武海軍，成樂樂，陳文戈,2，黃風(fēng)雷，田思晨，于超，吳子奇

（1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2.中航航空電子有限公司，北京 100086；3.中國兵器工業(yè)集團(tuán) 航空彈藥研究院有限公司，黑龍江，哈爾濱 150001）

通常水下武器爆炸包含炸藥的爆轟、爆炸沖擊波產(chǎn)生與擴(kuò)散、炸藥高溫高壓爆轟產(chǎn)物的膨脹、由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動的氣泡脈動、氣泡射流的產(chǎn)生、區(qū)域和局部空化效應(yīng)等復(fù)雜的物理現(xiàn)象與過程，因此艦船目標(biāo)受到水下爆炸作用時會遭受爆炸沖擊波、氣泡脈動、氣泡射流、空化效應(yīng)二次載荷等多種毀傷元或載荷的共同破壞作用.這些載荷在作用強度、靜動態(tài)特性、空間分布特征和有效作用范圍上均有較大區(qū)別，不同的彈目交會條件時對艦船產(chǎn)生毀傷作用的載荷類型也各不相同.結(jié)合主要毀傷元特性及其耦合形式、艦船響應(yīng)與耦合毀傷模式等因素，水下爆炸對艦船目標(biāo)的毀傷模式可歸納為4 種類型，如圖1 所示.

圖1 不同類型水下爆炸對艦船目標(biāo)的毀傷模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of damage mode of underwater explosions to ship targets

水下接觸爆炸主要的毀傷元為沖擊波和爆炸產(chǎn)物，兩者耦合作用對艦船的舷側(cè)或船底外板產(chǎn)生絕熱剪切破壞，從而形成局部破口，如圖2（a）中“科爾”號驅(qū)逐艦左舷在炸藥接觸爆炸下產(chǎn)生的大破口.水下近場爆炸時主要的毀傷元為沖擊波和氣泡射流，兩者耦合作用下艦船目標(biāo)會呈現(xiàn)總體與局部的耦合毀傷，如圖2（b）中2 枚MK48 重型魚雷在船艉底部先后近距離爆炸對“伐夫”號驅(qū)逐艦毀傷試驗.水下中場爆炸時主要的毀傷元為沖擊波、氣泡脈動和空化載荷，氣泡脈動會導(dǎo)致艦船目標(biāo)產(chǎn)生總體的“鞭狀”響應(yīng)，沖擊波載荷對艦體結(jié)構(gòu)的局部塑性變形.水下遠(yuǎn)場爆炸時，沖擊波載荷和氣泡脈動壓力因為衰減的緣故，無法直接對艦船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毀傷破壞作用，主要考慮水下爆炸載荷對艦船內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備和人員帶來的沖擊作用，如圖2（c）中“福特”號航母進(jìn)行的全艦沖擊測試.

圖2 艦船目標(biāo)不同類型的毀傷破壞Fig.2 Different types of damage to ship targets

對于不同類型水下爆炸作用的定義，學(xué)者們意見不一，本文統(tǒng)計了國內(nèi)外學(xué)者對接觸爆炸、近場爆炸以及中遠(yuǎn)場爆炸的定義，如表1 所示.依據(jù)物理尺度嚴(yán)格定義的接觸爆炸可能會與近場爆炸在對目標(biāo)的毀傷模式存在混淆，考慮到不同距離處水下爆炸作用最主要的區(qū)別是毀傷元不同，因此依據(jù)毀傷元類型[1-3]的定義方法對水下爆炸的類型進(jìn)行了歸類，以10 倍裝藥半徑以內(nèi)稱為接觸爆炸，10～25 倍范圍內(nèi)為近距離爆炸，大于25 倍藥包半徑時為中遠(yuǎn)距離爆炸.

表1 不同類型水下爆炸的定義Tab.1 Definition of different types of underwater explosions

目前針對水下爆炸對艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)研究主要考慮沖擊波載荷、氣泡脈動和氣泡射流載荷以及空化載荷，對多類型載荷對艦船目標(biāo)毀傷作用時的耦合作用研究取得了一定的進(jìn)展.此外，隨著水下武器突防能力變強，其制導(dǎo)、控制及打擊精度越來越高，很多國家提出了多彈協(xié)同作戰(zhàn)方式，使得水面艦船目標(biāo)同時遭受多發(fā)彈的協(xié)同打擊成為可能，因此多發(fā)彈共同作用目標(biāo)的耦合威力場和毀傷效應(yīng)逐漸成為研究熱點.為此，本文針對水下爆炸時不同類型毀傷元之間的耦合毀傷作用進(jìn)行概述，對典型艦船結(jié)構(gòu)的耦合毀傷效應(yīng)進(jìn)行總結(jié)，并對基于時空協(xié)同的水下多發(fā)彈的耦合毀傷效應(yīng)進(jìn)行歸納，提出有待進(jìn)一步研究的問題，以期探討對艦船目標(biāo)的水下爆炸高效毀傷模式.

1 多類型毀傷元的耦合作用機(jī)理

炸藥在水下爆炸作用時，包含以下特征[10]：爆轟產(chǎn)物的產(chǎn)生、沖擊波的形成與傳播、空化效應(yīng)及其二次加載作用、氣泡脈動與氣泡射流、自由界面的表面效應(yīng)以及沖擊波的折射效應(yīng)，如圖3 所示.

圖3 水下爆炸現(xiàn)象[10]Fig.3 Underwater explosion phenomenon[10]

炸藥在水下作用時，爆轟過程通常在1～100 μs內(nèi)完成，爆轟波以高達(dá)6～9 km/s 的速度向外傳播，沖擊波傳播階段為毫秒級，而氣泡膨脹階段為秒級，由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動著的氣泡向外膨脹的速度遠(yuǎn)小于沖擊波傳播速度，因此氣泡在時空上均滯后于沖擊波.沖擊波的反射作用會在自由表面產(chǎn)生區(qū)域空化，在結(jié)構(gòu)表面引起局部空化效應(yīng)[11]，空化效應(yīng)產(chǎn)生的氣穴在重力和環(huán)境壓力差的作用下關(guān)閉時會引起水錘效應(yīng)，并以壓縮脈沖的形式對艦船目標(biāo)產(chǎn)生明顯的二次加載作用[12].因此水下武器在近距離范圍內(nèi)打擊艦船目標(biāo)時，爆炸沖擊波、氣泡載荷以及空化載荷共同對艦船局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊作用，雖然多個毀傷元對目標(biāo)作用在時間上存在先后次序，但在空間上存在對艦船目標(biāo)同一區(qū)域的耦合毀傷作用效果.因此本文主要對水下武器作用時的爆炸沖擊波、氣泡載荷以及空化載荷對艦船目標(biāo)的耦合作用機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，此外對聚能射流及殼體破碎后產(chǎn)生的高速破片與爆炸沖擊波的耦合作用機(jī)理也進(jìn)行了歸納.

