不同起爆方式對(duì)水下炸藥能量輸出影響的實(shí)驗(yàn)研究

［摘 要］ 為了研究不同起爆方式對(duì)大當(dāng)量水下戰(zhàn)斗部裝藥爆炸能量輸出的影響，在大型水域開(kāi)展了20 kg級(jí)裝藥戰(zhàn)斗部水下靜爆實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了不同起爆方式下水中爆炸的能量輸出。結(jié)果表明：改變起爆方式，可使裝藥在爆炸近場(chǎng)的水中爆炸能量（沖擊波超壓、沖擊波能和總能量）輸出有較大的變化。其中，端面起爆方式下，水下爆炸近場(chǎng)R=6 m處的沖擊波超壓、沖擊波能和總能量可達(dá)到理想球形爆轟的97.3%、 81.2%和93.5%?？梢?jiàn)，在裝藥形狀基本不變的條件下，改變起爆方式即可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到最大能量輸出。但起爆方式對(duì)炸藥的沖擊波超壓和能量輸出的影響存在區(qū)域效應(yīng)，當(dāng)R/r=12.00時(shí)，端面起爆與理想球形爆轟產(chǎn)生的沖擊波超壓相當(dāng)；當(dāng)R/r=16.77時(shí)，不同起爆方式下炸藥的沖擊波能、氣泡能和總能量相差不大，起爆方式對(duì)炸藥能量輸出的影響幾乎可以忽略。

［關(guān)鍵詞］ 起爆方式；水下爆炸；爆炸威力

［分類號(hào)］ TJ510; TQ560.7

Experimental Study on Effects of Different Detonation Methods on Energy Output of

Explosives in Underwater Explosion

LIU Yan， LEI Yongtao， TONG Zongbao， JIANG Zisheng， LIU Zhihua， LI Wenna

Jiangnan Industry Group Co.， Ltd. （Hunan Xiangtan， 411207）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to study the effect of different detonation methods on energy output of a large-equivalence underwater warhead， a 20 kg-level charge warhead underwater static explosion experiment was conducted in a large water area. The variation law of energy output in underwater explosions under different detonation methods was studied. Results indicate that changing the detonation method can cause significant changes in the output of explosive energy of the charge， such as shock wave overpressure， shock wave energy， and total energy， in the water near the explosion field. Under the end detonation method， the shock wave overpressure， shock wave energy， and total energy at the near-field R=6 m of underwater explosion can reach 97.3%， 81.2%， and 93.5% of the ideal spherical detonation， respectively. It can be seen that changing the detonation method can optimize the structure of the warhead and achieve maximum output energy， while keeping the shape of the charge basically unchanged. However， there is a regional effect on the impact of detonation methods on shock wave overpressure and energy output of explosives. When R/r=12.00， the shock wave overpressure generated by end detonation is equivalent to that generated by an ideal spherical detonation. When R/r=16.77， the difference in shock wave energy， bubble energy， and total energy of explosives under different detonation methods is not significant， and the influence of detonation methods on the energy output of explosives can be almost ignored.

［KEYWORDS］ detonation method; underwater explosion; explosive power

0 引言

水中爆炸會(huì)同時(shí)產(chǎn)生沖擊波效應(yīng)和獨(dú)特的氣泡脈動(dòng)效應(yīng)，與空氣中爆炸相比，作用機(jī)理存在著本質(zhì)差別。受總體結(jié)構(gòu)限制，水中兵器采用的爆破型戰(zhàn)斗部一般采用中心管起爆的方式。中心管爆破型戰(zhàn)斗部爆炸的能量輸出與理想球形爆轟的能量輸出差別較大，特別是對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)而言，有效載荷浪費(fèi)更明顯。為了提高水中兵器戰(zhàn)斗部的毀傷威力，目前研發(fā)的主要趨勢(shì)是增加戰(zhàn)斗部裝藥量、采用新型高能炸藥、采用定向/聚能技術(shù)和串聯(lián)/隨進(jìn)裝藥技術(shù)、同步爆炸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及采用垂直命中接觸爆炸技術(shù)等［1-2］。

