水下阵列爆炸与毁伤倍增效应研究

For the effect of using multi-point explosive energy accumulation to increase the damage power of ammunition and improve optimization design of Warhead and develop the new damage model and damage mechanism, the energy coupling characteristics of detonation wave, shock wave and bubble and the effect of damage multiplier should be studied in a deepgoing way. To this day, the studies are generally focused on underwater explosion of a single point, and the effects of detoation wave on the developed shock and bubble are ignored. In the present work, the research is started from two aspects: priming charge in the internal array and priming the array charge. The factors of detonation wave, underwater warhead layout, ignition timing and characteristics of the target are carried in. The strong nonlinear coupling influence of interactions of shock wave and shock wave, bubble and bubble, shock wave and bubble is considered. Finally, based on the hydrodynamic, thermodynamic and fluid-structure coupling theory, a coupling dynamic model of array underwater explosion is developed to explore the effect of damage multiplier. The main researches include: 1) study on the effects of warhead detonation stage on the formation and properties of shock wave. 2) study on the characteristics of shock wave propagation and its wave front. 3) study on the array bubbles dynamics and the reinforced mechanism of loads. 4) study on the damage multiplier of array underwater explosion considering characteristics of the target and design the experiments.

为利用多点爆炸能量聚集效应，提高弹药的毁伤威力，优化战斗部设计并发展新的毁伤机理和毁伤模式，需深入研究水下阵列爆炸过程中爆轰波、冲击波、气泡以及它们之间的能量耦合特征及其对结构的毁伤倍增效应。针对以往研究普遍集中于单点水下爆炸，且忽略了爆轰阶段对后续形成冲击波与气泡的影响，本项目拟从药包内部阵列起爆和阵列药包联合起爆两个方面，计入起爆爆轰波、水下药包布置、起爆时序和目标结构特征等因素，考虑冲击波-冲击波、气泡-气泡、冲击波-气泡之间的强非线性耦合作用，依据流体力学、热力学和流固耦合理论，建立有关水下阵列爆炸的耦合动力学模型与计算方法，开展水下阵列爆炸的毁伤效能研究。主要研究内容包括：1）药包内阵列爆轰对初始冲击波物态参数的影响研究；2）水下阵列爆炸冲击波传播规律及波阵面指向性研究；3）水下阵列爆炸气泡运动与载荷增强机理研究；4）计及水下目标结构特征影响的毁伤倍增效应研究与实验设计。

水下战斗部作为摧毁敌方海上目标的有力武器一直发挥着巨大的作用。通过合理布置，多个药包采取同时或延时爆炸，目标区域内冲击波和气泡载荷相互作用可使炸药强度显著增强，大大提高弹药的爆炸威力，对目标产生更强的破坏作用。.为利用多点爆炸能量聚集效应，提高弹药的毁伤威力，优化战斗部设计并发展新的毁伤机理和毁伤模式，深入研究水下阵列爆炸过程中爆轰波、冲击波、气泡以及它们之间的能量耦合特征及其对结构的毁伤倍增效应。为此，本项目建立了关于水下阵列爆炸的耦合动力学模型与计算方法，考虑冲击波-冲击波、气泡-气泡、冲击波-气泡之间的强非线性耦合作用，开展了水下阵列爆炸的毁伤效能研究。.针对水下爆炸涉及到的初始爆轰波、冲击波等强间断界面的计算模型，基于波前追踪法联合先进的数值处理技术，形成了可以精确模拟、追踪波阵面的计算模型；在此基础上，进一步结合近场水下爆炸对结构毁伤涉及到的气泡脉动及射流载荷模型，考虑了介质的可压缩性，发展了气-液界面的拓扑结构处理方法和气泡界面光顺处理技巧，为联合开展水下阵列爆炸冲击波、气泡载荷的耦合叠加机理和倍增效应奠定了基础。开展了一维激波管数值模拟和水下爆炸气泡及空化气泡模型的数值模拟工作，通过与理论解或试验结果的比对，验证了该课题开发模型的有效性。.在上述研究的基础上，为进一步开展阵列爆炸毁伤特征研究，揭示其中的机理性问题，首先分别对不同界面附近的冲击波、气泡运动和演化规律进行了仿真模拟，开展了冲击波的叠加倍增效应、气泡与气泡间的耦合效应、阵列气泡与自由面之间的耦合效应等研究。结合舰船水下爆炸毁伤中板架结构与水下爆炸载荷之间的耦合毁伤过程，进行了模型试验的数值与试验设计，比对分析了阵列爆炸参数不同对毁伤倍增效应的影响。最后，提出了改进的阵列爆炸机理试验发生装置和相关的触发控制、数据采集和准确处理等问题的解决方案，为数值模型的验证和机理试验研究的顺利开展奠定了基础。