水下接触爆炸对舷侧空舱结构破坏载荷测试技术研究

盛振新，刘建湖，毛海斌，张显丕，周章涛，黄文斌

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082; 2.中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621900)

0 引 言

在现代海战中，随着鱼雷等水中兵器制导、引信等技术的发展，其对水面舰艇的攻击部位越来越趋向舷侧空舱结构，且爆距越来越近，达到了接触爆炸范围，造成水面舰艇的严重毁伤。为了提高舷侧空舱结构的防护能力，提高水面舰艇的生命力，需首要开展水下接触爆炸对舷侧空舱结构破坏载荷的研究，该问题也是近年来的研究热点和难点。

然而，目前国内外的相关研究主要集中在水下接触爆炸作用下空舱结构的破坏模式、防护机理、防护效能评估方法等方面[1-8]，而对于水下接触爆炸对空舱结构破坏载荷的研究较少。吴林杰等[9-10]利用LSDYNA软件对水下接触爆炸与防雷舱舷侧空舱的相互作用过程进行了仿真分析，并开展了模型试验，得到了舷侧空舱内部侧壁上的压力载荷，试验过程中个别传感器发生损坏，况且未损坏传感器的测量结果并不一定正确。究其原因是测试技术未能很好解决，其难点主要表现为，冲击波压力峰值为百兆帕级甚至吉帕级，现有测量技术难以实现冲击波压力时程的直接测量，爆轰产物破坏载荷涉及高温高压物质的高速冲刷，给传感器的防护带来巨大困难。

鉴于此，本文开展了水下接触爆炸对舷侧空舱结构破坏载荷测试技术的研究，首先根据舷侧空舱结构特点确定测试方法，然后进行试验模型、测试系统等设计，最后对测试结果进行分析。本文的研究可为相关理论研究和试验测试提供技术支撑，进而为水面舰艇防护能力的提高奠定基础。

1 测试方法

水面舰艇在遭受鱼雷等武器接触爆炸破坏时，舷侧空舱结构的外板在爆炸冲击波作用下产生大破口，之后爆轰产物通过外板破口进入舱内，形成气柱射流，作用在空舱结构的内板上。鉴于此，冲击波的破坏载荷主要作用于外板，爆轰产物的破坏载荷主要作用于内板。

为了研究水下接触爆炸对舷侧空舱结构的破坏载荷，在空舱内布置传感器测量外板在冲击波作用下的动响应，在内板后布置传感器测量内板在爆轰产物作用下的动响应。然而上述测试方法存在一个问题：测量外板动响应时，需在舱内布置传感器，其安装支架在试验时会与内板发生撞击，影响作用在内板上载荷，从而影响测试结果的准确性。因此，本文提出一种新的测试方法，思路如下：

1）分别测量冲击波破坏载荷和爆轰产物破坏载荷。

2）测量冲击波破坏载荷时，试验模型仅包括空舱结构外板和纵横隔板，如图1（a）所示，采用DPS（多普勒光纤探针）测量外板上典型位置处的速度时程，根据测量结果分析得到不同接触爆炸条件下冲击波破坏载荷的时空分布特性。

3）测量爆轰产物破坏载荷时，试验模型包括空舱结构外板、纵横隔板和内板。同时，在外板上预制破口，形成水-气强间断面，冲击波在通过时会急剧衰减，其对内板的作用可忽略，而爆轰产物从预制破口进入舱内。相应地，将内板设计为与破口面积一致的质量块，布置在内板位置，如图1（b）所示。采用激光位移传感器测量质量块的位移时程，根据测量结果分析得到爆轰产物破坏载荷随爆距的变化规律。

2 试验设计

2.1 冲击波破坏载荷测试试验设计

图1 破坏载荷测试试验模型示意图

冲击波破坏载荷测试试验的总体布置如图2所示，包括空舱结构模型、安装框架及水箱、DPS测量系统和飞片收集装置。空舱结构模型如图3所示，根据舷侧空舱结构按照1∶10缩比设计，材料为Q235B。

图2 冲击波破坏载荷测试试验的总体布置

图3 空舱结构模型

为便于测试，试验在陆地上进行，因此设计了模型安装框架及水箱。综合考虑试验药量、试验工况等因素，设计了图4所示的模型安装框架及水箱，模型安装框架材料为Q345，水箱材料为Q235B。

空舱结构模型上的速度测点位置如图5（a）所示，本文重点关注位于外板上的D1、D5、D6、D7和D8。DPS激光探头的布置如图5（b）所示，每一个DPS激光探头独立地布置在一根固定杆上，可以防止模型不同位置的速度起始时间不同造成的相互干扰。飞片收集装置包括飞片收集层和支架，飞片收集层结构由PE泡沫板、木板及钢板三层结构组成。

