劉延青，楊洪兵，張 戈

（92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引 言

當反艦導彈命中艦艇時，爆炸場環(huán)境特別惡劣，爆炸產(chǎn)生的振動、壓力以及溫度的劇烈變化等是影響艦艇結(jié)構(gòu)、艦上人員設備最直接的因素。通過合理布置測點，用“測試站”技術(shù)真實地記錄這些參數(shù)的變化情況，是反艦導彈對目標毀傷能力定量分析的一條新途徑。目前，國內(nèi)尚無水面艦艇毀傷評估、測量方面的記錄，因此，研究導彈爆炸毀傷艦艇程度的測試方法是非常必要的，是海上靶場職能的完善與補充，也是試驗鑒定任務的技術(shù)支撐。

隨著靶場轉(zhuǎn)型，其主要使命將由武器系統(tǒng)戰(zhàn)技性能指標評定向有關戰(zhàn)斗力及指戰(zhàn)員生命的武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能評定過渡。導彈能否毀傷目標及毀傷程度如何，是衡量導彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的重要指標，是作戰(zhàn)使用的重要依據(jù)，對反艦導彈性能評定意義重大。

該文通過對水面艦艇易損性進行簡要分析，確定艦艇毀傷評判標準、艦艇易損段劃分和毀傷元對目標作用效應等；根據(jù)艦艇特點，提出導彈爆炸場動態(tài)參數(shù)測試方法，并給出測試數(shù)據(jù)的分析依據(jù)。

1 典型目標（艦艇）易損性

目標易損性是描述武器對目標毀傷作用的敏感性的一種特性，它是攻擊武器的毀傷特性和目標物理特性及功能特性的函數(shù)[1]。目標幾何結(jié)構(gòu)是目標物理易損性分析中最重要的特性之一，通常按武器毀傷威力與目標的幾何形狀將目標劃分為點、線、面及立體目標，并以此作為毀傷效果指標選取與計算的重要依據(jù)。目標功能易損性又可以稱為目標效能易損性，是反映武器對目標功能毀傷作用的函數(shù)[2]。下面對艦艇易損性進行簡要分析。

1.1 艦艇毀傷評判標準

常用的艦艇毀傷評判標準[3]共分為以下5類損傷：

（1）艦艇沉沒，艦艇斷裂或因嚴重火災失控而棄船，為完全喪失戰(zhàn)斗力。

（2）艦艇無作戰(zhàn)、機動能力，漂浮水面，仍具有不沉性，為基本喪失戰(zhàn)斗力。

（3）艦體或主要設備系統(tǒng)遭受損傷，但仍具有不沉性；在30 min內(nèi)修復后，仍具有手動操作下的機動能力和主要防御作戰(zhàn)能力，具有基本生命力。

（4）艦體或主要設備系統(tǒng)遭受損傷，但仍具有不沉性；在30 min內(nèi)修復后，具有手動操作下的機動能力和主要防御作戰(zhàn)能力，具有完全的生命力。

（5）艦艇完好，毫無損傷。

1.2 艦艇易損段劃分

艦艇由許多要害部分組成，每個要害部分又包含了許多復雜的構(gòu)件。導彈命中后，在艦的局部造成破壞，受破壞部分在全艦中重要程度的差異造成了導彈對目標毀傷的不同。艦艇部分要害艙段及其權(quán)重見表1。

表1 艦艇部分要害艙段及其權(quán)重

1.3 毀傷元對目標作用效應

根據(jù)目標特點，目前反艦導彈的戰(zhàn)斗部采取半穿甲戰(zhàn)斗部和聚能爆破戰(zhàn)斗部2種形式。帶有聚能爆破戰(zhàn)斗部的導彈命中艦艇時，觸發(fā)式延遲引信引爆戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部產(chǎn)生大量的高溫、高速、高壓的金屬射流，艦艇結(jié)構(gòu)在金屬射流的作用下產(chǎn)生破孔。隨即爆炸形成的沖擊波隨后到達，擴大了破壞效果。沖擊波對目標引起破壞作用的主要因素是超壓（ΔP）和比沖量（I）。試驗表明，當沖擊波壓縮區(qū)正壓作用時間與目標振動周期之比（t+/T）≥10時，目標的破壞由沖擊波陣面的超壓（ΔP）引起，對目標具有明顯的擊碎作用。如果沖擊波正壓的作用時間小于目標本身的振動周期時，目標的破壞主要由比沖量引起[4]。超壓（ΔP）和比沖量（I）作用下目標的破壞程度見表2。