1.1 爆炸沖擊波和氣泡載荷的耦合作用

爆炸沖擊波和氣泡載荷的耦合作用一般發(fā)生在近距離和中遠(yuǎn)距離爆炸范圍.水下武器對艦船的舷側(cè)或船底局部結(jié)構(gòu)的毀傷破壞過程中，爆炸沖擊波會首先作用在艦船目標(biāo)上并造成結(jié)構(gòu)的塑性變形、剪切撕裂等破壞；在前期沖擊波載荷毀傷的基礎(chǔ)上，由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動著的氣泡在膨脹到最大時開始收縮，而后形成指向艦船目標(biāo)的高速水射流，能量較為集中的水射流沖擊會使艦船目標(biāo)結(jié)構(gòu)的破壞程度進(jìn)一步加劇[13]，由此產(chǎn)生2 種毀傷元的對艦船目標(biāo)結(jié)構(gòu)的耦合毀傷效果，耦合作用動態(tài)過程[14]如圖4 所示.在2 種毀傷元對目標(biāo)的耦合毀傷作用過程中，由于氣泡能量弱于沖擊波能量，因此水射流對目標(biāo)的破壞效果沒有沖擊波明顯；從毀傷模式的角度，沖擊波主要造成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的局部破壞，而水射流主要造成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的總體響應(yīng)，因此2 種毀傷元會對目標(biāo)產(chǎn)生更嚴(yán)重的耦合毀傷效果[15].

圖4 近距離爆炸不同時刻沖擊波和氣泡的耦合作用過程[14]Fig.4 Bubble motion characteristics during explosion near plate frame structure[14]

對于水面的艦船目標(biāo)，當(dāng)受到?jīng)_擊波和氣泡脈動載荷共同作用時，沖擊波載荷主要對船體結(jié)構(gòu)造成局部毀傷[16]，其破壞區(qū)域主要集中在近爆面處，離爆炸點越遠(yuǎn)時艦船結(jié)構(gòu)的破壞程度越小[17].氣泡脈動載荷主要會對船體結(jié)構(gòu)的總縱強度造成影響，對船體結(jié)構(gòu)的局部破壞較弱，船體結(jié)構(gòu)在氣泡脈動載荷作用下呈現(xiàn)中拱和中垂變形，并伴隨有剛體位移[18].如圖5 所示的水下近場爆炸對艦船艙段結(jié)構(gòu)的試驗中[19]，沖擊波載荷作用使船體外板發(fā)生材料屈服和塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂和破口，隨后氣泡與船體結(jié)構(gòu)相互作用形成的水射流，使船體外板變形擴(kuò)大，對船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生累積損傷作用[20-21].爆炸沖擊波和氣泡載荷的耦合過程受邊界條件的影響較大.邊界為自由液面時，在自由液面、氣泡與沖擊波3 者之間的相互作用過程中，流場生成的復(fù)雜波系中包含多個稀疏波和沖擊波，自由液面的反射稀疏波在氣泡表面的反射會對氣泡運動及流場特性產(chǎn)生影響，自由液面的反射稀疏波減緩了氣泡的潰滅速度，而入射沖擊波則加快了氣泡的潰滅速度[22].邊界條件為彈塑性結(jié)構(gòu)壁面時，如圖6 所示[23]，舷側(cè)近距離爆炸后產(chǎn)生的氣泡容易浮出水面而發(fā)生潰滅[24]，或者形成的氣泡射流不能完全作用在目標(biāo)上[25]，導(dǎo)致氣泡載荷對結(jié)構(gòu)的作用很弱，主要依靠沖擊波進(jìn)行毀傷作用[26].邊界條件為彈塑性不連續(xù)的邊界時，如已破損的艦船艙段結(jié)構(gòu)壁面，爆轟氣體會從艙段破口泄露導(dǎo)致氣泡脈動的周期[27]及氣泡膨脹的最大半徑減小[28-29]，從而影響氣泡射流的形成和氣泡潰滅載荷的強度[30].

圖5 水下近距離爆炸對艙段結(jié)構(gòu)的毀傷結(jié)果[19]Fig.5 Damage of underwater near field explosion [19]

此外，對水下爆炸沖擊波的傳播理論，經(jīng)典的Penny-Dasgupta 理論、Kirkwood 模型、Cole 以及Zamyshlyayev 公式能夠合理描述水下爆炸沖擊波的動態(tài)傳播特征[31].后續(xù)的研究進(jìn)一步修正、細(xì)化了沖擊波經(jīng)驗公式[31]，同時結(jié)合工程實踐對水下爆炸的沖擊因子進(jìn)行了分析.現(xiàn)階段主要有如下4 種類型的沖擊因子，即基于沖擊波超壓的沖擊因子C1、基于平面波假設(shè)的沖擊因子C2、基于球面波的沖擊因子C3[32]以及考慮炸藥形狀的沖擊因子C4[33]，形式如下：

式中：沖擊因子C3的 系數(shù)K綜合了炸藥質(zhì)量W、艦船目標(biāo)的結(jié)構(gòu)半徑r、長度l及爆距R等參量；沖擊因子C4的系數(shù)B為裝藥形狀影響因子.從工程應(yīng)用的角度，C1和C2的區(qū)別較小，二者在遠(yuǎn)場爆炸中具有一定的精度，對爆距極敏感的接觸爆炸和近距離爆炸范圍內(nèi)的適用性有限.結(jié)合目標(biāo)參數(shù)和裝藥特性的C3和C4的適用性有了提高，但考慮到現(xiàn)階段大多數(shù)的試驗為相似縮比試驗，沖擊因子在不同縮比尺度下的適用性存疑[34].

對于氣泡脈動和氣泡射流，Rayleigh-Plesset 方程與Geers & Hunter 模型[35]也能夠?qū)馀菝}動的特征進(jìn)行合理的描述.然而有關(guān)氣泡射流形狀和速度的準(zhǔn)確計算方法[36]、復(fù)雜邊界條件下氣泡的坍塌機(jī)制以及對艦船目標(biāo)沖擊破壞作用的計算模型[31]，尚未有更多深入的研究.

