邵建軍

(中國(guó)人民解放軍 91439部隊(duì),遼寧 大連,116041)

一種爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)艦船毀傷效能評(píng)估方法

邵建軍

(中國(guó)人民解放軍 91439部隊(duì),遼寧 大連,116041)

魚雷戰(zhàn)斗部毀傷效果評(píng)估直接關(guān)系到對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的判斷。基于此,文中提出一種爆破型魚雷戰(zhàn)斗部毀傷效能評(píng)估方法,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,介紹了毀傷指標(biāo)量化方法及評(píng)估步驟。該方法基于層次分析理論及專家調(diào)查數(shù)據(jù)給出爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)典型水面艦艇毀傷效能指標(biāo)體系的底層指標(biāo)相對(duì)權(quán)重,以計(jì)算得到毀傷綜合評(píng)估值?；诨疑u(píng)估理論,開展爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)特定目標(biāo)水面艦艇毀傷等級(jí)的計(jì)算及判定方法研究,并參照灰色等級(jí)賦值,可評(píng)估艦船的毀傷等級(jí)。文中方法可實(shí)現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)條件下爆破型魚雷戰(zhàn)斗部毀傷效能快速評(píng)估。

爆破型魚雷戰(zhàn)斗部; 毀傷效能; 評(píng)估

0 引言

作為水中兵器作戰(zhàn)效能的重要部分,針對(duì)爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)海上艦船目標(biāo)的毀傷評(píng)估直接關(guān)系到戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的判斷,成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。影響爆破型魚雷戰(zhàn)斗部毀傷效能的主要因素包括魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力、雷目交會(huì)條件及目標(biāo)特性3大類[3]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)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(yàn)研究[7-11],取得了部分成果。在水中爆炸威力評(píng)估方面,由于水中爆炸毀傷效能為爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波能及氣泡能耦合作用的結(jié)果,綜合國(guó)內(nèi)外水中爆炸威力評(píng)估研究現(xiàn)狀,僅能夠?qū)崿F(xiàn)理想炸藥在自由場(chǎng)條件下的爆炸威力評(píng)估,非理想炸藥的爆炸威力評(píng)估仍存在諸多未解決的問(wèn)題。在目標(biāo)特性評(píng)估方面,艦船目標(biāo)的毀傷機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,包括材料、結(jié)構(gòu)等多學(xué)科問(wèn)題[12-13],目前還沒(méi)有可行的在一定能量輸入條件下對(duì)特定目標(biāo)毀傷等級(jí)判斷的數(shù)學(xué)解析方法。因此,開展爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)艦船毀傷效能的評(píng)估方法研究,探索一種適用于水中兵器設(shè)計(jì)、試驗(yàn)鑒定部門科學(xué)考核及戰(zhàn)場(chǎng)指揮員進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)判斷的毀傷能力簡(jiǎn)便快捷計(jì)算方法,意義顯著。

毀傷效能評(píng)估主要分2步: 1) 構(gòu)建評(píng)估效能的指標(biāo)體系; 2) 根據(jù)指標(biāo)體系選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)估方法、建立正確的評(píng)估模型并求出綜合評(píng)估值。

文獻(xiàn)[14]和[15]在采用專家評(píng)估分析法確定武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)權(quán)重后,運(yùn)用灰色評(píng)估理論構(gòu)建了評(píng)估模型,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該模型的可行性。由此可得,利用文獻(xiàn)[3]已建立的爆破型魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)體系,采用灰色層次分析法也應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)艦船的毀傷效能評(píng)估,但將文獻(xiàn)[14]和[15]的方法應(yīng)用于爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)典型水面艦艇的毀傷評(píng)估還存在部分未解決的實(shí)際問(wèn)題。一方面,采用灰色層次分析法的主要實(shí)現(xiàn)手段是通過(guò)專家對(duì)底層指標(biāo)重要性打分實(shí)現(xiàn),由于專家對(duì)事前信息的掌握還不完備,必然導(dǎo)致專家對(duì)指標(biāo)的打分無(wú)法充分反映毀傷效能的真實(shí)程度,則受戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)影響程度較小的戰(zhàn)斗部爆炸威力因素應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定,而影響因素較多的雷目交會(huì)條件及目標(biāo)特性指標(biāo)可以采用灰色層次分析理論進(jìn)行評(píng)估。另一方面,文獻(xiàn)[14]和[15]中所列各分項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系均為相互獨(dú)立型關(guān)系,而爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)艦船的毀傷分項(xiàng)指標(biāo)不是相互獨(dú)立型關(guān)系。因此,文中重點(diǎn)研究的是已建立的爆破型魚雷戰(zhàn)斗部毀傷效能指標(biāo)體系中各分項(xiàng)指標(biāo)的相互關(guān)系,繼而建立三位一體的毀傷效能評(píng)估模型即基于戰(zhàn)斗部威力-目標(biāo)特性-雷目交會(huì)條件毀傷評(píng)估模型,研究爆炸威力指標(biāo)的客觀計(jì)算方法,通過(guò)灰色層次分析法的毀傷效能評(píng)估手段,研究毀傷效能的評(píng)估方法及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 毀傷評(píng)估模型建立

