（91439部隊 大連 116041）

1 引言

艦艇抗沖擊試驗是對艦船船體結(jié)構(gòu)及艦載設(shè)備抗沖擊能力的一種接近實戰(zhàn)的考核方法［1～3］，被試艦與爆源之間的準(zhǔn)確定位是艦艇抗沖擊試驗實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對數(shù)據(jù)結(jié)果分析和最終艦船抗沖擊毀傷能力評定起著重要的作用，這也是試驗組織單位、艦船設(shè)計單位、作戰(zhàn)部隊都密切關(guān)注的一個問題。在艦船抗沖擊試驗中，目前國內(nèi)外常用的爆源定位方法有機械定位法、沖擊波零時法、GPS水面定位法和水聲與GPS聯(lián)測法四種定位方法。

某型艦抗沖擊試驗要求爆源正橫于被試艦且懸浮水下爆炸。該型艦無動力，爆源布放入水后，無法實時調(diào)整該艦與爆源的相對位置，為精確控制爆距，必須采用被試艦橫流拋錨布場，爆源與被試艦軟性連接，依靠海流的作用控制爆距的方法。爆源布放入水至起爆過程會受到水流、風(fēng)力、涌浪等因素的影響，使被試艦和爆源的相對位置和態(tài)勢產(chǎn)生較大不確定性。

本文研究背景是針對該型艦試驗特點，為實時、精確控制被試艦與爆源的相對位置和態(tài)勢，保證爆炸試驗在預(yù)設(shè)距離上進行，控制試驗風(fēng)險、保證試驗實施效果，對目前國內(nèi)外艦船抗沖擊試驗中常用的定位方法進行深入研究，以獲得適用于該型艦的爆源最佳定位方法。

2 某型艦抗沖擊海上試驗特點

為準(zhǔn)確獲取某型艦船體結(jié)構(gòu)及艦載設(shè)備的抗沖擊能力，摸清該艦抗水下非接觸爆炸沖擊安全半徑，為艦船設(shè)計單位提供技術(shù)支撐。在海上利用大當(dāng)量爆源對該型艦進行水下懸浮爆炸，按不同爆距試驗工況對其進行多次爆炸。具有如下試驗特點：

1）被試艦在試驗周期內(nèi)地理位置固定。該型艦無動力，需要拖船拖帶進行拋錨布場，要求拋錨后被試艦地理位置相對固定。由于海上試驗參試設(shè)備多，試驗環(huán)節(jié)多，實施復(fù)雜，從爆源布放到最終的爆炸實施時間間隔較長，在此期間內(nèi)，由于海水流速、流向發(fā)生變化，以及被試艦拋錨等因素，艦位極可能發(fā)生較大漂移。對于海上試驗，必須嚴(yán)格選擇流速流向穩(wěn)定時段，并盡量縮短從爆源布放到起爆的時間，保證被試艦艦位穩(wěn)定。

2）爆距控制難度大。爆源處于水下懸浮狀態(tài)，是一個自由體，爆炸時刻爆源處于被試艦正橫方向。因此必須確保爆源與被試艦的相對位置和態(tài)勢固定。

3 艦船抗沖擊試驗常用爆源定位方法分析研究

目前國內(nèi)外艦船抗沖擊試驗常用爆源定位方法［4］有機械定位法、沖擊波零時法、GPS定位法、水聲與GPS聯(lián)測法。

3．1 機械定位法

爆源機械定位法是被試艦處于拋錨狀態(tài)下保證爆源與被試艦相對位置的一種試驗方法。適用于水面艦艇靜態(tài)抗沖擊試驗。爆源布放入水后，受到水流、風(fēng)力、涌浪等因素的綜合作用，爆源會沿著被試艦縱向及橫向方向偏移。該方法通過被試艦上固定的三條定位索（定位索長度可根據(jù)爆距要求進行調(diào)整）將被試艦和爆源連接起來，依靠海流與起爆纜保護索的拉力作用對爆源進行定位。主定位索按爆距要求控制爆源與被試艦的垂直距離，兩條輔定位索控制爆源左右偏移，確保爆源處于被試艦正橫方向。目前這種方法在國外艦船抗沖擊試驗中（像美國、韓國等國家）被經(jīng)常采用。如圖1所示。