1.2 爆炸沖擊波和空化載荷的耦合作用

水下武器攻擊艦船目標(biāo)時，除了產(chǎn)生沖擊波和氣泡載荷以外，還會產(chǎn)生空化載荷，包含在自由水面處產(chǎn)生的區(qū)域空化效應(yīng)以及在結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生的局部空化效應(yīng)[37].

對于結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生局部空化的機(jī)理，一種解釋是氣泡收縮導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面的流體被快速拉伸[11]，而流體本身沒有抗拉能力，導(dǎo)致其出現(xiàn)空化現(xiàn)象；另一種解釋認(rèn)為是目標(biāo)結(jié)構(gòu)在入射沖擊波的作用下產(chǎn)生一定速度的運動，從而使得入射波被反射為壓縮波或者稀疏波，且只有平板的運動速度達(dá)到一定值后產(chǎn)生反射稀疏波時，才會有局部空化效應(yīng)的產(chǎn)生[38]，并提出了平板結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生空化的條件如下：

式中：pp為 流體中的總壓力；pi為入射壓力；vs為平板運動速度；ρ1為 水的密度；c1為水中的波速.

此外有學(xué)者通過試驗提出局部空化在結(jié)構(gòu)表面和氣泡表面均會出現(xiàn)[39]，并且隨著入反射波系的傳播，兩片空化區(qū)聯(lián)合形成整塊空化區(qū)，而后空化區(qū)域閉合形成對目標(biāo)結(jié)構(gòu)的二次加載效應(yīng)[8].

對于自由界面產(chǎn)生的區(qū)域空化，主要是由于空氣-水的阻抗不同[38]，使得自由水面附近的水域反射波和入射波相互疊加，當(dāng)該部分水質(zhì)點的絕對壓力達(dá)到負(fù)值時[12]就出現(xiàn)了區(qū)域空化，對于區(qū)域空化的上邊界可以采用如下的計算模型[37]，典型的區(qū)域空化邊界演化過程如圖7[37]所示.

式中：W為炸藥質(zhì)量；K和A為 沖擊常數(shù)；t′和t′′分別為爆點和虛爆點產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)測點的時間；θ′為衰減常數(shù)；pj為靜水壓力.

水下武器爆炸后，在爆炸沖擊波對艦船目標(biāo)的沖擊作用之后，局部空化和區(qū)域空化的空化區(qū)域的廣度和深度均增加[40]，并均能夠?qū)δ繕?biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次加載作用，會加劇結(jié)構(gòu)的振動.其中區(qū)部空化區(qū)域的塌陷所引起的二次加載的持續(xù)時間大約是沖擊波的2 倍，其對結(jié)構(gòu)引起的速度響應(yīng)可以達(dá)到?jīng)_擊波相當(dāng)?shù)牧考塠41].2 種毀傷元的耦合毀傷作用主要增強了對目標(biāo)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)程度，能夠有效提升對艦船目標(biāo)內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備的破壞威力.

現(xiàn)階段大多數(shù)對于爆炸沖擊波和空化載荷的研究對沖擊波作用之后局部/區(qū)域空化的形成、閉合及二次加載過程進(jìn)行了探討，此外也考慮了目標(biāo)結(jié)構(gòu)的背空或背水環(huán)境[42]、結(jié)構(gòu)材料強度[43]、目標(biāo)結(jié)構(gòu)形式[44]、水面波浪[45]等條件變化時對水下爆炸的沖擊波和空化載荷的耦合作用的影響.但對于水下近距離或者中距離爆炸作用時，沖擊波、氣泡脈動以及空化載荷對艦船目標(biāo)的共同作用，現(xiàn)有研究忽略了由爆轟產(chǎn)物驅(qū)動形成的氣泡脈動與空化載荷的影響、與沖擊波和空化載荷之間的耦合作用機(jī)理以及3 種毀傷元對目標(biāo)的毀傷破壞模式，因此有必要開展爆炸沖擊波、空化載荷以及氣泡脈動載荷3 種毀傷元耦合作用機(jī)制的探討與分析.

1.3 爆炸沖擊波和聚能射流的耦合作用

當(dāng)聚能戰(zhàn)斗部攻擊水面艦船目標(biāo)時，聚能射流先于沖擊波到達(dá)目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面，首先對艦船目標(biāo)的外板造成破孔，并使破口周圍材料的斷裂閾值降低[46]，后續(xù)的爆炸沖擊波會使目標(biāo)產(chǎn)生沿破口的撕裂，并產(chǎn)生大范圍的凹陷塑性變形.兩毀傷元共同作用下艦船結(jié)構(gòu)的塑性變形區(qū)域相對于聚能射流和爆炸沖擊波單獨作用時有明顯的增強[47]，產(chǎn)生對艦船目標(biāo)的耦合毀傷作用.

聚能戰(zhàn)斗部在水下爆炸時，會因藥型罩形狀的不同而產(chǎn)生SCJ、JPC 和EFP 3 種類型的金屬射流，如圖8 所示.在相同的彈目交會條件下，EFP 對背水鋼板的破壞威力是最大的[48].炸藥和藥型罩的材料會對EFP 的成型有很大影響，此外靶板的邊界環(huán)境也會影響EFP 的毀傷威力，如背空板比背水板的破壞更嚴(yán)重[49].對于聚能戰(zhàn)斗部對艦船艙室結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)也有相關(guān)的研究，如EFP 對雙層艙室結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)[50]，聚能射流對舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞毀傷研究[51-52]，研究結(jié)果均表明聚能戰(zhàn)斗部對艦船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)有較好的毀傷威力.但需要特別注意的是，現(xiàn)有研究中戰(zhàn)斗部和舷側(cè)結(jié)構(gòu)的縮比尺度有較大差別，戰(zhàn)斗部直徑和舷側(cè)多層結(jié)構(gòu)的間距遠(yuǎn)小于實際情況，所獲得的研究結(jié)果僅局限于實驗條件，且外界環(huán)境為空氣環(huán)境，并不考慮聚能射流在水下環(huán)境的運動特性.實際上聚能射流毀傷元因自身特性，水下環(huán)境中在數(shù)倍裝藥直徑的距離處速度會下降到不具備侵徹能力的范圍內(nèi)[51]，一般要求戰(zhàn)斗部垂直接觸命中目標(biāo)，對彈目交會條件的要求較為苛刻.同時因為聚能戰(zhàn)斗部采用空穴裝藥的緣故，其裝藥量小于常規(guī)的水下戰(zhàn)斗部，在水下接觸爆炸條件下，更大藥量的常規(guī)戰(zhàn)斗部和聚能型戰(zhàn)斗部的毀傷威力優(yōu)劣尚無定論，有待進(jìn)一步深入探究.