系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)是指對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)程度的定量描述結(jié)果,是評(píng)價(jià)、比較系統(tǒng)效能的具體尺度。因此,構(gòu)建適當(dāng)?shù)男苤笜?biāo)是系統(tǒng)效能分析的首要問(wèn)題,效能指標(biāo)必須能夠反映系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果,爆破型魚雷戰(zhàn)斗部毀傷效能指標(biāo)體系中第2層分指標(biāo)即戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)、目標(biāo)特性指標(biāo)以及雷目交會(huì)條件指標(biāo)構(gòu)成具有線性相關(guān)性的相互不可偏廢型指標(biāo)[16],則爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)艦船的毀傷效能評(píng)估模型為

式中:U為爆破型魚雷對(duì)艦船的毀傷性能評(píng)估值;U1為戰(zhàn)斗部爆炸威力賦值;U2為雷目交會(huì)條件賦值;U3為目標(biāo)特性評(píng)估值。

對(duì)于戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo),接觸爆炸條件下沖擊波為主要?dú)饔?則初始沖擊波能為主要威力指標(biāo); 非接觸爆炸條件下為沖擊波及氣泡脈動(dòng)壓力聯(lián)合作用的結(jié)果,則沖擊波能及氣泡能為爆炸威力指標(biāo)。底層指標(biāo)為相互獨(dú)立型指標(biāo)。

對(duì)于雷目交會(huì)條件指標(biāo),非接觸爆炸中爆炸深度及攻角會(huì)對(duì)毀傷效果產(chǎn)生影響,底層指標(biāo)為相互獨(dú)立型指標(biāo); 接觸爆炸則不存在爆炸深度及攻角因素影響,雷目交會(huì)條件按毀傷能力最強(qiáng)類別計(jì)算。

對(duì)于目標(biāo)特性指標(biāo),其中的底層指標(biāo)可看作一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)即線性無(wú)關(guān)的相互獨(dú)立型指標(biāo)[16]。

2 毀傷指標(biāo)量化方法及評(píng)估步驟

2.1 戰(zhàn)斗部爆炸威力量化打分方法

魚雷爆炸對(duì)艦船的毀傷為沖擊波、氣泡脈動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波能和氣泡能耦合作用的結(jié)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(dòng)過(guò)程中為產(chǎn)生上浮垂直運(yùn)動(dòng),在氣泡壓縮至最小體積對(duì)周圍流體產(chǎn)生作用時(shí)的位置已經(jīng)變化。因此,水中爆炸產(chǎn)生沖擊波壓力的位置與產(chǎn)生脈動(dòng)壓力的位置不可能相同。只要魚雷在船底爆炸,可以認(rèn)為氣泡能的作用為接觸爆炸作用方式。沖擊波在向前推進(jìn)過(guò)程中,由于波頭內(nèi)壓力和速度下降會(huì)導(dǎo)致能量的衰減,且在魚雷戰(zhàn)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(shí)受引信作用機(jī)制、作戰(zhàn)區(qū)域海況及艦船吃水深度等多種因素的影響,會(huì)形成魚雷在爆炸零時(shí)與艦船距離的差異,進(jìn)而導(dǎo)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(jié)果,應(yīng)該是衰減后剩余能量作用的結(jié)果,可表示為