圖1 爆源機械定位法

爆源懸浮布放后，采用破斷力大、伸縮率小的正浮力纜做定位索將爆源與被試艦連接，在三條定位索的束縛下，通過海流與起爆纜保護索的拉力作用可保證爆源始終處于被試艦下流正橫方向，可以確保爆距的穩(wěn)定，實施程序簡捷，試驗風(fēng)險減少。

3．2 沖擊波零時法

該方法通過準(zhǔn)確獲取爆炸零時信號，測量得到水下爆炸沖擊波由炸點到自由場壓力測點的時延，進而計算求取炸點到測點的距離來獲取爆距［5］。測量中炸點的零時信號利用貼在爆源上的陶瓷片（零時傳感器）在起爆瞬間給出，炸藥完全爆轟時，可將零時信號通過電纜傳送給測量設(shè)備，同時，爆炸沖擊波到達各自由場壓力測點的時間也可由測量設(shè)備記錄下來。采用的計算公式［6］如下：

式中：P為沖擊波壓力，Pmax為峰值壓力；t為沖擊波在R的消失時間；t1為沖擊波到達距離R的初始時間；θ為衰減時間；K為修正系數(shù)（與峰值壓力、炸藥當(dāng)量和海域有關(guān)，需通過試驗標(biāo)定來確定）；W為爆源所用的炸藥TNT 量；R為待測距離；A1為修正系數(shù)（若炸藥為TNT 時，其值為1．18）；R0為爆源的等效藥包半徑；C0為爆源所在水域的聲速。

從以上計算公式可以分析看出，沖擊波零時法的主要誤差源為爆距測量誤差、陣元坐標(biāo)測量誤差和解算誤差等，其中以爆距測量誤差的影響最大，且該誤差隨著爆距的增加呈逐漸增大的趨勢。因此該方法只適合于近距離抗沖擊試驗。

3．3 GPS定位法

GPS定位法是采用測量爆源水面位置和被試艦位置，然后解算二者距離的方法［7］。

GPS定位法需要在被試艦上架設(shè)天線，無論被試艦處于靜態(tài)還是動態(tài)均是可行的。不采用在爆源上架設(shè)天線，尤其對于爆源處于懸浮狀態(tài)更是如此。原因一是爆源爆炸后天線損毀，加大試驗成本，二是增加實施難度。一般采用在爆源長、短起爆電纜對接前手持天線對爆源地理坐標(biāo)進行測量，測量后爆源地理位置必須保持不變。這對于沉底布放的爆源是可行的，但對于懸浮狀態(tài)的爆源，爆源長、短起爆電纜對接至起爆一般需要30min 時間，這個時段受海況的綜合作用爆源位置會產(chǎn)生變化。GPS定位法示意如圖2所示。

圖2 GPS定位法示意圖

3．4 水聲與GPS聯(lián)測法

水聲與GPS聯(lián)測法是指對爆源的定位采用水聲與GPS聯(lián)測的方法給出爆源的大地坐標(biāo)，對被試艦位置、航向采用雙天線GPS測量給出。

定位示意見圖4所示，設(shè)基陣由三個陣元組成，各基元坐標(biāo)為（xi，yi，zi）（i＝1，2，3），目標(biāo)位置坐標(biāo)為（X，Y，Z），則可得到定位方程［8］如下：

