典型艦船結(jié)構(gòu)的水下爆炸耦合毀傷研究進(jìn)展

武海軍，成樂(lè)樂(lè)，陳文戈,2，黃風(fēng)雷，田思晨，于超，吳子奇

（1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中航航空電子有限公司，北京 100086；3.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán) 航空彈藥研究院有限公司，黑龍江，哈爾濱 150001）

通常水下武器爆炸包含炸藥的爆轟、爆炸沖擊波產(chǎn)生與擴(kuò)散、炸藥高溫高壓爆轟產(chǎn)物的膨脹、由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)的氣泡脈動(dòng)、氣泡射流的產(chǎn)生、區(qū)域和局部空化效應(yīng)等復(fù)雜的物理現(xiàn)象與過(guò)程，因此艦船目標(biāo)受到水下爆炸作用時(shí)會(huì)遭受爆炸沖擊波、氣泡脈動(dòng)、氣泡射流、空化效應(yīng)二次載荷等多種毀傷元或載荷的共同破壞作用.這些載荷在作用強(qiáng)度、靜動(dòng)態(tài)特性、空間分布特征和有效作用范圍上均有較大區(qū)別，不同的彈目交會(huì)條件時(shí)對(duì)艦船產(chǎn)生毀傷作用的載荷類(lèi)型也各不相同.結(jié)合主要?dú)匦约捌漶詈闲问?、艦船響?yīng)與耦合毀傷模式等因素，水下爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷模式可歸納為4 種類(lèi)型，如圖1 所示.

圖1 不同類(lèi)型水下爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of damage mode of underwater explosions to ship targets

水下接觸爆炸主要的毀傷元為沖擊波和爆炸產(chǎn)物，兩者耦合作用對(duì)艦船的舷側(cè)或船底外板產(chǎn)生絕熱剪切破壞，從而形成局部破口，如圖2（a）中“科爾”號(hào)驅(qū)逐艦左舷在炸藥接觸爆炸下產(chǎn)生的大破口.水下近場(chǎng)爆炸時(shí)主要的毀傷元為沖擊波和氣泡射流，兩者耦合作用下艦船目標(biāo)會(huì)呈現(xiàn)總體與局部的耦合毀傷，如圖2（b）中2 枚MK48 重型魚(yú)雷在船艉底部先后近距離爆炸對(duì)“伐夫”號(hào)驅(qū)逐艦毀傷試驗(yàn).水下中場(chǎng)爆炸時(shí)主要的毀傷元為沖擊波、氣泡脈動(dòng)和空化載荷，氣泡脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致艦船目標(biāo)產(chǎn)生總體的“鞭狀”響應(yīng)，沖擊波載荷對(duì)艦體結(jié)構(gòu)的局部塑性變形.水下遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸時(shí)，沖擊波載荷和氣泡脈動(dòng)壓力因?yàn)樗p的緣故，無(wú)法直接對(duì)艦船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀傷破壞作用，主要考慮水下爆炸載荷對(duì)艦船內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備和人員帶來(lái)的沖擊作用，如圖2（c）中“福特”號(hào)航母進(jìn)行的全艦沖擊測(cè)試.

圖2 艦船目標(biāo)不同類(lèi)型的毀傷破壞Fig.2 Different types of damage to ship targets

對(duì)于不同類(lèi)型水下爆炸作用的定義，學(xué)者們意見(jiàn)不一，本文統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)接觸爆炸、近場(chǎng)爆炸以及中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸的定義，如表1 所示.依據(jù)物理尺度嚴(yán)格定義的接觸爆炸可能會(huì)與近場(chǎng)爆炸在對(duì)目標(biāo)的毀傷模式存在混淆，考慮到不同距離處水下爆炸作用最主要的區(qū)別是毀傷元不同，因此依據(jù)毀傷元類(lèi)型[1-3]的定義方法對(duì)水下爆炸的類(lèi)型進(jìn)行了歸類(lèi)，以10 倍裝藥半徑以?xún)?nèi)稱(chēng)為接觸爆炸，10～25 倍范圍內(nèi)為近距離爆炸，大于25 倍藥包半徑時(shí)為中遠(yuǎn)距離爆炸.

表1 不同類(lèi)型水下爆炸的定義Tab.1 Definition of different types of underwater explosions

目前針對(duì)水下爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)研究主要考慮沖擊波載荷、氣泡脈動(dòng)和氣泡射流載荷以及空化載荷，對(duì)多類(lèi)型載荷對(duì)艦船目標(biāo)毀傷作用時(shí)的耦合作用研究取得了一定的進(jìn)展.此外，隨著水下武器突防能力變強(qiáng)，其制導(dǎo)、控制及打擊精度越來(lái)越高，很多國(guó)家提出了多彈協(xié)同作戰(zhàn)方式，使得水面艦船目標(biāo)同時(shí)遭受多發(fā)彈的協(xié)同打擊成為可能，因此多發(fā)彈共同作用目標(biāo)的耦合威力場(chǎng)和毀傷效應(yīng)逐漸成為研究熱點(diǎn).為此，本文針對(duì)水下爆炸時(shí)不同類(lèi)型毀傷元之間的耦合毀傷作用進(jìn)行概述，對(duì)典型艦船結(jié)構(gòu)的耦合毀傷效應(yīng)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)基于時(shí)空協(xié)同的水下多發(fā)彈的耦合毀傷效應(yīng)進(jìn)行歸納，提出有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題，以期探討對(duì)艦船目標(biāo)的水下爆炸高效毀傷模式.

1 多類(lèi)型毀傷元的耦合作用機(jī)理

炸藥在水下爆炸作用時(shí)，包含以下特征[10]：爆轟產(chǎn)物的產(chǎn)生、沖擊波的形成與傳播、空化效應(yīng)及其二次加載作用、氣泡脈動(dòng)與氣泡射流、自由界面的表面效應(yīng)以及沖擊波的折射效應(yīng)，如圖3 所示.

圖3 水下爆炸現(xiàn)象[10]Fig.3 Underwater explosion phenomenon[10]

炸藥在水下作用時(shí)，爆轟過(guò)程通常在1～100 μs內(nèi)完成，爆轟波以高達(dá)6～9 km/s 的速度向外傳播，沖擊波傳播階段為毫秒級(jí)，而氣泡膨脹階段為秒級(jí)，由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)著的氣泡向外膨脹的速度遠(yuǎn)小于沖擊波傳播速度，因此氣泡在時(shí)空上均滯后于沖擊波.沖擊波的反射作用會(huì)在自由表面產(chǎn)生區(qū)域空化，在結(jié)構(gòu)表面引起局部空化效應(yīng)[11]，空化效應(yīng)產(chǎn)生的氣穴在重力和環(huán)境壓力差的作用下關(guān)閉時(shí)會(huì)引起水錘效應(yīng)，并以壓縮脈沖的形式對(duì)艦船目標(biāo)產(chǎn)生明顯的二次加載作用[12].因此水下武器在近距離范圍內(nèi)打擊艦船目標(biāo)時(shí)，爆炸沖擊波、氣泡載荷以及空化載荷共同對(duì)艦船局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊作用，雖然多個(gè)毀傷元對(duì)目標(biāo)作用在時(shí)間上存在先后次序，但在空間上存在對(duì)艦船目標(biāo)同一區(qū)域的耦合毀傷作用效果.因此本文主要對(duì)水下武器作用時(shí)的爆炸沖擊波、氣泡載荷以及空化載荷對(duì)艦船目標(biāo)的耦合作用機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，此外對(duì)聚能射流及殼體破碎后產(chǎn)生的高速破片與爆炸沖擊波的耦合作用機(jī)理也進(jìn)行了歸納.

