0.   引言

2023年6月6日，卡霍夫卡大坝遇袭溃决，引发了国内外对水工结构安全的广泛关注。结合北溪管道爆炸、克里米亚大桥多次被炸等事件，可以得出：在注重精确打击的现代战争中，油气管道、交通要道、水库大坝等重要民用基础设施仍是军事打击优先选取的目标，有必要加强基础设施的防护研究。

由于水的不可压缩性，水下爆炸威力远大于空爆，并且水下攻击隐蔽性强，难以有效地进行防御，无论是北溪管道爆炸还是卡霍夫卡水电站遇袭溃决，至今仍无直接的证据表明攻击来源，这使得传统的威慑手段失去效力。

水下爆炸包含复杂的物理过程，爆炸产生的冲击波具有较高的峰值压力和频率，以超声速自爆源向外传播。自由液面反射的稀疏波与压缩波相叠加，可使流体产生局部空化效应。而爆炸产生的高压气体在内部压力作用下进行周期性的膨胀、收缩运动。

Snay等^[1]通过理论推导发现：在超重力场下可以实现水下爆炸冲击波和气泡脉动的同时相似。Price等^[2]首次在离心机内开展水下爆炸试验，验证了离心机模拟水下爆炸的适用性。虽然此后公开的文献资料很少，但国外采用离心机模拟水下爆炸的研究一直在开展^[3]。2010年，Vanadit-Ellis和Davis^[4]在100g研究了水下爆炸作用下混凝土重力坝的破坏模式。De等^[5]在离心机模拟了水下爆炸冲击波对海底隧道的毁伤。

自2011年，国内也开始采用离心机研究爆炸冲击效应^[6-9]。经过十余年的持续探索，离心模拟水下爆炸试验技术日趋成熟^[10]，然后国内大部分的离心机设备仍缺乏开展相关研究的经验，对离心机设备及模型箱的抗爆能力没有充足的认识。本文结合中国水科院的离心机设备，研发了水下爆炸试验装置，通过试验，测试了模型箱、离心机主轴、吊耳部位的冲击响应，总结了离心模拟水下爆炸的关键技术，为相关研究提供参考。

1.   试验系统布置

本文依托中国水科院450g·t离心机开发了离心模拟水下爆炸试验设备，其关键技术指标见表 1。图 1给出了设备的示意图，为了减小设备所受的离心力，数采设备和信号调理器布置于离心机主轴，通过滑环与控制室连接，用于数据采集及同步触发控制。为了分析离心机在爆炸冲击下的稳定性，本文在离心机吊耳（测点A）和转轴部位（测点B）布置加速度计，测试爆炸冲击过程中水平方向的振动响应。

表  1  技术指标

Table  1.  Technical indices

指标	参数
最大试验加速度/g	50
最大数据采样率/MHz	1
最大数据采样率采集时间/ms	500
数据采集通道	32
试验模型尺寸/(m×m×m)	1.2×0.72×0.8
最大模型质量/kg	1500

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  1  离心模拟水下爆炸试验设备组成

Figure  1.  Equipment composition of modeling underwater explosion test in centrifuge

下载: 全尺寸图片 幻灯片

两次试验中，保持炸药当量及位置不变，一组直接在模型箱中进行试验（test 1），另一组在模型箱底布置10 cm厚橡胶垫进行减震（test 2），对比爆炸冲击对离心机及模型箱振动的影响。模型布置图如图 2，试验工况见表 2。

图  2  水下爆炸离心试验模型

Figure  2.  Model of underwater explosion test in centrifuge

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  2  试验工况

Table  2.  Technical index

编号	当量/g	重力加速度/g	入水深度/cm	备注
test 1	1.1	50	30	无橡胶垫减震
test 2	1.1	50	30	橡胶垫减震

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.   离心机及附属设备抗冲击性能

2.1   离心机设备的抗冲击性能

根据test 1测试结果，1.1 g TNT水中爆炸即可对离心机吊耳及离心机主轴产生明显的冲击（图 3），其中吊耳部位冲击加速度可达300g，而主轴处的水平加速度也可达到10g左右。然而，对于振动速度，主轴处的振速与正常运转情况下的量值几乎一致，可以忽略爆炸冲击对离心机主轴及整体稳定的影响。吊耳部位的峰值振速为10 cm/s，远大于离心机正常运转下的振速，且高于结构的安全允许振速，需采取必要的隔振措施。

