某攔截彈高海況下目標探測及裝載性能適應性評估*

邵宗戰 熊 勇 胡偉凡

（1.中國人民解放軍91439部隊 大連 116041）（2.江南工業集團有限公司 湘潭 411207）

1 引言

國內外對反魚雷攔截武器在性能分析、作戰使用、仿真試驗等方面開展了較為廣泛的研究工作。在現有條件下，攔截彈高海況適應性海上試驗存在試驗組織實施難、試驗產品回收難以及試驗數據測量難等一系列問題；因此，為考核攔截彈高海況適應性，本文重點對六級海況下攔截彈目標特性、探測性能、裝載動態力性能三個方面內容開展海況適應性評估［1～2］。對攔截彈目標特性設計與理論進行分析，開展較低海況目標特性試驗，評估高海況下的目標特性能力；對攔截彈探測性能設計與理論進行分析，開展較低海況探測性能試驗，評估高海況下的探測性能；對攔截彈裝載受力環境進行仿真計算，對攔截彈結構強度設計與制造工藝進行分析，開展管內裝載可靠度試驗、振動試驗、傾斜搖擺試驗、沖擊試驗，評估高海況下的裝載動態力性能。

2 攔截彈目標特性評估

2.1 目標特性設計與理論分析

魚雷的輻射噪聲在高頻段的主要成分為螺旋槳空化噪聲。空化噪聲是由大量氣泡破裂產生，由隨機小脈沖構成，且為連續譜。

查詢相關技術資料可知，在工作頻帶范圍內，魚雷平均譜級明顯高于海洋背景噪聲，該余量即為系統能量檢測的閾值。

考慮目標聲源級在不同距離變化的條件下，換能器端接收到的信號強度發生變化，需要始終保障目標輻射噪聲高于海洋背景噪聲。系統采用濾波、放大等手段提高目標信號輸入量級，從而增加對目標的探測距離實驗數據證明，在較寬的距離變化范圍內，探測系統均能捕捉到目標輻射噪聲變化趨勢，實現對目標運動規律的預測，從而在最近點給出動作信號，滿足聲探測裝置的技術要求［3～5］。

假設目標在S 距離內，做直線、均速運動，目標速度為V，目標從距離D 處通過，目標噪聲強度為P，探測裝置與目標運動位如圖1所示。

圖1 探測裝置與目標運動位置示意圖

設目標運行的時間為t，則目標與探測裝置之間的直線距離：

探測裝置所接收到的目標噪聲信號強度為

其中A 為換能器接收到的目標噪聲信號強度，D、V、P 不確定，但在目標攔截末端，可以認為其值保持不變，可以當做常量對待。因此目標通過固定狀態下的探測裝置時，其接收到的能量曲線信號具有下面的形式，當目標速度V 不同、最近距離D 不同時，曲線的上升速度和寬度有所變化，但波形保持不變。圖2是選取速度V 邊界值高速、低速目標和距離D條件下的目標通過特效曲線。

圖2 不同速度V和距離D下的目標特性曲線對比

2.2 較低海況目標特性試驗

進行了探測裝置目標特性試驗，圖3是實測數據中的一組，圖（a）為近距離時的目標特性曲線，圖（b）為遠距離時的目標特性曲線。

圖3 海上目標特性試驗數據

2.3 高海況下的目標特性能力

如圖4所示，根據相關國家標準查表得到高海況（6級）的海面浪高范圍為4m～6m。

圖4 高海況下海面波形仿真

圖5為高海況情況下，攔截彈與目標位置示意圖。以無風浪狀態下換能器聲學中心建立直角坐標系，換能器在目標上方，無風浪時，L 取值為4m～6m 或者-4m～-6m，（換能器在目標下方時同理），接收換能器在A 點，由于海浪影響，換能器由A 點晃動到B點。