式中:W為戰(zhàn)斗部海上實(shí)戰(zhàn)爆炸能量,MJ;k1為裝藥氣泡能 TNT當(dāng)量系數(shù);k2為裝藥沖擊波能TNT當(dāng)量系數(shù);為沖擊波能衰減系數(shù);m為裝藥質(zhì)量,kg。

由于魚雷外表面附近的超高壓力會(huì)破壞用于測(cè)量的傳感器,對(duì)于魚雷戰(zhàn)斗部爆炸附近距離沖擊波的衰減系數(shù)只能通過(guò)理論計(jì)算近似獲得。圖1是根據(jù)文獻(xiàn)[17]計(jì)算結(jié)果繪出的 7倍藥包半徑之內(nèi)沖擊波能量衰減曲線。

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

圖1 中,A為沖擊波能計(jì)算曲線,B為根據(jù)計(jì)算值A(chǔ)進(jìn)行的沖擊波能擬合曲線,并給出了擬合衰減系數(shù)計(jì)算公式

式中,為與船底爆炸距離對(duì)戰(zhàn)斗部半徑比。

通過(guò)式(2)可見,無(wú)論是接觸爆炸抑或非接觸爆炸,都可根據(jù)作戰(zhàn)當(dāng)時(shí)海況、目標(biāo)艦船實(shí)際吃水深度、魚雷引信起爆深度給出魚雷作用于目標(biāo)艦船的快速準(zhǔn)確能量計(jì)算。

實(shí)現(xiàn)魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力的評(píng)估,必須給出爆炸能量與艦船的關(guān)系,可將達(dá)到艦船沉沒(méi)時(shí)所需的魚雷爆炸能量賦值 100。綜合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究數(shù)據(jù)得出,水中爆炸對(duì)艦船的毀傷與艦船排水量具有正比例的線性相關(guān)性

式中:T為艦船排水量,t;為徹底毀傷常數(shù),MJ/t。

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),3 000 t級(jí)無(wú)防護(hù)驅(qū)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(qiáng)度。根據(jù)式(4)算得徹底毀傷常數(shù)為 0.722,則魚雷對(duì)無(wú)防護(hù)水面艦船在船底部爆炸威力毀傷賦值

2.2 雷目交會(huì)條件賦值方法

雷目交會(huì)條件對(duì)爆炸威力產(chǎn)生較大影響。爆炸毀傷形式、接觸部位及爆炸深度等交會(huì)條件的不同會(huì)導(dǎo)致魚雷爆炸威力較大的區(qū)別,與魚雷爆炸威力構(gòu)成不可偏廢型的關(guān)系。前述爆炸威力的賦值方法是在最佳雷目交會(huì)條件及目標(biāo)特性最薄弱環(huán)節(jié)得到,則根據(jù)魚雷爆炸威力與雷目交會(huì)條件關(guān)系可判斷,毀傷效能數(shù)值分布在0～1區(qū)間。數(shù)值“1”表示毀傷程度最嚴(yán),數(shù)值“0”表示0毀傷交會(huì)條件。對(duì)于特定魚雷,由于戰(zhàn)斗部引信作用方式明確,則魚雷對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷形式已經(jīng)明確。目標(biāo)的毀傷部位對(duì)毀傷程度的影響可通過(guò)專家打分,采用層次分析法得出,但對(duì)模糊問(wèn)題的處理精度較差。灰色層次分析法是灰色系統(tǒng)理論與層次分析法相結(jié)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(quán)”的數(shù)值是按灰色系統(tǒng)理論計(jì)算得出的。因此,灰色系統(tǒng)理論在評(píng)估過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)模糊目標(biāo)的確切描述。無(wú)論接觸爆炸還是非接觸爆炸,由于戰(zhàn)時(shí)海況、魚雷及目標(biāo)艦的航向航速等情況難以精確掌握,魚雷對(duì)目標(biāo)的爆炸部位、爆炸深度及攻角難以事前準(zhǔn)確判斷,可采用灰色層次分析法,由專家打分,得出評(píng)估值。