1.1 爆炸沖擊波和氣泡載荷的耦合作用

爆炸沖擊波和氣泡載荷的耦合作用一般發(fā)生在近距離和中遠(yuǎn)距離爆炸范圍.水下武器對(duì)艦船的舷側(cè)或船底局部結(jié)構(gòu)的毀傷破壞過(guò)程中，爆炸沖擊波會(huì)首先作用在艦船目標(biāo)上并造成結(jié)構(gòu)的塑性變形、剪切撕裂等破壞；在前期沖擊波載荷毀傷的基礎(chǔ)上，由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)著的氣泡在膨脹到最大時(shí)開(kāi)始收縮，而后形成指向艦船目標(biāo)的高速水射流，能量較為集中的水射流沖擊會(huì)使艦船目標(biāo)結(jié)構(gòu)的破壞程度進(jìn)一步加劇[13]，由此產(chǎn)生2 種毀傷元的對(duì)艦船目標(biāo)結(jié)構(gòu)的耦合毀傷效果，耦合作用動(dòng)態(tài)過(guò)程[14]如圖4 所示.在2 種毀傷元對(duì)目標(biāo)的耦合毀傷作用過(guò)程中，由于氣泡能量弱于沖擊波能量，因此水射流對(duì)目標(biāo)的破壞效果沒(méi)有沖擊波明顯；從毀傷模式的角度，沖擊波主要造成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的局部破壞，而水射流主要造成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的總體響應(yīng)，因此2 種毀傷元會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生更嚴(yán)重的耦合毀傷效果[15].

圖4 近距離爆炸不同時(shí)刻沖擊波和氣泡的耦合作用過(guò)程[14]Fig.4 Bubble motion characteristics during explosion near plate frame structure[14]

對(duì)于水面的艦船目標(biāo)，當(dāng)受到?jīng)_擊波和氣泡脈動(dòng)載荷共同作用時(shí)，沖擊波載荷主要對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成局部毀傷[16]，其破壞區(qū)域主要集中在近爆面處，離爆炸點(diǎn)越遠(yuǎn)時(shí)艦船結(jié)構(gòu)的破壞程度越小[17].氣泡脈動(dòng)載荷主要會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度造成影響，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的局部破壞較弱，船體結(jié)構(gòu)在氣泡脈動(dòng)載荷作用下呈現(xiàn)中拱和中垂變形，并伴隨有剛體位移[18].如圖5 所示的水下近場(chǎng)爆炸對(duì)艦船艙段結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)中[19]，沖擊波載荷作用使船體外板發(fā)生材料屈服和塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂和破口，隨后氣泡與船體結(jié)構(gòu)相互作用形成的水射流，使船體外板變形擴(kuò)大，對(duì)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生累積損傷作用[20-21].爆炸沖擊波和氣泡載荷的耦合過(guò)程受邊界條件的影響較大.邊界為自由液面時(shí)，在自由液面、氣泡與沖擊波3 者之間的相互作用過(guò)程中，流場(chǎng)生成的復(fù)雜波系中包含多個(gè)稀疏波和沖擊波，自由液面的反射稀疏波在氣泡表面的反射會(huì)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)及流場(chǎng)特性產(chǎn)生影響，自由液面的反射稀疏波減緩了氣泡的潰滅速度，而入射沖擊波則加快了氣泡的潰滅速度[22].邊界條件為彈塑性結(jié)構(gòu)壁面時(shí)，如圖6 所示[23]，舷側(cè)近距離爆炸后產(chǎn)生的氣泡容易浮出水面而發(fā)生潰滅[24]，或者形成的氣泡射流不能完全作用在目標(biāo)上[25]，導(dǎo)致氣泡載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的作用很弱，主要依靠沖擊波進(jìn)行毀傷作用[26].邊界條件為彈塑性不連續(xù)的邊界時(shí)，如已破損的艦船艙段結(jié)構(gòu)壁面，爆轟氣體會(huì)從艙段破口泄露導(dǎo)致氣泡脈動(dòng)的周期[27]及氣泡膨脹的最大半徑減小[28-29]，從而影響氣泡射流的形成和氣泡潰滅載荷的強(qiáng)度[30].

圖5 水下近距離爆炸對(duì)艙段結(jié)構(gòu)的毀傷結(jié)果[19]Fig.5 Damage of underwater near field explosion [19]

此外，對(duì)水下爆炸沖擊波的傳播理論，經(jīng)典的Penny-Dasgupta 理論、Kirkwood 模型、Cole 以及Zamyshlyayev 公式能夠合理描述水下爆炸沖擊波的動(dòng)態(tài)傳播特征[31].后續(xù)的研究進(jìn)一步修正、細(xì)化了沖擊波經(jīng)驗(yàn)公式[31]，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)水下爆炸的沖擊因子進(jìn)行了分析.現(xiàn)階段主要有如下4 種類(lèi)型的沖擊因子，即基于沖擊波超壓的沖擊因子C1、基于平面波假設(shè)的沖擊因子C2、基于球面波的沖擊因子C3[32]以及考慮炸藥形狀的沖擊因子C4[33]，形式如下：

式中：沖擊因子C3的 系數(shù)K綜合了炸藥質(zhì)量W、艦船目標(biāo)的結(jié)構(gòu)半徑r、長(zhǎng)度l及爆距R等參量；沖擊因子C4的系數(shù)B為裝藥形狀影響因子.從工程應(yīng)用的角度，C1和C2的區(qū)別較小，二者在遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸中具有一定的精度，對(duì)爆距極敏感的接觸爆炸和近距離爆炸范圍內(nèi)的適用性有限.結(jié)合目標(biāo)參數(shù)和裝藥特性的C3和C4的適用性有了提高，但考慮到現(xiàn)階段大多數(shù)的試驗(yàn)為相似縮比試驗(yàn)，沖擊因子在不同縮比尺度下的適用性存疑[34].

對(duì)于氣泡脈動(dòng)和氣泡射流，Rayleigh-Plesset 方程與Geers & Hunter 模型[35]也能夠?qū)馀菝}動(dòng)的特征進(jìn)行合理的描述.然而有關(guān)氣泡射流形狀和速度的準(zhǔn)確計(jì)算方法[36]、復(fù)雜邊界條件下氣泡的坍塌機(jī)制以及對(duì)艦船目標(biāo)沖擊破壞作用的計(jì)算模型[31]，尚未有更多深入的研究.

