張 臣，謝君紅

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

獵雷遙控艇抗爆性能試驗(yàn)方法與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

張 臣，謝君紅

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

基于獵雷遙控艇海上抗爆性能試驗(yàn)需求，提出了試驗(yàn)實(shí)施方法，并針對(duì)不同工況下水雷對(duì)獵雷遙控艇的威脅，計(jì)算分析了水雷威脅半徑分布，建立了航跡控制精度和控位誤差影響下的毀傷風(fēng)險(xiǎn)概率模型，有關(guān)試驗(yàn)與評(píng)估方法可為靶場(chǎng)試驗(yàn)和部隊(duì)作戰(zhàn)提供指導(dǎo)和參考。

獵雷;遙控艇;抗爆性能;試驗(yàn);評(píng)估

反水雷是一種重要的海上作戰(zhàn)形式，在現(xiàn)代海戰(zhàn)中具有十分重要的地位[1]。同時(shí)，反水雷作戰(zhàn)也是一項(xiàng)極其危險(xiǎn)的作戰(zhàn)任務(wù)，安全性一直是反水雷裝備的重要指標(biāo)。USV、AUV以及ROV等各種無人平臺(tái)可以替代載有作戰(zhàn)人員的反水雷艦艇進(jìn)入雷區(qū)[2]，從而確保人員和艦艇的安全,成為各國(guó)海軍反水雷裝備建設(shè)發(fā)展的方向。獵雷遙控艇作為一種獵雷USV，主要用來布放回收拖曳聲納或作為發(fā)射平臺(tái)，也可用于回收AUV或ROV。其作戰(zhàn)特點(diǎn)是由反水雷母艦遠(yuǎn)距離操控獵雷作業(yè)，自動(dòng)執(zhí)行探測(cè)識(shí)別水雷，并對(duì)水雷目標(biāo)進(jìn)行投彈滅雷或控制滅雷具滅雷等。獵雷遙控艇實(shí)現(xiàn)了無人系統(tǒng)獵雷，解決了作戰(zhàn)人員安全問題，但其自身在雷區(qū)中作業(yè)，在利用各種探測(cè)設(shè)備進(jìn)行水雷探測(cè)過程中，難以實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)所有的水雷目標(biāo)，遺漏的水雷對(duì)獵雷遙控艇具有非常大的威脅。雖然獵雷遙控艇采取了消磁降噪措施以減少聲磁輻射物理場(chǎng)，但仍可能被高靈敏度的水雷所打擊。因此，抗爆性能是獵雷遙控艇一項(xiàng)重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。本文基于某型獵雷遙控艇海上抗爆性能試驗(yàn)需求，研究試驗(yàn)實(shí)施方法，指導(dǎo)試驗(yàn)開展，分析不同工況下水雷對(duì)獵雷遙控艇的威脅，尤其是實(shí)航狀態(tài)下航跡控制精度對(duì)獵雷遙控艇的毀傷風(fēng)險(xiǎn)影響，為試驗(yàn)分析與評(píng)估提供依據(jù)。

1 獵雷遙控艇抗爆性能試驗(yàn)方法

獵雷遙控艇抗爆性能一般以某深度和某距離條件下一定當(dāng)量的沉底雷或錨雷對(duì)獵雷遙控艇的毀傷程度描述。因此，獵雷遙控艇抗爆性能試驗(yàn)的重難點(diǎn)包括：爆源的定位布放與起爆、被試艇航路控制與爆距的測(cè)量、被試艇所受沖擊強(qiáng)度的測(cè)量與毀傷評(píng)估等幾個(gè)方面。

1.1 爆源的定位布放與起爆

爆源可采用專用標(biāo)準(zhǔn)爆源，加裝水聲應(yīng)答器和起爆電纜，試驗(yàn)時(shí)在預(yù)定布放點(diǎn)采用吊布方式布放，同時(shí)測(cè)量布放點(diǎn)水深和水面坐標(biāo)，采用水面GPS與水聲聯(lián)測(cè)方法[3]，對(duì)爆源進(jìn)行定位。當(dāng)獵雷遙控艇機(jī)動(dòng)到預(yù)定爆距時(shí)，使用起爆裝置通過起爆電纜加電起爆爆源。

