張姝紅 金 輝

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

裝藥水下沉底爆炸時(shí)，由于水底介質(zhì)邊界條件影響，與自由場(chǎng)條件下爆炸呈現(xiàn)出完全不同的特征［1～7］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于自由場(chǎng)條件下的水中爆炸研究較多，而對(duì)沉底邊界條件下爆炸特性研究相對(duì)較少，對(duì)沉底邊界的影響認(rèn)識(shí)不夠充分，相關(guān)的理論研究還不成熟?；诜抡婧托‘?dāng)量試驗(yàn)研究認(rèn)為沉底爆炸時(shí)沖擊波的底部效應(yīng)主要為反射波，不同底質(zhì)有不同的反射效果，對(duì)某一具體的水底而言，反射角的大小是影響反射效果的主要因素［8～10］；同時(shí)沉底爆炸時(shí)對(duì)氣泡脈動(dòng)周期和壓力等特性也產(chǎn)生影響［11］。由于沉底反射作用對(duì)裝藥的爆炸威力產(chǎn)生較大影響，在水中兵器裝藥指標(biāo)設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)使用時(shí)需考慮海底邊界反射作用。

大當(dāng)量裝藥水中沉底爆炸更能客觀真實(shí)反映沉底爆炸現(xiàn)象和輸出特性。通過(guò)對(duì)大當(dāng)量集團(tuán)裝藥水中沉底爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，研究試驗(yàn)中水底底質(zhì)對(duì)爆炸沖擊波峰值壓力和氣泡脈動(dòng)的影響，以及對(duì)毀傷作用的影響，可為沉底爆炸的水中兵器裝藥指標(biāo)設(shè)計(jì)和毀傷研究提供參考。

2 水下爆炸基本理論

裝藥水下爆炸產(chǎn)生瞬時(shí)強(qiáng)沖擊波，同時(shí)爆轟產(chǎn)物形成氣泡脈動(dòng)。自由場(chǎng)條件下沖擊波壓力按照指數(shù)規(guī)律衰減，氣泡脈動(dòng)膨脹收縮產(chǎn)生脈動(dòng)壓力，峰值約為沖擊波峰值壓力的10%～20%。對(duì)于密度為1.52g/cm3的TNT 炸藥在自由場(chǎng)條件下的沖擊波峰值壓力［12］和氣泡脈動(dòng)周期［13］公式分別為

式中W為TNT 裝藥當(dāng)量，kg；R為爆距，即炸點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)距離，m；H為裝藥入水深度，m。

而對(duì)于裝藥水下沉底爆炸，一般根據(jù)不同底質(zhì)在峰值壓力計(jì)算時(shí)對(duì)裝藥當(dāng)量W乘以相應(yīng)的反射系數(shù)K，如泥沙底為1.2、礫石底為1.5，以此反映沉底爆炸時(shí)底質(zhì)對(duì)爆炸作用的影響。但在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)沉底爆炸不但對(duì)沖擊波和氣泡產(chǎn)生影響，在相同底質(zhì)條件下測(cè)點(diǎn)方位角變化也會(huì)對(duì)反射作用產(chǎn)生影響。

3 水下爆炸試驗(yàn)

水下爆炸試驗(yàn)在海上實(shí)施，爆源為1000kgTNT集團(tuán)裝藥，沉底布放；試驗(yàn)分散布設(shè)四個(gè)自由場(chǎng)壓力傳感器，懸布到水中，測(cè)點(diǎn)到爆源距離由遠(yuǎn)及近；爆源上布設(shè)零時(shí)傳感器，記錄爆炸零時(shí)時(shí)刻；水下爆炸測(cè)量設(shè)備布設(shè)在測(cè)量載體上，爆炸時(shí)刻記錄爆炸零時(shí)信號(hào)和各壓力傳感器水中爆炸壓力時(shí)程；利用聲速儀測(cè)量水中聲速。試驗(yàn)布設(shè)示意圖如圖1所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)量得到了水中爆炸零時(shí)和壓力時(shí)程曲線。典型實(shí)測(cè)壓力時(shí)程曲線和沖擊波段時(shí)程曲線如圖2和圖3所示。

圖2 實(shí)測(cè)壓力時(shí)程曲線

圖3 實(shí)測(cè)沖擊波段時(shí)程曲線

根據(jù)獲取的爆炸零時(shí)和沖擊波到達(dá)各壓力傳感器測(cè)點(diǎn)時(shí)刻得到?jīng)_擊波傳播時(shí)差，利用聲速數(shù)據(jù)計(jì)算爆炸時(shí)刻炸點(diǎn)到各壓力測(cè)點(diǎn)距離即爆距R；根據(jù)壓力傳感器布設(shè)深度和爆源布設(shè)深度得到各壓力傳感器與爆源垂直距離，計(jì)算傳感器與爆源連線和海面之間的方位角α和方位角正弦值；由記錄的壓力時(shí)程曲線得到各壓力測(cè)點(diǎn)沖擊波壓力峰值，根據(jù)式（1）計(jì)算各測(cè)點(diǎn)理論沖擊波峰值，并根據(jù)測(cè)量峰值計(jì)算出海底反射系數(shù)K。試驗(yàn)測(cè)量爆距R、方位角α、方位角正弦值和計(jì)算得到的海底反射系數(shù)K如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)果分析

