0.   引言

海底掩埋目标, 诸如海底光缆、管道、自掩埋水雷以及侦听设备等军事设施, 可能部分或完全被掩埋在海底泥沙等沉积物中, 深度从几厘米到数米不等, 具有隐蔽性强和危害性大等特点。如何有效打击摧毁这类目标, 已成为保障海洋安全和战略优势的重要课题。

受水介质特殊物理性质的限制, 常用水下毁伤元主要有聚能载荷和爆破载荷2种。聚能载荷即聚能侵彻体, 由聚能装药爆轰压垮金属药形罩形成, 根据药型罩形状不同可以形成射流、爆炸成型弹丸(explosively formed projectile, EFP)、杆式射流和线性射流等。由于水介质比空气密度高、黏性大、可压缩性弱, 因此在药形罩压垮闭合阶段就会影响聚能侵彻体的形成; 聚能侵彻体形成后, 其高温、高压及高速运动状态, 会导致水介质空化, 进一步消耗大量能量。同时, 仅依赖聚能载荷进行毁伤时, 要求目标必须处于其通过路径之上, 对目标探测精度和弹体姿态控制精度等都有很高的要求。因此, 从使用场景而言, 聚能载荷更适合工兵或蛙人抵近作业, 对浅水、无掩埋或浅掩埋目标进行处置。

爆破载荷是水下毁伤场景中应用最广泛的载荷形式。对于掩埋类目标而言, 其具有作用范围广、载荷作用无定向性等特点。相较于聚能载荷, 其对弹药命中精度、姿态控制精度和弹目交汇精度等要求更低, 可以尽可能地弥补现有技术手段对水下掩埋目标识别和定位精度不足的缺点。然而, 爆破载荷在水中的衰减速率同样较高, 尤其在面对海底多介质共存的复杂场景时, 会导致爆炸波在传播过程中产生额外的能量损耗。因此, 在处理深掩埋目标时, 如何破开掩埋泥沙并投送爆破载荷, 是对海底掩埋目标进行高效毁伤的技术前提。

综上, 对海底掩埋目标(尤其是深海、深掩埋目标)而言, 爆破载荷是更具优势的处置载荷。除了需要考虑爆破装药自身的毁伤威力(或毁伤半径)外, 还需要考虑处置弹或战斗部在海底泥沙等沉积物中的输送能力。从战斗部设计角度而言, 能够实现爆破载荷向目标内部投送的形式有“破-侵-爆”和“侵-爆”等。“破”(即聚能效应)一般应用于针对坚固目标的前级开口和开坑。而后, 爆破装药/子战斗部利用弹药末弹道速度或随进推进装置完成在目标内部的侵彻和通路开辟, 实现对目标的侵彻爆破。

因此, 文中将围绕对海底泥沙介质的侵彻和爆破2个关键技术点, 系统探讨对海底掩埋目标毁伤手段的技术原理及其在实际应用中的效果, 旨在为海底掩埋目标毁伤的发展提供理论基础和技术支持, 并为未来的研究方向提出建议。

1.   海底泥沙介质侵彻分析

目前, 针对海底泥沙介质侵彻问题的研究相对较少, 然而通过借鉴陆地场景下侵彻研究的理论框架和方法论, 可以为海底侵彻研究提供丰富的研究依据和实践参考。文中将重点分析以下2个关键领域: 海底侵彻过程和海底介质特性。

1.1   海底侵彻过程

对海底掩埋目标的有效摧毁高度依赖于侵彻过程的成功与否。如果侵彻过程不充分或不稳定, 爆破载荷将无法准确到达预定位置, 导致毁伤效果大大减弱。因此, 深入了解侵彻过程的物理机制和影响因素对于设计和优化侵彻体、提高作战效能至关重要。

弹体结构对侵彻效果有显著影响。不同头部形状(如图1所示, 从左到右分别为圆头、平头、尖头以及球形)的弹体在相同速度下的动能损失速度和侵彻稳定性各不相同^[1-2]。研究表明, 尖头和圆头弹体更适合穿透高密度沉积物, 而平头弹体在低密度介质中表现更好^[3-5]。同时, 优化弹体的头部形状和长径比(如图2所示), 可以提高其在海底沉积物中的侵彻效率和稳定性^[6]。

图  1  不同弹头形状的侵彻体

Figure  1.  Penetrators with different warhead shapes

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图  2  不同直径弹体侵彻深度变化曲线

Figure  2.  Penetration depth curves of the projectile with different diameters

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除了弹体形状, 侵彻速度也是关键因素之一。高速弹体具有较强的动能, 可以克服较大的阻力, 实现深层穿透^[7]。垂直侵彻角度(90°)时, 动能能够完全用于垂直方向, 侵彻效率最高^[8]。