1.2 爆炸沖擊波和空化載荷的耦合作用

水下武器攻擊艦船目標(biāo)時(shí)，除了產(chǎn)生沖擊波和氣泡載荷以外，還會(huì)產(chǎn)生空化載荷，包含在自由水面處產(chǎn)生的區(qū)域空化效應(yīng)以及在結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生的局部空化效應(yīng)[37].

對(duì)于結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生局部空化的機(jī)理，一種解釋是氣泡收縮導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面的流體被快速拉伸[11]，而流體本身沒(méi)有抗拉能力，導(dǎo)致其出現(xiàn)空化現(xiàn)象；另一種解釋認(rèn)為是目標(biāo)結(jié)構(gòu)在入射沖擊波的作用下產(chǎn)生一定速度的運(yùn)動(dòng)，從而使得入射波被反射為壓縮波或者稀疏波，且只有平板的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到一定值后產(chǎn)生反射稀疏波時(shí)，才會(huì)有局部空化效應(yīng)的產(chǎn)生[38]，并提出了平板結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生空化的條件如下：

式中：pp為 流體中的總壓力；pi為入射壓力；vs為平板運(yùn)動(dòng)速度；ρ1為 水的密度；c1為水中的波速.

此外有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)提出局部空化在結(jié)構(gòu)表面和氣泡表面均會(huì)出現(xiàn)[39]，并且隨著入反射波系的傳播，兩片空化區(qū)聯(lián)合形成整塊空化區(qū)，而后空化區(qū)域閉合形成對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的二次加載效應(yīng)[8].

對(duì)于自由界面產(chǎn)生的區(qū)域空化，主要是由于空氣-水的阻抗不同[38]，使得自由水面附近的水域反射波和入射波相互疊加，當(dāng)該部分水質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)壓力達(dá)到負(fù)值時(shí)[12]就出現(xiàn)了區(qū)域空化，對(duì)于區(qū)域空化的上邊界可以采用如下的計(jì)算模型[37]，典型的區(qū)域空化邊界演化過(guò)程如圖7[37]所示.

式中：W為炸藥質(zhì)量；K和A為 沖擊常數(shù)；t′和t′′分別為爆點(diǎn)和虛爆點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間；θ′為衰減常數(shù)；pj為靜水壓力.

水下武器爆炸后，在爆炸沖擊波對(duì)艦船目標(biāo)的沖擊作用之后，局部空化和區(qū)域空化的空化區(qū)域的廣度和深度均增加[40]，并均能夠?qū)δ繕?biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次加載作用，會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的振動(dòng).其中區(qū)部空化區(qū)域的塌陷所引起的二次加載的持續(xù)時(shí)間大約是沖擊波的2 倍，其對(duì)結(jié)構(gòu)引起的速度響應(yīng)可以達(dá)到?jīng)_擊波相當(dāng)?shù)牧考?jí)[41].2 種毀傷元的耦合毀傷作用主要增強(qiáng)了對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)程度，能夠有效提升對(duì)艦船目標(biāo)內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備的破壞威力.

現(xiàn)階段大多數(shù)對(duì)于爆炸沖擊波和空化載荷的研究對(duì)沖擊波作用之后局部/區(qū)域空化的形成、閉合及二次加載過(guò)程進(jìn)行了探討，此外也考慮了目標(biāo)結(jié)構(gòu)的背空或背水環(huán)境[42]、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度[43]、目標(biāo)結(jié)構(gòu)形式[44]、水面波浪[45]等條件變化時(shí)對(duì)水下爆炸的沖擊波和空化載荷的耦合作用的影響.但對(duì)于水下近距離或者中距離爆炸作用時(shí)，沖擊波、氣泡脈動(dòng)以及空化載荷對(duì)艦船目標(biāo)的共同作用，現(xiàn)有研究忽略了由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)形成的氣泡脈動(dòng)與空化載荷的影響、與沖擊波和空化載荷之間的耦合作用機(jī)理以及3 種毀傷元對(duì)目標(biāo)的毀傷破壞模式，因此有必要開(kāi)展爆炸沖擊波、空化載荷以及氣泡脈動(dòng)載荷3 種毀傷元耦合作用機(jī)制的探討與分析.

1.3 爆炸沖擊波和聚能射流的耦合作用

當(dāng)聚能戰(zhàn)斗部攻擊水面艦船目標(biāo)時(shí)，聚能射流先于沖擊波到達(dá)目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面，首先對(duì)艦船目標(biāo)的外板造成破孔，并使破口周?chē)牧系臄嗔验撝到档蚚46]，后續(xù)的爆炸沖擊波會(huì)使目標(biāo)產(chǎn)生沿破口的撕裂，并產(chǎn)生大范圍的凹陷塑性變形.兩毀傷元共同作用下艦船結(jié)構(gòu)的塑性變形區(qū)域相對(duì)于聚能射流和爆炸沖擊波單獨(dú)作用時(shí)有明顯的增強(qiáng)[47]，產(chǎn)生對(duì)艦船目標(biāo)的耦合毀傷作用.

聚能戰(zhàn)斗部在水下爆炸時(shí)，會(huì)因藥型罩形狀的不同而產(chǎn)生SCJ、JPC 和EFP 3 種類(lèi)型的金屬射流，如圖8 所示.在相同的彈目交會(huì)條件下，EFP 對(duì)背水鋼板的破壞威力是最大的[48].炸藥和藥型罩的材料會(huì)對(duì)EFP 的成型有很大影響，此外靶板的邊界環(huán)境也會(huì)影響EFP 的毀傷威力，如背空板比背水板的破壞更嚴(yán)重[49].對(duì)于聚能戰(zhàn)斗部對(duì)艦船艙室結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)也有相關(guān)的研究，如EFP 對(duì)雙層艙室結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)[50]，聚能射流對(duì)舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞毀傷研究[51-52]，研究結(jié)果均表明聚能戰(zhàn)斗部對(duì)艦船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)有較好的毀傷威力.但需要特別注意的是，現(xiàn)有研究中戰(zhàn)斗部和舷側(cè)結(jié)構(gòu)的縮比尺度有較大差別，戰(zhàn)斗部直徑和舷側(cè)多層結(jié)構(gòu)的間距遠(yuǎn)小于實(shí)際情況，所獲得的研究結(jié)果僅局限于實(shí)驗(yàn)條件，且外界環(huán)境為空氣環(huán)境，并不考慮聚能射流在水下環(huán)境的運(yùn)動(dòng)特性.實(shí)際上聚能射流毀傷元因自身特性，水下環(huán)境中在數(shù)倍裝藥直徑的距離處速度會(huì)下降到不具備侵徹能力的范圍內(nèi)[51]，一般要求戰(zhàn)斗部垂直接觸命中目標(biāo)，對(duì)彈目交會(huì)條件的要求較為苛刻.同時(shí)因?yàn)榫勰軕?zhàn)斗部采用空穴裝藥的緣故，其裝藥量小于常規(guī)的水下戰(zhàn)斗部，在水下接觸爆炸條件下，更大藥量的常規(guī)戰(zhàn)斗部和聚能型戰(zhàn)斗部的毀傷威力優(yōu)劣尚無(wú)定論，有待進(jìn)一步深入探究.

