反潜战斗部对耐压壳结构的毁伤威力评估方法与实验

王树山, 桂秋阳, 卢熹, 贾曦雨, 高源, 梁策

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081;2.沈阳理工大学 装备工程学院, 辽宁 沈阳 110159)

0 引言

战斗部(毁伤)威力,或简称威力,是武器(弹药)战斗部毁伤元的毁伤性能与能力,也是弹药战斗部自身特性。对确定的弹药战斗部,其威力是不受外界环境和因素影响的[1]。毁伤威力可以从不同角度和方面进行表征与描述,主要包括:1)直接通过毁伤元参数的形式进行量化表征,如破片速度、质量,冲击波超压、比冲量,射流速度等;2)间接通过与目标结合以毁伤因素对等效靶、效应物和目标实体的作用结果进行量化表征,如对一定材质靶板的侵彻或贯穿厚度、射流破孔直径/深度、密集(有效)杀伤半径、杀伤面积等[2-3]。前者反映毁伤因素的本征性能,后者反映其对具体目标的毁伤威力。由于武器(弹药)主要由战斗部及毁伤元完成毁伤功能,毁伤威力主要针对战斗部和毁伤元[4]。

典型反潜(鱼雷/深弹)战斗部主要有爆破和聚能两种类型,也在发展和应用爆破-聚能复合型[5]。聚能战斗部的威力主要通过穿孔孔径以及穿靶数量来评价[6],爆破战斗部的威力则通过靶板的变形、撕裂和破口来评价[7],两种毁伤效应难以统一对比、评价[8]。此外,由于水介质的特殊性,聚能战斗部在水下发生爆炸后也会产生一定的爆破效应[9]。如何量化这种耦合毁伤效应,并与专门利用聚能-爆破耦合效应的二级串联战斗部进行量化区分和比较?这些问题直接决定了反潜战斗部的威力评估方法与结果是否科学、合理、可信。

另一方面,反潜战斗部对潜艇耐压壳的毁伤模式主要有整体结构失稳,壳体局部破口、撕裂、塑性大变形等[10]。单层壳体和双层壳体[11](内层耐压壳、外层非耐压壳、中间1 m左右水层)不同的结构特征[12],会导致不同类型战斗部的目标适应性和毁伤威力存在显著差别[13-14]。

目前,水中兵器战斗部威力评定与考核依然依赖地面静爆试验[15],这显然是难以满足实际工程需求的[16]。科学评估反潜战斗部威力,量化对比同一类型战斗部对不同类型耐压壳体,以及不同战斗部对相同类型耐压壳体的毁伤威力差别,是工程上亟需解决的共性基础问题,可为反潜武器总体设计、战斗部方案选型、威力考核与试验,以及武器作战效能评估提供重要的技术和数据支撑[17-18]。

本文针对不同类型反潜战斗部对最具代表性的潜艇耐压结构毁伤评估问题,提出一种综合考虑多种毁伤效应的反潜战斗部综合毁伤威力评估方法,并通过毁伤威力评估试验完成了聚能、爆破和聚爆模拟战斗部毁伤威力量化表征和对比的实例分析。结果表明所提出的评估方法可以实现不同类型反潜战斗部毁伤威力的量化与比较,能够为反潜战斗部设计改进或新型战斗部的研制提供参考和支撑。

1 反潜战斗部综合毁伤威力量化表征与评估方法

1.1 基本思路

实现不同战斗部威力或者毁伤效应比较的关键在于评价标准的统一,以及威力考核指标的量化。战斗部威力量化指标的选取一般可以从3个方面考虑,分别是战斗部参数、载荷参数和目标毁伤效应参数。

战斗部参数(装药类型、药量、密度、装填比等)能够在一定程度上直观反映战斗部威力,但通常只适用于相同类型战斗部间大多数参数相同、少数参数不同的情况,如药量、药类型、装填比不同的爆破战斗部,或者设计锥角、炸高不同的聚能战斗部。

不同类型战斗部的有效输出载荷不同。爆破型战斗部的载荷主要来自爆炸冲击波和气泡脉动。冲击波载荷的特征参量[19]主要包括冲击波超压、比冲量、能流密度等;气泡脉动载荷的特征参量主要包括脉动压力幅值、作用时间、脉动周期等。聚能型战斗部所形成载荷除冲击波和气泡脉动外,还包括聚能侵彻体,其特征参量包括速度、直径等。显然,很难将通过统一的可量化指标来衡量不同载荷的毁伤威力。