表2 超壓（ΔP）和比沖量（I）作用下目標的破壞程度

2 測試方法設計

根據(jù)試驗要求，且從提高可靠性角度出發(fā)對系統(tǒng)設計遵循如下原則[5]：

（1）在選擇和布置測試點方面，要盡可能全面地覆蓋整個目標，并選擇有效測試參數(shù)，保證測試的全面、有效、可靠性等；

（2）在電路設計方面，滿足功能要求前提下，以電路最簡化設計為原則，極大地提高系統(tǒng)的可靠性；

（3）具有可靠保障措施，確保在任何環(huán)境下記錄系統(tǒng)能可靠啟動、可靠記錄、可靠回收，系統(tǒng)具有高可靠性；

（4）在結(jié)構(gòu)設計上具有可靠的防水性能；

（5）要有較強的環(huán)境適應性，且使用操作簡便，測試結(jié)果可讀性強。

2.1 測試站設計及工作原理

導彈爆炸場毀傷效果動態(tài)測試系統(tǒng)由傳感器、采編單元、數(shù)據(jù)存儲記錄單元、實時無損壓縮單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元、電源模塊、防護組件、回收處理單元等8部分組成，如圖1所示。

圖1 測試站框圖

系統(tǒng)選用壓力傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器。系統(tǒng)根據(jù)傳感器來確定采編單元，采編單元的數(shù)據(jù)一路作為記錄單元的輸入，一路作為實時無損壓縮單元壓縮傳輸。系統(tǒng)采用高強度材料作為第一級防護，主要防護爆炸產(chǎn)生的高能彈片、瞬態(tài)高溫、重物撞擊。電源模塊提供系統(tǒng)所需電源?；厥仗幚韱卧ㄓ涗浲戤厷んw脫離甲板部件、落水充氣漂浮部件兩部分。

爆炸場超壓測量單元使用1 MHz頻率采樣，振動單元使用100kHz頻率采樣，溫度使用100kHz頻率采樣，存儲單元采用超大容量非易失性存儲器。對爆炸場超壓數(shù)據(jù)使用專用的多參數(shù)反濾波軟件進行處理，可準確恢復超壓信號[6]。

測量單元的結(jié)構(gòu)設計如圖2，測量電路使用高強度保護殼進行抗沖擊保護，密封防水保護；使用緩沖材料減小爆炸沖擊引起的沖擊過載；存儲記錄單元作為記錄部分的核心，是回收的關鍵，須單獨進行保護。

圖2 測試站結(jié)構(gòu)示意圖

工作流程：系統(tǒng)在導彈發(fā)射前僅基站工作，當接收到導彈發(fā)射信號后，根據(jù)導彈的飛行時間，確定系統(tǒng)開機時間。在導彈距離水面艦艇一定時間時，根據(jù)預設時間開啟各測試站的存儲記錄單元開始記錄數(shù)據(jù)。各測試站采用同步開啟，這樣能保證所有的測試站記錄時間一致，便于分析各點沖擊波、振動、溫度的變化規(guī)律。系統(tǒng)記錄完畢后，開啟爆炸螺栓和充氣氣囊。

2.2 測試布點

由于試驗場地選擇在空曠的海面上，而導彈攻擊靶船的具體位置不能確定，因此需對靶船結(jié)構(gòu)分布及導彈的入靶點進行分析來確定傳感器測點的分布。導彈為掠海飛行，飛行高度離海面大約3～5m，因此，導彈入靶點大約為3種情況：

（1）艦艏艉甲板上方的碰網(wǎng)。此情況下，導彈直接穿靶而過，得到的唯一信息是入靶位置。

（2）船舷位置并進入內(nèi)部艙體。由于船體浮出海面為3m以下，因此，入靶點位置應在艙體頂部，并靠近甲板，能造成船體破損，設備受到?jīng)_擊破壞，甚至發(fā)生火災、進水現(xiàn)象。

（3）甲板上建筑位置。此種情況對艦船設備破壞程度嚴重，一般并不擊穿船體結(jié)構(gòu)，且考慮到導彈掠海飛行高度，此種機率較小。

按照導彈攻擊目標參數(shù)分析，入靶點為第2種情況的概率最高，測試站的分布主要根據(jù)這種情況確定。

動態(tài)參數(shù)測試站布點如圖3，動態(tài)參數(shù)測試站在每個隔離艙段布置兩套，布置在每一個艙段的兩端中心位置。導彈擊中某一艙段后爆炸點的位置是不能確定的。假設爆炸時沖擊波各向壓力一致，要反映爆炸的威力，至少需要已知距離的2個點來確定爆炸位置，這樣才能比較準確地測定爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓值。布置示意圖如圖4。

圖3 測量單元布置簡圖

圖4 測試站布置示意圖

無線數(shù)據(jù)收發(fā)基站在船頭和船尾各設一套，兩套基站同時接收每一動態(tài)參數(shù)測試站的數(shù)據(jù)，以不同的頻率發(fā)送給岸基基站。