1.4 爆炸沖擊波和高速破片的耦合作用

當(dāng)水下武器攻擊艦船舷側(cè)的防護(hù)結(jié)構(gòu)時，在接觸爆炸或近距離爆炸時會產(chǎn)生沖擊波和彈體高速破片，共同對舷側(cè)外板或內(nèi)層艙壁造成毀傷破壞[53].針對水下特殊的不可壓縮流體環(huán)境，當(dāng)水下武器爆炸，高速破片先達(dá)到目標(biāo)時，破片對目標(biāo)結(jié)構(gòu)造成貫穿破壞，隨后爆炸沖擊波使已破損的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的毀傷破壞，從而產(chǎn)生2 種毀傷元對艦船目標(biāo)的耦合毀傷作用.此外對于水下武器爆炸時沖擊波先于破片達(dá)到目標(biāo)情況，即預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的穿甲問題，諸多學(xué)者對此進(jìn)行了充分研究[54-56].尤其是對高速破片和爆炸沖擊波對艦船防護(hù)液艙的耦合毀傷效應(yīng)研究獲得了豐富的成果，對液艙結(jié)構(gòu)的載荷特性和變形破壞特性有了較為清晰的認(rèn)識[57-58]，如圖9 所示.

圖9 破片和沖擊波對液艙結(jié)構(gòu)的破壞過程[58]Fig.9 Damage process of fragment and shock wave to liquid cabin structure [58]

特別重要的一點是，現(xiàn)階段針對高速破片和沖擊波的耦合毀傷效應(yīng)研究的外部環(huán)境均為空氣，簡化了水下武器打擊艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)外界的水環(huán)境，僅僅考慮了艦船內(nèi)部的空氣環(huán)境.實際上外界水環(huán)境對爆炸沖擊波的傳播以及彈體碎片的運動有很大的影響，忽略外界水環(huán)境的研究結(jié)果雖具備一定的參考價值，但與水下武器的實際作戰(zhàn)環(huán)境有較大差別，后續(xù)的研究應(yīng)該考慮到這一點.

此外隨著超空泡技術(shù)的應(yīng)用，使得水下武器的末端速度能夠高達(dá)200 節(jié)以上，從而實現(xiàn)對艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的穿甲+爆炸的耦合毀傷模式[59]，如圖10所示，此時彈體的高速穿甲、炸藥的爆炸沖擊波以及殼體碎裂后的高速破片對艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合毀傷機(jī)理和模式是什么樣的，有待進(jìn)一步研究.另外隨著水下武器控制技術(shù)的發(fā)展，未來能夠?qū)崿F(xiàn)多發(fā)水下武器對艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同打擊時會呈現(xiàn)什么樣的毀傷模式，值得深入探索思考.

圖10 半穿甲戰(zhàn)斗部穿透舷側(cè)艙室結(jié)構(gòu)[59]Fig.10 Semi-armor-piercing warhead penetrating ship’s side cabin structure[59]

2 典型艦船結(jié)構(gòu)的耦合毀傷效應(yīng)

水下武器對艦船目標(biāo)進(jìn)行打擊作用時，主要的打擊部位是艦船的舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu).因此在武器戰(zhàn)斗部設(shè)計或艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要針對艦船舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu)進(jìn)行，同時考慮到舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將艦船舷側(cè)或船底結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似等效后的板架結(jié)構(gòu)、局部艙室結(jié)構(gòu)以及艙段或整體結(jié)構(gòu)成為水下爆炸毀傷效應(yīng)研究的主要目標(biāo).

2.1 板架結(jié)構(gòu)

板架結(jié)構(gòu)是艦船舷側(cè)或船底局部結(jié)構(gòu)的簡化形式，針對板架結(jié)構(gòu)的水下爆炸毀傷效應(yīng)的研究更具有便利性，因此諸多學(xué)者對板架結(jié)構(gòu)在水下爆炸的毀傷破壞作用進(jìn)行了較多的研究，從小規(guī)模的試驗來探索水下爆炸對目標(biāo)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理和毀傷模式，從而為大尺度試驗研究提供有價值的參考和支撐.

在水下爆炸作用下，普通固支平板在材料達(dá)到塑性變形階段的失效模式表現(xiàn)為大范圍的塑性變形[60]，隨著沖擊系數(shù)的增加，平板的失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔缣幍睦焖毫眩毫咽紫葟倪吘壧庨_始，然后向拐角處擴(kuò)展[61].平板的失效模式以邊界處的剪切破壞為標(biāo)志，此后由于沖擊波的進(jìn)一步作用，平板中心區(qū)域出現(xiàn)剪切破口[62].

水下接觸爆炸對加筋板架結(jié)構(gòu)的毀傷破壞過程，其毀傷模式基本與普通平板一致，如圖11 所示.不同的是，加筋板架結(jié)構(gòu)存在破口的形成、擴(kuò)展階段以及加強筋的扭轉(zhuǎn)、彎曲和斷裂破壞形式[63]，在不同的損傷階段，加強筋表現(xiàn)出不同的“邊界效應(yīng)”[64]，存在平板和加強筋的耦合破壞模式.

圖11 水下爆炸對加筋板架結(jié)構(gòu)的破壞過程[63]Fig.11 Damage process of stiffened plate caused by underwater explosion[63]

一般而言，對于同藥量的水下接觸爆炸和近場爆炸，接觸爆炸對板架結(jié)構(gòu)的破壞更嚴(yán)重.接觸爆炸時，板架的嚴(yán)重破壞區(qū)發(fā)生在以爆炸點為中心的5～7 個裝藥半徑范圍內(nèi)，大約25 倍裝藥半徑范圍內(nèi)發(fā)生明顯的塑性凹陷變形[63]，毀傷破壞范圍會根據(jù)板架結(jié)構(gòu)的聚脲涂層[65-67]、加筋類型[68]、預(yù)裂紋[69]、爆距[70]等因素而發(fā)生變化，尤其是柱形裝藥爆炸沖擊波的方向效應(yīng)不可忽略[71-72].

