舰船设备抗冲击技术

第1章 绪论 1.1 水中爆炸冲击效应 爆炸是炸药内部高速化学反应使大量能量在有限空间或极短时间内快速释放或急剧转化的现象。它通常会在爆炸瞬间产生温度高达几千摄氏度、压力高达数十万个大气压的气体，并与周围介质作用，以冲击波等形式向外传递能量。当炸药在水中起爆时，爆炸产生的爆轰波和气体压力直接作用在静水中，使其压力在非常短的时间内(微秒级)上升，以超音速球面波的形态传播。压力迅速从超音速降到音速，以弹性波的形式向远离爆心的方向传播，形成冲击波作用。爆炸产生的气体被水围成气泡，其内部高压驱使外部水以小于声速的速度向外扩散运动，形成滞后流。由于惯性作用，气泡不断膨胀，内部压力也不断减少，直到外部水静压力与气泡内部压力之间的压差使气泡停止膨胀运动，同时驱使气泡收缩。在收缩过程中，气泡内部压力再次增大。该膨胀收缩过程在气泡破裂前反复进行，并向水中辐射压力波，形成水中爆炸特有的气泡脉动作用。水中爆炸气泡脉动过程示意图如图1-1-1所示。研究与试验表明，水中爆炸产生的冲击波能量约占总能量的53%，气泡脉动能量约占总能量的47%。冲击波持续时间一般为毫秒级， 图1-1-1 水中爆炸气泡脉动过程示意图 压力高达几万个大气压[1]。气泡脉动持续时间一般为秒级，压力幅值约为冲击波压力的20%。 实际爆炸环境不可能是无限水域，冲击波会在水面、水底、舰船、堤坝等结构物湿表面发生反射、折射等现象。水中爆炸载荷效应如图1-1-2所示。当冲击波传播到水面时，由于空气的密度约为海水密度的1/1000，空气粒子无法激起足够的动能传递来自海水的入射压力，因此入射压力波会产生水面反射形成稀疏波，水面上会产生水柱，水面下会因稀疏波的作用形成气穴。由于自身的浮力作用，气泡膨胀收缩的同时会不断向水面迁移直至破裂，在水面上产生气泡水柱。当冲击波作用到结构物湿表面时，结构物的迅速运动会使水中局部压力降为水的汽化压力，在结构物湿表面附近出现局部气穴，并对结构物产生砰击加载作用。气泡的膨胀收缩会推动水向外快速运动，形成滞后流。当气泡接近结构湿表面时，在收缩阶段会被结构物湿表面强烈吸引，在气泡内部远离结构物湿表面的一侧形成射流，高速穿过气泡并撞击结构物湿表面，产生射流作用。另外，冲击波和气泡脉动压力作用到结构物湿表面时，结构产生动态响应。这种响应又会改变水中压力作用的分布状况，形成复杂的流固耦合作用。 图1-1-2 水中爆炸载荷效应 由于水的密实性，水中爆炸过程不但比空中爆炸更为复杂，而且相同爆炸当量的水下爆炸产生的初始冲击波峰值是空中爆炸的数倍，传播速度更快，传播距离更远，因此对结构物的冲击毁伤也更严重。在短时、强大的冲击波作用下，水中结构物主要产生屈服变形、屈曲、破孔，甚至断裂等破坏现象。气泡脉动压力幅值较小、持续时间较长。其脉动压力和滞后流会对结构物产生总体损伤，气泡脉动频率往往接近水中结构物的低频固有频率，引起结构物强烈的鞭状运动而损伤结构总强度。此外，气泡也可能在结构物湿表面形成高速射流而严重损伤局部结构。因此，水中结构物受到水中爆炸冲击时，会同时受到冲击波、气泡脉动、射流、砰击载荷等多种不同频率和强度的载荷作用，使总体及局部结构强度严重损伤。 1.2 舰船抗水中爆炸冲击技术 鱼雷、水雷等水中武器隐蔽性强、爆炸威力大，主动防御难，战时会对水面舰船和潜艇构成重大威胁。由于水的不可压缩性，水下爆炸产生的冲击，沿着爆源-水-舰船湿表面-舰船结构-设备和人员的路径迅速传递，几乎无衰减地作用在整个舰船上，引起舰船结构变形、破损，甚至整体断裂；系统和设备变形、碰撞或挤压而功能破坏；人员骨骼、内脏损伤，进而造成舰船生存能力和作战能力下降。舰船水下爆炸冲击损伤典型案例如图1-2-1所示。因此，发达国家海军普遍将冲击防护能力视为舰船的核心性能指标之一[2]，根据船体结构、设备和人员对爆源在不同爆炸位置时的冲击损伤情况，发达国家海军总结形成各种主战舰船的冲击损伤范围(图1-2-2)。 图1-2-1 舰船水下爆炸冲击损伤典型案例 根据水中武器装药爆炸中心与舰船的距离，水下爆炸可分为接触爆炸、近场非接触爆炸和远场非接触爆炸三种类型。水中爆炸分类及代表性攻击武器如图1-2-3所示。