一種爆破型魚雷戰斗部對艦船毀傷效能評估方法

邵建軍

(中國人民解放軍 91439部隊,遼寧 大連,116041)

一種爆破型魚雷戰斗部對艦船毀傷效能評估方法

邵建軍

(中國人民解放軍 91439部隊,遼寧 大連,116041)

魚雷戰斗部毀傷效果評估直接關系到對戰場態勢的判斷。基于此,文中提出一種爆破型魚雷戰斗部毀傷效能評估方法,建立了相應的數學模型,介紹了毀傷指標量化方法及評估步驟。該方法基于層次分析理論及專家調查數據給出爆破型魚雷戰斗部對典型水面艦艇毀傷效能指標體系的底層指標相對權重,以計算得到毀傷綜合評估值。基于灰色評估理論,開展爆破型魚雷戰斗部對特定目標水面艦艇毀傷等級的計算及判定方法研究,并參照灰色等級賦值,可評估艦船的毀傷等級。文中方法可實現實戰條件下爆破型魚雷戰斗部毀傷效能快速評估。

爆破型魚雷戰斗部; 毀傷效能; 評估

0 引言

作為水中兵器作戰效能的重要部分,針對爆破型魚雷戰斗部對海上艦船目標的毀傷評估直接關系到戰場態勢的判斷,成為研究的熱點問題[1-2]。影響爆破型魚雷戰斗部毀傷效能的主要因素包括魚雷戰斗部爆炸威力、雷目交會條件及目標特性3大類[3]。國內相關研究機構先后開展了炸藥水中爆炸傳播特性研究[4-6]、艦船及模型毀傷試驗研究[7-11],取得了部分成果。在水中爆炸威力評估方面,由于水中爆炸毀傷效能為爆炸時產生的沖擊波能及氣泡能耦合作用的結果,綜合國內外水中爆炸威力評估研究現狀,僅能夠實現理想炸藥在自由場條件下的爆炸威力評估,非理想炸藥的爆炸威力評估仍存在諸多未解決的問題。在目標特性評估方面,艦船目標的毀傷機理相當復雜,包括材料、結構等多學科問題[12-13],目前還沒有可行的在一定能量輸入條件下對特定目標毀傷等級判斷的數學解析方法。因此,開展爆破型魚雷戰斗部對艦船毀傷效能的評估方法研究,探索一種適用于水中兵器設計、試驗鑒定部門科學考核及戰場指揮員進行戰場態勢判斷的毀傷能力簡便快捷計算方法,意義顯著。

毀傷效能評估主要分2步: 1) 構建評估效能的指標體系; 2) 根據指標體系選擇適當的評估方法、建立正確的評估模型并求出綜合評估值。

文獻[14]和[15]在采用專家評估分析法確定武器系統作戰效能評估指標權重后,運用灰色評估理論構建了評估模型,并通過實例驗證了該模型的可行性。由此可得,利用文獻[3]已建立的爆破型魚雷戰斗部爆炸威力指標體系,采用灰色層次分析法也應能夠實現艦船的毀傷效能評估,但將文獻[14]和[15]的方法應用于爆破型魚雷戰斗部對典型水面艦艇的毀傷評估還存在部分未解決的實際問題。一方面,采用灰色層次分析法的主要實現手段是通過專家對底層指標重要性打分實現,由于專家對事前信息的掌握還不完備,必然導致專家對指標的打分無法充分反映毀傷效能的真實程度,則受戰場態勢影響程度較小的戰斗部爆炸威力因素應通過計算確定,而影響因素較多的雷目交會條件及目標特性指標可以采用灰色層次分析理論進行評估。另一方面,文獻[14]和[15]中所列各分項指標的關系均為相互獨立型關系,而爆破型魚雷戰斗部對艦船的毀傷分項指標不是相互獨立型關系。因此,文中重點研究的是已建立的爆破型魚雷戰斗部毀傷效能指標體系中各分項指標的相互關系,繼而建立三位一體的毀傷效能評估模型即基于戰斗部威力-目標特性-雷目交會條件毀傷評估模型,研究爆炸威力指標的客觀計算方法,通過灰色層次分析法的毀傷效能評估手段,研究毀傷效能的評估方法及實現過程。