在總體設(shè)計(jì)的限定條件下，現(xiàn)役戰(zhàn)斗部不可能無(wú)限制地增加裝藥量。為提高戰(zhàn)斗部對(duì)高防護(hù)目標(biāo)的毀傷能力，可改變戰(zhàn)斗部的起爆方式，控制水中爆炸場(chǎng)的能量作用及輸出結(jié)構(gòu)，使戰(zhàn)斗部在水下爆炸時(shí)，爆炸能量向目標(biāo)方向集中。目前，已經(jīng)有學(xué)者研究了不同起爆方式對(duì)炸藥水下爆炸的影響［3-6］。關(guān)于大裝藥量戰(zhàn)斗部采用不同起爆方式時(shí)對(duì)水下遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸能量輸出的影響還鮮有報(bào)道。

為了使研究更貼近實(shí)際應(yīng)用，選用20 kg級(jí)PBX類炸藥裝藥的實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部，對(duì)在不同起爆方式下不同距離處的沖擊波超壓和水下輸出能量進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)提高水中兵器毀傷威力具有積極的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)布置

采集系統(tǒng)：986A0151 Genesis Tower高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，德國(guó)HBM公司。壓力傳感器：PCB138系列水下爆炸壓力傳感器。

實(shí)驗(yàn)在湖上開(kāi)展。在岸基兩側(cè)固定布放鋼絲繩。實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部和壓力傳感器懸吊在鋼絲繩上，并懸布于水下一定深度處。采集與實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部同等水深、不同距離處的壓力-時(shí)間曲線。

水深15 m，以實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部為中心，對(duì)稱布置壓力傳感器。距爆點(diǎn)6、8、10、12 m和14 m的位置處布設(shè)水下壓力傳感器。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示，1#～10#代表傳感器標(biāo)號(hào)。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

共包含4種實(shí)驗(yàn)工況，分別為長(zhǎng)徑比為1的單點(diǎn)起爆方式（I）和長(zhǎng)徑比為3的中心管起爆（II）、射流起爆（III）、端面起爆（IV）。均裝填一種PBX澆注炸藥，柱形裝藥，裝藥量為20 kg左右。實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部如圖2所示；4種工況如表1所示。其中，長(zhǎng)徑比為1的單點(diǎn)起爆實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部作為標(biāo)準(zhǔn)用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

均采用200 m長(zhǎng)的導(dǎo)爆管雷管起爆，起爆雷管為8#雷管。在水深約50 m、寬度接近300 m的自由水域完成實(shí)驗(yàn)，水流速度0.026～0.115 m/s，無(wú)來(lái)往船只，水面基本無(wú)風(fēng)浪。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部

根據(jù)采集到的有效數(shù)據(jù)，典型的沖擊波超壓曲線和氣泡脈沖曲線如圖3所示。

根據(jù)水中爆炸的幾何相似律，球形裝藥中心起爆時(shí)，超壓的變化規(guī)律為［7-8］：

Δp=k3WRα。（1）

式中： Δp為水下沖擊波超壓；k為與實(shí)驗(yàn)條件相關(guān)的常數(shù)；W為裝藥質(zhì)量；R為距爆點(diǎn)的距離；α為與裝藥類型相關(guān)的常數(shù)。

工況I為PBX標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（平均值）。根據(jù)多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，反推式（1）中本次實(shí)驗(yàn)的k=84.859 0、a=1.360 3，擬合度達(dá)到0.995 7。其中，C=3W/R，說(shuō)明PBX標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部的能量輸出接近球形爆轟，擬合曲線如圖4所示。

2.2 沖擊波超壓

根據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，繪制4種工況條件下的Δp與R的關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5分析可知：工況I，即標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部，在水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓最高；其次是工況IV；最低的是工況II和III。

在爆炸近場(chǎng)，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部的沖擊波超壓最為接近的是工況IV，即端面起爆的方式。采用端面起爆的實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部，在R=6 m處，沖擊波超壓達(dá)到理想球形爆轟的97.3%。分析原因可能是：在端面起爆方式下，傳爆序列中傳爆藥柱與主裝藥的接觸面積大，使得主裝藥能在短時(shí)間內(nèi)完成爆轟；而工況II和工況III，由于起爆方式影響，徑向損失較大，發(fā)展到穩(wěn)定爆轟的距離和時(shí)間較長(zhǎng)，在爆炸近場(chǎng)沖擊波超壓偏低。