不同爆炸类型涉及爆轰产物、冲击波、气泡等载荷不同程度的联合作用，爆炸载荷对船体结构的作用形式也明显不同。接触爆炸可视为武器与舰船直接接触爆炸的情况，代表性兵器有触发式鱼雷、锚雷和漂雷。此时，舰船主要受到爆轰产物和冲击波的联合作用(爆破型)、射流和自锻破片的联合作用(聚能型)，载荷的作用范围小、强度高，主要引起船体局部结构和舱段变形、破裂，以及爆炸位置附近系统、设备和人员的毁伤。近场非接触爆炸是装药爆炸中心与舰船的距离小于10倍装药半径(或气泡膨胀*大半径)的情况，代表性武器为非触发式鱼雷和锚雷。舰船主要受爆轰产物、冲击波、气泡脉动二次压力波、射流的部分或联合作用。载荷作用距离近、强度高，主要引起舰船结构局部变形破损或整体振荡断裂，以及部分系统、设备和人员的损伤。远场非接触爆炸是装药爆炸中心与舰船的距离大于10倍装药半径(或气泡膨胀*大半径)的情况，代表性武器为沉底水雷。此时，舰船主要受到冲击波和气泡脉动二次压力波的联合作用，载荷作用范围广、强度低，不但会对舰船造成局部破坏，而且会引起全船整体结构、系统、设备和人员广泛而显著的损伤。 图1-2-2 舰船的冲击损伤范围 图1-2-3 水中爆炸分类及代表性攻击武器 舰船抗水中爆炸冲击技术是研究水面舰船和潜艇在受到鱼雷、水雷、深水炸弹等各种水中武器爆炸攻击作用下的冲击损伤与防护技术，主要由冲击防护装置研制技术、舰船抗冲击优化设计技术、舰船抗冲击性能评估技术和舰船冲击试验技术等内容组成。作为一项军事专用技术，涵盖舰船总体、船体结构、系统、设备和人员等所有组成要素，贯穿于舰船装备总体论证、方案设计、技术设计、施工设计、建造、试验和作战使用全寿命周期，涉及军方、总体设计单位、设备厂所、船厂和部队等，包含抗冲击指标要求论证、抗冲击优化设计、抗冲击性能评估、冲击试验考核等工作，需要爆炸力学、冲击动力学、材料学、计算机仿真等多学科专业的支撑，是一项基础研究、技术科研和工程应用紧密结合的综合性技术。舰船抗水中爆炸冲击技术在装备型号研制中应用如图1-2-4所示。 图1-2-4 舰船抗水中爆炸冲击技术在装备型号研制中应用 水中爆炸冲击对不同级别舰船的毁伤效果有显著差别，需要综合考虑舰船的作战性能，有重点地开展舰船抗水中爆炸冲击工作。实际上，由于重量和空间等客观条件限制，无论水面舰船还是潜艇均无法无限提高其抗冲击能力。舰船抗近场爆炸和接触爆炸冲击能力主要通过对舰船局部范围结构和系统设备加强的方式提高，这就对舰船总布置空间提出更高要求。中小型水面舰船的自身条件决定了其很难承受水中接触爆炸和近距离非接触爆炸攻击。一枚重型鱼雷击中或接近目标爆炸时，往往可能造成舰船的严重损坏或沉没，因此中小型水面舰船的水中爆炸研究以抗远场爆炸冲击技术为主。对于大中型水面舰船(尤其是航母、大型驱逐舰)和潜艇(尤其是核潜艇等)，虽然排水量较大，自身具备一定的抗冲击能力，但如果机舱、弹药库或龙骨下方薄弱部位遭受接触或近场非接触爆炸攻击，也可能进水沉没。因此，大中型水面舰船在满足远场爆炸抗冲击要求条件下，可进一步提高抗近场爆炸和接触爆炸冲击能力。综上所述，开展舰船抗远场爆炸冲击技术研究是开展各类舰船抗冲击工作的基础。舰船抗远场爆炸冲击能力已成为世界各国海军进行舰船冲击防护设计和性能考核评估的主要标准和依据。 1.3 舰船设备抗冲击技术 本书所述的舰船设备指舰船上安装的设备、装置、系统(统称为设备)。舰船设备种类繁多、数量庞大(例如，航母上有高达1700万个设备，驱逐舰上有100万个以上设备)，包括推进动力、轴系、管路等机械设备，发电机、配电柜等电气设备，导弹、舰炮、鱼雷、水雷等武器装备，以及导航、指控、通信、雷达、声呐等电子信息设备。典型的舰船设备如图1-3-1所示。这些系统、设备尺寸重量差别很大(例如，重型燃气轮机重达30t以上，小型电子设备仅有1kg左右)，安装部位不同(从底舱至桅杆)，安装位置不同(设备基座、舱壁和舷外湿表面)，安装方式不同(弹性安装或刚性安装)，相互关联构成系统，实现舰船航行、作战、生命力保障及应急救生等各项功能。 按照对舰船安全和连续作战能力的重要性，设备可分为A级、B级和C级。A级设备是对舰船安全和连续作战能力必需的设备。例如，舰船遭受冲击作用时和冲击作用后，继续保持下列能力所需要的设备。