1 毀傷評估模型建立

系統效能評估指標是指對系統實現特定目標程度的定量描述結果,是評價、比較系統效能的具體尺度。因此,構建適當的效能指標是系統效能分析的首要問題,效能指標必須能夠反映系統所要實現的目標。

根據文獻[3]的研究結果,爆破型魚雷戰斗部毀傷效能指標體系中第2層分指標即戰斗部爆炸威力指標、目標特性指標以及雷目交會條件指標構成具有線性相關性的相互不可偏廢型指標[16],則爆破型魚雷戰斗部對艦船的毀傷效能評估模型為

式中:U為爆破型魚雷對艦船的毀傷性能評估值;U1為戰斗部爆炸威力賦值;U2為雷目交會條件賦值;U3為目標特性評估值。

對于戰斗部爆炸威力指標,接觸爆炸條件下沖擊波為主要毀傷作用,則初始沖擊波能為主要威力指標; 非接觸爆炸條件下為沖擊波及氣泡脈動壓力聯合作用的結果,則沖擊波能及氣泡能為爆炸威力指標。底層指標為相互獨立型指標。

對于雷目交會條件指標,非接觸爆炸中爆炸深度及攻角會對毀傷效果產生影響,底層指標為相互獨立型指標; 接觸爆炸則不存在爆炸深度及攻角因素影響,雷目交會條件按毀傷能力最強類別計算。

對于目標特性指標,其中的底層指標可看作一個相對獨立的系統即線性無關的相互獨立型指標[16]。

2 毀傷指標量化方法及評估步驟

2.1 戰斗部爆炸威力量化打分方法

魚雷爆炸對艦船的毀傷為沖擊波、氣泡脈動產生的沖擊波能和氣泡能耦合作用的結果。由于魚雷的爆炸為接觸爆炸或近距離非接觸爆炸,氣泡脈動過程中為產生上浮垂直運動,在氣泡壓縮至最小體積對周圍流體產生作用時的位置已經變化。因此,水中爆炸產生沖擊波壓力的位置與產生脈動壓力的位置不可能相同。只要魚雷在船底爆炸,可以認為氣泡能的作用為接觸爆炸作用方式。沖擊波在向前推進過程中,由于波頭內壓力和速度下降會導致能量的衰減,且在魚雷戰斗部附近,壓力和速度下降最大,則能量衰減也最大,沖擊波的能量傳播效率非常低。由于魚雷水中爆炸時受引信作用機制、作戰區域海況及艦船吃水深度等多種因素的影響,會形成魚雷在爆炸零時與艦船距離的差異,進而導致作用于艦船的沖擊波能的不同。因此,沖擊波的作用不可能是沖擊波總能作用的結果,應該是衰減后剩余能量作用的結果,可表示為

式中:W為戰斗部海上實戰爆炸能量,MJ;k1為裝藥氣泡能 TNT當量系數;k2為裝藥沖擊波能TNT當量系數;為沖擊波能衰減系數;m為裝藥質量,kg。

由于魚雷外表面附近的超高壓力會破壞用于測量的傳感器,對于魚雷戰斗部爆炸附近距離沖擊波的衰減系數只能通過理論計算近似獲得。圖1是根據文獻[17]計算結果繪出的 7倍藥包半徑之內沖擊波能量衰減曲線。

圖1 裝藥沖擊波能衰減系數Fig. 1 Attenuation coefficient of explosive shock wave energy

圖1 中,A為沖擊波能計算曲線,B為根據計算值A進行的沖擊波能擬合曲線,并給出了擬合衰減系數計算公式

式中,為與船底爆炸距離對戰斗部半徑比。

通過式(2)可見,無論是接觸爆炸抑或非接觸爆炸,都可根據作戰當時海況、目標艦船實際吃水深度、魚雷引信起爆深度給出魚雷作用于目標艦船的快速準確能量計算。

實現魚雷戰斗部爆炸威力的評估,必須給出爆炸能量與艦船的關系,可將達到艦船沉沒時所需的魚雷爆炸能量賦值 100。綜合國內相關研究數據得出,水中爆炸對艦船的毀傷與艦船排水量具有正比例的線性相關性