1.4 爆炸沖擊波和高速破片的耦合作用

當(dāng)水下武器攻擊艦船舷側(cè)的防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，在接觸爆炸或近距離爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波和彈體高速破片，共同對(duì)舷側(cè)外板或內(nèi)層艙壁造成毀傷破壞[53].針對(duì)水下特殊的不可壓縮流體環(huán)境，當(dāng)水下武器爆炸，高速破片先達(dá)到目標(biāo)時(shí)，破片對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)造成貫穿破壞，隨后爆炸沖擊波使已破損的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的毀傷破壞，從而產(chǎn)生2 種毀傷元對(duì)艦船目標(biāo)的耦合毀傷作用.此外對(duì)于水下武器爆炸時(shí)沖擊波先于破片達(dá)到目標(biāo)情況，即預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的穿甲問(wèn)題，諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了充分研究[54-56].尤其是對(duì)高速破片和爆炸沖擊波對(duì)艦船防護(hù)液艙的耦合毀傷效應(yīng)研究獲得了豐富的成果，對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的載荷特性和變形破壞特性有了較為清晰的認(rèn)識(shí)[57-58]，如圖9 所示.

圖9 破片和沖擊波對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程[58]Fig.9 Damage process of fragment and shock wave to liquid cabin structure [58]

特別重要的一點(diǎn)是，現(xiàn)階段針對(duì)高速破片和沖擊波的耦合毀傷效應(yīng)研究的外部環(huán)境均為空氣，簡(jiǎn)化了水下武器打擊艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)外界的水環(huán)境，僅僅考慮了艦船內(nèi)部的空氣環(huán)境.實(shí)際上外界水環(huán)境對(duì)爆炸沖擊波的傳播以及彈體碎片的運(yùn)動(dòng)有很大的影響，忽略外界水環(huán)境的研究結(jié)果雖具備一定的參考價(jià)值，但與水下武器的實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境有較大差別，后續(xù)的研究應(yīng)該考慮到這一點(diǎn).

此外隨著超空泡技術(shù)的應(yīng)用，使得水下武器的末端速度能夠高達(dá)200 節(jié)以上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的穿甲+爆炸的耦合毀傷模式[59]，如圖10所示，此時(shí)彈體的高速穿甲、炸藥的爆炸沖擊波以及殼體碎裂后的高速破片對(duì)艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合毀傷機(jī)理和模式是什么樣的，有待進(jìn)一步研究.另外隨著水下武器控制技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)多發(fā)水下武器對(duì)艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同打擊時(shí)會(huì)呈現(xiàn)什么樣的毀傷模式，值得深入探索思考.

圖10 半穿甲戰(zhàn)斗部穿透舷側(cè)艙室結(jié)構(gòu)[59]Fig.10 Semi-armor-piercing warhead penetrating ship’s side cabin structure[59]

2 典型艦船結(jié)構(gòu)的耦合毀傷效應(yīng)

水下武器對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行打擊作用時(shí)，主要的打擊部位是艦船的舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu).因此在武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)或艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要針對(duì)艦船舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu)進(jìn)行，同時(shí)考慮到舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將艦船舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似等效后的板架結(jié)構(gòu)、局部艙室結(jié)構(gòu)以及艙段或整體結(jié)構(gòu)成為水下爆炸毀傷效應(yīng)研究的主要目標(biāo).

2.1 板架結(jié)構(gòu)

板架結(jié)構(gòu)是艦船舷側(cè)或船底局部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化形式，針對(duì)板架結(jié)構(gòu)的水下爆炸毀傷效應(yīng)的研究更具有便利性，因此諸多學(xué)者對(duì)板架結(jié)構(gòu)在水下爆炸的毀傷破壞作用進(jìn)行了較多的研究，從小規(guī)模的試驗(yàn)來(lái)探索水下爆炸對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理和毀傷模式，從而為大尺度試驗(yàn)研究提供有價(jià)值的參考和支撐.

在水下爆炸作用下，普通固支平板在材料達(dá)到塑性變形階段的失效模式表現(xiàn)為大范圍的塑性變形[60]，隨著沖擊系數(shù)的增加，平板的失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔缣幍睦焖毫?，撕裂首先從邊緣處開(kāi)始，然后向拐角處擴(kuò)展[61].平板的失效模式以邊界處的剪切破壞為標(biāo)志，此后由于沖擊波的進(jìn)一步作用，平板中心區(qū)域出現(xiàn)剪切破口[62].

水下接觸爆炸對(duì)加筋板架結(jié)構(gòu)的毀傷破壞過(guò)程，其毀傷模式基本與普通平板一致，如圖11 所示.不同的是，加筋板架結(jié)構(gòu)存在破口的形成、擴(kuò)展階段以及加強(qiáng)筋的扭轉(zhuǎn)、彎曲和斷裂破壞形式[63]，在不同的損傷階段，加強(qiáng)筋表現(xiàn)出不同的“邊界效應(yīng)”[64]，存在平板和加強(qiáng)筋的耦合破壞模式.

圖11 水下爆炸對(duì)加筋板架結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程[63]Fig.11 Damage process of stiffened plate caused by underwater explosion[63]

一般而言，對(duì)于同藥量的水下接觸爆炸和近場(chǎng)爆炸，接觸爆炸對(duì)板架結(jié)構(gòu)的破壞更嚴(yán)重.接觸爆炸時(shí)，板架的嚴(yán)重破壞區(qū)發(fā)生在以爆炸點(diǎn)為中心的5～7 個(gè)裝藥半徑范圍內(nèi)，大約25 倍裝藥半徑范圍內(nèi)發(fā)生明顯的塑性凹陷變形[63]，毀傷破壞范圍會(huì)根據(jù)板架結(jié)構(gòu)的聚脲涂層[65-67]、加筋類(lèi)型[68]、預(yù)裂紋[69]、爆距[70]等因素而發(fā)生變化，尤其是柱形裝藥爆炸沖擊波的方向效應(yīng)不可忽略[71-72].

對(duì)于爆炸載荷作用下板架結(jié)構(gòu)變形破壞程度的計(jì)算方法，大多數(shù)是基于根據(jù)能量守恒原理，使爆炸載荷能量等于板架塑性變形能建立的毀傷模型[73]，能夠依據(jù)板架結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)對(duì)其彎曲、變形、伸長(zhǎng)等參量進(jìn)行計(jì)算.本文對(duì)比了水下爆炸試驗(yàn)中沖擊波和氣泡載荷作用下的固支平板結(jié)構(gòu)實(shí)際變形結(jié)果[70]與幾種典型的撓曲面方程預(yù)測(cè)結(jié)果[70,74-75]，如以下式（1）～（4），

式中：w0為靶板中心的撓度；a、b分別為平板的長(zhǎng)和寬.

各撓曲面方程在不同幅度變形情況時(shí)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)度各有優(yōu)劣，如圖12 所示，有待進(jìn)一步深入探究具有較好適應(yīng)性的預(yù)測(cè)模型.