目标毁伤效应是战斗部对目标最终作用的结果,包含了战斗部各种载荷的综合作用特征,能够直观反映目标的真实毁伤结果。虽然在不同类型战斗部的作用下,目标结构的破坏模式可能不同,但总是会表现为变形、大变形、破口和撕裂中一种或几种效应叠加,可以相对统一的量化表征为目标靶的变形挠度和(等效)破孔孔径等。当多种毁伤效应共存时,目标的毁伤等级可根据单一毁伤效应的评价结果进行加和处理。

综上所述,战斗部参数及其载荷参数,虽然分别从不同层面反映了战斗部的威力,但是很难与目标毁伤建立直接联系并统一量化表征。利用目标毁伤效应结果能够相对统一地分析和评价不同水中兵器战斗部毁伤威力。基于上述思想,提出综合考虑多种毁伤效应参数的反潜战斗部综合毁伤威力指数,以及相应的威力指数获取方法。

1.2 基于潜艇耐压壳多效应毁伤的综合毁伤威力指数

潜艇在反潜战斗部的作用下,主要毁伤模式包括潜艇壳体局部的结构破坏、艇体总纵强度损伤和冲击导致艇内设备的振动损伤等。其中,当潜艇耐压壳体由于反潜战斗部作用产生变形、破损,不仅会影响潜艇整体的耐压强度而导致作战能力的降低,当壳体产生破损后,海水会涌入舱室造成内部设备的侵水损坏,同时影响潜艇的浮力功能,严重时直接造成潜艇整体的沉没。本文主要针对潜艇耐压壳体局部破坏这种毁伤模式,研究反潜战斗部对潜艇耐压壳体结构的毁伤威力评估方法。

反潜战斗部作用下潜艇壳体的毁伤效应主要为变形、聚能穿孔或撕裂破口3种。壳体变形可以用最大变形挠度ω表征;聚能穿孔一般形貌较规则,为圆形孔洞;撕裂破口形貌不规则,但也可以通过等面积换算将其等效为圆形,因此聚能穿孔和撕裂破口均可用等效破孔直径φ来表征。

每种毁伤效应分别对应独立的毁伤阈值和毁伤等级。通常将潜艇毁伤划分为3个等级(Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级毁伤)[20],对应潜艇主要表现为:潜艇解体或沉没;潜艇必须立即上浮,无法继续战斗;作战能力下降。以等效破孔直径φ为例,其对应潜艇 3个毁伤等级的阈值分别为φⅠ、φⅡ、φⅢ。当破孔直径φ>φⅠ时,判断潜艇目标达到Ⅰ级毁伤;当φⅡ<φ<φⅠ时,毁伤达到Ⅱ级;当φⅢ<φ<φⅡ时,毁伤达到Ⅲ级。同理,最大变形挠度阈值分别为ωⅠ、ωⅡ、ωⅢ。

为解决多毁伤效应战斗部威力统一表征的问题,首先定义某种毁伤效应参数与其毁伤阈值的比(如φ/φⅠ等)为毁伤贡献度σi(i=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)。则反潜战斗部综合毁伤威力可表示为n种不同毁伤效应的贡献度之和,即

(1)

式中:εi为第i级毁伤下的综合毁伤威力指数;μn为毁伤效应的权重因子。

在一次毁伤事件中,不同毁伤元所发挥的比重需要系统性研究,本文研究工作不足以支撑权重因子的赋值,因此认为所有毁伤效应是等权重的,即μ1=μ2=μ3=…=μn=1。在此前提下,若需要判定目标的毁伤等级,需首先基于毁伤效应参数和毁伤阈值对全部3个等级的威力指数进行计算。当毁伤威力指数εi大于1,表示目标毁伤达到或超过了当前指数对应的毁伤等级。目标毁伤等级程度判断如表1所示。

表1 基于综合毁伤威力指数的毁伤等级评价

若εⅠ≥1,目标当前的毁伤等级达到了Ⅰ级毁伤;若εⅠ<1且εⅡ≥1,目标当前的毁伤等级为Ⅱ级毁伤;若εⅡ<1且εⅢ≥1,目标当前的毁伤等级为Ⅲ级毁伤;若εⅢ<1,目标当前的毁伤等级为小于Ⅲ级毁伤或无毁伤。利用综合毁伤威力指数εi,就能够实现不同战斗部在相同毁伤等级下的威力量化比较,也能反映同一战斗部不同毁伤效应的综合作用结果。