式中:T為艦船排水量,t;為徹底毀傷常數,MJ/t。

國內外研究發現,3 000 t級無防護驅逐艦在2 165 MJ爆炸能量接觸爆炸條件下,可被一次性摧毀,喪失其總縱強度。根據式(4)算得徹底毀傷常數為 0.722,則魚雷對無防護水面艦船在船底部爆炸威力毀傷賦值

2.2 雷目交會條件賦值方法

雷目交會條件對爆炸威力產生較大影響。爆炸毀傷形式、接觸部位及爆炸深度等交會條件的不同會導致魚雷爆炸威力較大的區別,與魚雷爆炸威力構成不可偏廢型的關系。前述爆炸威力的賦值方法是在最佳雷目交會條件及目標特性最薄弱環節得到,則根據魚雷爆炸威力與雷目交會條件關系可判斷,毀傷效能數值分布在0～1區間。數值“1”表示毀傷程度最嚴,數值“0”表示0毀傷交會條件。對于特定魚雷,由于戰斗部引信作用方式明確,則魚雷對艦船目標的毀傷形式已經明確。目標的毀傷部位對毀傷程度的影響可通過專家打分,采用層次分析法得出,但對模糊問題的處理精度較差。灰色層次分析法是灰色系統理論與層次分析法相結合的一門理論,其主要思想是在層次分析法中,不同層次決策“權”的數值是按灰色系統理論計算得出的。因此,灰色系統理論在評估過程中可實現對系統模糊目標的確切描述。無論接觸爆炸還是非接觸爆炸,由于戰時海況、魚雷及目標艦的航向航速等情況難以精確掌握,魚雷對目標的爆炸部位、爆炸深度及攻角難以事前準確判斷,可采用灰色層次分析法,由專家打分,得出評估值。

雷目交會條件指標可將其定義為毀傷強度指標(參見表1)。因此,也可將其按抗毀傷強度等級分為5類: A類(毀傷能力最強); B類(毀傷能力較強);C類(毀傷能力一般); D類(毀傷能力較差); E類(無毀傷能力)。

2.3 目標特性賦值方法

目標特性與爆炸威力是相互矛盾即不可偏廢型的關系。前述爆炸威力的賦值方法是在最佳雷目交會條件及目標特性最薄弱環節得到,則根據魚雷爆炸威力與目標特性的相互不可偏廢的關系可判定,毀傷效果影響最大的目標特性值最小閾值應為“1”。

表1 雷目交會條件毀傷強度指標評判等級分值及評估灰類賦值方法Table 1 Damage degrees of evaluation in torpedo-target intersection condition and assignment method for gray evaluation

綜合國內關于爆炸沖擊載荷抗毀傷結構設計研究成果,采用金屬夾芯結構、超彈性抗沖瓦、雙層底結構等抗毀傷措施后,目標抗毀傷性能得到較大提高,普通金屬板受到的沖擊加速度約為金屬夾芯板的2倍[18],敷設不同覆蓋層圓的金屬板加速度沖擊隔離量約為金屬板的2倍[19],金屬板的速度響應值約為敷設了超彈性覆蓋層金屬板的1.5倍[20],雙層底結構安全半徑為單層底結構的1.3倍[21],則將目標特性最大閾值設為“2”,數值在 1～2 區間。“1”表示抗毀傷特性最差,“2”表示抗毀傷特性最強。可將其按抗毀傷強度等級分為 5類[22](見表2): A類(抗毀傷能力最強); B類(抗毀傷能力較強); C類(抗毀傷能力一般); D類(抗毀傷能力較差); E類(無抗毀傷能力)。

表2 艦船目標特性抗毀傷能力評判等級分值及評估灰類賦值方法及賦值Table 2 Levels of anti-damage capability of warship target characteristics evaluation and assignment method of gray evaluation with value