另外，在R=10～14 m處，工況IV的沖擊波超壓略大于工況I?？赡苁怯捎诙嗣嫫鸨瑫r(shí)，主裝藥能在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)形成穩(wěn)定爆轟，生成的爆轟產(chǎn)物相對(duì)較多。在較遠(yuǎn)距離處，水下炸藥中的鋁粉與爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，釋放能量相對(duì)較多，對(duì)沖擊波的補(bǔ)充相對(duì)明顯。

炸藥水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波在傳播過(guò)程中保持著較快的衰減速率。在較遠(yuǎn)距離處，不同起爆方式下實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓趨近相等。如對(duì)于工況IV，當(dāng)R/r=12.00（r為裝藥半徑），即R=10 m時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓相當(dāng)。對(duì)于工況II和工況III而言，在R=14、12 m時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部的沖擊波超壓相當(dāng)。說(shuō)明不同起爆方式對(duì)炸藥水中爆炸沖擊波壓力的影響在一定距離后消失，存在一定的區(qū)域效應(yīng)。此區(qū)域之外，可能對(duì)應(yīng)了炸藥水中爆炸沖擊波的球形化。

2.3 能量

炸藥在水中爆炸時(shí)釋放出多種可測(cè)量的量，如：利用傳感器可測(cè)到測(cè)點(diǎn)處的峰值壓力pm、氣泡波第一次的脈動(dòng)周期、壓力指數(shù)衰減的時(shí)間常數(shù)θ及p～t曲線等。再通過(guò)數(shù)值積分和計(jì)算，可得到被測(cè)炸藥的沖擊波能E及氣泡能Eb，進(jìn)而計(jì)算得到總能量Etol。

Etol=E+Eb。（2）

根據(jù)文獻(xiàn)［8-9］，炸藥水下爆炸的沖擊波能：

E=K14πR2WρWcW6.7θ0p2（t）dt;

p（t）=pme-t/θ。（3）

式中：pm為水中沖擊波初始?jí)毫Φ姆逯?；θ為沖擊波的指數(shù)衰減時(shí)間常數(shù)，pm衰減到pm/e所需的時(shí)間，e=2.718；ρW為水的密度；cW為水中聲速；K1為比例系數(shù)，由TNT標(biāo)定的平均數(shù)值計(jì)算得出。

氣泡能用炸藥在水下爆炸時(shí)、爆炸生成的氣體產(chǎn)物克服靜水壓第一次膨脹、達(dá)到最大值時(shí)所做的功來(lái)度量。

Eb=0.683 9K2p5/2hρ3/2W×T3W。（4）

式中：ph為裝藥深處的靜水壓力;T為第一次氣泡脈動(dòng)的周期；K2為比例系數(shù)，由TNT標(biāo)定的平均數(shù)值計(jì)算得出。

不同起爆方式下的水下爆炸能量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，在爆炸近區(qū)，起爆方式對(duì)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部水下能量輸出的影響主要以沖擊波能為主，對(duì)氣泡能的影響不大。與起爆方式對(duì)沖擊波超壓的影響結(jié)果一致，工況I標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部的水下爆炸輸出能量最大，工況IV次之，工況II和III最小。工況IV，即采用端面起爆的實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部在距離爆點(diǎn)6 m處沖擊波能和總能量可達(dá)到理想球形爆轟的81.2%、 93.5%。

不同起爆方式對(duì)炸藥水下能量輸出的影響隨著距離的增加逐漸減弱。當(dāng)R/r=16.77，即距離爆點(diǎn)R=14 m處，不同起爆方式下實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)斗部的沖擊波能、氣泡能和總能量相差不大。

3 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)徑比較大的爆轟型戰(zhàn)斗部進(jìn)行了水下靜爆實(shí)驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：

1）在裝藥形狀基本不變的條件下，改變起爆方式即可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到最大能量輸出。對(duì)于爆轟型長(zhǎng)徑比較大的裝藥結(jié)構(gòu)而言，采用端面起爆的方式較適宜。在爆炸近場(chǎng)R=6 m處，炸藥的沖擊波超壓、沖擊波能和總能量可達(dá)到理性球形爆轟的97.3%、 81.2%和93.5%。