5.1 沉底爆炸特性

由圖2 和圖3 實(shí)測(cè)壓力時(shí)程曲線可以看出，在沖擊波衰減段以及沖擊波正壓作用之后時(shí)程曲線不光滑、有多個(gè)峰值現(xiàn)象，說(shuō)明沉底爆炸存在復(fù)雜的海底反射作用；由于測(cè)點(diǎn)靠近水面，因此沖擊波到達(dá)前沒(méi)有產(chǎn)生明顯的前驅(qū)波；沖擊波到達(dá)水面產(chǎn)生反射稀疏波，因此在各測(cè)點(diǎn)的沖擊波衰減階段均產(chǎn)生明顯的水面截?cái)喱F(xiàn)象。壓力數(shù)據(jù)顯示沖擊波均按指數(shù)規(guī)律衰減，各測(cè)點(diǎn)沖擊波壓力峰值隨著炸點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)距離減小而減小，符合水下爆炸沖擊波衰減規(guī)律和傳播規(guī)律。

由壓力時(shí)程曲線讀取得到的二次氣泡脈動(dòng)周期均大于自由場(chǎng)條件下的理論計(jì)算值，說(shuō)明沉底爆炸作用下氣泡脈動(dòng)周期有所延長(zhǎng)；氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象不明顯，氣泡脈動(dòng)峰值壓力很小，與文獻(xiàn)［4］小當(dāng)量試驗(yàn)現(xiàn)象一致，說(shuō)明氣泡脈動(dòng)受沉底邊界影響較大，大部分氣泡能量被海底吸收。

5.2 方位角對(duì)沉底反射影響

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示各測(cè)點(diǎn)的沖擊波峰值壓力均大于自由場(chǎng)條件下的沖擊波理論計(jì)算峰值壓力，說(shuō)明沉底爆炸對(duì)沖擊波峰值有增強(qiáng)作用，與文獻(xiàn)［2～3］中的仿真和小當(dāng)量試驗(yàn)特性一致。反射系數(shù)K隨方位角α變化如圖4 所示。試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)布設(shè)的方位角從57°增大到74°，由圖4 可以看出，隨著方位角增加海底反射作用增強(qiáng)，說(shuō)明對(duì)于相同的底質(zhì)，因方位角不同反射作用效果不同。

圖4 反射系數(shù)K 隨方位角α 變化

5.3 海底反射對(duì)毀傷能力影響

水中兵器對(duì)目標(biāo)艦艇的毀傷能力一般以沖擊因子作為標(biāo)準(zhǔn)，如沖擊因子為0.2時(shí)，可使艦船退出戰(zhàn)斗。文獻(xiàn)［14］給出沖擊因子SF計(jì)算公式為

式中W為裝藥當(dāng)量，kg；K為沉底爆炸時(shí)海底反射系數(shù)；R為炸點(diǎn)到目標(biāo)中心距離；α為方位角。

假設(shè)1000kgTNT 裝藥沉底爆炸，按沖擊因子0.20 毀傷標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)定海底反射系數(shù)為1.3、對(duì)應(yīng)表1中的各方位角正弦值，利用式（3）計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的爆距R1；按毀傷標(biāo)準(zhǔn)沖擊因子0.20、表2 中實(shí)測(cè)到的不同方位角對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)K，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的爆距R2。由得到的R1、表1 中實(shí)測(cè)到的不同方位角對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)K，計(jì)算沖擊因子SF；計(jì)算結(jié)果如表2 所示，R1、R2隨方位角變化如圖5 所示，SF隨方位角變化如圖6所示。

表2 方位角對(duì)沖擊因子影響

圖5 R1、R2 隨方位角變化

圖6 沖擊因子SF 隨方位角變化

由計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于相同的毀傷沖擊因子，按照試驗(yàn)測(cè)量反射系數(shù)計(jì)算的爆距R2大于按照設(shè)定海底反射系數(shù)為1.3 計(jì)算的爆距R1，即對(duì)目標(biāo)毀傷作用距離增大。對(duì)應(yīng)57°、62°、69°、74°四個(gè)方位角，沖擊因子大于設(shè)定的沖擊因子0.2，說(shuō)明在該方位角范圍內(nèi)毀傷作用有所增強(qiáng)，沖擊因子隨著方位角增加呈增大趨勢(shì)。對(duì)比結(jié)果說(shuō)明，沉底爆炸中裝藥與目標(biāo)方位角變化引起的反射作用變化，會(huì)影響沉底爆炸對(duì)目標(biāo)毀傷能力。

6 結(jié)語(yǔ)

大當(dāng)量裝藥沉底爆炸試驗(yàn)更能真實(shí)反映沉底爆炸現(xiàn)象和規(guī)律，但試驗(yàn)實(shí)施難度大、消耗多，開(kāi)展次數(shù)受限，雖然少量的試驗(yàn)不能完全揭示沉底爆炸規(guī)律和特性，但通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深入分析可以發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證裝藥沉底爆炸的基本現(xiàn)象和特性：

1）沉底爆炸屬于復(fù)雜邊界下的水下爆炸，沖擊波傳播規(guī)律與自由場(chǎng)有顯著區(qū)別，沉底反射對(duì)沖擊波起到增強(qiáng)的作用，增強(qiáng)作用大小和測(cè)點(diǎn)與裝藥的方位角有關(guān)。

2）當(dāng)測(cè)點(diǎn)靠近水面時(shí)，由于沖擊波傳至自由面時(shí)形成反射稀疏波，使測(cè)量到的沖擊波存在明顯的自由水面截?cái)嘈?yīng)現(xiàn)象。

3）沉底爆炸時(shí)，氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象不明顯，脈動(dòng)峰值與自由場(chǎng)條件下相比小得多。

4）沉底爆炸時(shí)方位角變化對(duì)反射作用的影響會(huì)對(duì)裝藥破壞半徑和毀傷能力產(chǎn)生影響。