2.4 毀傷等級確定

從海戰和海損的實例來看,戰斗艦船典型破壞形式主要表現在: 船體破損進水、傾覆或沉沒;艦船起火或爆炸; 技術裝備損傷; 艦員損傷和毒害等。艦船在魚雷接觸爆炸或近距離非接觸爆炸載荷作用下,水面艦船結構將產生局部區域的破口,從而造成艦船結構的局部破損毀傷。局部結構破損毀傷的后果主要是造成艦船進水和浮力損失,以及艦船結構總縱剩余強度的損失。當艦船破損剩余強度不足時,在自然環境載荷作用下,艦船結構可能產生總縱彎曲破壞。魚雷對艦船毀傷等級量化賦值如下[22](見表3): A類(艦船沉沒,為徹底毀傷); B類(艦船無作戰機動能力,為嚴重毀傷); C類(具有基本的生命力,為中度毀傷); D類(具有完全的生命力,為輕度毀傷); E類(艦船無損失,為0毀傷)。

表3 艦船毀傷評判等級分類及賦值方法Table 3 Assignment method and classification of warship damage degrees for gray evaluation

2.5 毀傷評估步驟

基于灰色層次分析法的艦船毀傷評估步驟可參考文獻[14]和[15]進行,區別是爆炸威力指標需進行計算得到,將采用灰色理論得到的雷目交會條件數值及目標特性數值代入式(1)得到毀傷綜合評估值,參照毀傷等級賦值,可評估該魚雷對目標艦的毀傷等級。

3 結束語

在全面分析目前開展效能評估方法的基礎上,建立了基于戰斗部威力-目標特性-雷目交會條件的三位一體的毀傷評估模型,給出了爆炸威力指標的計算方法,采用灰色層次分析法得到雷目交會條件、目標特性抗毀傷性能的評估值,進而得到毀傷效能評估值、判斷毀傷等級的研究路線。

采用灰色層次分析法進行評估主要是依靠專家的經驗實現,必然導致專家對指標的打分與真實的毀傷效能存在誤差。理想的方法是針對不同的魚雷戰斗部爆炸威力、雷目交會條件及目標特性建立準確的計算輸入模型,得到高精度的艦船毀傷評估結論,為未來海戰作戰指揮提供技術支撐。由于戰場環境下雷目交會條件的復雜性、目標抗毀傷機理的復雜性,目前還難以實現高精度的魚雷戰斗部毀傷效能建模,仍需進行試驗數據的不斷積累,以實現爆破型魚雷戰斗部對艦船的快速毀傷評估。

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An Evaluation Method for Damaging Efficiency of Blasting Torpedo Warhead to Warship

SHAO Jian-jun
(91439thUnit,The People′s Liberation Army of China,Dalian 116041,China)

The evaluation of damaging efficiency of torpedo warhead has direct influence on judgment of battlefield situation. In this paper,an evaluation method for damaging efficiency of blasting torpedo warhead is proposed,a corresponding mathematical model is established,and a quantitative method of damage indexes as well as evaluation steps is introduced. The relative weight for the bottom index of the damaging efficiency index system of blasting torpedo warhead to warship is given based on analytical hierarchy process and experts inquiry,and the comprehensive damage evaluation value is hence calculated. The gray evaluation theory is employed to calculate and judge the damage degree of blasting torpedo warhead to specific warship target,and the damage degree to warship can be evaluated according to the gray degree value. The proposed method may provide a reference for rapid evaluation of damaging efficiency of blasting torpedo warhead in sea battle.

blasting torpedo warhead; damaging efficiency; evaluation

TJ630.1; TJ410

A

2096-3920(2017)03-0272-06

邵建軍. 一種爆破型魚雷戰斗部對艦船毀傷效能評估方法[J]. 水下無人系統學報,2017,25(3): 272-277.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.010

2017-02-03;

2017-05-09.

邵建軍(1967-),男,博士,高級工程師,主要研究方向為水中爆炸威力與毀傷評估.

(責任編輯: 楊力軍)