多爆源耦合威力场研究概述＊
时间：2023-02-21 09:50:06 来源：千叶帆 本文已影响人
车靖平，李健翔，虎若曦，张怡辉，卢 熹
（1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；
2.沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）
近年来，大型水面舰艇的建造钢材及设备的安排在不断优化，对舰艇起到了重要的保护作用。在爆破型鱼雷精确打击技术水平不断提高的背景下，优化大型水面舰艇结构设计以及打击大型水面舰艇在完成作战任务情况下尽可能缩减武器成本的需求开始凸显[1]。目前，大多数学者研究仅限于单个战斗部内多点起爆的战斗部聚能效应，极少数学者研究多个战斗部之间的耦合威力场。
多个战斗部可通过冲击波的耦合实现能量的聚焦，但其并不仅仅是冲击波的简单叠加，还涉及到冲击波阵面驱动效应耦合及波后物质流耦合等复杂耦合机理的问题，如能量源的特征、冲击波的传播方向以及波后粒子运动状态等，是一个复杂的基础问题。本文基于战斗部冲击波毁伤的基本原理，开展多爆源耦合威力场的研究概述，有助于提高对大型水面舰艇的破坏力，为水下高效毁伤研究论证提供新的思路。
近年来，关于爆炸威力场的研究日益增多。其发展进程逐渐由单点爆炸向多点爆炸推进。主要研究内容包括以下几个方面：①多点聚集爆炸造成的冲击波杀伤范围和爆炸威力远超单点爆炸，且冲击波超压和冲量都大大增加。②阵列爆炸相对于同质量整体单点爆炸，可造成冲击波间的相互作用，且提高了冲量和冲击波作用的时间。在阵列爆炸中冲击波间的叠加使得爆炸威力得到了极大的增强，提高了毁伤能力。对不同的装药布局情况下的冲击波威力增益规律进行研究。③研究的方式逐渐从进行大量实体爆炸毁伤试验转变为通过AUTODYN等软件对爆炸问题开展相关的数值模拟。冲击波耦合效果如图1所示。
图1 冲击波耦合效果图
1.1 国内研究现状
在军用方面，林尚剑等[2]研究了冲击波叠加效应对增强冲击波超压峰值的影响，通过单个10 g TNT和4个2.5 g TNT同时起爆的水箱试验对比，得出冲击波叠加后峰值显著上升的结论。李旭东[3]通过数字散斑相关方法结合高速摄影技术，对多点同时爆炸引发的水泥砂浆介质中冲击波的相互作用规律进行了试验研究，得出将全部炸药集中于一点爆炸相比，将炸药分散于多点同时爆炸，在多个应力波的汇聚线上，离爆炸点更远的距离范围内都会维持一个更高的应力状态的结论，提出了一个工程中可用的抗冲击能力最强的地下建筑的具体结构。顾文彬等[4]进行了浅层水中2个爆源等沉底爆炸冲击波相互作用数值模拟，研究了水底水面对沉底爆炸冲击波传播与相互作用的影响，得出2个结论：①水底水面对装药爆炸作用影响较大，使爆炸威力下降；
②2个装药同步爆炸，冲击波相互作用可使冲击作用次数、冲击波峰值压力大小和冲击作用冲量等增加，大大提高了爆炸威力。胡宏伟等[5]进行了2种水底介质、不同水深情况下的爆炸试验，通过分析观测点冲击波峰值压力得出，水底介质、观测点和装药之间的距离对峰值压力影响较大。
在民用方面，孟闻远等[6]、胡俊强等[7]研究了两点水下爆炸冲击波对冰体的破坏效应，通过分析冲击波压力和破坏面形状并与单点爆炸情况进行冲击波峰值压力对比，得出了在两点同时起爆的情况下，冲击波发生叠加，冲击波压力比单点爆炸的冲击波压力大，破坏效果好的结论。陈明生等[8]研究多点云雾爆炸超压场的分布特性，对4个非圆柱体云雾的爆炸超压的相互作用过程进行了数值模拟，得到了中心区域冲击波相互作用演化过程与超压变化规律，从而实现云雾能量分布的最优化或在工业灾害预防方面降低冲击波的叠加效应。刘玲等[9]对多点爆炸微差起爆后，发现由于爆炸时间有所不同，会对人员和建筑物造成严重的多次毁伤进行模拟，为公共场所爆炸恐怖袭击事故与救援工作提供理论指导与技术支持。