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

2.3 目標(biāo)特性賦值方法

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

表1 雷目交會(huì)條件毀傷強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)判等級(jí)分值及評(píng)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(guó)內(nèi)關(guān)于爆炸沖擊載荷抗毀傷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究成果,采用金屬夾芯結(jié)構(gòu)、超彈性抗沖瓦、雙層底結(jié)構(gòu)等抗毀傷措施后,目標(biāo)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(shè)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(yīng)值約為敷設(shè)了超彈性覆蓋層金屬板的1.5倍[20],雙層底結(jié)構(gòu)安全半徑為單層底結(jié)構(gòu)的1.3倍[21],則將目標(biāo)特性最大閾值設(shè)為“2”,數(shù)值在 1～2 區(qū)間?！?”表示抗毀傷特性最差,“2”表示抗毀傷特性最強(qiáng)?？蓪⑵浒纯箽麖?qiáng)度等級(jí)分為 5類[22](見表2): A類(抗毀傷能力最強(qiáng)); B類(抗毀傷能力較強(qiáng)); C類(抗毀傷能力一般); D類(抗毀傷能力較差); E類(無(wú)抗毀傷能力)。

表2 艦船目標(biāo)特性抗毀傷能力評(píng)判等級(jí)分值及評(píng)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(jí)確定

從海戰(zhàn)和海損的實(shí)例來(lái)看,戰(zhàn)斗艦船典型破壞形式主要表現(xiàn)在: 船體破損進(jìn)水、傾覆或沉沒(méi);艦船起火或爆炸; 技術(shù)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(jié)構(gòu)將產(chǎn)生局部區(qū)域的破口,從而造成艦船結(jié)構(gòu)的局部破損毀傷。局部結(jié)構(gòu)破損毀傷的后果主要是造成艦船進(jìn)水和浮力損失,以及艦船結(jié)構(gòu)總縱剩余強(qiáng)度的損失。當(dāng)艦船破損剩余強(qiáng)度不足時(shí),在自然環(huán)境載荷作用下,艦船結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生總縱彎曲破壞。魚雷對(duì)艦船毀傷等級(jí)量化賦值如下[22](見表3): A類(艦船沉沒(méi),為徹底毀傷); B類(艦船無(wú)作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)能力,為嚴(yán)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(wú)損失,為0毀傷)。

表3 艦船毀傷評(píng)判等級(jí)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(píng)估步驟

基于灰色層次分析法的艦船毀傷評(píng)估步驟可參考文獻(xiàn)[14]和[15]進(jìn)行,區(qū)別是爆炸威力指標(biāo)需進(jìn)行計(jì)算得到,將采用灰色理論得到的雷目交會(huì)條件數(shù)值及目標(biāo)特性數(shù)值代入式(1)得到毀傷綜合評(píng)估值,參照毀傷等級(jí)賦值,可評(píng)估該魚雷對(duì)目標(biāo)艦的毀傷等級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在全面分析目前開展效能評(píng)估方法的基礎(chǔ)上,建立了基于戰(zhàn)斗部威力-目標(biāo)特性-雷目交會(huì)條件的三位一體的毀傷評(píng)估模型,給出了爆炸威力指標(biāo)的計(jì)算方法,采用灰色層次分析法得到雷目交會(huì)條件、目標(biāo)特性抗毀傷性能的評(píng)估值,進(jìn)而得到毀傷效能評(píng)估值、判斷毀傷等級(jí)的研究路線。

采用灰色層次分析法進(jìn)行評(píng)估主要是依靠專家的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn),必然導(dǎo)致專家對(duì)指標(biāo)的打分與真實(shí)的毀傷效能存在誤差。理想的方法是針對(duì)不同的魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力、雷目交會(huì)條件及目標(biāo)特性建立準(zhǔn)確的計(jì)算輸入模型,得到高精度的艦船毀傷評(píng)估結(jié)論,為未來(lái)海戰(zhàn)作戰(zhàn)指揮提供技術(shù)支撐。由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下雷目交會(huì)條件的復(fù)雜性、目標(biāo)抗毀傷機(jī)理的復(fù)雜性,目前還難以實(shí)現(xiàn)高精度的魚雷戰(zhàn)斗部毀傷效能建模,仍需進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷積累,以實(shí)現(xiàn)爆破型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)艦船的快速毀傷評(píng)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(zhàn)斗部對(duì)艦船毀傷效能評(píng)估方法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào),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(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樗斜ㄍεc毀傷評(píng)估.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)