對于爆炸載荷作用下板架結(jié)構(gòu)變形破壞程度的計算方法，大多數(shù)是基于根據(jù)能量守恒原理，使爆炸載荷能量等于板架塑性變形能建立的毀傷模型[73]，能夠依據(jù)板架結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)對其彎曲、變形、伸長等參量進(jìn)行計算.本文對比了水下爆炸試驗中沖擊波和氣泡載荷作用下的固支平板結(jié)構(gòu)實際變形結(jié)果[70]與幾種典型的撓曲面方程預(yù)測結(jié)果[70,74-75]，如以下式（1）～（4），

式中：w0為靶板中心的撓度；a、b分別為平板的長和寬.

各撓曲面方程在不同幅度變形情況時的預(yù)測準(zhǔn)度各有優(yōu)劣，如圖12 所示，有待進(jìn)一步深入探究具有較好適應(yīng)性的預(yù)測模型.

圖12 不同類型公式對試驗結(jié)果的擬合對比[70]Fig.12 Fitting comparison of different types of formulas to test results[70]

對于艦船板架結(jié)構(gòu)在水下近距離爆炸載荷作用下局部破口計算模型，現(xiàn)階段的計算方法主要考慮了剪切破壞導(dǎo)致的沖塞型破口[76-77]，主要考慮的參量包含板厚、藥量、爆距、結(jié)構(gòu)尺寸等.而對于由拉伸斷裂導(dǎo)致的撕裂型破口[78]，并且考慮板架的材料參數(shù)的計算方法較少.

式中：R為破口半徑；W為藥量；T為板厚；α為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；Dc為 爆距；εf為斷裂應(yīng)變；σ 為 極限應(yīng)力；I為加強筋的相對剛度.

在工程化應(yīng)用中，沖塞型破口的計算公式主要適用于爆距較小的接觸爆炸，不適用于近距離爆炸時產(chǎn)生的撕裂型破口[78]，已有的撕裂型破口計算公式較為繁瑣，需要結(jié)合大規(guī)模的數(shù)值模擬結(jié)果來求解超越方程，有較大局限性.因此有必要對近距離爆炸范圍內(nèi)艦船板架結(jié)構(gòu)局部破口的計算公式進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠較好地適用于近距離爆炸對艦船板架結(jié)構(gòu)毀傷破壞范圍的快速估算.

雖然板架結(jié)構(gòu)的水下爆炸試驗相對比較容易操作和設(shè)計，但是開展試驗設(shè)計和實施需要耗費較多的人力、物力，相比之下，數(shù)值分析能夠很便捷地對試驗工況的預(yù)期結(jié)果進(jìn)行仿真模擬，因此目前仿真模擬已成為水下爆炸研究的主要手段.如高精度的RKDG 方法[76]、RKDG-FEM[79]、SPH 和RKPM 相結(jié)合的方法（如圖13 所示）[80]、歐拉有限元EFEM[81]、流體體積法和VOF 結(jié)合[82-83]、可壓縮兩相流[84]等諸多方法，能夠針對性地對水下爆炸現(xiàn)象進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，但各類型方法都有各自的優(yōu)點和局限性[85].

圖13 基于SPH-RKPM 的水下爆炸毀傷數(shù)值模擬[80]Fig.13 Numerical simulation of structural damage caused by underwater explosion based on SPH-RKPM[80]

此外，對水下爆炸時板架結(jié)構(gòu)的塑性變形和毀傷破壞預(yù)測也一直是研究熱點[73，86]，諸多方法的預(yù)測模型均能夠很好地解決所研究工況中縮比板架結(jié)構(gòu)和原型結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的相似問題，但各類型方法的優(yōu)劣性以及適應(yīng)性必然會有差別，從而導(dǎo)致對相似轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)、條件和預(yù)報誤差等問題未能形成統(tǒng)一的認(rèn)識，損傷圖譜[87]的引入從理論上能夠解決諸多問題，但需要大量數(shù)據(jù)的支撐，如圖14 所示.

圖14 板架結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的損傷圖譜[87]Fig.14 Damage atlas of plate frame structure [87]

類似的是，基于大量試驗數(shù)據(jù)和仿真模擬數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法已經(jīng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測材料非線性變化和結(jié)構(gòu)的變形問題[88]，如圖15 所示基于大量數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[89]，能夠依據(jù)裝藥質(zhì)量、爆距、平板和加強筋尺寸等參量快速計算出水下爆炸作用下加筋板架結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)結(jié)果.

圖15 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖[89]Fig.15 Schematic diagram of deep neural network model[89]

2.2 艦船局部結(jié)構(gòu)

艦船目標(biāo)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)一直是水下武器的重點打擊部位，不同類型的艦船會因自身作戰(zhàn)定位設(shè)置不同的舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，如航母舷側(cè)部位設(shè)置有防雷艙或者液艙[90]，因此對艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的毀傷作用研究較為復(fù)雜，本小節(jié)主要針對艦船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)的毀傷破壞研究進(jìn)行了概述.

水下接觸爆炸對典型艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的毀傷破壞過程[80]經(jīng)歷了沖擊波載荷階段、準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷階段和負(fù)壓載荷階段[91]，如圖16 所示.水下武器接觸爆炸開始后，舷側(cè)外板開始出現(xiàn)裂縫，沖擊波的強沖擊作用使舷側(cè)外板出現(xiàn)剪切破口破壞，并進(jìn)一步增大了舷側(cè)外板整體的凹陷塑性變形，并伴隨著爆轟產(chǎn)物涌入艙內(nèi)和水中氣泡的形成，此時為顯著的沖擊波載荷階段.隨后高速破片和沖擊波作用在液艙外板上，液艙外板出現(xiàn)初始裂縫并逐漸產(chǎn)生大范圍的塑性變形，沖擊波在舷側(cè)艙室內(nèi)不斷地反射后逐漸趨于均勻，因外部氣泡膨脹產(chǎn)生的壓力差導(dǎo)致空艙內(nèi)的超壓趨于0，呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜態(tài)特性[92].隨著液艙外板產(chǎn)生大范圍的撕裂，液艙內(nèi)板也出現(xiàn)凹陷塑性變形，直到發(fā)生撕裂破壞[93]，此時水中氣泡的“過度”膨脹，致使艙室內(nèi)的氣體繼續(xù)向外逸出，使空艙內(nèi)的超壓峰值變?yōu)樨?fù)值，呈現(xiàn)負(fù)壓載荷階段.

圖16 水下接觸爆炸對典型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的破壞過程[80]Fig.16 Damage process of typical side structure by underwater contact explosion[80]

艦船舷側(cè)的防護(hù)結(jié)構(gòu)最主要的功能是提升防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸能抗爆效率，降低武器打擊時的毀傷威力，因此諸多學(xué)者也對舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)在遭受爆炸時的吸能特性和抗爆特性進(jìn)行了研究.

