李　琛　李家波　劉文思

(91439部隊　大連　116041)

基于能量修正的戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法*

李琛李家波劉文思

(91439部隊大連116041)

摘要為有效檢驗和準確評估戰(zhàn)斗部爆炸威力，確定合理的戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法，分別采用沖擊波峰值壓力修正和能量修正的方法處理沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)，計算戰(zhàn)斗部爆炸能量，并依據(jù)炸藥爆炸相對能量評估法評估戰(zhàn)斗部爆炸威力。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)處理結果分析驗證，采用能量修正處理沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)的方法能夠有效修正測量系統(tǒng)誤差和忽略戰(zhàn)斗部水中爆炸熱損耗能的計算誤差，從而提高爆炸能量的計算精度，該方法可作為戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理的通用方法。

關鍵詞戰(zhàn)斗部爆炸威力; 爆炸能量; 數(shù)據(jù)處理方法; 能量修正

Class NumberTN219

1引言

戰(zhàn)斗部爆炸威力是反映水中兵器作戰(zhàn)性能和毀傷目標能力的重要參數(shù)，也是水中兵器試驗鑒定的重要內(nèi)容。目前戰(zhàn)斗部爆炸威力主要通過水下爆炸物理場，即沖擊波壓力場、氣泡脈動、爆炸能量等方面進行評估。戰(zhàn)斗部爆炸能量測定通常采用炸藥水下爆炸能量的測定方法，測定方法研究在國內(nèi)外已經(jīng)取得很大進展[1～7]，但這些研究未涉及大量裝藥戰(zhàn)斗部爆炸能量的測定和修正。在處理沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)計算戰(zhàn)斗部爆炸能量過程中，常采用標定壓力傳感器靈敏度修正沖擊波峰值壓力的方法修正測量系統(tǒng)誤差；但因忽略戰(zhàn)斗部水中爆炸的熱損失能[8]帶來的誤差無法修正，難以準確計算戰(zhàn)斗部爆炸能量。因此，研究確定合理的沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)處理方法對于有效考核和準確評估戰(zhàn)斗部爆炸威力、客觀評定水中兵器作戰(zhàn)性能和毀傷目標能力具有重要意義。

本文基于炸藥爆炸相對能量評估法[9]評估爆破戰(zhàn)斗部爆炸威力，分別采用沖擊波峰值壓力修正和能量修正的方法處理沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)，計算戰(zhàn)斗部爆炸能量；通過試驗結果對比及誤差分析，確定合理的戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法，以減小測量系統(tǒng)誤差和忽略戰(zhàn)斗部水中爆炸熱損耗能的計算誤差，從而提高戰(zhàn)斗部爆炸威力評估的準確性。

2爆破型戰(zhàn)斗部爆炸威力的表征

衡量水中爆炸威力的兩個重要能量參數(shù)是沖擊波能和氣泡能[10]。爆破戰(zhàn)斗部球形裝藥水中爆炸釋放的能量，一部分隨水中沖擊波傳出，稱為沖擊波能Es；一部分存在于爆炸產(chǎn)物氣泡中，稱為氣泡能Eb；還有一部分能量以熱的形式散逸在水中，稱為熱損失能。熱損失能無法直接測量，一般把Es與Eb的和作為炸藥總能量ER的近似值。爆破型戰(zhàn)斗部爆炸威力WT用戰(zhàn)斗部裝藥TNT當量表征，即戰(zhàn)斗部裝藥和標準鑄裝TNT炸藥的相對比爆炸能量與戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量的乘積。

2.1沖擊波能Es

在水下爆炸中，沖擊波是引起目標破壞的主要作用因素。

1) 沖擊波壓力P(t)

對于鑄裝TNT球形藥包，水中沖擊波的波后壓力隨時間變化的衰減規(guī)律P(t)[11]可表示為

P(t)=Pme-t/θ

(1)

(2)

式中，Pm為沖擊波壓力峰值(Pa)；θ為時間常數(shù)(s)；WTNT為藥量(kg)；R為爆距(m)，R0為炸藥藥包半徑(m)。

2) 沖擊波能Es[2]

(3)

式中，Es為沖擊波能(J/kg)；R為爆距(m)；WTNT為藥量(kg)；ρw為水密度(kg/m3)；cw為水中聲速(m/s)；θ為沖擊波衰減常數(shù)(s)；P(t)為距爆源R處沖擊波超壓(Pa)隨時間變化的函數(shù)關系。