圖12 不同類(lèi)型公式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合對(duì)比[70]Fig.12 Fitting comparison of different types of formulas to test results[70]

對(duì)于艦船板架結(jié)構(gòu)在水下近距離爆炸載荷作用下局部破口計(jì)算模型，現(xiàn)階段的計(jì)算方法主要考慮了剪切破壞導(dǎo)致的沖塞型破口[76-77]，主要考慮的參量包含板厚、藥量、爆距、結(jié)構(gòu)尺寸等.而對(duì)于由拉伸斷裂導(dǎo)致的撕裂型破口[78]，并且考慮板架的材料參數(shù)的計(jì)算方法較少.

式中：R為破口半徑；W為藥量；T為板厚；α為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；Dc為 爆距；εf為斷裂應(yīng)變；σ 為 極限應(yīng)力；I為加強(qiáng)筋的相對(duì)剛度.

在工程化應(yīng)用中，沖塞型破口的計(jì)算公式主要適用于爆距較小的接觸爆炸，不適用于近距離爆炸時(shí)產(chǎn)生的撕裂型破口[78]，已有的撕裂型破口計(jì)算公式較為繁瑣，需要結(jié)合大規(guī)模的數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)求解超越方程，有較大局限性.因此有必要對(duì)近距離爆炸范圍內(nèi)艦船板架結(jié)構(gòu)局部破口的計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠較好地適用于近距離爆炸對(duì)艦船板架結(jié)構(gòu)毀傷破壞范圍的快速估算.

雖然板架結(jié)構(gòu)的水下爆炸試驗(yàn)相對(duì)比較容易操作和設(shè)計(jì)，但是開(kāi)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施需要耗費(fèi)較多的人力、物力，相比之下，數(shù)值分析能夠很便捷地對(duì)試驗(yàn)工況的預(yù)期結(jié)果進(jìn)行仿真模擬，因此目前仿真模擬已成為水下爆炸研究的主要手段.如高精度的RKDG 方法[76]、RKDG-FEM[79]、SPH 和RKPM 相結(jié)合的方法（如圖13 所示）[80]、歐拉有限元EFEM[81]、流體體積法和VOF 結(jié)合[82-83]、可壓縮兩相流[84]等諸多方法，能夠針對(duì)性地對(duì)水下爆炸現(xiàn)象進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，但各類(lèi)型方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性[85].

圖13 基于SPH-RKPM 的水下爆炸毀傷數(shù)值模擬[80]Fig.13 Numerical simulation of structural damage caused by underwater explosion based on SPH-RKPM[80]

此外，對(duì)水下爆炸時(shí)板架結(jié)構(gòu)的塑性變形和毀傷破壞預(yù)測(cè)也一直是研究熱點(diǎn)[73，86]，諸多方法的預(yù)測(cè)模型均能夠很好地解決所研究工況中縮比板架結(jié)構(gòu)和原型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的相似問(wèn)題，但各類(lèi)型方法的優(yōu)劣性以及適應(yīng)性必然會(huì)有差別，從而導(dǎo)致對(duì)相似轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)、條件和預(yù)報(bào)誤差等問(wèn)題未能形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，損傷圖譜[87]的引入從理論上能夠解決諸多問(wèn)題，但需要大量數(shù)據(jù)的支撐，如圖14 所示.

圖14 板架結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的損傷圖譜[87]Fig.14 Damage atlas of plate frame structure [87]

類(lèi)似的是，基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真模擬數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法已經(jīng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料非線(xiàn)性變化和結(jié)構(gòu)的變形問(wèn)題[88]，如圖15 所示基于大量數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[89]，能夠依據(jù)裝藥質(zhì)量、爆距、平板和加強(qiáng)筋尺寸等參量快速計(jì)算出水下爆炸作用下加筋板架結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)結(jié)果.

圖15 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖[89]Fig.15 Schematic diagram of deep neural network model[89]

2.2 艦船局部結(jié)構(gòu)

艦船目標(biāo)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)一直是水下武器的重點(diǎn)打擊部位，不同類(lèi)型的艦船會(huì)因自身作戰(zhàn)定位設(shè)置不同的舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，如航母舷側(cè)部位設(shè)置有防雷艙或者液艙[90]，因此對(duì)艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的毀傷作用研究較為復(fù)雜，本小節(jié)主要針對(duì)艦船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)的毀傷破壞研究進(jìn)行了概述.

水下接觸爆炸對(duì)典型艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的毀傷破壞過(guò)程[80]經(jīng)歷了沖擊波載荷階段、準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷階段和負(fù)壓載荷階段[91]，如圖16 所示.水下武器接觸爆炸開(kāi)始后，舷側(cè)外板開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，沖擊波的強(qiáng)沖擊作用使舷側(cè)外板出現(xiàn)剪切破口破壞，并進(jìn)一步增大了舷側(cè)外板整體的凹陷塑性變形，并伴隨著爆轟產(chǎn)物涌入艙內(nèi)和水中氣泡的形成，此時(shí)為顯著的沖擊波載荷階段.隨后高速破片和沖擊波作用在液艙外板上，液艙外板出現(xiàn)初始裂縫并逐漸產(chǎn)生大范圍的塑性變形，沖擊波在舷側(cè)艙室內(nèi)不斷地反射后逐漸趨于均勻，因外部氣泡膨脹產(chǎn)生的壓力差導(dǎo)致空艙內(nèi)的超壓趨于0，呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜態(tài)特性[92].隨著液艙外板產(chǎn)生大范圍的撕裂，液艙內(nèi)板也出現(xiàn)凹陷塑性變形，直到發(fā)生撕裂破壞[93]，此時(shí)水中氣泡的“過(guò)度”膨脹，致使艙室內(nèi)的氣體繼續(xù)向外逸出，使空艙內(nèi)的超壓峰值變?yōu)樨?fù)值，呈現(xiàn)負(fù)壓載荷階段.

圖16 水下接觸爆炸對(duì)典型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程[80]Fig.16 Damage process of typical side structure by underwater contact explosion[80]

艦船舷側(cè)的防護(hù)結(jié)構(gòu)最主要的功能是提升防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸能抗爆效率，降低武器打擊時(shí)的毀傷威力，因此諸多學(xué)者也對(duì)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)在遭受爆炸時(shí)的吸能特性和抗爆特性進(jìn)行了研究.

針對(duì)舷側(cè)液艙水位變化對(duì)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究，基于不同的舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)獲得的研究結(jié)論不一致[94-95]，對(duì)于最優(yōu)的液艙水位未有統(tǒng)一的結(jié)論，但是一致的意見(jiàn)是液艙水位減少時(shí)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆能力會(huì)急劇降低.此外，對(duì)于舷側(cè)縱壁的支撐結(jié)構(gòu)形式[96]、單/雙液艙結(jié)構(gòu)[97]、液艙位置[98]、艙室隔板厚度[99]等參數(shù)變化對(duì)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆吸能的影響研究也較為充分.值得注意的是，含液艙的舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的水下接觸爆炸試驗(yàn)中，針對(duì)液艙外板產(chǎn)生破口的原因[91-92,100]以及舷側(cè)外板和液艙外板塑性變形模式[100-101]出現(xiàn)分歧，如圖17 所示.唯一的區(qū)別是試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿胨疃炔煌瑥亩绊懥怂卤ǖ倪吔缧?yīng)，因此，自由水面的邊界效應(yīng)如何影響水下爆炸對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理和模式，有待進(jìn)一步深入探討.

