大当量集团装药水中沉底爆炸特性试验研究.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期1引言装药水下沉底爆炸时，由于水底介质边界条件影响，与自由场条件下爆炸呈现出完全不同的特征17。国内外对于自由场条件下的水中爆炸研究较多，而对沉底边界条件下爆炸特性研究相对较少，对沉底边界的影响认识不够充分，相关的理论研究还不成熟。基于仿真和小当量试验研究认为沉底爆炸时冲击波的底部效应主要为反射波，不同底质有不同的反射效果，对某一具体的水底而言，反射角的大小是影响反射效果的主要因素810；同时沉底爆炸时对气泡脉动周期和压力等特性也产收稿日期：2022年11月17日，修回日期：2022年12月28日作者简介：张姝红，女，硕士研究生，高级工程师，研究方向：水下爆炸测量。金辉，男，博士研究生，高级工程师，研究方向：水下爆炸试验总体。大当量集团装药水中沉底爆炸特性试验研究张姝红金辉（中国人民解放军91439部队大连116041）摘要为获得装药沉底爆炸对冲击波和气泡脉动的影响，开展大当量集团装药水中沉底爆炸试验，将试验结果与自由场条件下的理论计算结果进行对比分析，得到了大当量集团装药沉底爆炸的冲击波传播和气泡脉动特性，以及爆炸测量方位角对海底反射效果的影响。试验和计算结果对比分析显示，沉底爆炸时海底反射对冲击波起到明显增强作用，同一底质条件下测量方位角参数变化对反射作用效果影响较大，近水面测量的冲击波压力时程曲线产生明显的水面截断现象，同时沉底爆炸对气泡脉动影响较大，气泡脉动现象不明显，脉动压力峰值与自由场相比较小，验证了仿真计算和小当量试验的结论；同时，方位角变化对反射作用的影响，也影响到装药沉底爆炸的毁伤能力。关键词沉底爆炸；冲击波；反射系数；方位角中图分类号TJ03DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.040Test Research on Underwater Bottom Explosion Characteristic ofLarge Equivalent Group ChargeZHANG ShuhongJIN Hui（No.91439 Troops of PLA，Dalian116041）AbstractIn order to obtain the impact of the bottom explosion of large equivalent charge on the shock wave and bubblepulsation，the bottom explosion test of large equivalent group charge is carried out under the same bottom material condition.Thetest results are compared with the theoretical calculation results under the condition of free field.The characteristic of the shockwave，bubble pulsation and the influence of the azimuth on the underwater reflection of large equivalent group charge bottomexplosion are obtained.The analysis of the test and calculation results show that the underwater reflection plays a significant role inenhancing the shock wave during the bottom explosion.Under the same bottom material conditions，the change of measured azimuthhas a great impact on the reflection effect.The shock wave pressure measured near the water surface has an obvious water surfacetruncation phenomenon.At the same time，the bottom explosion has a great impact on the bubble pulsation，the pulsationphenomenon is not obvious，and the peak pressure is smaller than the free field，the results of simulation calculation and smallequivalent test are verified.At the same time，the influence of azimuth on reflection also affects the damage ability of charge bottomexplosion.Key Wordsbottom explosion，shock wave，reflection coefficient，azimuthClass NumberTJ03总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.5199总第347期生影响11。由于沉底反射作用对装药的爆炸威力产生较大影响，在水中兵器装药指标设计和作战使用时需考虑海底边界反射作用。大当量装药水中沉底爆炸更能客观真实反映沉底爆炸现象和输出特性。通过对大当量集团装药水中沉底爆炸试验数据分析，研究试验中水底底质对爆炸冲击波峰值压力和气泡脉动的影响，以及对毁伤作用的影响，可为沉底爆炸的水中兵器装药指标设计和毁伤研究提供参考。2水下爆炸基本理论装药水下爆炸产生瞬时强冲击波，同时爆轰产物形成气泡脉动。自由场条件下冲击波压力按照指数规律衰减，气泡脉动膨胀收缩产生脉动压力，峰值约为冲击波峰值压力的10%20%。对于密度为1.52g/cm3的TNT炸药在自由场条件下的冲击波峰值压力12和气泡脉动周期13公式分别为pm=52.3(W3R)1.13（1）T=0.295W1 3(1+0.1H)5 6（2）式中W为TNT装药当量，kg；R为爆距，即炸点到测点距离，m；H为装药入水深度，m。