第1章绪论
1.1研究背景及意义
自反舰导弹问世以来，其隐蔽性、命中精度和战斗部装药当量一直在不断提高。其中，专门针对大型水面舰艇的半穿甲爆破型反舰导弹能够掠海飞行，避开雷达的探测，开展攻击。击中舰艇后，反舰导弹能够穿透外板进入舱室内爆炸，产生爆炸冲击波、准静态压力、高速破片群和后续火灾等，导致舱室破损进水、舰船设备损毁、人员伤亡，甚至舰艇整体倾覆沉没，丧失战斗力[1]。
舰船结构以薄壁板架为主，防御反舰导弹舱内爆炸的难度较大，例如1982年“谢菲尔德”号导弹驱逐舰被“飞鱼”反舰导弹击中并昀终沉没[2](图1.1)。由此带来的军事和经济损失难以估计，引起世界各国对舰船抗反舰导弹能力的高度重视[3]。
图1.1“谢菲尔德”号导弹驱逐舰爆炸燃烧和倾覆沉没
1987年，“斯塔克”号护卫舰被2枚“飞鱼”反舰导弹先后击中左舷第2甲板处[4，5](图1.2)。第一枚导弹未爆炸，被分成两截，包含战斗部的前半截穿透7层舱壁后到达右舷，后半截的剩余推进燃料泼洒在舰员住舱，造成火灾。第二枚导弹命中稍靠前的部位，造成长约7m、宽4m的破口，并使内部水密舱壁破损浸水，舰船倾斜11.5°。
2000年，“柯尔”号驱逐舰在亚丁湾海域遭到快艇攻击。其水线处受到180～320kg炸药近距离非接触爆炸作用，舷侧结构产生12～18m的破口[6]。2006年，黎巴嫩真主党武装部队发射2枚伊朗仿制的C-701反舰导弹，其中1枚击中距离黎巴嫩海岸16km处水域执行任务的以色列“萨尔-5”型轻型导弹护卫舰，另1枚导弹丢失目标后，击中位于黎巴嫩海岸60km处的一艘埃及商船。相关媒体报道，“被击中的以军护卫舰船尾被装有50kg炸药的导弹直接命中，不但引起大火，而且破坏了战舰内部操作系统，使其严重受损”。
图1.2“斯塔克”号护卫舰被反舰导弹击中
2008年，俄罗斯使用“圆点”单级固体战术短程弹道导弹空袭炸毁格鲁吉亚海岸警卫队的军舰和港内设施(图1.3)。
图1.3格鲁吉亚海岸警卫队的军舰和港内设施被炸毁
据文献资料和战例统计[7]，20世纪80年代以来，共有不少于25艘舰船在实战或打靶实验中被反舰导弹损毁或击沉。根据统计，约有70%的导弹命中船舯或上层建筑，被反舰导弹命中的舰船均严重毁伤或者沉没。反舰导弹毁伤舰船的主要原因如下。
(1)在爆炸冲击波与准静态压力等作用下，舷侧出现大破口，舱内大量进水，昀终导致舰船沉没。
(2)爆炸破片毁伤舰船重要设备，导致舰船战斗力丧失。
(3)后续火灾造成舱内火势蔓延，导致舰船战斗力丧失，甚至由于温度升高，降低钢材承载能力，进而影响整体强度。
反舰导弹主要以半穿甲型为主。其进入大型水面舰艇(航空母舰、大型驱护舰等)舱室内部爆炸毁伤的物理过程及相关防护机理十分复杂，涉及炸药爆轰、燃烧，材料动态复杂应力状态下的失效，舱室结构在耦合载荷下的动塑性响应，水的碎裂、相变等多学科交叉问题，具有重要的基础科研价值。
为提高大型水面舰艇抗反舰导弹穿舱内爆炸毁伤的能力，各海军强国开展了大量研究工作。由于大型水面舰艇防护设计是高度机密，公开发表的文献、标准等资料极为匮乏。这给我国开展大型水面舰艇防反舰导弹舱内爆炸设计和评估带了巨大的困难。
1.2舱内爆炸下舰船毁伤与防护机理研究现状
1.2.1战斗部舱内爆炸载荷研究
战斗部在舰船舱内发生爆炸时，会形成初始冲击波、反射冲击波、准静态压力、爆炸破片群、火灾等载荷。战斗部在舱内爆炸时，壳体膨胀、碎裂并昀终形成舱内爆炸破片载荷。初始冲击波、反射冲击波和准静态压力在本书中统称为舱内爆炸压力载荷。
1.舱内爆炸破片载荷
舱内爆炸破片群载荷是反舰导弹战斗部舱内爆炸毁伤舰艇结构的一种十分重要的载荷。Mott[8]提出破片质量分布公式并应用至今。后续的均质环/壳体的理论分析对不同材料或含初始缺陷的战斗部碎裂特性有一些有价值的研究。Mercier等[9]拟合金属材料的PTW(Preston-Tonks-Wallace)模型、ZA(Zerilli-Armstrong)模型和Power模型参数，通过实验观察了半球形金属壳的膨胀过程(速度约为300m/s)，并分析了多颈缩现象，提出一种分析模型，预测了不稳定发生时间及颈缩形成时间，分析结果与实验吻合较好。半球形壳体的碎裂现象如图1.4所示。