上式中，ti為聲脈沖從目標(biāo)到各基元的傳輸時間，c為聲速。

在實際使用中，通?？稍谀繕?biāo)上安裝兼具測深功能的水聲應(yīng)答機，深度信息可通過水聲通信方式傳送至測量船上的信號處理單元。同時，通過在測量船上安裝GPS測量分機及姿態(tài)（方位、縱搖、橫搖）測量裝置，可解算出基陣陣元的大地坐標(biāo)；再通過求解定位方程組，可得到爆源的絕對大地坐標(biāo)。然后，在爆源大地坐標(biāo)、被試艦位置和航向已知的情況下，即可解算出爆源與被試艦的相對態(tài)勢，水聲與GPS聯(lián)測法示意見圖3所示。

圖3 水聲與GPS聯(lián)測法示意圖

水聲與GPS 聯(lián)測法適用于被試艦可動態(tài)航行，爆源懸浮布放和沉底布放兩種試驗態(tài)勢?？蓪Ρ醇氨辉嚺炍恢玫膭討B(tài)變化情況進行實時監(jiān)測。該方法需要在爆源上安裝水聲換能器，對布放后的爆源進行水聲測量，再利用GPS定位方法對懸浮爆源進行定位。

3．5 四種定位方法的比較

針對該型艦抗沖擊試驗特點，通過上述基本分析認為，沖擊波零時法只能作為試后數(shù)據(jù)處理時計算爆距的一個依據(jù)，無法作為實施時精確控制爆距的手段，無法對爆源布設(shè)和指揮提供參考。該方法還需要布設(shè)長短零時電纜、爆源上安裝零時傳感器等工作，對爆源處于懸浮狀態(tài)下，易發(fā)生電纜纏繞拉斷，增加試驗風(fēng)險，延長海上作業(yè)時間，加大試驗實施的難度。GPS定位法適合于爆源吊布沉底的布放方式，同時，爆源布放點的測量時機選擇極為重要，必須與布放實施緊密配合、協(xié)調(diào)一致，方能保證最佳測量效果，對于懸浮布放的爆源實施難度加大。水聲與GPS聯(lián)測法對于被試艦靜態(tài)，爆源懸浮狀態(tài)，需實時調(diào)整爆源懸浮位置難度是很大的，并且爆源懸浮狀態(tài)時，爆源受海流與風(fēng)的影響會有一定的偏蕩產(chǎn)生誤差，要調(diào)整爆距仍然需要通過機械定位法來實現(xiàn)，并且所需設(shè)備最多，實施最復(fù)雜，實施時間長（測量需要超過1小時）。機械定位法由三根定位索對爆源進行定位，在一定程度上可實時對爆源進行調(diào)整，爆距控制精確，實施難度小，試驗時間短，試驗消耗小，只是對試驗窗口要求高，必須選擇流速流向較為穩(wěn)定的時段進行，只要加強海上氣象資料研判，做好氣象預(yù)測，這個難點容易解決。因此，對于該型艦抗沖擊試驗，機械定位法是爆源定位的最佳方法，可滿足試驗要求。

4 機械定位法理論分析

通過以上分析，在該型艦抗沖擊試驗中爆源定位采用機械定位法，該方法的要求是被試艦橫流布場，爆源依靠海流的作用使定位索處于張直狀態(tài)，試驗周期在一個穩(wěn)定的流速流向內(nèi)實施。為滿足試驗要求，降低試驗風(fēng)險，定位索采用采用國標(biāo)Ф20、最大伸縮率η≤0．8%，破斷力大于2t的正浮力纜。爆源浮體采用2．1m×1．3m×0．85m 的正方體泡沫材質(zhì)，浮體吃水2／3為宜。

定位索及爆源浮體在海流的作用下受到的縱向作用力F［9］估算如下：

式中：ρ水為海水密度；V水為海水流速；CD索為定位索的阻尼系數(shù)（圓形取值為1．0）；CD漂為爆源浮體的阻尼系數(shù)（矩形取值為2．0）；S索為定位索過水面積；S漂為爆源浮體過水面積。