为了更深入地理解弹体在侵彻过程中所受到的各种力学影响, 利用空腔膨胀理论分析在海底沉积物中, 弹体周围应力场的分布和变化。通过建立侵彻体周围沉积物的应力场分布模型, 研究不同侵彻深度和速度下的应力变化, 可以评估沉积物的变形和破坏机制, 进一步指导弹体设计和侵彻过程优化^[9-13]。基于空腔膨胀理论的弹体垂直侵彻深度公式^[12]为

式中: P为穿透深度; m为弹体质量; A和B为空腔膨胀理论中的参数; $ \rho $为介质密度; a为弹体半径; μ为摩擦系数; $ {J}_{1} $、$ {J}_{2} $和$ {J}_{3} $为与弹体几何外形相关的常数; $ {v}_{0} $为侵彻初速度; Y为介质剪切强度。

此外, 利用有限元仿真软件(如LS-DYNA)进行数值仿真, 预测不同弹体形状和材质在海底沉积物中的侵彻行为, 通过仿真和实验验证建立经验公式和模型, 进一步优化侵彻体设计^[14-15]。例如, 通过模拟不同形状弹体在泥质海床中的行为, 可以确定最优的弹体结构, 以最大化其侵彻深度和稳定性。

1.2   海底介质特性

由于不同类型的沉积物会对弹体施加不同的阻力和摩擦力, 从而影响其运动轨迹和最终的侵彻深度, 因此海底介质的特性对侵彻过程会有显著影响。了解海底介质的特性可以更好地预测和控制弹体的侵彻行为, 提高作战任务的成功率。

文中将海底沉积物归为沙质海床和泥质海床2类。沙质海床颗粒较大、孔隙率高、摩擦系数相对较低, 动能侵彻体较容易穿透, 但沙粒的移动可能影响其侵彻路径, 降低其稳定性^[16-18]; 泥质海床颗粒细小、密度高、黏性强、孔隙率低, 动能侵彻体在其中会受到更大的阻力, 导致其速度迅速降低和侵彻深度减小^[1]。

通过数值仿真和实验, 可以深入分析不同沉积物对侵彻体行为的影响。例如, 钙质砂的颗粒破碎(见图3)会消耗大量能量, 影响侵彻深度和路径稳定性^[19]。因此在海底环境中, 需要评估不同类型沉积物对侵彻体的阻力和稳定性影响, 以优化侵彻设计和侵彻策略。

图  3  侵彻前后的钙质砂介质

Figure  3.  The original and crushed calcareous sand

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2.   海底泥沙介质中爆破效应分析

防御设施、电缆和管道等海底目标通常具有多层防护结构^[20], 这些结构不仅增加了目标的隐蔽性和防护能力, 还提升了目标在遭受攻击时的生存概率。以下将详细探讨海底介质内部爆炸研究中的几个关键点, 包括冲击波传播特性、成坑效应与爆腔特征以及液化效应。

2.1   冲击波传播特性

爆炸产生的冲击波在海底环境中的传播特性是影响爆炸效果的关键因素, 理解冲击波传播特性是优化装药爆破威力的基础。冲击波在水中和海底介质中的传播特性包括波速、压力分布和衰减规律。

首先, 冲击波在水中的传播特性与在空气中有显著差异。水的密度远高于空气, 使得冲击波在水中传播时具备更高的能量和更快的传播速度。典型情况下, 水中的冲击波波速可达1 500 m/s以上, 而空气中仅为340 m/s左右。此外, 由于水的不可压缩性, 冲击波在水中的压力峰值会显著高于在空气中的峰值。

然而, 冲击波在海底介质中传播时会发生显著的变化。海底介质通常包括砂土和淤泥, 这些介质的物理特性决定了冲击波的传播行为。冲击波进入海底介质时, 会因介质的密度、孔隙率和含水量不同而表现出不同的传播规律^{[16, 20-22]}。密度较大的介质会加速冲击波的传播; 孔隙率越大的介质会导致冲击波能量耗散更多; 含水量高的介质则会增强冲击波的压力峰值。

钙质砂由于其独特的颗粒结构和力学特性, 对冲击波的吸收和衰减效应也较为显著。钙质砂的颗粒破碎过程会消耗大量的能量, 影响冲击波的传播速度并加快应力波的衰减^{[21, 23]}。因此, 在海底环境中, 需要特别关注钙质砂对冲击波的吸收和衰减效应, 以优化爆炸设计。