針對舷側(cè)液艙水位變化對舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究，基于不同的舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)獲得的研究結(jié)論不一致[94-95]，對于最優(yōu)的液艙水位未有統(tǒng)一的結(jié)論，但是一致的意見是液艙水位減少時舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆能力會急劇降低.此外，對于舷側(cè)縱壁的支撐結(jié)構(gòu)形式[96]、單/雙液艙結(jié)構(gòu)[97]、液艙位置[98]、艙室隔板厚度[99]等參數(shù)變化對舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗爆吸能的影響研究也較為充分.值得注意的是，含液艙的舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的水下接觸爆炸試驗中，針對液艙外板產(chǎn)生破口的原因[91-92,100]以及舷側(cè)外板和液艙外板塑性變形模式[100-101]出現(xiàn)分歧，如圖17 所示.唯一的區(qū)別是試驗?zāi)Ｐ腿胨疃炔煌?，從而影響了水下爆炸的邊界效?yīng)，因此，自由水面的邊界效應(yīng)如何影響水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理和模式，有待進(jìn)一步深入探討.

圖17 不同條件下舷側(cè)外板和液艙外板的變形結(jié)果[100-101]Fig.17 Deformation results of side outer plate and tank outer plate under different conditions[100-101]

此外舷側(cè)結(jié)構(gòu)在艙內(nèi)爆炸時的毀傷效應(yīng)也是研究熱點[102-107]，如圖18 所示，主要的研究方向戰(zhàn)斗部內(nèi)爆作用下防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式、多層防護(hù)結(jié)構(gòu)防御沖擊波和高速破片的效果[108]，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)規(guī)律[109]等.

圖18 艦船多艙室結(jié)構(gòu)內(nèi)爆試驗[110]Fig.18 Implosion test of ship multi-cabin structure[110]

需要指出的是，現(xiàn)階段有關(guān)艙內(nèi)爆炸的研究主要關(guān)注反艦導(dǎo)彈在水線以上對艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的穿甲+爆炸毀傷效應(yīng)，如圖19（b）所示，所考慮的外部環(huán)境為空氣，典型的試驗見圖18.但現(xiàn)階段水下武器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的穿甲+爆炸的毀傷破壞，如圖19（a）所示，此時外部環(huán)境為水，因此不同的環(huán)境條件下，艙室內(nèi)爆對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理、破壞模式以及結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)會發(fā)生怎樣的變化，有待進(jìn)一步深入探討.

圖19 不同類型武器對艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的打擊示意圖[53]Fig.19 Schematic diagram of different types of weapons striking ship’s side structure[53]

2.3 艙段或整體結(jié)構(gòu)

針對艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)研究中采用截取的艦船艙段或者全尺寸的艦船作為靶標(biāo)，能夠更充分地分析水下武器對艦船結(jié)構(gòu)的局部毀傷和總體毀傷效應(yīng)[111].

水下武器在艦船舷側(cè)近距離范圍內(nèi)爆炸作用時，對艦船目標(biāo)基本以局部嚴(yán)重破壞為主，并且存在明顯的氣泡射流沖擊效應(yīng)[24].在完全接觸爆炸時，舷側(cè)外板會出現(xiàn)剪切破口，且四周出現(xiàn)花瓣型裂縫，隨著爆距增大，毀傷模式逐漸向局部大范圍撕裂和凹陷變形、四周沿加筋邊界撕裂延伸轉(zhuǎn)變[26]，如圖20 所示.

圖20 舷側(cè)不同距離處爆炸時艦船目標(biāo)的毀傷結(jié)果[24,26]Fig.20 Results of damage to ship targets caused by explosions at different distances on the side[24,26]

水下武器在艦船底部近距離爆炸作用時，會產(chǎn)生爆炸沖擊波、氣泡脈動和氣泡射流等多種毀傷元對艦船結(jié)構(gòu)的耦合作用[112]，爆距逐漸增加時對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷模式會有區(qū)別，如圖21 所示.

圖21 不同爆距時船底結(jié)構(gòu)的毀傷結(jié)果[5]Fig.21 Damage results of ship bottom structure at different explosion distances[5]

船底接觸爆炸時，船底結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大范圍的剪切破口和凹陷變形，主要受到爆炸沖擊波和氣泡射流的耦合毀傷作用，對艦船造成局部毀傷[111]；近距離爆炸時，船底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍的凹陷塑性變形[113]，主要遭受沖擊波、氣泡脈動和氣泡射流的耦合作用[21]，氣泡的脈動使艦船結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鞭狀運動[114-116]，會嚴(yán)重影響艦船的總縱強度，對艦船目標(biāo)造成局部毀傷和總體毀傷的耦合作用[26]，如圖22 所示.

圖22 不同爆距時船底爆炸對艦船目標(biāo)的毀傷破壞[21]Fig.22 Damage to ship target caused by bottom explosion at different blast distance[21]

從毀傷模式的角度，當(dāng)水下武器在艦船底部近距離處爆炸時能充分利用氣泡能量，一方面底部爆炸時艙段模型所受浮力與氣泡Bjerknes 力同方向，另一方面底部爆炸時氣泡容易產(chǎn)生射流[117]，能夠產(chǎn)生爆炸沖擊波和氣泡射流對目標(biāo)的耦合毀傷作用，并且考慮艦船剩余強度時的綜合毀傷效果，船底爆炸優(yōu)于舷側(cè)爆炸[117]，如圖23 所示.除了對毀傷模式進(jìn)行研究外，艦船目標(biāo)在水下爆炸作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)也是研究的熱點，如質(zhì)量比例阻尼因子[118]、彈著點位置[119]、波浪載荷[120]等參量變化時水下爆炸作用下艦船的沖擊響應(yīng)規(guī)律[121]及動力響應(yīng)模態(tài).