而对于装药水下沉底爆炸，一般根据不同底质在峰值压力计算时对装药当量W乘以相应的反射系数K，如泥沙底为1.2、砾石底为1.5，以此反映沉底爆炸时底质对爆炸作用的影响。但在实际试验中发现沉底爆炸不但对冲击波和气泡产生影响，在相同底质条件下测点方位角变化也会对反射作用产生影响。3水下爆炸试验水下爆炸试验在海上实施，爆源为1000kgTNT集团装药，沉底布放；试验分散布设四个自由场压力传感器，悬布到水中，测点到爆源距离由远及近；爆源上布设零时传感器，记录爆炸零时时刻；水下爆炸测量设备布设在测量载体上，爆炸时刻记录爆炸零时信号和各压力传感器水中爆炸压力时程；利用声速仪测量水中声速。试验布设示意图如图1所示。4试验结果试验测量得到了水中爆炸零时和压力时程曲线。典型实测压力时程曲线和冲击波段时程曲线如图2和图3所示。图1试验布设示意图100200300400500600700800900时间/ms9630压力/MPa二次脉动周期图2实测压力时程曲线012345678时间/ms9630压力/MPa图3实测冲击波段时程曲线根据获取的爆炸零时和冲击波到达各压力传感器测点时刻得到冲击波传播时差，利用声速数据计算爆炸时刻炸点到各压力测点距离即爆距R；根据压力传感器布设深度和爆源布设深度得到各压力传感器与爆源垂直距离，计算传感器与爆源连线和海面之间的方位角和方位角正弦值；由记录的压力时程曲线得到各压力测点冲击波压力峰值，根据式（1）计算各测点理论冲击波峰值，并根据测量峰值计算出海底反射系数K。试验测量爆距R、方位角、方位角正弦值和计算得到的海底反射系数K如表1所示。5结果分析5.1沉底爆炸特性由图2和图3实测压力时程曲线可以看出，在张姝红等：大当量集团装药水中沉底爆炸特性试验研究200舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期冲击波衰减段以及冲击波正压作用之后时程曲线不光滑、有多个峰值现象，说明沉底爆炸存在复杂的海底反射作用；由于测点靠近水面，因此冲击波到达前没有产生明显的前驱波；冲击波到达水面产生反射稀疏波，因此在各测点的冲击波衰减阶段均产生明显的水面截断现象。压力数据显示冲击波均按指数规律衰减，各测点冲击波压力峰值随着炸点到测点距离减小而减小，符合水下爆炸冲击波衰减规律和传播规律。表1试验结果测点编号P1P2P3P4爆距R/m45.146.850.652.0方位角/74696257sin0.960.940.880.84反射系数K1.561.441.411.37由压力时程曲线读取得到的二次气泡脉动周期均大于自由场条件下的理论计算值，说明沉底爆炸作用下气泡脉动周期有所延长；气泡脉动现象不明显，气泡脉动峰值压力很小，与文献 4 小当量试验现象一致，说明气泡脉动受沉底边界影响较大，大部分气泡能量被海底吸收。5.2方位角对沉底反射影响试验结果对比显示各测点的冲击波峰值压力均大于自由场条件下的冲击波理论计算峰值压力，说明沉底爆炸对冲击波峰值有增强作用，与文献23 中的仿真和小当量试验特性一致。反射系数K随方位角变化如图4所示。试验中各测点布设的方位角从57增大到74，由图4可以看出，随着方位角增加海底反射作用增强，说明对于相同的底质，因方位角不同反射作用效果不同。5560657075方位角1.601.501.401.30反射系数K图4反射系数K随方位角变化5.3海底反射对毁伤能力影响水中兵器对目标舰艇的毁伤能力一般以冲击因子作为标准，如冲击因子为0.2时，可使舰船退出战斗。文献 14 给出冲击因子SF计算公式为SF=0.4526KWR1+sin2（3）式中W为装药当量，kg；K为沉底爆炸时海底反射系数；R为炸点到目标中心距离；为方位角。假设 1000kgTNT 装药沉底爆炸，按冲击因子0.20毁伤标准、设定海底反射系数为1.3、对应表1中的各方位角正弦值，利用式（3）计算得到对应的爆距R1；按毁伤标准冲击因子0.20、表2中实测到的不同方位角对应的反射系数K，计算得到对应的爆距R2。由得到的R1、表1中实测到的不同方位角对应的反射系数K，计算冲击因子SF；计算结果如表 2 所示，R1、R2随方位角变化如图 5 所示，SF随方位角变化如图6所示。由计算结果可以看出，对于相同的毁伤冲击因子，按照试验测量反射系数计算的爆距R2大于按照设定海底反射系数为1.3计算的爆距R1，即对目标毁伤作用距离增大。对应57、62、69、74四个方位角，冲击因子大于设定的冲击因子0.2，说明在该方位角范围内毁伤作用有所增强，冲击因子随着方位角增加呈增大趋势。对比结果说明，沉底爆炸中装药与目标方位角变化引起的反射作用变化，会影响沉底爆炸对目标毁伤能力。表2方位角对冲击因子影响序号1234R1/m75777980R2/m89919298SF0.2050.2080.2110.219100908070爆距/m50607080方位角R2R1图5R1、R2随方位角变化0.220.2150.210.2050.2冲击因子SF5560657075方位角图6冲击因子SF随方位角变化6结语大当量装药沉底爆炸试验更能真实反映沉底201总第347期爆炸现象和规律，但试验实施难度大、消耗多，开展次数受限，虽然少量的试验不能完全揭示沉底爆炸规律和特性，但通过对数据的深入分析可以发现并验证装药沉底爆炸的基本现象和特性：1）沉底爆炸属于复杂边界下的水下爆炸，冲击波传播规律与自由场有显著区别，沉底反射对冲击波起到增强的作用，增强作用大小和测点与装药的方位角有关。2）当测点靠近水面时，由于冲击波传至自由面时形成反射稀疏波，使测量到的冲击波存在明显的自由水面截断效应现象。3）沉底爆炸时，气泡脉动现象不明显，脉动峰值与自由场条件下相比小得多。4）沉底爆炸时方位角变化对反射作用的影响会对装药破坏半径和毁伤能力产生影响。参 考 文 献1李洪涛，赵琳，宁永成，等.球形装药海底裸爆压力测试与分析 J.工程爆破，2005（01）：16-21.2顾文彬，阳天海，叶序双，等.单个装药浅层水中沉底爆炸的数值模拟 J.解放军理工大学学报（自然科学版），2000（03）：51-55.3郅斌伟，张志江，马硕，等.水底爆炸冲击波峰值压力数值仿真 J.爆破，2009，26（01）：22-24，28.4姚熊亮，杨文山，陈娟，等.沉底水雷爆炸威力的数值计算 J.爆炸与冲击，2011，31（02）：173-178.5杨莉，汪玉，汪斌，等.沉底装药水中爆炸现象的实验研究 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