2）起爆方式僅在近場(chǎng)一定距離內(nèi)對(duì)炸藥的沖擊波超壓有影響，存在一定的區(qū)域效應(yīng)。對(duì)于采用端面起爆的裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)R/r=12.00時(shí)，與理想球形爆轟產(chǎn)生的沖擊波超壓相當(dāng)。

3）不同起爆方式對(duì)炸藥水下爆炸能量輸出的影響隨著距離的增加而減弱。對(duì)于長(zhǎng)徑比為3的柱形裝藥戰(zhàn)斗部，當(dāng)R/r=16.77時(shí)，不同起爆方式下炸藥的沖擊波能、氣泡能和總能量相差不大，起爆方式對(duì)炸藥能量輸出的影響幾乎可以忽略。不同起爆方式對(duì)水下炸藥爆炸能量輸出的影響有待在理論和實(shí)驗(yàn)上做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王團(tuán)盟， 哈海榮， 魯海玲， 等. 爆炸網(wǎng)絡(luò)輸出同步性對(duì)水中兵器聚能戰(zhàn)斗部毀傷威力的影響［J］.魚雷技術(shù)， 2021， 29（2）： 230-237.

WANG T M， HA H R， LU H L， et al. Effect of explosion network output synchronization on the damage power of shaped charge warhead of underwater weapon ［J］.Torpedo Technology， 2021， 29（2）： 230-237.

［2］ 胡宏偉， 宋浦. 水中兵器爆炸威力增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展思考［J］.含能材料， 2021， 29（7）： 581-583.

［3］ 魯忠寶， 黎勤， 哈海榮. 不同能量輸出結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水下爆炸毀傷威力試驗(yàn)研究［J］. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2019， 27（1）： 71-77.

LU Z B， LI Q， HA H R. Experimental study on underwater explosion damage power of warhead with different energy output configuration［J］. Journal of Unmanned Undersea Systems， 2019， 27（1）： 71-77.

［4］ 宋浦， 肖川， 梁安定， 等. 不同起爆方式對(duì)TNT水中爆炸作用的影響［J］. 火炸藥學(xué)報(bào)， 2008， 31（2）： 75-77.

SONG P， XIAO C， LIANG A D， et al. Effect of different initiating modes on TNT underwater explosion［J］. Chinese Journal of Explosives amp; Propellants， 2008， 31（2）： 75-77.

［5］ 李金河， 趙繼波， 譚多望， 等. 不同起爆方式對(duì)含鋁炸藥水中爆炸近場(chǎng)沖擊波壓力的影響［J］. 高壓物理學(xué)報(bào)， 2012， 26（3）： 289-293.

LI J H， ZHAO J B， TAN D W， et al. Effect on the near field shock wave pressure of underwater explosion of aluminized explosive at different initiation modes［J］. Chinese Journal of High Pressure Physics， 2012， 26（3）： 289-293.

［6］ 郭濤， 馮彬， 李裕春， 等. 不同起爆方式對(duì)水下深孔爆破危害效應(yīng)影響的數(shù)值模擬［J］. 爆破器材， 2012， 41（1）： 29-31.

GUO T， FENG B， LI Y C， et al. Numerical simulation of harmful effect of underwater deep-hole blasting with different ignition mode［J］. Explosive Materials， 2012， 41（1）： 29-31.

［7］ SWIADAK M M. Explosion effects and properties. Part Ⅱ. Explosion effects in water：" NSWC/WOLTR76-116［R］. Silver Spring， MD， US： Naval Surface Weapons Center， 1978.

［8］ 工業(yè)炸藥測(cè)試新技術(shù)：國(guó)際炸藥測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)化研究組織第八屆會(huì)議論文集［C］. 陳正衡， 譯." 北京： 煤炭工業(yè)出版社， 1982.

［9］ 趙琳， 李兵， 閆吉杰， 等. 炸藥能量測(cè)試的水下爆炸方法［J］. 聲學(xué)技術(shù)， 2003， 22（2）： 72-75， 82.

ZHAO L， LI B， YAN J J， et al. A method of the blast energy measurement by underwater explosion［J］. Technical Acoustics， 2003， 22（2）： 72-75， 82.