圖5 波浪起伏影響示意圖

假設目標直航通過O 點，目標初始距離EO 為s，目標速度為v，OC距離為D，AC距離為H。

則在任意時間t，目標航行至F 點，無晃動時換能器在A 點接收到的聲壓為PA，目標在O點處時，換能器接收到的聲壓為P0，則按照球面波衰減規律為

由上式可知，探測裝置接收換能器接收到的目標輻射噪聲能量由小變大后又逐漸減小，當t1=s/v時，上式取最大值，即目標通過處，接收能量最大。

由于海況影響存在晃動時，換能器由A 點晃動到B 點時，接收換能器在B 點接收到的聲壓為PB，則

由于海浪的周期性，短時間內假設海浪起伏滿足正弦波規律，頻率屬低頻，則L=Ksin(2πft+?)，K代表波動大小，?代表初始相位未知，上式為

使接收能量最大，則上式分母最小，設分母根號內為f′(t)，求導得：

則能量最大處應為上式求導后為0 的時間點，計算對應時間為

高海況（6級）取浪高最大值為6m，則K取3，目標可能在換能器上下活動，H 取換能器入水深度的一半，波浪的平均周期取7.56s，則頻率為1/7.56，取0.14，則6級海況和0級海況對比圖如圖6。

圖6 波浪起伏對特性影響

從圖6中看出，海浪起伏對探測裝置接收到的特性曲線影響較小。

有晃動時能量最大和無晃動時能量最大的時間偏差為

初始相位影響(H+Ksin(2πft+φ))cos(2πft+φ)項的最大值近似為，則時間偏差最大為

利用淺海噪聲譜級經驗公式：

式中，SNR=SL-TL-(NL-DI)為噪聲譜級，頻率SNR=SL-TL-(NL-DI)（kHz），S 為海況等級，按照6 級海況計算，SNR=SL-TL-(NL-DI)為下限頻率時，SNR=SL-TL-(NL-DI)= 62dB，SNR=SL-TL-(NL-DI)為上限頻率時，SNR=SL-TL-(NL-DI)=57dB，取最大值為62dB。

按照被動聲納方程，探測裝置在6 級海況接收到目標信號的信噪比為

上式中，聲源級SL取譜級典型值，傳播損失TL按照球面波衰減規律計算，距離取臨界距離值，環境噪聲NL取譜級62dB，無指向性DI為0，則計算得SNR約為15dB。

高海況（6 級）引起海洋背景噪聲增高，對探測裝置有一定影響，但是目標在臨界距離處經過時，目標輻射噪聲仍是接收能量的主要部分，目標在小于臨界距離通過時，接收信噪比增大，因此在要求距離內可以檢測到目標。

3 攔截彈探測性能評估

3.1 探測性能設計與理論分析

探測裝置將不斷累計的目標特性曲線，進行最小二乘擬合，如果生成擬合多項式的可決系數滿足設計指標，且信號最大強度大于閾值等條件，則認為擬合曲線符合目標特性，算法在擬合曲線頂點處給出動作信號［6～11］。

目標通過特性曲線幅度經過轉換，滿足如下遞推公式：

這里是首項系數為1 的次多項式，根據正交性，得：

由通過特性能量曲線構成正交多項式的線性組合作最小二乘曲線擬合，根據上面遞推公式逐步求出的同時，相應計算出系數：

并逐步把α*0Pk(x)累加到S(x)中去，最后就可得到所求的擬合曲線：

3.2 較低海況探測性能試驗

在海上進行了探測性能試驗，經過計算提取的目標特性曲線如圖7，當取近距離時探測裝置正確給出動作信號（虛線為動作信號），當取遠距離時，探測裝置不動作。

圖7 較低海況探測性能試驗

3.3 高海況下的探測性能

根據低海況的驗證，對高海況（6 級）下探測裝置性能進行模擬仿真，傳播損失按照TL=20lg（r）+ar 進行計算，風速8 級。從圖8中可以看到，在6 級海況下工作性能不受影響。

圖8 高海況探測性能仿真

4 攔截彈裝載動態力評估

4.1 攔截彈裝載受力環境分析

由于攔截彈內沒有不平衡運動系統、液體介質和旋轉運動部件，因此高海情的主要影響是艦船搖擺載荷對攔截彈結構強度的影響［12～15］。

艦船高海況搖擺引起的靜態力、動態力是可能造成裝載攔截彈結構破壞的兩大因素。相比靜態力而言，在9 級海況下動態力對彈載電子設備產生的力載荷更大，要求更高。

攔截彈可認為是中小型電子設備，在此縱搖、橫搖情況下產生的內部動態力與攔截彈經歷的環境應力載荷相比懸殊，不會對攔截彈造成結構性破壞。攔截彈與發射裝置之間的作用力主要集中在尾翼架的制止器環形槽上，按照表2傾斜和搖擺試驗條件施加運動，得到結構強度仿真結果如圖9所示，攔截彈尾翼架上的最大應力為32MPa，小于結構材料應力，不會對攔截彈造成結構性破壞。

