收模块包括：低噪放、射频滤波、下变频、接收射频检测和下变频检测功能；电源模块：将外部电源转换为电台内各模块电源，并提供电源指示。针对电台电路，试验模拟电路包括电台电路以上4个模块，并根据测试目的和要求，在相关位置增加测试电路，以此来验证和评估电路功能是否正常。试验采用的模拟电路模块框图如图1。

图1 试验模拟电路模块框图Fig.1 Block diagram of test analog circuit module

模块独立结构封装设计，采用型材铝壳，坚固耐用兼顾成本，电源连接拟采用接线端子连接器，模拟射频采用同轴射频线缆。4个模块及连接状态如图2所示。

图2 模块连接状态图Fig.2 Module connection diagram

3 冲击波超压理论计算

3.1 冲击波入射超压

为了研究冲击波超压对模拟电台靶标的毁伤，对装药冲击波理论超压进行计算。冲击波峰值超压计算，通常根据爆炸相似律通过实验建立经验公式，因此在本次理论计算中冲击波超压计算使用Henrych公式[15]，用于计算裸装药冲击波超压值。

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：ΔPm为冲击波峰值超压(MPa)；r为距爆心的距离(m)；me为TNT炸药质量(kg)。

试验选取入射超压峰值0.9 MPa、0.7 MPa、0.5 MPa、0.3 MPa、0.2 MPa、0.1 MPa、0.05 MPa、0.02 MPa，通过超压经验公式计算距离如表1所示。

表1 试验距离与入射超压

3.2 冲击波反射超压

由于测试使用与地面等高壁面超压传感器，因此测得超压为斜反射超压。对冲击波超压斜反射进行计算[16]。

正反射(φ0=0°)，有：

(4)

式(4)中：Δp2为正反射冲击波超压；Δp1为入射冲击波超压；p0为大气压。

正规斜反射φ0<φcr，由试验可知，入射波压力小于0.3 MPa时，反射波的压力与入射角无关，仍可根据式(4)计算。

对于马赫反射(φcr<φ0<90°)，有：

Δpm=ΔpmG(1+cosφ0)

(5)

1≤r≤10-15

(6)

其中，ΔpmG为地面爆炸时空气冲击波的峰值超压。

试验中测量3组壁面反射超压，距爆心直线距离分别为0.92 m、1 m、1.88 m，根据勾股定理，入射角分别为40.6°、45°、68.1°，均大于马赫反射临界角。

通过计算，得到3个点斜反射超压大小，如表2所示。

表2 斜反射理论超压

4 试验设计

4.1 试验内容

试验采用φ70 mm×70 mm TNT药柱，药柱质量为439 g，裸药柱对不同距离处模拟电台靶标进行冲击波毁伤试验。

4.2 试验布置

使用吊绳将药柱吊起，保证炸高为0.7 m。将靶标根据理论计算超压大小分布在药柱四周不同位置，在靶标后方加装混凝土墩，用粗铁丝固定靶标，保证冲击波作用下靶标不发生位移。

由于靶标位置过于密集，因此使用相同质量与密度φ70 mm×70 mm TNT药柱，将试验分为2次进行，试验布置如图3所示。

图3 试验布置示意图Fig.3 Schematic diagram of test layout

靶标由4个模块组成，因此将4模块平面分布于0.7 m高，使靶标整体位于与装药中心距离地面高度相同位置，靶标布置如图4所示。试验实际布置如图5所示。

图4 靶标布置示意图Fig.4 Target layout diagram

图5 试验实际布置场景图Fig.5 Test layout

5 试验结果及分析

5.1 超压情况

试验中测得3组超压数据，0.92 m处超压峰值为1.82 MPa，1 m处超压峰值为1.5 MPa，1.88 m处超压峰值为0.28 MPa。其超压曲线如图6所示。

图6 试验测得斜反射超压曲线Fig.6 Test measured oblique reflection overpressure curve

将试验实测超压与理论计算超压列表，如表3所示。

表3 理论计算与试验实测值

理论与试验数据误差最大为8%，可能是未考虑到爆炸产生的环境变化以及受到超压传感器测量精确程度的影响，因此试验数据在误差允许范围内，可以认为理论计算是准确的。

5.2 模拟电台靶标情况

试验靶标共选取了8个点，对模拟电台靶标爆炸冲击波毁伤进行研究。

5.2.10.3～0.9 MPa

靶标在入射超压为0.3～0.9 MPa时电路外壳脱落，内部电路芯片剥落，接口与连接线损坏，此时模拟电台设备出现结构破坏，且随作用于设备表面冲击波超压的增大，结构破坏程度越严重。试验结果表明，当入射超压为0.3～0.9 MPa，模拟电台结构损坏，完全无法正常工作，定义为重度毁伤。试验后靶标毁伤情况如图7所示。

图7 试验后靶标毁伤效果图Fig.7 Target damage after test

5.2.20.2 MPa

当冲击波超压为0.2 MPa时，靶标外部壳体出现较大变形，电源模块的电路板可正常工作，但输出接口完全损坏,不能为其他模块供电，功能完全丧失；基带模块、接收模块、发射模块电路板上芯片与其他部件完全毁伤，模拟电台失去功能，被完全毁伤。试验后靶标毁伤情况如图8所示。

图8 0.2 MPa靶标毁伤效果图Fig.8 Damage of 0.2 MPa target

5.2.30.05～0.1 MPa

靶标外部壳体被冲击波损坏，接口未受损，电源模块、基带模块可正常工作，接收模块与发射模块内部电路部分芯片被毁伤，仅有少部分功能可正常工作。模拟电台作用部分受损，受到轻度毁伤。试验后靶标毁伤情况如图9所示。

图9 试验后靶标毁伤效果图Fig.9 Target damage after test

5.2.40.02 MPa

靶标结构完整无明显变形，外部壳体与内部电路均无毁伤，模拟电台可正常工作，无毁伤。试验后靶标毁伤情况如图10所示。

图10 试验后靶标毁伤效果图Fig.10 Target damage after test

6 结论

1) 冲击波对靶标的毁伤程度随着超压的增大而增大，其中，冲击波超压约为0.2 MPa时，电源模块接口损坏，其他模块的芯片与部件完全毁伤，功能完全丧失；当冲击波超压在0.05～0.1 MPa时，试验电路部分模块丧失功能；冲击波超压低于0.02 MPa时，结构与内部部件均无破坏，功能正常。

2) 试验中靶标外部壳体受损较内部电路更加严重，采用合理的外壳体防护结构及内部缓冲结构防护,可有效降低作用域电子元器件及封装的冲击载荷，降低冲击波对电子部件的毁伤程度。

3) 研究结果可供爆炸冲击波对典型电子靶标的毁伤效果评估参考。