根据上述定义,任一毁伤效应贡献度大于1时,综合毁伤威力指数εi的值就一定大于1。若有两种不同战斗部的综合毁伤威力指数分别为εⅡ=1.5和ε′Ⅱ=4.5,虽然同样达到Ⅱ级毁伤,但显然指数ε′Ⅱ更高,即对应战斗部的威力更大。若某一战斗部的全部毁伤效应对目标的毁伤贡献度均小于1,从单一效应来看显然无法达到该级毁伤。但若干种不同效应的贡献度加和后,εi仍可能大于1,能够体现战斗部多毁伤效应综合作用结果。综合毁伤威力指数εi的获取流程如图1所示。

图1 综合毁伤威力指数量化评估流程Fig.1 Flow chart of quantitative assessment of DPI

1.3 综合毁伤威力评估试验效应靶

为获得战斗部针对某一典型艇体耐压壳结构毁伤效应,通常需建立该典型目标易损舱段的原型或等效靶模型,并进行试验[21]。等效靶模型的设计越接近原型结构,其毁伤效果的参考价值越高。但是,试验成本会随着模型真实度的提高呈几何倍数增加,而且模型越逼真、特殊性越强,其毁伤试验结论的一般性就越差,对具有不同结构、尺寸、材料的其他舱段或目标的直接参考价值就越低[22]。因此,根据潜艇耐压结构典型特征[23]以及反潜战斗部对潜艇壳体局部近场作用特点,提出一种能够反映某一类型艇体结构典型毁伤效应特征的效应靶,用于反潜战斗部威力评估,如图2所示。

图2 试验靶标结构与实物图Fig.2 Schematic and photo of the test target

该效应靶基于典型单层壳体潜艇局部结构建立,主体为直径2 m(避免沿边缘的剪切破坏)、高 1 m(避免迎爆面靶板裂瓣向内弯折撞击另一侧背板)的圆柱筒,筒体中空模拟空气背舱,迎爆面靶板厚度与目标壳体相同。为防止迎爆面钢板破坏严重而无法回收或测量,板背面焊接6根肋骨,肋骨尺寸和分布与目标模型壳体肋骨相同(或具有相同的极限弯矩)。侧板和背爆面板适当加筋以提高靶标整体强度。整个靶标中迎爆面材料为921钢,其他部位材料均为Q235钢。

考虑双层壳体结构的外层壳体一般为非耐压壳,故以“钢板+水层”套筒的形式模拟非耐壳对战斗部毁伤载荷的影响,而不考虑非耐压壳对潜艇局部结构强度的影响,以降低试验变量复杂程度。其中,水层套筒高度为447 mm,模拟非耐压壳的 921钢板厚4 mm。具体实现方式如图3所示。

图3 模拟双层壳体的水层套筒结构与实物图Fig.3 Water-cylinder for double-hull simulation

2 战斗部毁伤威力评估海上试验

为验证上述反潜战斗部毁伤威力评估试验方法,在开放海域开展了模拟战斗部水下毁伤威力海上试验。

2.1 模拟战斗部

试验用模拟战斗部包括聚能、爆破和聚爆3种类型,装药均为注装B装药,药量基本相同(8 kg TNT当量),且装药质心与毁伤目标距离相同(305.5 mm),战斗部结构如图4所示。

图4 模拟战斗部结构示意图Fig.4 Schematic of the model warheads

爆破模拟战斗部结构如图4(a)所示,药柱直径为144 mm,高度为245 mm。

聚能模拟战斗部结构如图4(b)所示,药柱直径为144 mm,高度为285 mm,药型罩采用半球壳型结构,材料为紫铜。

聚爆模拟战斗部采用两级串联装药结构,如图4(c)所示,爆破级装药在前,聚能级装药在后,聚能装药直径为144 mm,药柱高度为166 mm,药量约为2.78 kg,药型罩与聚能战斗部一致。

2.2 试验布置与工况

试验海域水深为8～10 m。为尽可能减小边界效应影响,战斗部及靶标应布置于大约为4～5 m的深度,距离岸边约100 m。为实现试验系统的海上布放,试验采用浮体、压载体及钢丝绳的牵拉作用将靶标保持在预定水深,战斗部与靶标以水平方位布置,压载体与靶标下部焊接为一体,如图5所示。