图  3  水下爆炸对离心机的冲击作用

Figure  3.  Impact of underwater explosion on centrifuge

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为了减小爆炸对离心机吊篮的冲击，在模型箱底部铺设高弹橡胶垫，吸收水下爆炸的冲击波。布置橡胶垫后，吊耳部位的加速度将降至200g以下，对应振动速度减小至5 cm/s以下（图 4），持续时间小于5 ms，可满足一般结构的振速安全标准。

图  4  高弹橡胶的吸能效果

Figure  4.  The shock absorption effect of high resilient rubber

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   模型箱的抗冲击性能

为了检验模型箱的抗爆性能，试验过程中，测试了箱体的应变响应（图 5）。简单起见，将模型箱长度方向的板体记为L板，宽度方向的板体记为S板。对于test 1与test 2，模型箱底部的橡胶垫对板体变形几乎没有影响，两组试验结果基本一致，说明试验和测试方法的可重复性。在爆炸冲击作用下，由于L板跨度大且距离爆源较近，板体跨中水平向应变较大，但总体上仍处于弹性变形阶段。由于长板的中部通常需要布置玻璃观察窗，有必要对长板进行加固设计。模型箱设计中，可在长板跨中增加支撑，减小整体弯曲变形。对于S板，其为三边支撑的结构，板体底部支座部位存在较大的竖向弯曲变形，可能引起支座错动。在模型箱设计时，可以对支座进行加固，可采用螺栓和卡槽增加支座的抗剪、抗弯刚度，减小支座的变形。

图  5  水下爆炸对模型箱的冲击作用

Figure  5.  Impact of underwater explosion on container

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   超重力场爆源关键技术

3.1   精细化的微型炸药

由于离心模型箱的空间有限，试验宜采用精细化的小当量炸药。为了减小雷管、导爆索对炸药爆炸冲击波的影响，中国水科院与陆军工程大学共同研制了雷管、炸药分离的爆炸结构，通过微型雷管引爆细径导爆索，再通过导爆索从中心引爆炸药。每个炸药均单独称重并标注实际质量（精确到0.001 g），提高试验的精度，炸药质量偏差小于±5%，确保试验的可重复性。炸药密度1.65 g/cm³，爆热5200 J/g，爆速8160 m/s，微型电雷管药量（RDX当量）50 mg/发，导爆索药量（TNT当量）48 mg/m（图 6）。

图  6  炸药、雷管及导爆索

Figure  6.  Explosives, detonators and detonating cords

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   超重力场起爆稳定性

在离心模型试验中，增加离心加速度可以减小水下爆炸气泡的半径，从而减小模型的边界效应。然而，超重力场的提高大大增加了导爆索的起爆难度。图 7为50g和60g下的炸药的起爆过程，50g条件下，通电瞬间，雷管成功引爆了导爆索并引爆了炸药，炸药爆炸产生了球形气泡。而当加速度增加到60g，由于周围水压力的增加，雷管正常起爆后无法正常起爆导爆索，仅雷管爆炸产生了一个小气泡。炸药的稳定起爆是超重力场水下爆炸试验的关键。

图  7  不同离心加速度下起爆过程

Figure  7.  Detonation process under different centrifugal accelerations

下载: 全尺寸图片 幻灯片

针对这一问题，对炸药结果进行了改进（图 8），将雷管与导爆索连接部位进行密封，从而隔绝水压力作用，使雷管可以有效引爆导爆索并传爆。为了验证改进结构的有效性，采用加压试验进行了测试，炸药在494.96 kPa的水压力下仍可正常起爆。在30 cm的水深条件下，可以在100g条件下开展试验。

图  8  雷管与导爆索细部构造

Figure  8.  Detail of connection of detonator and detonating cord

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   结论

本文依托中国水科院450g-ton离心机开发了离心模拟水下爆炸试验设备，对设备的主要性能及技术指标进行了介绍，分析了离心模拟水下爆炸的关键技术问题，得出以下3点结论。

（1）水下爆炸对离心机主轴的冲击相对较小，吊耳部位受到的冲击较大，最大振动速度可达10 cm/s，通过在模型箱底部布置高弹橡胶垫可以有效减轻吊篮所受的爆炸冲击作用，振速减小50%以上。

（2）在1.1g炸药爆炸作用下，模型箱总体变形处于弹性范围，箱体长边跨度大且距离爆源较近，板体跨中水平向应变最大，宜在跨中增加支撑以减小板体变形；对于模型箱短边，底部支座部位存在较大的竖向弯曲变形，应采用螺栓和卡槽增加支座的抗剪、抗弯刚度。

（3）由于离心模型试验空间有限，宜采用精细化的小当量炸药进行试验。重力加速度的提高可能导致炸药无法正常起爆，可通过对雷管、导爆索连接部位进行密封，增加炸药的起爆稳定性。