圖17 不同條件下舷側(cè)外板和液艙外板的變形結(jié)果[100-101]Fig.17 Deformation results of side outer plate and tank outer plate under different conditions[100-101]

此外舷側(cè)結(jié)構(gòu)在艙內(nèi)爆炸時(shí)的毀傷效應(yīng)也是研究熱點(diǎn)[102-107]，如圖18 所示，主要的研究方向戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)爆作用下防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式、多層防護(hù)結(jié)構(gòu)防御沖擊波和高速破片的效果[108]，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)規(guī)律[109]等.

圖18 艦船多艙室結(jié)構(gòu)內(nèi)爆試驗(yàn)[110]Fig.18 Implosion test of ship multi-cabin structure[110]

需要指出的是，現(xiàn)階段有關(guān)艙內(nèi)爆炸的研究主要關(guān)注反艦導(dǎo)彈在水線(xiàn)以上對(duì)艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的穿甲+爆炸毀傷效應(yīng)，如圖19（b）所示，所考慮的外部環(huán)境為空氣，典型的試驗(yàn)見(jiàn)圖18.但現(xiàn)階段水下武器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的穿甲+爆炸的毀傷破壞，如圖19（a）所示，此時(shí)外部環(huán)境為水，因此不同的環(huán)境條件下，艙室內(nèi)爆對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理、破壞模式以及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)發(fā)生怎樣的變化，有待進(jìn)一步深入探討.

圖19 不同類(lèi)型武器對(duì)艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的打擊示意圖[53]Fig.19 Schematic diagram of different types of weapons striking ship’s side structure[53]

2.3 艙段或整體結(jié)構(gòu)

針對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)研究中采用截取的艦船艙段或者全尺寸的艦船作為靶標(biāo)，能夠更充分地分析水下武器對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的局部毀傷和總體毀傷效應(yīng)[111].

水下武器在艦船舷側(cè)近距離范圍內(nèi)爆炸作用時(shí)，對(duì)艦船目標(biāo)基本以局部嚴(yán)重破壞為主，并且存在明顯的氣泡射流沖擊效應(yīng)[24].在完全接觸爆炸時(shí)，舷側(cè)外板會(huì)出現(xiàn)剪切破口，且四周出現(xiàn)花瓣型裂縫，隨著爆距增大，毀傷模式逐漸向局部大范圍撕裂和凹陷變形、四周沿加筋邊界撕裂延伸轉(zhuǎn)變[26]，如圖20 所示.

圖20 舷側(cè)不同距離處爆炸時(shí)艦船目標(biāo)的毀傷結(jié)果[24,26]Fig.20 Results of damage to ship targets caused by explosions at different distances on the side[24,26]

水下武器在艦船底部近距離爆炸作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生爆炸沖擊波、氣泡脈動(dòng)和氣泡射流等多種毀傷元對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的耦合作用[112]，爆距逐漸增加時(shí)對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷模式會(huì)有區(qū)別，如圖21 所示.

圖21 不同爆距時(shí)船底結(jié)構(gòu)的毀傷結(jié)果[5]Fig.21 Damage results of ship bottom structure at different explosion distances[5]

船底接觸爆炸時(shí)，船底結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大范圍的剪切破口和凹陷變形，主要受到爆炸沖擊波和氣泡射流的耦合毀傷作用，對(duì)艦船造成局部毀傷[111]；近距離爆炸時(shí)，船底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍的凹陷塑性變形[113]，主要遭受沖擊波、氣泡脈動(dòng)和氣泡射流的耦合作用[21]，氣泡的脈動(dòng)使艦船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鞭狀運(yùn)動(dòng)[114-116]，會(huì)嚴(yán)重影響艦船的總縱強(qiáng)度，對(duì)艦船目標(biāo)造成局部毀傷和總體毀傷的耦合作用[26]，如圖22 所示.

圖22 不同爆距時(shí)船底爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷破壞[21]Fig.22 Damage to ship target caused by bottom explosion at different blast distance[21]

從毀傷模式的角度，當(dāng)水下武器在艦船底部近距離處爆炸時(shí)能充分利用氣泡能量，一方面底部爆炸時(shí)艙段模型所受浮力與氣泡Bjerknes 力同方向，另一方面底部爆炸時(shí)氣泡容易產(chǎn)生射流[117]，能夠產(chǎn)生爆炸沖擊波和氣泡射流對(duì)目標(biāo)的耦合毀傷作用，并且考慮艦船剩余強(qiáng)度時(shí)的綜合毀傷效果，船底爆炸優(yōu)于舷側(cè)爆炸[117]，如圖23 所示.除了對(duì)毀傷模式進(jìn)行研究外，艦船目標(biāo)在水下爆炸作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)也是研究的熱點(diǎn)，如質(zhì)量比例阻尼因子[118]、彈著點(diǎn)位置[119]、波浪載荷[120]等參量變化時(shí)水下爆炸作用下艦船的沖擊響應(yīng)規(guī)律[121]及動(dòng)力響應(yīng)模態(tài).

圖23 舷側(cè)/船底近距離爆炸的毀傷結(jié)果[24,117]Fig.23 Damage to a ship target caused by a close - range explosion at the side or bottom[24,117]

總體而言，水下武器近場(chǎng)范圍爆炸對(duì)板架結(jié)構(gòu)、艦船局部結(jié)構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)的多毀傷元耦合作用研究較為豐富，尤其是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的初現(xiàn)端倪，未來(lái)是否能夠基于更多的模型試驗(yàn)和實(shí)船爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而發(fā)展出能夠用于水下武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)或艦船抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人工智能系統(tǒng)，值得深入探索.此外，理論上水下武器在艦船目標(biāo)的船底爆炸威力大于舷側(cè)爆炸，但現(xiàn)階段針對(duì)艦船目標(biāo)的船底結(jié)構(gòu)爆炸毀傷研究相對(duì)較少，尤其是水下武器在艦船目標(biāo)的舷側(cè)和船底爆炸時(shí)哪種工況的毀傷威力最大，尚未有定論，還需要更多的研究分析來(lái)支撐水下武器的設(shè)計(jì).特別需要指出的是，在日益發(fā)展的作戰(zhàn)環(huán)境下，水下武器的毀傷模式已經(jīng)發(fā)生改變，如穿甲+艙室內(nèi)爆炸的毀傷模式，相關(guān)的研究工作值得進(jìn)一步推進(jìn).