Rodriguez-Martínez等[10]采用数值仿真方法分析了多颈缩过程中初始缺陷影响的临界波长，并指出应力状态和惯性效应是主要影响因素。Zhang等[11，12]通过电磁加载一维膨胀环的方式开展颈缩与碎裂的研究，讨论应变强化和应变率敏感性的影响，以及不同材料特性的影响。一维膨胀环中的多重颈缩如图1.5所示。
Grady[13]对动态碎裂进行了系统回顾。其中破片的主要模式如图1.6所示。汤铁钢等[14]采用分幅照相技术获得了爆轰驱动下金属壳的碎裂过程，并使用水介质回收破片。其研究表明，随着壳体厚度的增加，外壁出现裂纹的时间逐渐提前；壁厚较薄时，压应力维持时间长，同时抑制拉伸破坏，主要机理为内部剪切失稳扩展到外壁；壁厚较大时，外部拉应力破坏和内部剪切应力破坏在壳体中相遇，形成混合型破坏模式。
图1.4半球形壳体的碎裂现象[9]
图1.5一维膨胀环中的多重颈缩[12]
图1.6破片的主要模式
Grady等[15]利用电磁加载方法研究低速膨胀碎裂规律。胡八一等[16]开展柱壳结构在内爆作用下的破片质量分布。李伟等[17]研究破片的质量分布规律，并对破片等级进行划分。孔祥韶[18]研究圆柱形战斗部的破片飞散特性，得出速度梯度较大的地方易产生较小破片的结论，并讨论了起爆方式对破片分布的影响。郑宇轩[19]采用ABAQUS对低速膨胀环进行仿真计算。Manjit等[20]研究壳体膨胀断裂的应变率效应，并解释了塑性峰现象。
高重阳等[21]确认了薄壁圆柱壳结构的内爆破坏模式主要为韧性破坏，绝热剪切较少出现。Rusineka等[22]采用数值方法对低速一维膨胀环碎裂进行探讨，分析速度膨胀环的数量与应变率的关系。Goto等[23]通过不同材料壳体的爆炸实验，回收爆炸破片，给出测量断裂应变的方法。回收的典型破片如图1.7所示。
图1.7回收的典型破片[23]
2.舱内爆炸压力载荷
舱内爆炸与空中自由场爆炸有明显不同，由于舱室结构的反射和密闭作用，冲击波在舱内多次反射叠加，并且存在持续作用时间较长的准静态气体压力。Geretto等[24]将空中爆炸按照边界条件和约束程度划分为自由场爆炸、空中爆炸、近壁面爆炸、完全泄出爆炸、部分泄出爆炸和完全约束爆炸。其中前3类属于非约束爆炸，后3类属于约束爆炸。舱内爆炸属于典型的约束爆炸。空中爆炸分类如图1.8所示。
舱内爆炸第一类压力载荷是反射冲击波。在空中爆炸研究的基础上，人们开始关注炸药在密闭环境内的冲击波载荷特性。Eamon[25]通过实验发现，舱室内爆压力曲线先急剧上升到一个峰值再迅速降低，然后随着时间推移收敛到零。Baker[26]认为炸药在一个结构内爆炸分为两个明显的阶段。第一阶段由初始的入射超压和持续时间短的反射波组成。反射波可能由几个不规则反射的脉冲叠加而成。由于波的不规则反射，无论空间是否密闭，结构内的反射过程都是复杂的。随着冲击波在内壁来回反射，结构内爆下的压力分布会变得十分复杂。侯海量等[27]的研究表明，舱内爆炸约束空间下与敞开环境下的爆炸有明显区别，由于舱壁多次反射的作用，角隅处的冲击波存在明显的汇聚作用。陈攀等[28]采用数值仿真方法对舱内爆炸载荷进行分析，研究表明爆点位置仅对距离爆点较近的区域冲量有明显影响。
约束爆炸与非约束爆炸的压力载荷有明显的不同。舱内爆炸压力载荷除了多次反射的冲击波以外，第二类载荷是峰值较低，但持续时间较长的准静态压力载荷，如图1.9所示。Feldgun等[29]采用能量法则、JWL(Jones-Wilkins-Lee)方程法、热动力学方程等对准静态气体压力进行了分析。由此，英国劳氏船级社将准静态压力作为舰船设计的唯一载荷[30]，其内在逻辑需要解读，适用性也需要实验验证。
图1.8空中爆炸分类
图1.9典型舱内爆炸载荷特征
劳氏军船规范[30]规定的舱内爆炸准静态气压可用下式表示，即
(1.1)
式中，Pqs为准静态压力，kN/m2；W为武器等效三硝基甲苯(tri nitro toluene，TNT)
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