此外, 海底冲击波的传播还受水深(水压)的影响。水压的增加会对冲击波的传播路径和能量分布产生影响。在深海环境中, 高压环境可能会增加冲击波的传播速度, 但也可能导致更快的能量衰减。因此, 研究不同水深条件下海底冲击波的传播规律, 对优化深海爆炸设计至关重要。

2.2   成坑效应与爆腔特征

爆炸在海底介质中的成坑效应与爆腔特征是评估爆炸效果和破坏范围的重要指标。成坑效应指的是爆炸在介质中形成的凹坑形状和大小, 这不仅反映了爆炸能量的释放情况, 还可以为进一步的爆炸效果评估提供数据支持^[24-25]。

成坑效应主要受以下几个因素影响:

1) 装药类型^[26]。炸药的密度和爆速直接决定了爆炸能量的大小。密度越大, 爆速越高, 形成的成坑越大, 破坏范围越广。同时, 装药半径或质量与爆腔半径呈正比关系, 较大的药包会形成的爆腔更大, 影响范围更广^[27-32]。

2) 介质密度^[33]。在密度较大的介质中, 应力波的传播速度更快, 衰减更慢, 因此爆炸产生的能量能够在更大的范围内有效传递。这种介质对爆炸效应的约束较弱, 使得爆炸能量能够更充分地作用于周围环境, 导致坑体的深度和直径增加, 进而增强爆炸的毁伤效应。因此, 较高密度的海底介质能够促进爆炸能量的扩散, 提高其破坏效果。

3) 起爆深度^[34]。爆炸深度对成坑效应有显著影响(如图4所示)。浅层爆炸的成坑效果有限, 而深层爆炸则能形成更深更大的坑洞。不同深度的爆炸研究可以揭示出成坑效应的变化规律, 为爆炸设计提供参考。

图  4  不同埋药深度下爆坑形态

Figure  4.  Explosive pit morphology with different buried depths

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爆腔是爆炸在介质中形成的空腔, 其大小和形状与爆炸能量、介质性质和环境条件密切相关。爆腔的特征主要包括以下几个方面^[35-39]:

1) 大小和形状。爆腔的大小和形状可以直接反映爆炸的威力和影响范围。通常情况下, 爆腔呈球形或椭球形, 其半径和体积与装药量和爆速呈正比关系, 淤泥爆炸条件下爆坑尺寸以及爆坑深度与直径关系的经验公式^[40]为

式中: $ Q $为装药量; $ W $为爆破最小抵抗线; 2n为爆坑直径与爆破最小抵抗线的比值, 即$ 2n=d/W $; P为爆坑深度, $ P/W $为其无量纲值。

2) 位置。爆腔位置指的是爆炸中心相对于地面的深度和方向, 其对于预测爆炸对地表和地下目标的影响非常重要。深层爆炸形成的爆腔位置较深, 对地表的影响较小, 而浅层爆炸则相反。

3) 扩展范围。爆腔的扩展范围包括爆腔半径和波及区域, 是评估爆炸破坏效果的重要指标。爆腔的扩展范围越大, 意味着爆炸能量的传播越远, 对目标的毁伤效果越好。爆心周围土壤会发生显著的压缩和位移, 这不仅会影响爆腔的最终形态, 还会对周围结构和设施产生影响。

2.3   液化效应

液化是指土壤在受到扰动时失去其固有的结构强度, 表现出类似液体的行为。爆炸效应会导致海底介质发生液化, 导致海底掩埋物失去支撑, 发生沉降、倾斜或断裂。由爆炸产生的冲击波使海底沉积物颗粒迅速重新排列, 导致孔隙水压力(指填充在土壤孔隙中的水所产生的压力)急剧升高。

孔隙水压力上升使得土壤的有效应力下降, 有效应力原理指出, 泥沙的强度和变形主要由有效应力控制, 而有效应力是总应力减去孔隙水压力后的结果, 这意味着孔隙水压力的变化会直接影响土壤的力学性质。当有效应力接近零时, 土壤失去强度和刚度, 发生液化。液化通常发生在饱和松散砂土中, 因为这种土壤颗粒之间的孔隙水压力容易升高。爆炸冲击波作用下, 饱和钙质砂土会产生远高于后期孔隙水压力累积的超孔隙水压力峰值。这种高压力峰值在一定比例距离内具有显著的累积效应^[41-42]。深海区域的高压环境可能会影响爆炸冲击波的传播和液化效应。较厚的松散沉积物更容易发生广泛液化, 因此研究不同沉积物厚度对液化程度的影响是必要的。如图5所示, 在相同水平比例距离下, 深度越深, 超孔隙水压力比越小, 即炸药下方土体距离炸药越远, 液化的可能性越小。