3 基于時(shí)空協(xié)同的多發(fā)彈耦合毀傷

隨著水下武器的突防、機(jī)動(dòng)及精確打擊能力不斷提高，水下武器出現(xiàn)了新的發(fā)展方向，如超空泡技術(shù)能夠使俄羅斯的“暴風(fēng)雪”魚(yú)雷在水中能夠以200 節(jié)的速度實(shí)現(xiàn)快速突防，多彈協(xié)同作戰(zhàn)方式可對(duì)艦船目標(biāo)的多個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行精確打擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效耦合毀傷.現(xiàn)階段學(xué)者們對(duì)水下多點(diǎn)爆炸耦合毀傷的研究取得了一定的進(jìn)展，主要集中在多點(diǎn)爆炸的威力場(chǎng)特性分析以及對(duì)典型艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)兩個(gè)方面.

3.1 多點(diǎn)爆炸的耦合毀傷威力場(chǎng)

水下多發(fā)彈攻擊艦船目標(biāo)時(shí)，多發(fā)彈爆炸作用時(shí)的相對(duì)位置和武器數(shù)量均會(huì)影響耦合毀傷威力場(chǎng)，對(duì)艦船目標(biāo)呈現(xiàn)不同的毀傷結(jié)果，現(xiàn)階段學(xué)者主要對(duì)水下2 點(diǎn)爆炸時(shí)沖擊波和氣泡脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展了研究.

當(dāng)水下2 點(diǎn)同時(shí)爆炸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生2 個(gè)沖擊波在水下環(huán)境中的相互作用具有較為明顯的疊加效果[122]，而且在在炸藥平面的不同距離以及不同方向的疊加效果會(huì)呈現(xiàn)較大區(qū)別.2 個(gè)等強(qiáng)度沖擊波的相交作用可以視為一個(gè)沖擊波在剛體表面的反射，因此在正相交和斜相交情況下，如圖24 所示，反射波陣面后水的壓力可根據(jù)質(zhì)量及動(dòng)量守恒方程進(jìn)行如下的計(jì)算[122]：

圖24 沖擊波的正相交及斜相交示意圖[122]Fig.24 Schematic diagram of normal intersection and oblique intersection of shock waves[122]

式中：ρi,a為 入射波陣面后水的密度；pi,a為入射波陣面后水的壓力；ui,a為 入射波陣面后水質(zhì)點(diǎn)的速度；Dr為反射波波速; ρr為反射波陣面后水的密度；pr為反射波陣面后水的壓力；φa為入射波頭后水質(zhì)點(diǎn)的速度與對(duì)稱(chēng)面的夾角；φr為反射波陣面與對(duì)稱(chēng)面的夾角.

水下2 點(diǎn)同時(shí)起爆時(shí)，2 個(gè)沖擊波在初始碰撞后繼續(xù)沿各自路徑傳播，在2 個(gè)爆源的對(duì)稱(chēng)面上出現(xiàn)壓力“熱點(diǎn)”[123]，并隨著波陣面一起移動(dòng)，如圖25 所示.隨著距離的增加，水下2 點(diǎn)爆炸時(shí)對(duì)稱(chēng)面上沖擊波的峰值壓力相比2 個(gè)單爆源線(xiàn)性疊加的峰值壓力有不同程度的增加[123]，沖擊波壓力的耦合增強(qiáng)作用隨距離增大而不斷減小，如圖26 所示；在非對(duì)稱(chēng)面上的壓力時(shí)程曲線(xiàn)表現(xiàn)為雙峰現(xiàn)象，產(chǎn)生沖擊波壓力的延時(shí)耦合[124].等質(zhì)量裝藥前提下，水下4 點(diǎn)陣列爆炸與2 點(diǎn)爆炸相比，在同一位置處的沖擊波作用次數(shù)會(huì)增加，出現(xiàn)3～4 個(gè)波峰[124]，但沖擊波峰值壓力小于2 點(diǎn)爆炸時(shí)的情況.

圖25 2 點(diǎn)起爆時(shí)的流場(chǎng)演化過(guò)程及熱點(diǎn)現(xiàn)象[123]Fig.25 Flow field evolution and hot spot phenomenon during two-point explosion[123]

圖26 2 個(gè)沖擊波耦合作用時(shí)對(duì)稱(chēng)面的壓力時(shí)程曲線(xiàn)[123]Fig.26 Pressure time history curve of symmetric plane when two shock waves are coupled[123]

除了沖擊波之外，水下2 點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的多個(gè)氣泡會(huì)發(fā)生相互作用，氣泡之間的相互作用將產(chǎn)生特殊的氣泡運(yùn)動(dòng)特征，出現(xiàn)單氣泡“膨脹-融合”階段、融合氣泡膨脹階段以及融合氣泡“收縮-潰滅”階段的動(dòng)態(tài)過(guò)程等過(guò)程[125-126].

與單爆源氣泡不同的是，雙爆源融合氣泡僅有一次膨脹過(guò)程，而且氣泡的最大半徑略微增大[127]，如圖27 所示，且雙爆源氣泡引起的脈沖壓力小于遠(yuǎn)大于單氣泡產(chǎn)生的脈沖.此外當(dāng)雙爆源位置為水平、傾斜及垂直的情況時(shí)，雙氣泡的膨脹、融合的模式，以及融合氣泡的脈動(dòng)、射流形成和坍塌機(jī)制會(huì)呈現(xiàn)一定的區(qū)別[127]，如圖28 所示.此外雙爆源氣泡的相互作用亦受間距[30]及起爆時(shí)間差[25]的影響，從而產(chǎn)生多氣泡間的抑制效應(yīng)[128].

圖27 氣泡半徑隨時(shí)間的變化[127]Fig.27 Bubble radius as a function of time[127]

圖28 水平、傾斜及垂直情況下的雙爆源氣泡試驗(yàn)（單位：ms）[127]Fig.28 Horizontal, inclining and vertical double explosion source bubble test (unit: ms)[127]

當(dāng)前對(duì)水下多點(diǎn)爆炸的耦合毀傷威力場(chǎng)的研究逐漸深入，但受限于研究條件和試驗(yàn)難度，學(xué)者們僅對(duì)多點(diǎn)爆炸的沖擊波或者氣泡脈動(dòng)進(jìn)行了單獨(dú)的討論與分析，未能充分探究多點(diǎn)爆炸時(shí)沖擊波、氣泡脈動(dòng)以及水射流等毀傷元之間的相互影響.另外由于試驗(yàn)條件的限制，大多數(shù)學(xué)者進(jìn)行的研究都是基于幾克～幾十克小當(dāng)量炸藥的水下爆炸試驗(yàn)進(jìn)行的，因此考慮尺度效應(yīng)的多點(diǎn)爆炸毀傷威力場(chǎng)是否具有同樣的規(guī)律特性，以及起爆延遲、相對(duì)位置等條件變化時(shí)對(duì)耦合威力場(chǎng)的影響，都有待進(jìn)一步探討.此外現(xiàn)有研究的外界環(huán)境局限在無(wú)限自由場(chǎng)，還未見(jiàn)有貼合工程應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜邊界條件下（如近水面、非規(guī)則彈塑性壁面、破損艦船）多點(diǎn)爆炸耦合毀傷威力場(chǎng)的分析和探索，仍有較大的研究空間.