圖9 攔截彈尾翼架結構強度仿真計算結果

此外，攔截彈電子元器件進行過大于1000g 的沖擊過載試驗，試驗條件的應力載荷遠高于裝載攔截彈在艦船搖擺中所形成的動態環境應力載荷。故推定，攔截彈在9 級海況不會出現結構破壞問題。

4.2 結構強度設計與制造工藝分析

為了適應高海情動態力，攔截彈設計中采用了以下設計措施：

1）設計過程中，進行了結構強度余量設計，通過加強結構以提高結構強度余量，并通過了設計電子設備的內部結構及有關參數，使其具有良好的動態特性，從而增強攔截彈抗振動、沖擊能力；

2）應用機械振動與沖擊隔離技術對電子設備進行振動與沖擊的隔離；

3）對可能遭受的環境抗沖擊進行了抗沖擊分析，對結構部件進行了受力分析，確保結構剛度、強度滿足要求；

4）為滿足環境適應性要求，防止由于產品制造缺陷導致不能滿足設計要求，編制了設備質量保證大綱，環境試驗大綱和檢驗驗收細則，作為設備檢驗驗收依據并嚴格執行；

5）對關鍵工序，制定了關鍵工序質量控制，嚴格生產人員自檢，檢驗人員復驗，保證了關鍵工序，特殊工藝的質量，滿足質量要求。

5 試驗

5.1 管內裝載可靠度試驗

完成攔截彈艦上管內裝載試驗后，經長途運輸進行14 發管內裝載試驗產品的湖上射擊試驗，全部工作正常，試驗表明攔截彈在較低海況下長時間裝載后，可以滿足正常使用需求。

5.2 振動試驗

完成了兩發攔截彈振動試驗，按圖10、表1試驗條件對被試品依次進行了隨機振動、正弦掃頻振動和定頻耐久振動試驗，試驗結果顯示攔截彈各項性能滿足指標及大綱要求，可以滿足正常使用要求。

圖10 隨機振動試驗功率譜密度譜圖

表1 正弦掃頻振動試驗量值

5.3 傾斜、搖擺試驗

完成了兩發攔截彈傾斜、搖擺試驗，按表2試驗條件對被試品依次進行了縱傾、橫傾、縱搖和橫搖試驗，試驗結果顯示攔截彈各項性能滿足指標及大綱要求，可以滿足攔截彈使用要求。

表2 傾斜和搖擺試驗條件

5.4 沖擊試驗

進行了兩發攔截彈沖擊試驗，按表3試驗條件對彈軸、彈徑方向各沖擊10 次，試驗結果顯示攔截彈電路、各火工組部件均能正常工作，可以滿足正常使用要求。

表3 傾斜和搖擺試驗條件

綜合以上攔截彈裝載受力環境、結構強度、制造工藝等分析及相關試驗驗證，表明攔截彈在九級海況條件下可以滿足結構強度要求。

6 結語

通過對高海況條件下攔截彈作戰使用受到的環境影響進行梳理分析，提出攔截彈作戰使用需滿足的性能要求，歸納高海況適應性需要評估的內容有六級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載、連接件受力、探測性能、目標特性，以及九級海況下攔截彈裝載動態力性能六個方面；本文針對六級海況下攔截彈目標特性、探測性能、裝載動態力性能三個方面內容，在理論分析基礎上采用仿真計算、實驗室試驗及海上實航試驗相結合的方法進行綜合評估，結果表明攔截彈的目標特性、探測性能、裝載動態力性能三個方面均能滿足規定的高海況作戰使用環境要求，為綜合評定攔截彈高海況適應性狀態鑒定結論提供技術支撐。