图5 试验系统海上布置与现场图Fig.5 Layout andpicture of the offshore test system

试验共设计6种工况,详见表2,每种工况各做1次。

表2 试验工况

3 试验结果与分析

3.1 单层壳体靶标毁伤效应试验结果

爆破战斗部对模拟单层壳体靶标的毁伤效应靶的整体破坏结果如图6(a)所示。迎爆面靶板在爆炸冲击作用下发生显著向内凹陷变形,中部出现大破口,中部两根肋骨间的板壳断开成两段,分别沿着两边肋骨发生剪切撕裂,并向内弯折。

对毁伤后的靶板进行三维(3D)扫描(见图6(b)),直接读取迎爆靶最大变形挠度约为 512 mm;利用像素分析读取撕裂大破口的面积,再通过等面积变换将不规则大破口等效为圆形,可得破口的等面积圆直径为833 mm。

图6 爆破战斗部对单层壳体靶标试验结果Fig.6 Results from blast warhead against single-hull target and 3D scan picture

聚能战斗部对模拟单层壳体靶标的毁伤效应靶的整体破坏结果如图7(a)所示。迎爆面靶板中心形成穿孔破坏,孔眼边缘形貌较规则,符合典型聚能侵彻体破坏特征。同时,聚能装药的水下爆破效应造成迎爆面靶板产生向内凹陷变形,最大变形挠度位于靶板中心处。经3D扫描测量,迎爆面靶板最大变形挠度为368 mm,中心聚能穿孔孔径为 81 mm。

图7 聚能战斗部对单层壳体靶标试验结果Fig.7 Results from shaped charge warhead against single-hull target and perforation hole

聚爆战斗部对模拟单层壳体靶标的毁伤效应靶的整体破坏结果如图8所示。靶标的破坏模式与爆破战斗部工况(见图6)相似,但整体变形程度更大,边缘轮廓成椭圆状,撕裂破口上端边缘处由于变形过大甚至击穿背爆靶板(见图8(b))。经3D扫描测量,靶板最大变形挠度为549 mm,撕裂破口等面积圆直径为957 mm。

图8 聚爆能战斗部对单层壳体靶标试验结果Fig.8 Results from implosion warhead against single-hull target

3.2 双层壳体靶标毁伤效应试验结果

爆破战斗部对模拟双层壳体靶标的毁伤效应靶整体破坏结果如图9所示。靶标仅产生凹陷变形,未见任何穿孔、破口。经3D扫描测量,迎爆靶板最大变形挠度为304.34 mm。

图9 爆破战斗部对双层壳体靶标试验结果Fig.9 Results from the blast warhead against double-hull target

聚能战斗部对模拟双层壳体靶标的毁伤效应靶的整体破坏结果如图10所示。靶标破坏模式与图7 相似,主要表现为聚能穿孔破坏与靶面向内的凹陷变形。但战斗部与靶面间的水层对爆炸冲击波和聚能侵彻体产生了显著影响,主要体现为迎爆靶板的变形程度相对单层壳体靶板较轻,以及聚能穿孔(见图10(b))的形貌都不规则(相对于图7(b))。 经三维扫描测量,迎爆靶板最大变形挠度为 284 mm,射流穿孔直径为73 mm。

图10 聚能战斗部对双层壳体靶标试验结果Fig.10 Results from shaped charge warhead against double-hull target and perforation hole

图11 聚爆战斗部对双层壳体靶标试验结果Fig.11 Results from implosion warhead against double-hull target and perforation hole

聚爆战斗部对模拟双层壳体靶标的毁伤效应靶整体破坏结果如图11所示,靶标的破坏模式与聚能战斗部工况(见图10)相似,不同之处主要体现在迎爆面靶板中心破坏相对更大。

相比于聚能战斗部,聚爆战斗部中的聚能装药尺寸小、药量小,显然聚能侵彻威力偏小。再受双层壳体靶标中水层的影响,聚能侵彻能力进一步降低,未能穿透靶标背板。但由于二级串联爆破装药的作用,迎爆靶板上的聚能穿孔被撕裂扩孔,形成不规则三角状破口。

经3D扫描测量,迎爆面靶板最大变形挠度为318 mm,撕裂破口的等面积圆直径约为157 mm。

综上所述,不同战斗部作用下效应靶的破坏模式主要表现为凹陷变形、聚能穿孔和撕裂破口3种。可以定性地说,爆破型和聚爆型战斗部对单层壳体靶标破坏威力更大,聚能型和聚爆型战斗部对双层壳体靶标破坏效果更显著。具体的量化结果需要利用试验所获得的毁伤效应参数值(见表3),结合2.2节提出的综合毁伤威力指数计算方法给出。