圖23 舷側(cè)/船底近距離爆炸的毀傷結(jié)果[24,117]Fig.23 Damage to a ship target caused by a close - range explosion at the side or bottom[24,117]

總體而言，水下武器近場范圍爆炸對板架結(jié)構(gòu)、艦船局部結(jié)構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)的多毀傷元耦合作用研究較為豐富，尤其是基于大量試驗數(shù)據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的初現(xiàn)端倪，未來是否能夠基于更多的模型試驗和實船爆炸試驗數(shù)據(jù)，從而發(fā)展出能夠用于水下武器戰(zhàn)斗部設(shè)計或艦船抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計的人工智能系統(tǒng)，值得深入探索.此外，理論上水下武器在艦船目標(biāo)的船底爆炸威力大于舷側(cè)爆炸，但現(xiàn)階段針對艦船目標(biāo)的船底結(jié)構(gòu)爆炸毀傷研究相對較少，尤其是水下武器在艦船目標(biāo)的舷側(cè)和船底爆炸時哪種工況的毀傷威力最大，尚未有定論，還需要更多的研究分析來支撐水下武器的設(shè)計.特別需要指出的是，在日益發(fā)展的作戰(zhàn)環(huán)境下，水下武器的毀傷模式已經(jīng)發(fā)生改變，如穿甲+艙室內(nèi)爆炸的毀傷模式，相關(guān)的研究工作值得進(jìn)一步推進(jìn).

3 基于時空協(xié)同的多發(fā)彈耦合毀傷

隨著水下武器的突防、機(jī)動及精確打擊能力不斷提高，水下武器出現(xiàn)了新的發(fā)展方向，如超空泡技術(shù)能夠使俄羅斯的“暴風(fēng)雪”魚雷在水中能夠以200 節(jié)的速度實現(xiàn)快速突防，多彈協(xié)同作戰(zhàn)方式可對艦船目標(biāo)的多個關(guān)鍵部位進(jìn)行精確打擊，實現(xiàn)對目標(biāo)的高效耦合毀傷.現(xiàn)階段學(xué)者們對水下多點爆炸耦合毀傷的研究取得了一定的進(jìn)展，主要集中在多點爆炸的威力場特性分析以及對典型艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)兩個方面.

3.1 多點爆炸的耦合毀傷威力場

水下多發(fā)彈攻擊艦船目標(biāo)時，多發(fā)彈爆炸作用時的相對位置和武器數(shù)量均會影響耦合毀傷威力場，對艦船目標(biāo)呈現(xiàn)不同的毀傷結(jié)果，現(xiàn)階段學(xué)者主要對水下2 點爆炸時沖擊波和氣泡脈動的動態(tài)特性開展了研究.

當(dāng)水下2 點同時爆炸時，會產(chǎn)生2 個沖擊波在水下環(huán)境中的相互作用具有較為明顯的疊加效果[122]，而且在在炸藥平面的不同距離以及不同方向的疊加效果會呈現(xiàn)較大區(qū)別.2 個等強度沖擊波的相交作用可以視為一個沖擊波在剛體表面的反射，因此在正相交和斜相交情況下，如圖24 所示，反射波陣面后水的壓力可根據(jù)質(zhì)量及動量守恒方程進(jìn)行如下的計算[122]：

圖24 沖擊波的正相交及斜相交示意圖[122]Fig.24 Schematic diagram of normal intersection and oblique intersection of shock waves[122]

式中：ρi,a為 入射波陣面后水的密度；pi,a為入射波陣面后水的壓力；ui,a為 入射波陣面后水質(zhì)點的速度；Dr為反射波波速; ρr為反射波陣面后水的密度；pr為反射波陣面后水的壓力；φa為入射波頭后水質(zhì)點的速度與對稱面的夾角；φr為反射波陣面與對稱面的夾角.

水下2 點同時起爆時，2 個沖擊波在初始碰撞后繼續(xù)沿各自路徑傳播，在2 個爆源的對稱面上出現(xiàn)壓力“熱點”[123]，并隨著波陣面一起移動，如圖25 所示.隨著距離的增加，水下2 點爆炸時對稱面上沖擊波的峰值壓力相比2 個單爆源線性疊加的峰值壓力有不同程度的增加[123]，沖擊波壓力的耦合增強作用隨距離增大而不斷減小，如圖26 所示；在非對稱面上的壓力時程曲線表現(xiàn)為雙峰現(xiàn)象，產(chǎn)生沖擊波壓力的延時耦合[124].等質(zhì)量裝藥前提下，水下4 點陣列爆炸與2 點爆炸相比，在同一位置處的沖擊波作用次數(shù)會增加，出現(xiàn)3～4 個波峰[124]，但沖擊波峰值壓力小于2 點爆炸時的情況.

圖25 2 點起爆時的流場演化過程及熱點現(xiàn)象[123]Fig.25 Flow field evolution and hot spot phenomenon during two-point explosion[123]

圖26 2 個沖擊波耦合作用時對稱面的壓力時程曲線[123]Fig.26 Pressure time history curve of symmetric plane when two shock waves are coupled[123]

除了沖擊波之外，水下2 點爆炸產(chǎn)生的多個氣泡會發(fā)生相互作用，氣泡之間的相互作用將產(chǎn)生特殊的氣泡運動特征，出現(xiàn)單氣泡“膨脹-融合”階段、融合氣泡膨脹階段以及融合氣泡“收縮-潰滅”階段的動態(tài)過程等過程[125-126].

與單爆源氣泡不同的是，雙爆源融合氣泡僅有一次膨脹過程，而且氣泡的最大半徑略微增大[127]，如圖27 所示，且雙爆源氣泡引起的脈沖壓力小于遠(yuǎn)大于單氣泡產(chǎn)生的脈沖.此外當(dāng)雙爆源位置為水平、傾斜及垂直的情況時，雙氣泡的膨脹、融合的模式，以及融合氣泡的脈動、射流形成和坍塌機(jī)制會呈現(xiàn)一定的區(qū)別[127]，如圖28 所示.此外雙爆源氣泡的相互作用亦受間距[30]及起爆時間差[25]的影響，從而產(chǎn)生多氣泡間的抑制效應(yīng)[128].

圖27 氣泡半徑隨時間的變化[127]Fig.27 Bubble radius as a function of time[127]

圖28 水平、傾斜及垂直情況下的雙爆源氣泡試驗（單位：ms）[127]Fig.28 Horizontal, inclining and vertical double explosion source bubble test (unit: ms)[127]

當(dāng)前對水下多點爆炸的耦合毀傷威力場的研究逐漸深入，但受限于研究條件和試驗難度，學(xué)者們僅對多點爆炸的沖擊波或者氣泡脈動進(jìn)行了單獨的討論與分析，未能充分探究多點爆炸時沖擊波、氣泡脈動以及水射流等毀傷元之間的相互影響.另外由于試驗條件的限制，大多數(shù)學(xué)者進(jìn)行的研究都是基于幾克～幾十克小當(dāng)量炸藥的水下爆炸試驗進(jìn)行的，因此考慮尺度效應(yīng)的多點爆炸毀傷威力場是否具有同樣的規(guī)律特性，以及起爆延遲、相對位置等條件變化時對耦合威力場的影響，都有待進(jìn)一步探討.此外現(xiàn)有研究的外界環(huán)境局限在無限自由場，還未見有貼合工程應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜邊界條件下（如近水面、非規(guī)則彈塑性壁面、破損艦船）多點爆炸耦合毀傷威力場的分析和探索，仍有較大的研究空間.