图  5  不同深度同一水平面饱和钙质砂超孔隙水压力比与比例距离的关系曲线

Figure  5.  Curves of saturated calcareous sand superporous water pressure ratio versus proportional distance at the same level and different depths

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在特定情况下, 液化效应可以被用来增加目标的破坏程度。例如, 通过设计合理的爆炸参数, 使液化沉积物对目标产生额外的破坏力, 加速其破坏过程。

3.   存在的基础科学问题与讨论

3.1   海底泥沙混合介质本构方程

对海底泥沙介质的侵彻与爆破, 其本质都是高瞬态、高应变率载荷加载条件下介质的动态力学响应问题。然而如上文所述, 海底沉积介质并非单一物质构成的均匀介质, 一般是泥、砂和水共同组成的混合物, 任一组份的改变对介质的力学性能影响都十分显著。因此, 构建海底泥沙介质的力学本构, 为介质在高动载作用下力学行为精细化分析建立科学基础, 是该领域研究的重要前提。

3.2   海底介质复杂环境中爆炸冲击波模型

建立高精度的数学模型, 模拟冲击波在不同海底介质中的传播过程。通过模拟不同密度、含水量和颗粒结构的沉积物对冲击波的吸收和衰减效应, 揭示冲击波在复杂海底环境中的传播行为和机制, 可以优化爆炸装药配置和引爆策略, 从而增强对海底目标的毁伤效果。

3.3   液化效应的控制与利用

研究爆炸引起的液化效应, 探索如何利用液化现象增加目标的破坏程度。液化效应在爆破过程中可以显著改变介质的力学性能, 甚至导致局部区域的完全流动化。通过控制和利用这种液化现象, 可以增强爆炸的破坏力, 提高毁伤效能, 同时也为工程应用提供了新的可能性。

3.4   仿真环境实验平台

需要提供海底环境的仿真实验平台, 以便进行系统的实验研究。实验平台应能模拟海底的复杂环境, 包括压力、温度以及泥沙混合比例等因素。通过在仿真实验平台上进行实验, 可以验证理论模型, 优化爆炸设计, 并为实际应用提供数据支持和技术指导。

4.   结论

海底侵彻和爆炸研究对于反海底掩埋目标战斗部的设计和应用至关重要。文中综述了国内外在这一领域的研究现状, 得出以下主要结论:

1) 动能侵彻体在海底复杂环境中展现的侵彻性能优越, 并且其设计简单且可靠, 适合应对水压和水阻力的挑战。不同弹体形状和侵彻条件对侵彻效果有显著影响, 合理的弹体设计和侵彻策略是确保侵彻成功的关键。

2) 为解决侵彻后效不足的问题, 引入二次爆破技术成为有效手段。爆炸冲击波的传播和能量转换机制复杂, 需根据介质特性和环境条件进行精细控制, 以实现最佳的毁伤效果。

3) 海底地形和沉积物性质的多样性对侵彻与爆炸效果产生了重要影响。未来的技术发展中, 需更加关注对环境因素的综合分析, 以确保技术应用的广泛适用性和稳定性。

由现有研究状况可知, 当前, 针对海底掩埋类目标的成熟技战术装备基本为空白, 对于在泥沙介质中的相关毁伤研究则已有了一定的研究基础, 但是对于深海处置类弹药的研究适配性相对不足, 例如水下泥沙介质爆炸的实际研究背景大多为民用工程爆破领域。而对于掩埋目标的毁伤响应情况的研究则相对严重缺位。具体而言, 未来的研究可以从以下几个方面展开: 一是加强海底泥沙介质侵彻和爆炸机理的基础研究, 建立更加准确和完善的理论模型; 二是利用现代试验技术和数值仿真方法, 深入探究弹体形状、侵彻角度以及介质性质等因素对侵彻以及爆炸性能的影响, 为技战术装备的设计和优化提供科学依据; 三是高性能材料和新型爆炸装药的研发将为侵彻和爆炸技术带来革命性变化。这些新材料和技术将显著提升侵彻体的侵彻能力和爆炸的能量转换效率, 进一步增强毁伤效果。

总之, 随着科技的不断进步和战争形态的不断变化, 掩埋毁伤技术的研究将面临更加广阔的空间和挑战。未来需要更加注重基础研究、技术创新和装备研发, 以满足现代战争对掩埋毁伤技术的需求。