表3 毁伤效应参数测量值

4 战斗部综合毁伤威力分析

在利用式(1)计算战斗部综合毁伤威力指数时,除了需要表3中的试验实测毁伤效应参量,还需要用于判定目标/结构毁伤等级的毁伤阈值。在目标易损性研究中,毁伤等级的划分不仅需要考虑目标的结构/材料特征,还要考虑目标的功能特征。因此,需要通过独立且系统理论、试验研究,才能够得到某一目标的毁伤阈值。

研究中使用的效应靶标仅作为典型潜艇结构的抽象等效物,并没有具体作战功能特征。因此,严格来讲,仅依照靶标的实体破坏特征对其进行毁伤等级的划分是没有意义和根据的。为了演示和验证2.2节提出综合毁伤威力指数计算方法和其对毁伤效应的量化结果,结合对模型靶标的易损性分析专题研究,给出的基于单一毁伤效应的效应靶破坏等级判据和毁伤阈值具体如表4所示。

表4 试验靶标毁伤等级与毁伤阈值

表5 模拟战斗部毁伤不同结构靶标的威力指数

将表5中数据绘制成图12,直观对比3种不同类型战斗部对单层壳体靶标的毁伤威力。其中3种战斗部对单层壳体均达到了Ⅰ级毁伤,而爆破和聚爆战斗部的威力指数相差不大,与第4节中对试验结果定性分析结论一致。

图12 不同类型战斗部对单层壳体靶标的毁伤威力Fig.12 DPI of different warheads against single-hull targets

图13 不同类型战斗部对双层壳体靶标的毁伤威力Fig.13 DPI of different warheads against double-hull targets

图14 战斗部对不同类型靶标的威力指数比Fig.14 DPI ratio of the warhead against different targets

因为1.3节所提出的用于模拟双层壳体靶标并未考虑非耐压壳体的结构强度,仅考虑了双层壳体结构中水层对战斗部毁伤效应的影响。水层的存在使战斗部相对耐压壳体的爆距增加,战斗部爆破威力降低,这也是爆破和聚爆战斗部对双层壳体靶标的威力指数显著下降(下降幅度达到80%～90%)的最主要原因。

聚能战斗部侵彻体的破甲能力当然也会因为弹目间距的增加而降低,但总体受影响幅度并不大(单、双层靶标迎爆面靶板穿孔直径分别为81 mm和73 mm),威力指数降低不到20%。虽然,1.3节中提出的试验靶标并未考核聚能类战斗部的侵彻能力(穿透靶板层数),从评价指标上一定程度地弱化了聚能类战斗部的毁伤威力。但试验结果和上述量化分析结果仍然足以从侧面说明,聚能战斗部在水下爆炸后所产生的爆破毁伤效应能量利用率并不高。聚爆战斗部中聚能、爆破装药的药量较单一效应战斗部都分别有所降低,但能量利用效率显著提高,因此能够对单、双层壳体靶标产生更好的毁伤结果。

综上所述,战斗部综合毁伤毁伤威力指数实现了对战斗部威力更加直观的量化表征,解决了不同类型战斗部在针对不同结构以及不同破坏模式条件下的威力分析和比较问题。最重要的是,这种表征方法能够清晰反映定性分析无法体现的关键细微差别,能够明确解答定性分析中模糊不清关键问题。

5 结论

本文提出一种归一化的战斗部综合毁伤威力量化表征与评估方法,在此基础上设计了单/双层壳体结构的毁伤效应靶标,进行了聚能、爆破和聚爆3型模拟战斗部的海上试验,分别获得了战斗部综合毁伤威力指数,并进行了3型战斗部综合毁伤威力的量化对比与分析。得出主要结论如下:

1)所提出的战斗部综合毁伤威力表征与评估方法可量化分析同一战斗部对不同艇体结构以及不同战斗部对同一艇体结构的毁伤威力差别;

2)同等条件下,爆破和聚能战斗部分别对单层壳体和双层壳体靶标具有相对更大的毁伤威力,聚爆战斗部对两种类型结构的毁伤威力均优于单纯的爆破战斗部或聚能战斗部;

3)不同战斗部对双层壳体靶标较单层壳体靶标的毁伤威力均有所下降,其中爆破战斗部下降90%以上,聚爆战斗部下降近80%,而聚能战斗部下降只有不到20%。