国外潜艇抗水下非接触爆炸研究概述

国外潜艇抗水下非接触爆炸研究概述
摘要:潜艇抗水下非接触爆炸研究一项技术难度大、试验风险性高等特点,开展潜艇抗水下非接触爆炸研究具有十分重要意义。

本文通过对国外潜艇抗水下非接触爆炸研究分析,可为我国下一步开展潜艇抗爆抗冲击研究提供了参考。

关键词:潜艇水下爆炸抗冲击
潜艇以其隐蔽性好、机动灵活、打击能力强等优点,作为一种重要战略力量,受到各国海军的重视,同时在海上战争中,潜艇也是受攻击的主要目标。

随着现代兵器技术的快速发展,潜艇生命力面临着日益严重的威胁,这些威胁包括导弹、炸弹、炮弹、鱼雷、水雷和深弹等兵器攻击。

对于潜艇而言,爆炸载荷按作用介质的不同主要分为空中爆炸载荷和水下爆炸载荷;按作用距离不同可以为分为接触爆炸和非接触爆炸。

非接触爆炸不仅可造成艇体的破损,同时还可机电设备损坏、电路短路、轴系变形而伤失战斗力。

因此各国对潜艇抗水下爆炸研究都非常重视[1]。

由于潜艇抗冲击研究是一项军事目的强、技术难度大、试验风险高、环境污染大等特点,具有较高的保密性,因此有关潜艇抗爆抗冲击的技术文件公开很少。

本文广泛搜集了国外潜艇抗冲击研究资料,经过归纳整理,从理论研究、仿真计算研究、试验研究等方面进行论述,可为我国潜艇抗爆抗冲击研究提供了参考。

1 理论研究
由于潜艇在水下爆炸作用下的冲击响应是一个强非线性过程,作用过程十分复杂,解析理论只适用于装药水下爆炸本身和简单结构的动响应研究,不适合求解复杂的工程结构。

潜艇抗水下非接触爆炸按能量作用过程可分为四个阶段,即装药水下爆轰、冲击波及气泡脉动产生、冲击波及气泡脉动与潜艇流固耦合作用、潜艇冲击响应。

1941年Taylor,将水视为线性流体,提出了空背板结构在水下爆炸弱击波作用下计算方法[5]。

Keill对舰船的爆炸动响应和破坏进行了综述。

指出水面舰船的船体破坏主要分为三种模式。

第一种模式为舷侧破坏,主要由水下爆炸冲击波引起。

第二种模式为底部结构破坏,由船底下方爆炸引起的冲击波和气泡脉动压力作用所至。

第三种模式为船体纵桁破坏,由非接触爆炸条件下的冲击波和气泡脉动压力共同作用下的总体鞭状震荡响应所致。

Vernon从理论上研究了水面舰艇在水下爆炸产生的气泡作用下的骤动效应,建立了理论模型并进行了结构动力学分析。

2 仿真研究
由于水中爆炸过程非常复杂,解析的势流理论只适用于解决简单
结构的动响应问题,不适合于求解复杂的工程结构,随着计算机科学及仿真技术的发展,计算模拟方法的研究在规模和深度方面都取得了很大的进展。

在数值计算中对炸药爆轰过程中的强间断,通过采用了加入人工粘性项等方法使强间断面光滑后再进行计算。

1941年Talyor首次提出了受冲击波作用的平板的流固耦合方程。

1970年Chertock用曲面波近似方法(Curved wave approximation,CW A)。

后来Geers根据PWA和CWA方法的特点,提出了双重渐近近似方法(Doubly asymptotic,DDA)。

近年来Cipolla J和Nagtegaal J 用基于滞后势能的边界元方法。

美国和西欧一些国家对潜艇的抗水下爆炸问题开展了大量的研究,目前采用的分析方法主要为将DYNA3D与USA相连。

Fox(1992)、Kwon和Fox(1993)采用DYNA3D与USA程序相结合。

另外,德国的DYSMAS/ELC有限元程序包也成功地预报了加筋圆柱壳在水下爆炸作用下的动响应和永久变形(Andelfinger,1994)。

针对潜艇在水下爆炸作用下的鞭状震荡响应,Moussouros(1986)采用有限元程序ABAQUS对圆柱壳的弯曲强度和强度进行了数值分析。

计算结果与试验数据相比,有很好的精度[10,11]。

3 试验研究
由于理论研究只能对简单结构进行研究,数值仿真也难模拟实际
试验中各种复杂情况,同时理论研究结果与仿真计算方法是否准确也只能通过实船爆炸试验来验证。

国外对潜艇抗冲击试验研究按研究内容可分为艇体强度抗冲击试验、设备抗冲击试验及人员抗冲击试验,按试验规模大小可以分为模型试验和实艇抗冲击试验,按试验目的不同可为分考核试验和科研试验。

下面主要对科研试验和考核试验作主要介绍。

3.1 科研试验
科研试验一般是为摸清潜艇冲击响应规律、冲击破坏模式,潜艇极限冲击能力,因此被试艇一般采用待报废的潜艇,潜艇在试验中一般在水中处于悬浮静止状态,冲击强度一般由小到大进行。

由于保密的原因关于潜艇抗爆的技术文件公开很少。

由于潜艇抗冲击试验一项实施难度大、风险性高的试验。

为降低试验风险,在潜艇抗冲击试验中,国外对于爆源大都采用大当量装药,以减少由于海上爆源与被试验艇的布设距离误差所带来的冲击强度风险。

对于实艇抗冲击试验,国外采用的爆源一般为几千公斤。

为方便试验过程中的组织实施,对潜艇布放方法一般采用负浮力的吊装法和正浮力的锚泊法两种。

通过大量的科研试验,积累了丰富的基础数据,制定和完善了抗冲击标准。

美国与西欧国家目前还广泛使用的标准为MIL-S-901D和
BV043/85[10,11]。

3.2 考核试验
通过前期进行的大量科研试验,以美国为的西方国家现在过渡到以舰艇冲击考核试验主。

在美国法典规定“海军在舰艇投入实战前必须进行的抗冲击考核试验”,同时规定所有的舰艇的首制舰和经过大幅改装的舰艇都必须进行抗冲击考核试验[8,10]。

与科研试验相对应,考核试验一般是针对新研制舰艇或是经过大幅改装后的舰艇,考核试验时潜艇处于航行状态,艇上载有艇员,所有装备处于正常工作状态。

在爆炸试验后,不光要求潜体强度、艇员及装备处于安全状态,同时要求潜艇马上能投入正常的作战状态。

4 结语
潜艇抗水下非接触爆炸研究一项技术难度大、试验风险性高等,同时潜艇在水下爆炸中的冲击环境与水面舰区别很大,开展潜艇抗水下非接触爆炸研究具有十分重要意义。

以美国为首的西方国家已经开展全面研究,并把这些研究已经转化为科技成果,同时装备到潜艇上,大大提升军队的战斗力。

我国目前在主方面还有相关差距,本文通过对国外潜艇抗水下非接触爆炸研究分析,可为我国下一步开展潜艇抗爆抗冲击研究提供了参考。

参考文献
[1] 刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D].无锡:中国船舶科学研究中心,2003.
[2] 陈德元.水下爆炸调研综述[R].中国工程物理研究,1998.
[3] 徐培誉.水下爆震对结构之响应[D].台北:国立台湾大学,2004.。