3.2 針對典型艦船目標(biāo)的多彈耦合毀傷

水下多發(fā)彈的耦合毀傷效應(yīng)研究針對的目標(biāo)是固支板架結(jié)構(gòu)或艦船局部等效結(jié)構(gòu)，對多發(fā)彈耦合毀傷的研究主要分為先后多次爆炸和同時多點爆炸.

針對固支平板的水下爆炸耦合毀傷試驗研究中，先后多次爆炸時鋼板的變形撓度不斷增加，但隨著爆炸次數(shù)的增加，撓度增加量不斷減少[129]，鋼板由于塑性強化效應(yīng)和變形機(jī)制改變[130]而出現(xiàn)剩余強度加強的現(xiàn)象，塑性變形更加困難，因此同藥量下的1次爆炸比先后3 次爆炸時的鋼板變形撓度大[131].相同試驗條件時，水下多點同步爆炸試驗中，沖擊波壓力產(chǎn)生非線性疊加放大效應(yīng)，在總藥量不變的條件下，同步爆炸點個數(shù)增加時對固支平板的毀傷破壞威力增大[132]，如圖29 所示.等藥量條件下，同一位置的時間協(xié)同先后多次爆炸與不同位置的空間協(xié)同多點同步爆炸對固支平板毀傷威力的結(jié)論相悖，除了爆距和起爆時間不同外，是否有其他的因素影響了試驗結(jié)果，值得進(jìn)一步探討分析.

圖29 不同數(shù)量多點同步爆炸的毀傷結(jié)果[132]Fig.29 Damage results of different number of simultaneous multi-point explosions[132]

針對典型舷側(cè)結(jié)構(gòu)的耦合毀傷研究，如艦船目標(biāo)遭受2 發(fā)水下武器的攻擊時，2 發(fā)武器先后作用具有明顯的耦合毀傷效應(yīng)，對艦船的毀傷程度有大幅度增加[14]，如圖30 所示.此外，2 發(fā)武器先后延時打擊比同時打擊對舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷破壞威力大，二者的主要區(qū)別是同時打擊時對舷側(cè)外板的破壞范圍更大，而延時打擊時對舷側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的破壞更強[133-134].對于2 發(fā)彈水下爆炸時目標(biāo)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，2 發(fā)彈同時爆炸時目標(biāo)的沖擊響應(yīng)稍小于2 發(fā)彈獨立作用時的線性疊加[135]，如圖31 所示.

圖30 船底爆炸對預(yù)損傷艙段的毀傷過程[14]Fig.30 Damage process of pre-damaged cabin section by bottom explosion[14]

圖31 艦船遭受同時/延時爆炸時的譜速度[136]Fig.31 Shock spectrum velocity of ship subjected to simultaneous/delayed explosion[136]

水下多點爆炸對艦船目標(biāo)的耦合毀傷效應(yīng)研究處于起步階段，相關(guān)的研究較少，對包含彈目特征的諸多問題缺乏更深層次的探討，如彈目交會條件、目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)變化時對目標(biāo)毀傷威力的英雄規(guī)律.此外有關(guān)水下多點爆炸時，有關(guān)艦船目標(biāo)的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)模式和毀傷威力計算模型還未見深入的研究，有待更深入的探索.

4 結(jié)論與展望

根據(jù)現(xiàn)階段針對艦船目標(biāo)耦合毀傷的研究分析，現(xiàn)有研究已經(jīng)取得豐富進(jìn)展，但由于水下武器具有新的協(xié)同作戰(zhàn)方式和毀傷模式，以及艦船目標(biāo)爆炸存在毀傷復(fù)雜性，仍有以下需要進(jìn)一步研究的問題：

① 對于多類型毀傷元對目標(biāo)的耦合作用機(jī)理的研究大多基于試驗和數(shù)值模擬，尚缺乏對于沖擊波和空化載荷之間的耦合作用機(jī)理以及3 種毀傷元對目標(biāo)的毀傷破壞模式的分析與討論；人工智能在預(yù)測水下武器毀傷威力以及艦船結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力方面的應(yīng)用處于起步階段，還有較大的研究空間；此外在新的作戰(zhàn)條件下，水下武器穿甲+爆炸+氣泡多毀傷對艦船目標(biāo)的耦合毀傷機(jī)理、多發(fā)彈對艦船目標(biāo)協(xié)同打擊的毀傷模式、常規(guī)戰(zhàn)斗部和聚能型戰(zhàn)斗部的毀傷威力優(yōu)劣性、水下武器毀傷威力最大化、背水環(huán)境艙室內(nèi)爆時的動態(tài)響應(yīng)等諸多問題，有待進(jìn)一步探索.

② 由于試驗條件的限制，大多數(shù)學(xué)者進(jìn)行的研究都是基于幾克～幾十克小當(dāng)量炸藥的水下爆炸試驗進(jìn)行的，因此考慮尺度效應(yīng)的多點爆炸毀傷威力場是否具有同樣的規(guī)律特性，以及起爆延遲、相對位置等條件變化時對威力場的影響，都有待進(jìn)一步思考.此外現(xiàn)有研究的外界環(huán)境局限在無限自由場，還未見有貼合水下武器實際作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜邊界條件下（如近水面、非規(guī)則彈塑性壁面、彈塑性不連續(xù)邊界）多點爆炸耦合毀傷威力場的分析和探索，仍有較大的研究空間.

③ 關(guān)于水下多點爆炸對艦船目標(biāo)的毀傷效應(yīng)研究大多局限于一些簡單結(jié)構(gòu)，考慮水面艦船、潛艇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，多點爆炸對艦船目標(biāo)的耦合毀傷效應(yīng)以及目標(biāo)結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)形式等方面的研究尚需加強.此外對包含彈目特征的諸多問題缺乏更深層次的探討，如彈目交會條件、目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)變化時對多點爆炸對目標(biāo)毀傷威力的影響規(guī)律、先后爆炸時第二次爆炸在破損的彈塑性不連續(xù)邊界的威力場演化特性等問題有待進(jìn)一步研究.