計算實例：

假設(shè)海水流速為2節(jié)（1．03m／s），主定位索布長68m，艦艏輔定位索布長89m，艦艉輔定位索布長87m。其中主定位索58m 漂浮水面，艦艏輔定位索70米漂浮水面，艦艉輔定位索72 米漂浮水面。計算得到：

爆源浮體受到海流的作用力為

因此，爆源浮體在海流的作用下受到約0．8t的縱向拉力?？紤]風(fēng)和涌浪及起爆纜定位索的拉伸作用，爆源浮體受到的拉力遠遠大于0．8t，在這個拉力作用下，定位索漂浮于水面部分基本處于張直的狀態(tài)。

海上實施時，海水流向與被試艦絕對垂直是很難的，稍微有一定的誤差（一般不能超過10°），考慮艦的舷高因素，定位索漂浮水面部分與懸空部分也不是絕對的直線，舷高和流向與被試艦夾角的誤差對爆距計算的修正系數(shù)可以通過試驗來標(biāo)定，試后對爆距處理時，加入修正系數(shù)可獲取爆距結(jié)果。通過試驗驗證，方案切實可行。

5 機械定位法優(yōu)化措施分析

以上分析已得出機械定位法是該型艦試驗爆源定位的最佳方法，在被試艦態(tài)勢比較穩(wěn)定的前提下，為確保爆源相對位置更接近于預(yù)設(shè)距離，且盡量確保定位索處于張直的狀態(tài)，通過對海上態(tài)勢的研判和分析，認為可供選擇的優(yōu)化措施有GPS 輔助驗證法和牽引索法。

5．1 GPS輔助驗證法

結(jié)合該型艦試驗特點，在以機械定位方法為主的基礎(chǔ)上，可采用GPS定位法進行適當(dāng)時機的監(jiān)測，以提供試驗輔助指揮，并通過定位索對爆源進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。具體方法是三根定位索與爆源浮體連接，通過被試艦絞盤將爆源絞至預(yù)定距離，完畢后用GPS定位測量方法對爆源浮體位置進行水面定位測量加以驗證。在長、短起爆纜對接前，用GPS定位測量方法再對爆源浮體位置進行水面定位測量，若爆距不符合要求（偏?。?，說明定位索未完全處于張直狀態(tài)，連接長、短起爆電纜及長起爆纜保護索，起爆前由布雷船絞盤收緊保護索（圖1）加以彌補（牽引索法）；若爆距符合要求，說明定位索基本處于張直狀態(tài)，盡量縮短長、短起爆纜對接至起爆的作業(yè)時間，減少海況因素對爆距的影響。

5．2 牽引索法

該方法很簡單，陸地準(zhǔn)備時將長起爆纜保護索（圖1）適當(dāng)加粗，確保收緊時不被拉斷。具體方法是長、短起爆纜對接前，用GPS定位法對爆源浮體位置進行水面定位測量，若爆距不符合要求，連接長、短起爆電纜及長起爆纜保護索，起爆前由布雷船絞盤收緊保護索，保護索起到沿被試艦正橫方向牽引作用；若爆距符合要求，保護索不進行收緊作業(yè)。

6 結(jié)語

在艦艇抗沖擊試驗中，爆源的定位是實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。某型艦抗沖擊試驗，針對首次進行爆源懸浮布放，爆距控制難，被試艦橫流拋錨布場的關(guān)鍵技術(shù)點，對目前國內(nèi)外常用的爆源定位方法進行了詳細的分析研究，重點對機械定位法進行了理論分析，并且在傳統(tǒng)機械定位方法基礎(chǔ)上，針對該型艦試驗特點，提出了兩種優(yōu)化方案。通過研究分析認為，加以優(yōu)化的機械定位法是適用于該型艦試驗爆源定位的最佳方法，該法可精確控制爆距，便于海上指揮，海上實施簡單，作業(yè)時間短，試驗設(shè)備少，試驗消耗少。該方法可用于解決同類實船抗沖擊試驗中的爆源定位問題。

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