水下爆炸

炸药、鱼雷、炸弹或核弹等在水中的爆炸。爆炸后在水中形成向四周扩展并不断减弱的冲击波(即激波)。爆炸产物形成的“气球”在水中膨胀然后回缩，进行振荡并不断上浮，同时向四周发出二次压力脉冲。当冲击波遇到物体时发生反射(见彩图)、折射和绕射，物体在冲击波和二次压力脉冲的作用下发生位移、变形或被破坏。冲击波到达水面和气球突出水面后，在水面激起表面波。水下爆炸的力学效应可用来破坏舰艇、水下建筑物或进行金属板壳的爆炸成型(见爆炸加工)。

水下爆炸造成的冲击波的传播和遇刚壁后的反射过程爆后24微妙

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1948年，美国人R.H.科尔编著了《水下爆炸》一书，阐明水下爆炸各种主要现象和规律，至今仍然是研究水下爆炸的一部重要著作。二次大战期间，J.G.科克伍德、H.A.贝特提出了水下爆炸波近似理论，G.I.泰勒提出了气球振荡理论。战后，晶体测压、高速摄影和电子计算机等技术的发展，促进了室内模拟实验、数值计算和数值模拟的研究。1962年，M.霍尔特等人用数值方法得到了水下爆炸冲击波传播和衰减的理论解；M.S.普莱塞特等人从理论上阐明了气球在上浮过程的收缩阶段中变为“腰子”状的失稳机制。70年代以来，研究重点转到爆炸引起的表面波的运动方面。

爆炸过程  水下爆炸过程大体可分为炸药爆轰、冲击波的形成和传播、气球的振荡和上浮等三个阶段：

①炸药爆轰 首先，爆源发生爆轰，并释放大量能量，形成高温高压的爆炸产物。核爆炸或电爆炸的情况略为特殊，爆炸产物的质量极小，爆炸能量以辐射加热方式使附近的水汽化而形成高温高压的水蒸气球。

②冲击波的形成和传播 高压气球的膨胀受到周围水的阻碍，于是，在水中形成向外传播的冲击波，同时在气球中则反向传播一族稀疏波(即膨胀波，在强调压力变化时常用此称)。稀疏波造成气体的过度膨胀，从而在稀疏波的尾部形成一个向爆心运动而强度渐增的第二冲击波，它在爆心反射并向外传播追赶前面的主冲击波。于是，主冲击波(第二冲击波随后)在水中向外扩展，所到处对水突然加压，使水加速运动。在传播过程中冲击波波幅不断减弱，波形不断展宽，最后衰变为声波。实验表明，化学炸药爆炸能量中大约有一半是以冲击波形式传递出去的。

离爆源不同距离处压力随时间变化的关系称为冲击波的压力波形，通常用晶体测压探头进行测量。图1给出TNT炸药的球形药包爆炸时主冲击波的典型压力波形。冲击波到达时，压力p骤跃至峰压，以后近似按指数规律衰减，即p＝pe，式中p为峰压，τ为时间常数。这时，冲击波冲量恰好等于pτ。

③气球的振荡和上浮 高压气球先是膨胀，膨胀速度远比冲击波速度慢，当气球压力降到等于水面上的大气压力时，因存在水的惯性运动，气球继续膨胀，压力继续下降，至某一时刻，气球停止膨胀。气球在水的反压作用下开始收缩，压力重新上升，气球向水中发出幅度不大而持续时间较长的压力波，称为二次压力脉冲，它对附近的薄壳结构也具有较大的破坏作用。以后，气球不断胀缩振荡，气-水系统的能量不断消耗于湍流摩擦。在振荡运动的同时，气球在水的浮力作用下，伴随发生上浮运动，最后逸出水面。图2给出气球半径、气球中心位置和顶部位置随无量纲时间变化的曲线，纵坐标为半径或位置(用离爆心的距离表示)。气球上浮时在第一次收缩期内形状发生很大改变，下半部向球心缩进形成“腰子”状(图3)，这可以用两种介质界面形态的失稳理论予以解释。在“腰子”状气团的上浮过程中，绕流气团下部凸出部分发生分离，形成对称的环流核，而在尾流区发展成一个涡环。气团和涡环结合在一起向水面上浮，最终突出水面。