3.2 針對(duì)典型艦船目標(biāo)的多彈耦合毀傷

水下多發(fā)彈的耦合毀傷效應(yīng)研究針對(duì)的目標(biāo)是固支板架結(jié)構(gòu)或艦船局部等效結(jié)構(gòu)，對(duì)多發(fā)彈耦合毀傷的研究主要分為先后多次爆炸和同時(shí)多點(diǎn)爆炸.

針對(duì)固支平板的水下爆炸耦合毀傷試驗(yàn)研究中，先后多次爆炸時(shí)鋼板的變形撓度不斷增加，但隨著爆炸次數(shù)的增加，撓度增加量不斷減少[129]，鋼板由于塑性強(qiáng)化效應(yīng)和變形機(jī)制改變[130]而出現(xiàn)剩余強(qiáng)度加強(qiáng)的現(xiàn)象，塑性變形更加困難，因此同藥量下的1次爆炸比先后3 次爆炸時(shí)的鋼板變形撓度大[131].相同試驗(yàn)條件時(shí)，水下多點(diǎn)同步爆炸試驗(yàn)中，沖擊波壓力產(chǎn)生非線(xiàn)性疊加放大效應(yīng)，在總藥量不變的條件下，同步爆炸點(diǎn)個(gè)數(shù)增加時(shí)對(duì)固支平板的毀傷破壞威力增大[132]，如圖29 所示.等藥量條件下，同一位置的時(shí)間協(xié)同先后多次爆炸與不同位置的空間協(xié)同多點(diǎn)同步爆炸對(duì)固支平板毀傷威力的結(jié)論相悖，除了爆距和起爆時(shí)間不同外，是否有其他的因素影響了試驗(yàn)結(jié)果，值得進(jìn)一步探討分析.

圖29 不同數(shù)量多點(diǎn)同步爆炸的毀傷結(jié)果[132]Fig.29 Damage results of different number of simultaneous multi-point explosions[132]

針對(duì)典型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耦合毀傷研究，如艦船目標(biāo)遭受2 發(fā)水下武器的攻擊時(shí)，2 發(fā)武器先后作用具有明顯的耦合毀傷效應(yīng)，對(duì)艦船的毀傷程度有大幅度增加[14]，如圖30 所示.此外，2 發(fā)武器先后延時(shí)打擊比同時(shí)打擊對(duì)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷破壞威力大，二者的主要區(qū)別是同時(shí)打擊時(shí)對(duì)舷側(cè)外板的破壞范圍更大，而延時(shí)打擊時(shí)對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的破壞更強(qiáng)[133-134].對(duì)于2 發(fā)彈水下爆炸時(shí)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，2 發(fā)彈同時(shí)爆炸時(shí)目標(biāo)的沖擊響應(yīng)稍小于2 發(fā)彈獨(dú)立作用時(shí)的線(xiàn)性疊加[135]，如圖31 所示.

圖30 船底爆炸對(duì)預(yù)損傷艙段的毀傷過(guò)程[14]Fig.30 Damage process of pre-damaged cabin section by bottom explosion[14]

圖31 艦船遭受同時(shí)/延時(shí)爆炸時(shí)的譜速度[136]Fig.31 Shock spectrum velocity of ship subjected to simultaneous/delayed explosion[136]

水下多點(diǎn)爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的耦合毀傷效應(yīng)研究處于起步階段，相關(guān)的研究較少，對(duì)包含彈目特征的諸多問(wèn)題缺乏更深層次的探討，如彈目交會(huì)條件、目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)變化時(shí)對(duì)目標(biāo)毀傷威力的英雄規(guī)律.此外有關(guān)水下多點(diǎn)爆炸時(shí)，有關(guān)艦船目標(biāo)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模式和毀傷威力計(jì)算模型還未見(jiàn)深入的研究，有待更深入的探索.

4 結(jié)論與展望

根據(jù)現(xiàn)階段針對(duì)艦船目標(biāo)耦合毀傷的研究分析，現(xiàn)有研究已經(jīng)取得豐富進(jìn)展，但由于水下武器具有新的協(xié)同作戰(zhàn)方式和毀傷模式，以及艦船目標(biāo)爆炸存在毀傷復(fù)雜性，仍有以下需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題：

① 對(duì)于多類(lèi)型毀傷元對(duì)目標(biāo)的耦合作用機(jī)理的研究大多基于試驗(yàn)和數(shù)值模擬，尚缺乏對(duì)于沖擊波和空化載荷之間的耦合作用機(jī)理以及3 種毀傷元對(duì)目標(biāo)的毀傷破壞模式的分析與討論；人工智能在預(yù)測(cè)水下武器毀傷威力以及艦船結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力方面的應(yīng)用處于起步階段，還有較大的研究空間；此外在新的作戰(zhàn)條件下，水下武器穿甲+爆炸+氣泡多毀傷對(duì)艦船目標(biāo)的耦合毀傷機(jī)理、多發(fā)彈對(duì)艦船目標(biāo)協(xié)同打擊的毀傷模式、常規(guī)戰(zhàn)斗部和聚能型戰(zhàn)斗部的毀傷威力優(yōu)劣性、水下武器毀傷威力最大化、背水環(huán)境艙室內(nèi)爆時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等諸多問(wèn)題，有待進(jìn)一步探索.

② 由于試驗(yàn)條件的限制，大多數(shù)學(xué)者進(jìn)行的研究都是基于幾克～幾十克小當(dāng)量炸藥的水下爆炸試驗(yàn)進(jìn)行的，因此考慮尺度效應(yīng)的多點(diǎn)爆炸毀傷威力場(chǎng)是否具有同樣的規(guī)律特性，以及起爆延遲、相對(duì)位置等條件變化時(shí)對(duì)威力場(chǎng)的影響，都有待進(jìn)一步思考.此外現(xiàn)有研究的外界環(huán)境局限在無(wú)限自由場(chǎng)，還未見(jiàn)有貼合水下武器實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜邊界條件下（如近水面、非規(guī)則彈塑性壁面、彈塑性不連續(xù)邊界）多點(diǎn)爆炸耦合毀傷威力場(chǎng)的分析和探索，仍有較大的研究空間.

③ 關(guān)于水下多點(diǎn)爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)研究大多局限于一些簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，考慮水面艦船、潛艇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，多點(diǎn)爆炸對(duì)艦船目標(biāo)的耦合毀傷效應(yīng)以及目標(biāo)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)形式等方面的研究尚需加強(qiáng).此外對(duì)包含彈目特征的諸多問(wèn)題缺乏更深層次的探討，如彈目交會(huì)條件、目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)變化時(shí)對(duì)多點(diǎn)爆炸對(duì)目標(biāo)毀傷威力的影響規(guī)律、先后爆炸時(shí)第二次爆炸在破損的彈塑性不連續(xù)邊界的威力場(chǎng)演化特性等問(wèn)題有待進(jìn)一步研究.