1、典型舰船结构的水下爆炸耦合毁伤研究进展武海军1，成乐乐1，陈文戈1,2，黄风雷1，田思晨1，于超3，吴子奇3（1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.中航航空电子有限公司，北京100086；3.中国兵器工业集团 航空弹药研究院有限公司，黑龙江，哈尔滨150001）摘 要：随着精确制导、控制及超空泡技术的快速发展和应用，水下武器的命中精度和航行速度不断提升，对水下武器的高效毁伤能力提出了新的需求.水下武器攻击舰船目标时，爆炸冲击波、壳体碎片、气泡脉动、气泡射流以及空化效应等多种毁伤元共同对舰船目标造成毁伤破坏；此外,多发水下武器时空协同作战会对舰船目标造成耦合毁伤破
2、坏.因此，研究多类型毁伤元、多发武器对舰船目标的耦合毁伤机理及模式是提升水下武器毁伤能力的关键.基于此，对比分析了水下接触爆炸、近距离爆炸以及中远距离爆炸时毁伤元耦合毁伤模式的区别.并从理论研究、仿真模拟以及试验验证等方面，对多类型毁伤元的耦合毁伤机理、典型舰船结构的耦合毁伤效应及基于时空协同的多发弹耦合毁伤作用的研究进展进行了梳理和归纳.在此基础上总结了现阶段针对舰船目标的水下爆炸耦合毁伤研究结果，对水下武器高效毁伤的研究方向进行了探讨，旨在为水下武器的高效毁伤技术研究提供参考.关键词：水下爆炸；舰船毁伤；耦合毁伤效应；多弹协同打击中图分类号：O389 文献标志码：A 文章编号：1001-0
3、645(2023)05-0439-21DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.146Review on Coupling Damage Effects of Underwater Explosion onTypical Ship StructuresWU Haijun1，CHENG Lele1，CHEN Wenge1,2，HUANG Fenglei1，TIAN Sichen1，YU Chao3，WU Ziqi3（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute o
4、f Technology,Beijing 100081,China;2.AVIC Avonics Co.,LTD.,Beijing 100086,China;3.Air Ammunition Research InstituteCo.,LTD.,NORINCO Group,Harbin,Heilongjiang 150001,China）Abstract：With the rapid development and application of precision guidance,control and super cavitation tech-nology,the hit accurac
5、y and speed of underwater weapons have been continuously improved,which puts for-ward new requirements for the efficient damage capability of underwater weapons.When underwater weaponsattack a ship target,various damage elements such as explosion shock waves,shell fragments,bubble pulsation,bubble j
6、ets,and cavitation loads jointly cause damage to the ship target.In addition,the spatiotemporal cooperat-ive operation of multiple underwater weapons will cause coupling damage to ship targets.Therefore,research onthe coupling damage mechanism and mode of multiple weapons and multiple types of damag
7、e elements to shiptargets is the key to improving the damage capability of underwater weapons.Based on this,differences betweenthe damage element coupling damage modes of underwater contact explosion,short-range explosion and medi-um and long-distance explosion were compared and analyzed.From the as
8、pects of theoretical research,simula-tion and experimental verification,etc.,the research progress of the coupling damage mechanism of multipletypes of damage elements,the coupling damage effect of typical ship structures,and the coupling damage effectof multiple projectiles based on space-time coor