1.2 国外研究现状
在军用方面，KIM等[10]研究了近水面爆炸产生的压缩波与冲击波在气液两相中的传播现象。PHILLIPS等[11]研究了多弹爆炸产生的空气冲击波撞击地面所引起的地冲击效应，对6枚弹药的爆炸地冲击效应进行计算机数值模拟，为多弹爆炸的地冲击效应预测提供资料。KMETYK等[12]进行了7枚呈六角形布置弹药的爆炸聚集效应数值分析。
在民用方面，HAGEDORN[13]采用UDEC程序评估了喷锚支护洞室在2次相继冲击作用后的稳定性。YUGO等[14]通过现场监测发现相邻锚固巷道受连续爆破荷载作用时会发生破坏，并提出相应的抗爆措施。
影响多爆源耦合威力场的因素主要有爆炸单元的阵列距离、装药数量、爆炸单元的起爆时序。阵列距离、装药数量、起爆时序的变化将会对爆炸后冲击波作用时间、冲量、冲击波间的相互作用、冲击波作用区面积、爆炸能量的利用效率、爆炸后对局部区域以及特定方向的毁伤效能等产生影响。
多爆源爆炸通过控制若干爆炸单元的起爆位置和起爆时序，使爆炸毁伤元素在时间、空间维度优化分布和聚焦叠加，以提高弹药的爆炸能量利用率和毁伤效能[15]。将若干爆炸单元按计算好的最优布局进行放置，同时引爆爆炸单元，将使爆炸冲击波等毁伤元素在时间、空间维度进行合理的分布与叠加，使叠加作用区内的能量利用率大幅提高，产生的聚能效应将引起正应变在聚集区域强烈的非线性激增，并且将在距离爆炸点更长的距离内维持高应力状态，增强了局部区域或特定方向毁伤元的强度，毁伤效应的效能达到最大。
冲击波作用时间和冲量随阵列距离的增加而增大，且不同布局的装药，冲击波超压与冲量也有所不同。若在最优布局的情况下精确控制起爆时序，使爆炸单元按规定的起爆间隔进行起爆，将会使毁伤元素多次对规划好的特定区域进行反复“扫荡”，对目标单位产生了多次作用，能达到更好的破坏和杀伤效果。对阵列爆炸距离进行合理布局，将在优化阵列爆炸能量分布的同时，满足不同场合下对不同目标的毁伤要求，进而为更加复杂环境下的作业提供巨大帮助，是较好的摧毁各种复杂高强度保护目标的选择手段之一，同时有助于对后续爆炸特性的研究提供有力支持。在不改变各爆源之间阵列间距的情况下，对装药的数量进行改变，将会导致冲击波的压力峰值以及冲击波的作用时间与冲量发生改变。当采用多点爆炸时，相对于单点爆炸，冲击波超压与冲量显著增加。效果如图2所示。
图2 起爆时序、爆源数量、间距影响效果简图
通过大量中外文献归纳并总结国内外发展状况，关于水多爆源耦合威力场研究仍存在以下问题：①水下爆炸冲击波能量在波阵面上均匀分布，使得能量在对目标有效方向分布较少，而在其他方向耗散过多，无法实现毁伤能量在攻击方向上的高效利用与精确控制；
②目前国内外对水下多点爆炸冲击波威力场的耦合效应仅有少量的试验研究，数值仿真及理论研究均为空白，水下多点爆炸问题并未形成一个体系，水下多点爆炸问题有待于进一步的研究；
③试验中测点与装药均处于同一水深位置，对于不同水深位置冲击波压力耦合效应有待进一步研究；
④大多数研究仅对小药量水下两点爆炸的情况进行了研究，极少数试验将研究成果扩展到大药量的情况；
⑤大部分研究从压力的角度对水下两点爆炸冲击波耦合效应进行研究，未从冲量的角度来考虑冲击波的耦合效应。
由此可见，国内对多个战斗部之间的耦合威力场研究与国外研究相比仍远远不够。国内外对地下和空中爆炸方面的研究较为丰富，但对水中爆炸方面的研究几乎为空白。水下多点爆炸能量耦合技术在水下高效毁伤领域有着很广阔的应用前景，设计水下无人作战系统的作战应用和想定研究，有助于丰富水下作战手段和方法，可为新型作战方式和作战力量提供支撑。多爆源耦合作用在实战中可以对敌水面舰艇实现水下高效毁伤，此外还能够为水中武器设计、毁伤效能分析、水幕反导等技术的应用提供参考。
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