2.2氣泡能Eb

裝藥在無限水介質(zhì)中爆炸時，氣泡脈動引起的二次壓力波峰值一般不超過沖擊波峰值的20%，但其作用時間遠大于沖擊波作用時間。

氣泡能Eb[2]

(4)

式中，Eb為氣泡能(J/kg)，Tb為第一次氣泡脈動周期(s)，由(5)式確定；ρw為水密度(kg/m3)；Ph為炸藥深度h(m)處的靜水壓力(Pa)。

(5)

2.3爆炸能量ER

一般把沖擊波能Es與氣泡能Eb的和作為炸藥總能量ER的近似值，即

ER=Es+Eb

(6)

2.4戰(zhàn)斗部爆炸威力WT

戰(zhàn)斗部爆炸威力，即戰(zhàn)斗部裝藥TNT當量WT由式(7)確定：

WT=W×η

(7)

(8)

式中：W為戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量，η為戰(zhàn)斗部裝藥與標準鑄裝TNT藥球的相對比爆炸能量，ERTNT為標準鑄裝TNT藥球水下爆炸能量理論值。由式(9)、(10)計算標準TNT藥球水下爆炸沖擊波能Es和氣泡能的理論值[8]：

(9)

Eb=1.99×106(J/kg)

(10)

并由式(6)計算標準TNT藥球水下爆炸能量理論值ERTNT。

3戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理方法

戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理即沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)的處理，目前可采用沖擊波峰值壓力修正的方法及爆炸能量修正的方法，二者主要差別是標定試驗中修正的參數(shù)不同。標定試驗取標準鑄裝TNT藥球(密度為1.52g/cm3)作為爆源，試驗工況與戰(zhàn)斗部爆炸威力試驗相同。

3.1沖擊波峰值壓力修正

沖擊波峰值壓力修正基于標定試驗中，標準TNT 藥球爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力實測值和由式(2)計算的理論值進行對比，修正壓力傳感器靈敏度系數(shù)；并將修正后的壓力傳感器靈敏度用于戰(zhàn)斗部爆炸試驗中沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)的修正，計算爆炸能量和TNT當量，從而獲得戰(zhàn)斗部爆炸威力。主要步驟如下：

1)由標定試驗沖擊波壓力時程曲線，獲得不同爆距Ri測點沖擊波峰值壓力Pmt；

2)由式(2)計算標準TNT藥球不同爆距Ri測點沖擊波峰值壓力理論值Pmi；

4)通過壓力傳感器的靈敏度修正系數(shù)修正戰(zhàn)斗部爆炸試驗沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)；

5)由式(3)～式(6)計算距離裝藥中心R處各測點的Es、Eb和ER；

6)由式(7)、式(8)計算戰(zhàn)斗部爆炸的TNT當量值WT。

3.2爆炸能量修正

爆炸能量修正基于標定試驗中，標準TNT藥球爆炸產(chǎn)生的沖擊波能和氣泡能的實測值及由經(jīng)驗公式式(9)、式(10)得到的理論值進行對比，修正爆炸能量；并將爆炸能量修正系數(shù)用于戰(zhàn)斗部爆炸試驗中沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)的修正，計算爆炸能量和TNT當量，從而獲得戰(zhàn)斗部爆炸威力。主要步驟如下：

1)由標定試驗沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)和式(3)～式(6)，計算距離裝藥中心R處各測點的沖擊波能Es、氣泡能Eb和爆炸能量ER；

2)由式(9)、(10)計算密度為1.52g/cm3標準鑄裝TNT藥球距離裝藥中心R處的Es和Eb的理論值；

4)根據(jù)實測的戰(zhàn)斗部爆炸試驗沖擊波、氣泡能數(shù)據(jù)，乘以修正系數(shù)k，并由式(7)、式(8)，計算戰(zhàn)斗部爆炸的TNT當量值WT。