图2

图3

冲击波传播规律  和大多数爆炸现象(包括空中爆炸、岩土爆破)一样，品种和装药密度相同的炸药包在水下爆炸时产生的冲击波效应遵循几何相似的规律，无论从实验或从量纲分析的方法都可证明这一点。据此，可以显著缩小实验的规模，在实验室内模拟冲击波的产生、衰变和对结构的作用，以代替大湖、大海中的现场实验。只要选定某一特征尺寸(如药包的直径或某一特定长度)，则在小型实验和现场实验之间就存在下述对应关系：只要保证药包的几何形状相似，在几何相似的相应位置上冲击波的峰压p相等，而时间常数τ和特征尺寸成正比。实测结果可整理为下列无量纲形式：

式中Q为药量(千克)；R为离爆心距离(米)；a、b为有量纲常数；α、β为无量纲常数。附表给出几种球形药包的具体常数值(适用范围是：距离等于药包半径的7～900倍)：

对于不同的炸药或不同的装药密度，上述经验公式的常数a、b、 α、β取不同的数值。1963年，Б.Д.赫里斯托福罗夫总结大量炸药的实验结果，发现可以得到适用范围更广的某种能量相似律。引入表征相对爆炸能量的无量纲量：

式中q为单位质量炸药的爆热；Q、R分别为药包的质量和半径；ρ、c分别为水的初始密度和声速。这样，可以把无量纲的冲击波峰压和冲量等实验数据表示为单一无量纲量的函数，其中无量纲常数m和n在A的不同变化范围内取不同的确定值。图4给出无量纲的峰压p和冲量I随R变化的曲线。

冲击波同物体的相互作用  冲击波传播到水面时，立即反射稀疏波，使水卸载，造成部分水从水面飞出。冲击波传播到海底，发生压缩冲击波的反射，其强度由海底岩土介质的力学性质决定。当冲击波打击舰艇等结构物时，发生复杂的反射、绕射现象。只有在冲击波强度较低(约1000千克力/厘米)时才能用声学理论解释这些反射、折射和绕射现象。

冲击波打击薄壳结构时，一方面薄壳受到冲击波的突加载荷产生加速运动，另一方面薄壳强烈抽吸附近的水，水经拉伸而形成空化区。空化区以外的薄壳在变形应力的作用下减速，而空化区以内的水在气球的余压作用下加速，导致空化区逐渐缩小，最后壳、水重新发生碰撞，产生薄壳的二次加载变形现象。冲击波和二次压力脉冲打到舰艇等结构，除了使舰艇变形、失稳外，还会由于冲击振动引起仪表、机器的失灵。这种破坏效应除了与结构接受的压力大小有关，在很大程度上取决于结构的尺寸和压力脉冲持续时间的大小。有两种极端的情况：①压力脉冲持续时间τ远小于结构的自振周期T和波绕射结构的时间T，则破坏取决于局部的冲量作用，而且在结构各部位上冲量的大小都差不多；②压力脉冲持续时间τ远大于T和T，压力脉冲就象普通静压作用一样，破坏取决于峰压。其余情况则介于上述两极端之间。若遇薄壁结构，还要考虑因空化而引起的两次加载，对结构的破坏比单纯的压力波作用而不发生空化的情况更为严重。

表面波  冲击波和水面发生相互作用以及气球逸出水面时都会产生表面波。大幅度的表面波可以摧毁水面船舰和港湾建筑，特别是进行水下核爆炸，水面形成幅度很大且形状陡峭的所谓“基浪”，破坏力极大。在不同水下深度进行爆炸，所形成表面波的强度是不同的(图5)。

从图中可以看到存在着两个极值波幅。如果炸药包的埋深等于炸药包半径的一半，就可以得到最大波幅的表面波，其相应埋深称为上临界深度；另一个波幅极值出现在埋深远大于药包尺寸的下临界深度，气球膨胀至第一个最大体积时，正好上浮到达水面，水得到的动能达极大值。

参考书目 R.H. Cole， Underwater Explosions， PrincetonUniv.Press，Princeton，New Jersey，1948.