水下爆炸

概述

水下爆炸炸藥、魚雷、炸彈或核彈等在水中的爆炸。爆炸後在水中形成向四周擴展並不斷減弱的衝擊被(即激波)。爆炸產物形成的“氣球”在水中膨脹然後回縮，進行振盪並不斷上浮，同時向四周發出二次壓力脈衝。當衝擊波遇到物體時發生反射、折射和繞射，物體在衝擊波和二次壓力脈衝的作用下發生位移、變形或被破壞。衝擊波到達水面和氣球突出水面後，在水面激起表面波。水下爆炸的力學效應可用來破壞艦艇、水下建築物或進行金屬板殼的爆炸成型(見爆炸加工)。

1948年，美國人R.H.科爾編著了《水下爆炸》一書，闡明水下爆炸各種豐要現象和規律，至今仍然是研究水下爆炸的一部重要著作。二次大戰期間，J.G.科克伍德、H.A.貝特提出了水下爆炸波近似理論，G.I.泰勒提出了氣球振盪理論。戰後，晶體測壓、高速攝影和電子計算機等技術的發展，促進了室內模擬實驗、數值計算和數值模擬的研究。1962年，M.霍爾特等人用數值方法得到了水下爆炸衝擊波傳播和衰減的理論解，M.S.普萊塞特等人從理論上闡明了氣球在上浮過程的收縮階段中變為”腰子”狀的失穩機制。70年代以來，研究重點轉到爆炸引起的表面波的運動方面。

爆炸過程

水下爆炸過程大體可分為炸藥爆轟、衝擊波的形成和傳播、氣球的振盪和上浮等三個階段：

①炸藥爆轟

首先，爆源發生爆轟，並釋放大量能量，形成高溫高壓的爆炸產物。核爆炸或電爆炸的情況略為特殊，爆炸產物的質量極小，爆炸能量以輻射加熱方式使附近的水汽化而形成高溫高壓的水蒸氣球。

②衝擊波的形成和傳播

高壓氣球的膨脹受到周圍水的阻礙，於是，在水中形成向外傳播的衝擊波，同時在氣球中則反向傳播一族稀疏波(即膨脹波，在強側壓力變化時常用此稱)。稀疏波造成氣體的過度膨脹，從而在稀疏波的尾部形成一個向爆心運動而強度漸增的第二衝擊波，它在爆心反射並向外傳播追趕前而的主衝擊波。於是，主衝擊波(第二衝擊波隨後)在水中向外擴展，所到處對水突然加壓，使水加速運動。在傳播過程中衝擊波波幅不斷鹹弱，波形不斷展寬，最後衰變為聲波。實驗表明，化學炸藥爆炸能量中大約有一半是以衝擊波形式傳遞出去的。

離爆源不同距離處壓力隨時間變化的關係稱為衝擊波的壓力波形，通常用晶體測壓探頭進行測量。圖1給出TNT炸藥的球形藥包爆炸時主衝擊波的典型壓力波形。衝擊波到達時，壓力p驟躍至峰壓，以後近做按指數規律衰減，即，式中p_m為峰壓，

為時間常數。這時，衝擊波衝量I

恰好等於

。

③氣球的振盪和上浮

高壓氣球先是膨脹，膨脹速度遠比衝擊波速度慢，當氣球壓力降到等於水面上的大氣壓力時，因存在水的慣性運動，氣球繼續膨脹，壓力繼續下降，至某一時刻，氣球停止膨脹。氣球在水的反壓作用下開始收縮，壓力重新上升，氣球向水中發出幅度不大而持續時間較長的壓力波，稱為二次壓力脈衝，它對附近的薄殼結構也具有較大的破壞作用。以後，氣球不斷脹縮振盪，氣-水系統的能量不斷消耗於湍流摩擦。在振盪運動的同時，氣球在水的浮力作用下，伴隨發生上浮運動，最後逸出水面。圖2給出氣球半徑、氣球中心位置和頂部位置隨無量綱時間變化的曲線，縱坐標為半徑或位置(用離爆心的距離表示)。氣球上浮時在第一次收縮期內形狀發生很大改變，下半部向球心縮進形成“腰子”狀(圖3)，這可以用兩種介質界面形態的失穩理論予以解釋。在“腰子”狀氣團的上浮過程中，繞流氣團下部凸出部分發生分離，形成對稱的環流核，而在尾流區發展成一個渦環。氣團和渦環結合在一起向水面上浮，最終突出水面。