2.3 數(shù)據(jù)記錄與傳輸

系統(tǒng)對采集的爆炸場動態(tài)數(shù)據(jù)通過2種途徑處理：（1）采用存儲模式，將采集的數(shù)據(jù)記錄在Flash存儲器中，數(shù)據(jù)可以長時間保持[7]；（2）將采集的數(shù)據(jù)通過實時無損壓縮后，通過無線收發(fā)單元將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面接收站。

無線傳輸系統(tǒng)的任務是實現(xiàn)計算機和測量單元之間指令和數(shù)據(jù)的無線傳輸。根據(jù)連接對象的不同，分為3部分：測量單元內(nèi)嵌的無線傳輸單元、艦載從控系統(tǒng)、連接計算機的岸基主控系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 無線傳輸系統(tǒng)總體框圖

2.4 裝置回收

測量單元的回收是整個試驗成功的關鍵，試驗完畢之后必須回收測量單元讀取數(shù)據(jù)。因此必須考慮測量單元的可靠回收，首先測量單元必須有很好的防水性能，其次必須保證在靶船被擊沉后可以可靠找回測量單元。

試驗過程中，導彈爆炸可能將鏈接基站的數(shù)據(jù)毀壞，因此無線發(fā)送數(shù)據(jù)不成功的站點可以通過回收來獲取存儲記錄單元中的數(shù)據(jù)。為確保測試單元容易回收，采用的手段：（1）使用爆炸螺栓將測試單元與艦體固定，在數(shù)據(jù)記錄完畢后使測試單元與艦體分離；（2）在裝置上安裝充氣氣囊，當裝置進入水中后自動對氣囊充氣使裝置漂浮水面。裝置回收后，打開外殼，取出存儲記錄單元使用計算機和讀數(shù)電纜從存儲記錄單元讀取存儲數(shù)據(jù)，在專用軟件上進行數(shù)據(jù)處理、繪制曲線、打印結(jié)果等操作。

3 測試數(shù)據(jù)分析方法

對測量數(shù)據(jù)進行誤差分析、時域、頻域分析，得到動態(tài)環(huán)境參數(shù)的時域幅值、頻率分布情況和能量分布情況等相關數(shù)據(jù)。

3.1 振動測量數(shù)據(jù)的分析

為了解振動信號的頻率成分與分布范圍（幅值與能量分布），需要進行譜分析，譜分析有頻譜分析及功率譜分析兩種方法：

3.1.1 頻譜分析

設F（ω）是f（t）的傅里葉變換，根據(jù)逆變換定理得

作周期振動的函數(shù)f（t）是由無數(shù)個幅值F（ω）dω的譜波分量組成，故F（ω）稱之為f（t）的頻譜。幅值譜：

相位譜

3.1.2 功率譜分析

設頻譜函數(shù)為

取其共軛復數(shù)乘積為

3.2 壓力測量數(shù)據(jù)的分析

式中：p0——標定的壓力值，N/m2；

Vp0——標定的壓力值所對應電壓幅值，mV；

Vpc——測量的壓力值所對應電壓幅值，mV；

pc——測量的壓力值，N/m2。

3.3 溫度測量數(shù)據(jù)的分析

根據(jù)測量時測量系統(tǒng)的冷端溫度，在所用熱電偶傳感器的“分度特性表”上查出冷端溫度對應的冷端熱電勢值；測量點補償后的熱電勢值為

式中：VL——冷端熱電勢值，mV；

Vc——測量點測得的熱電勢值，mV；

VS——測量點補償后的熱電勢值，mV。

4 結(jié)束語

目前，國內(nèi)尚無成熟的水面艦艇毀傷測試方法，該文所提出的爆炸場毀傷測試方法尚處于初期研究階段，其設計可靠性、實際可行性及測試結(jié)果反映毀傷效果的真實性，都需要后續(xù)的大量試驗工作進行驗證。隨著海軍靶場在此方面試驗研究的深入展開，該測試方法會不斷完善，并將最終成為試驗鑒定任務的技術(shù)支撐，同時該方法也可為有關艦船毀傷方面的研究提供參考。

[1] 王鳳英.毀傷理論與技術(shù)[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[2] 吳新宏，許誠.艦空導彈典型目標易損性模型[J].戰(zhàn)術(shù)導彈技術(shù)，2002（3）：37-41.

[3]蓋京波.艦船結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下的局部破壞研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

[4] 黃祥兵，朱錫.非接觸空爆對艦艇結(jié)構(gòu)的破壞作用分析[J].海軍工程大學學報，2003（6）：62-64.

[5]張燕.導彈攻擊艦船毀傷效果測評技術(shù)研究[D].太原：中北大學，2008.

[6] 黃正平.爆炸與沖擊電測技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[7] 許輝.基于Flash的大容量記錄器的設計[D].太原：中北大學，2007.