4試驗數(shù)據(jù)處理方法對比

采用6kg標準TNT藥球進行2次標定試驗和4次爆炸試驗，分別采用文中的兩種數(shù)據(jù)處理方法，計算藥球爆炸能量和威力，并進行誤差分析。

4.1試驗工況及數(shù)據(jù)處理結果

采用沖擊波峰值壓力修正方法處理爆炸威力數(shù)據(jù)，結果如表1所示，其中工況1、2 為標定試驗數(shù)據(jù)。

采用能量修正方法處理爆炸威力數(shù)據(jù)，結果如表2所示，其中工況1、2 為標定試驗數(shù)據(jù)。

表1　沖擊波峰值壓力修正方法數(shù)據(jù)處理結果

表2　能量修正方法數(shù)據(jù)處理結果

從表1可以看出，采用沖擊波峰值壓力修正方法修正爆炸威力數(shù)據(jù)，計算爆炸威力結果與6kgTNT的誤差為15%；從表2可以看出，采用能量修正方法修正爆炸威力數(shù)據(jù)，計算爆炸威力結果與6kgTNT的誤差為0.37%。

4.2試驗結果分析

試驗數(shù)據(jù)處理結果表明，在處理沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)計算爆炸威力的方法中：

1)沖擊波峰值壓力修正方法誤差相對較大

受海面、海底以及目標反射等的影響，沖擊波壓力時程曲線上會出現(xiàn)駝峰、海面截斷效應等非線性特征，如圖1所示。采用沖擊波峰值壓力修正方法，線性修正沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)，如圖2所示，在計算沖擊波能時必然會帶來較大誤差；同時，氣泡能和沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)中的脈動周期有關，修正沖擊波峰值壓力無法對氣泡能進行修正，從而導致計算爆炸威力的誤差相對較大。

圖1　沖擊波壓力時程曲線

圖2　沖擊波峰值壓力修正時程曲線

2)爆炸能量修正方法誤差相對較小

炸藥水中爆炸釋放的能量有一部分以熱的形式散逸在水中，這部分熱損失能雖無法測量，但通過標定試驗能量修正后，不僅減小了測量系統(tǒng)誤差同時修正了忽略熱損失帶來的計算誤差，因此，用能量修正的數(shù)據(jù)處理方法計算戰(zhàn)斗部爆炸威力的誤差相對較小。

3)用沖擊波峰值壓力修正方法處理沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)時，氣泡能無法修正，若氣泡能采用實測值計算爆炸威力，誤差在15%左右。

5結語

本文分別采用沖擊波壓力峰值修正和能量修正方法處理沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)，6kg標準TNT藥球作為爆源進行兩次標定試驗和四次爆炸試驗，計算炸藥的爆炸威力。從試驗結果和數(shù)據(jù)誤差分析中可以看出：沖擊波峰值壓力修正法通過峰值壓力理論值線性修正沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)，只能修正系統(tǒng)誤差和沖擊波能，對氣泡能無法修正，因此，難以修正因忽略炸藥水中爆炸熱損失能帶來的計算誤差，計算爆炸威力誤差較大；爆炸能量修正法修正戰(zhàn)斗部爆炸能量，不僅修正系統(tǒng)誤差，同時對因忽略炸藥水中爆炸的熱損失能帶來的計算誤差也能加以修正，在計算戰(zhàn)斗部爆炸威力時誤差較小。因此，基于能量修正的沖擊波壓力時程數(shù)據(jù)處理方法可作為爆破戰(zhàn)斗部爆炸威力數(shù)據(jù)處理的通用方法。

參 考 文 獻

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Data Processing Method of Blast Warhead Explosive Power Based on Energy Modification

LI ChenLI JiaboLIU Wensi

(No.91439 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn order to effectively test and accurately assess blast warhead explosive power, reasonably determinate warhead explosion data processing method, it respectively uses shock wave peak pressure modification method and energy modification method to process shock wave pressure-time data in this passage in calculating warhead explosion energy and assessing warhead explosion power based on explosive energy relative evaluation method. The processing results of test data validate that the energy modification method can effectively modify measurement system error and the calculation error which ignore the warhead explosion heat consumption, so as to improve the precision of the calculation of explosion energy. This method can be used as a general data processing method of warhead explosion power.

Key Wordsblast warhead explosive power, specific explosion energy, data processing method, energy modification method

*收稿日期：2015年12月7日,修回日期：2016年1月30日

作者簡介：李琛,女,碩士,高級工程師,研究方向：水下爆炸試驗測量與數(shù)據(jù)處理。李家波,男,工程師,研究方向：水下爆炸試驗總體。

中圖分類號TD235.3

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.020

劉文思,男,博士,工程師,研究方向：水下爆炸試驗測量與數(shù)據(jù)處理。