2.2 爆轰产物破坏载荷测试试验设计

爆轰产物破坏载荷测试试验的总体布置如图6所示，包括预制破口空舱结构模型、质量块、安装框架及水箱、激光位移测量系统和防护装置。其中，安装框架及水箱与冲击波破坏能量测试试验相同。

冲击波破坏载荷测试试验中空舱结构模型的破坏情况如图7（a）所示，破口边缘基本到相邻纵横隔板，因此爆轰产物破坏载荷测试试验中，在空舱结构模型上预制一个破口，破口宽×高为150 mm×250 mm，如图7（b）所示。向水箱内注水前，将预制破口用薄膜进行水密处理。

图4 模型安装框架及水箱设计图（单位：mm）

图5 速度测点位置及DPS激光探头布置

图6 爆轰产物破坏载荷测试试验的总体布置

图7 破口情况及预制破口空舱结构模型

质量块如图8所示，其厚度为30 mm，迎爆面宽×高为150 mm×250 mm，质量约为10.6 kg。为了尽可能地减少爆轰产物泄露，质量块采用梯形结构，斜面夹角60°。试验时，将其与纵横隔板点焊。

采用激光位移传感器测量质量块的位移时程，传感器的采样频率为2.5 kHz。为了防止质量块和飞溅水撞击传感器，将其布置在防护装置后面，如图7所示。防护装置由橡胶板、钢板和有机玻璃板组成，其上有一个狭长开孔，激光通过狭长开孔打在质量块背爆面中心。

3 测试结果及分析

3.1 冲击波破坏载荷测试结果及分析

冲击波破坏载荷测试试验采用125 g的TNT球药，半径R0为26.5 mm，共进行4个工况。DPS测得典型速度时程曲线如图9所示，各工况条件下各测点的峰值速度列于表1中。

图8 质量块

根据速度测量结果，计算得到不同接触爆炸条件下冲击波破坏载荷的能流密度分布规律如图10所示，图中D为测点位置距爆心投影点的距离。从图中可以看出：1）正入射点处，冲击波破坏载荷的能流密度随爆距增大而减小；2）不同爆距下能流密度的差异主要在D/R0＜6的范围内，且爆距越小，能流密度分布的局部效应越明显。

3.2 爆轰产物破坏载荷测试结果及分析

爆轰产物破坏载荷测试试验采用125 g的TNT柱药，尺寸为ϕ50 mm×42 mm，等效半径为26.5 mm，共进行3个工况。激光位移传感器测得典型位移时程曲线（4R0）如图11所示，计算得到各工况条件下质量块的平均速度和动能列于表2中。

从表2的分析结果可知，质量块的动能随爆距增大是增大的，如果质量块动能表征的是爆轰产物破坏载荷，则明显与水下爆炸破坏载荷随爆距增大而减小的规律相悖。经过分析认为，R0工况下，只有爆轰产物的气柱射流作用在质量块上，而2R0和4R0工况下，作用在质量块上的先是药包与空舱结构外板之间的水形成的水柱射流，后是爆轰产物的气柱射流，而且爆距越大，水柱射流的质量越大，即能量越大。水柱射流一部分是冲击波滞后流，一部分是爆轰产物驱动产生的，因此，应将2R0和4R0工况下的质量块动能扣除冲击波滞后流的载荷，才是该工况下的爆轰产物破坏载荷，这是后续工作需解决的一个重要问题。

图9 DPS测得典型速度时程曲线

表1 冲击波破坏载荷试验DPS测量结果

图10 冲击波破坏载荷的能流密度分布规律

图11 激光位移传感器测得质量块典型位移时程曲线

表2 爆轰产物破坏载荷试验激光位移传感器测量结果与分析

4 结束语

本文开展了水下接触爆炸对舷侧空舱结构破坏载荷测试技术的研究，得到如下结论：

1）正入射点处，冲击波破坏载荷的能流密度随爆距增大而减小。

2）不同爆距下冲击波破坏载荷的能流密度的差异主要在D/R0＜6的范围内，且爆距越小，能流密度分布的局部效应越明显。

3）R0工况下，只用爆轰产物的气柱射流作用在质量块上，而2R0和4R0工况下，作用在质量块上的先是药包与空舱结构外板之间的水形成的水柱射流，后是爆轰产物的气柱射流，因此，2R0和4R0工况下爆轰产物破坏载荷应将质量块动能扣除冲击波滞后流的载荷。

为了将冲击波滞后流的载荷从质量块动能中扣除，以得到爆轰产物的破坏载荷，需建立水下接触爆炸条件下冲击波滞后流载荷的计算方法；本文中的试验结果仅针对典型结构参数，后续需研究空舱结构外板和质量块参数对破坏载荷的影响规律。