9、dination was reviewed and summarized.On this basis,the re-search results of the underwater explosion coupling damage for ship targets at the present stage were summar-ized,and the research direction of the efficient damage of underwater weapons was discussed,to provide refer-收稿日期：2022 06 15作者简介：武海军（
10、1974），男，教授，博士生导师，E-mail：.通信作者：成乐乐（1993），男，博士生，E-mail：.第 43 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.52023 年 5 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMay 2023ence for research on efficient damage technology of underwater weapons.Key words：underwater explosions；ship damage；coupling damage effect；multipl
11、e warhead strikes 通常水下武器爆炸包含炸药的爆轰、爆炸冲击波产生与扩散、炸药高温高压爆轰产物的膨胀、由爆轰产物驱动的气泡脉动、气泡射流的产生、区域和局部空化效应等复杂的物理现象与过程，因此舰船目标受到水下爆炸作用时会遭受爆炸冲击波、气泡脉动、气泡射流、空化效应二次载荷等多种毁伤元或载荷的共同破坏作用.这些载荷在作用强度、静动态特性、空间分布特征和有效作用范围上均有较大区别，不同的弹目交会条件时对舰船产生毁伤作用的载荷类型也各不相同.结合主要毁伤元特性及其耦合形式、舰船响应与耦合毁伤模式等因素，水下爆炸对舰船目标的毁伤模式可归纳为 4 种类型，如图 1 所示.近距离爆炸/1,3
12、中远距离爆炸/1,4,5,6远距离爆炸/1,4,6接触爆炸/1,21.冲击波2.爆轰产物3.气泡射流4.气泡脉动5.空化载荷6.滞后流图 1 不同类型水下爆炸对舰船目标的毁伤模式示意图Fig.1 Schematic diagram of damage mode of underwater explosions to shiptargets 水下接触爆炸主要的毁伤元为冲击波和爆炸产物，两者耦合作用对舰船的舷侧或船底外板产生绝热剪切破坏，从而形成局部破口，如图 2（a）中“科尔”号驱逐舰左舷在炸药接触爆炸下产生的大破口.水下近场爆炸时主要的毁伤元为冲击波和气泡射流，两者耦合作用下舰船目标会呈现总体
13、与局部的耦合毁伤，如图 2（b）中 2 枚 MK48 重型鱼雷在船艉底部先后近距离爆炸对“伐夫”号驱逐舰毁伤试验.水下中场爆炸时主要的毁伤元为冲击波、气泡脉动和空化载荷，气泡脉动会导致舰船目标产生总体的“鞭状”响应，冲击波载荷对舰体结构的局部塑性变形.水下远场爆炸时，冲击波载荷和气泡脉动压力因为衰减的缘故，无法直接对舰船结构产生毁伤破坏作用，主要考虑水下爆炸载荷对舰船内部的关键设备和人员带来的冲击作用，如图 2（c）中“福特”号航母进行的全舰冲击测试.(a)接触爆炸(c)中远距离爆炸(b)近距离爆炸图 2 舰船目标不同类型的毁伤破坏Fig.2 Different types of damage
14、 to ship targets 对于不同类型水下爆炸作用的定义，学者们意见不一，本文统计了国内外学者对接触爆炸、近场爆炸以及中远场爆炸的定义，如表 1 所示.依据物理尺度严格定义的接触爆炸可能会与近场爆炸在对目标的毁伤模式存在混淆，考虑到不同距离处水下爆炸作用最主要的区别是毁伤元不同，因此依据毁伤元类型13的定义方法对水下爆炸的类型进行了归类，以 10 倍装药半径以内称为接触爆炸，1025 倍范围内为近距离爆炸，大于 25 倍药包半径时为中远距离爆炸.表 1 不同类型水下爆炸的定义Tab.1 Definition of different types of underwater explos
15、ions文献接触爆炸近距离爆炸中远距离爆炸COLE等1 r10朱锡等2 r9姚熊亮等3 r0 10 r10 25 r25 rb01 rb110 rb2张显丕等4 r6 r rb62 rb2陈娟等5 rb1 rb110 rb10明付仁6 r2 r2 6 r6李科斌等7 r1 r1 6 r6周章涛等8 r6 r6杨衡9剪切破坏塑性变形弹塑性变形 r=R/r rb=R/rb注：，为爆距R与药包半径r的比值；，为爆距R与气泡半径rb的比值 目前针对水下爆炸对舰船目标的毁伤效应研究主要考虑冲击波载荷、气泡脉动和气泡射流载荷以及空化载荷，对多类型载荷对舰船目标毁伤作用时的耦合作用研究取得了一定的进展.此外
16、，随着水下武器突防能力变强，其制导、控制及打击精度越来越440北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷高，很多国家提出了多弹协同作战方式，使得水面舰船目标同时遭受多发弹的协同打击成为可能，因此多发弹共同作用目标的耦合威力场和毁伤效应逐渐成为研究热点.为此，本文针对水下爆炸时不同类型毁伤元之间的耦合毁伤作用进行概述，对典型舰船结构的耦合毁伤效应进行总结，并对基于时空协同的水下多发弹的耦合毁伤效应进行归纳，提出有待进一步研究的问题，以期探讨对舰船目标的水下爆炸高效毁伤模式.1 多类型毁伤元的耦合作用机理炸药在水下爆炸作用时，包含以下特征10：爆轰产物的产生、冲击波的形成与传播、空化效应及其二次加载作用、气泡脉动与气泡射流、自由界面的表面效应以及冲击波的折射效应，如图 3 所示.冲击波阵面海平面海底潜艇水面舰船爆轰产物海底反射波爆轰波传播路径入射波海平面反射波炸药图 3 水下爆炸现象10Fig.3 Underwater explosion phenomenon10 炸药在水下作用时，爆轰过程通常在 1100 s内完成，爆轰波以高达 69 km/s 的速度向外传播，冲击波传播阶段为毫秒级，而