浅水爆炸冲击波特性及其毁伤效应研究进展

浅水爆炸冲击波特性及其毁伤效应研究进展

浅水爆炸作为爆炸力学的重要研究方向，涉及空气、水和水底三层介质的复杂相互作用。本文综述了浅水爆炸冲击波特性及其毁伤效应的研究进展，探讨了自由水面和水底对冲击波的影响机制，并分析了浅水爆炸在国防和民用工程领域的应用价值。

1 浅水爆炸及其物理现象

1.1 水下爆炸分类

水下爆炸可以根据水深参数（Depth Parameter）进行分类，该参数定义为水深与爆炸当量半径的比值：

• 深水爆炸：D>14
• 中等水深爆炸：1
• 浅水爆炸：D<2

1.2 浅水爆炸物理现象

浅水爆炸过程中，冲击波在空气、水和水底三个介质之间传播，产生复杂的物理现象。冲击波在水底反射与水底介质有关，通常情况下反射压缩波。浅水爆炸过程中由爆炸产物形成的气泡到达自由水面时，气体冲入大气中，形成水射流。

2 浅水爆炸冲击波压力特性

2.1 自由水面对冲击波的影响

自由水面反射冲击波可分为三个区域：Ⅰ区有明显的水面切断现象，Ⅱ区稀疏波卷入入射波但不影响峰值压力，Ⅲ区稀疏波削弱峰值压力。Swisdak给出了近自由水面爆炸冲击波截断时间理论计算方法和不同区域典型冲击波截断图像。

2.2 水底对冲击波压力影响

水底对冲击波的影响较为复杂。由于水底介质的多样性，其声学阻抗约为水的声学阻抗的0.1～4.8倍，较宽的声学阻抗导致了水底反射波的多样性。此外，水底形貌、介质非均匀性和分层结构等增加了问题的复杂性。

2.3 自由水面和水底双重作用下冲击波传播特性

浅水中爆炸时，需考虑自由水面和水底的联合影响，冲击波在自由水面与水底两个界面处反射并多次相互作用引起复杂波系，该体系的非线性相互作用导致分析困难，即使第一次反射的研究也十分有限。

2.4 浅水爆炸冲击波特性数值模拟

目前采用的数值模拟方法包括位有限差分、标函数方法即LS(Level Set)、SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)和有限元等，此外结合某些具体问题进行了相应的算法研究和计算程序的开发。

3 浅水爆炸冲击波毁伤效应

炸药在水下爆炸后释放的能量包括冲击波能、气泡能和冲击波在传播时压缩周围的水介质而产生的热损失能，其中冲击波能约30%，热损失能约30%，气泡能约40%。由于装药、起爆方式等的差异，冲击波在近场并非均匀分布，其能量输出在特定方位会发生相应的变化。

3.1 浅水爆炸混凝土毁伤效应

军事上浅水区混凝土障碍目标拆除是登陆作战研究的重点和难点。国内外论证的浅水区破障途径包括聚能装药破障、连续杆/离散杆破障、接触爆炸破障、整体爆破冲击波破障，以及新概念破障等，其中采用整体爆炸战斗部通过冲击波对混凝土目标毁伤是当前主要方式。

3.2 浅水爆炸舰船目标毁伤效应

水射流是舰船毁伤、水幕反导以及医学上体外冲击波碎石(ESWL)的重要途径，其本质是非对称外力作用下气泡的坍塌，形成因素包括重力场中流体的静压力梯度、气泡壁面或自由面边界Bjerknes效应以及强冲击波作用。

4 结束语

浅水爆炸极其复杂且发展仍未完善，核心理论进展仍停留在20世纪60～70年代。由于浅水爆炸在国防领域以及民用工程技术领域具有重要应用价值，因此，今后浅水爆炸冲击波及其毁伤效应研究应重点关注以下几个方面：

• 浅水爆炸近场能量结构控制
• 浅水爆炸混凝土目标动态响应和毁伤效应
• 界面反射冲击波与气泡相互作用机制

本文原文来自《火炸药学报》2024年1期。