1.2 獵雷遙控艇航路控制與爆距的測(cè)量

被試艇由母艦進(jìn)行遙控控制，按規(guī)劃航路逆流航行，艇上加裝GPS，定位測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算被試艇與爆源正橫距離，并指揮母艦修正被試艇航路，保證被試艇在正橫經(jīng)過爆源時(shí)爆距符合試驗(yàn)要求。為保證被試艇不發(fā)生不可修復(fù)性損傷，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采取由遠(yuǎn)及近的原則，當(dāng)接近被試艇抗爆性能極限時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)態(tài)勢(shì)見圖1。

圖1 試驗(yàn)態(tài)勢(shì)圖

1.3 沖擊強(qiáng)度測(cè)量與抗爆性能評(píng)估

在被試艇上對(duì)殼體、拖體等重要部位和薄弱部位，加裝壓力、應(yīng)變、加速度等沖擊測(cè)量傳感器，安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無線傳輸控制系統(tǒng)。爆源起爆前，爆炸測(cè)量系統(tǒng)無線啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，爆炸結(jié)束后，回收測(cè)量數(shù)據(jù)。試后，檢查和測(cè)試獵雷遙控艇各設(shè)備工作狀況以及艇體、拖體等破損情況。依據(jù)檢查情況、爆距數(shù)據(jù)、爆炸沖擊測(cè)量數(shù)據(jù)等綜合評(píng)估獵雷遙控艇的抗爆性能。

2 水雷對(duì)獵雷遙控艇的威脅

2.1 裝藥水中爆炸作用

裝藥在無限場(chǎng)水中爆炸后，裝藥能量主要以沖擊波及氣泡脈動(dòng)兩種形式向外傳播[3-5]，對(duì)于TNT裝藥，沖擊波能、氣泡能分別占爆轟總能量的53%和47%；對(duì)一些非理想炸藥(如含鋁炸藥)，氣泡能則超過沖擊能[6]，成為殺傷目標(biāo)的主要能量。對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)非接觸爆炸，尤其是爆距遠(yuǎn)大于氣泡最大半徑時(shí)，沖擊波的破壞起著決定性作用。

2.2 水雷爆炸毀傷計(jì)算

處在海底的沉底雷(靜態(tài))或水中錨雷(準(zhǔn)靜態(tài))爆炸對(duì)獵雷遙控艇的破壞，大致可分為兩種情況:一種是近距離爆炸,即裝藥與目標(biāo)距離小于氣泡的最大半徑,這時(shí)沖擊波、氣泡能作用于目標(biāo),會(huì)引起艇體局部的嚴(yán)重破壞;另一種是較遠(yuǎn)距離處爆炸,即裝藥與目標(biāo)的距離大于氣泡的最大半徑,目標(biāo)主要受到?jīng)_擊波的作用,艇體可能產(chǎn)生變形、裂縫等破壞。考慮獵雷遙控抗爆性能試驗(yàn)工況，在計(jì)算毀傷概率時(shí),只計(jì)及沖擊波的破壞力[7]，即

(1)

式(1)中:Pm為沖擊波峰值壓強(qiáng)(kg/cm2);G為水雷TNT當(dāng)量裝藥量(kg)；Rg為非接觸炸點(diǎn)與目標(biāo)的距離(m)。

一般認(rèn)為，當(dāng)Pmgt;450 kg/cm2時(shí),水雷可毀傷艦艇;Pmgt;300 kg/cm2時(shí),可擊沉潛艇;當(dāng)Pm=100 kg/cm2時(shí),可造成艦艇部分機(jī)械毀傷和外殼變形。一般船舶的安全距離應(yīng)保證船舶所受沖擊波壓強(qiáng)小于50 kg/cm2至60 kg/cm2，而反水雷艦艇抗爆性能優(yōu)于一般艦船。

2.3 水雷對(duì)獵雷遙控艇的威脅半徑

水雷對(duì)獵雷遙控艇的威脅取決于爆距Rg，但無論從作戰(zhàn)航路規(guī)劃還是從抗爆試驗(yàn)安全控制，我們更加關(guān)心水雷能夠毀傷獵雷遙控艇的最大橫距，可定義其為水雷威脅半徑R。水雷威脅半徑是水雷對(duì)獵雷遙控艇這一特定目標(biāo)的毀傷半徑,即不同水深H條件下，Rg在水面的投影，如圖2所示。

圖2 水雷威脅半徑示意圖

根據(jù)幾何關(guān)系，可以得出：

(2)

對(duì)于沉底水雷,不同的水深對(duì)應(yīng)不同的水雷威脅半徑。對(duì)于水中一定深度上的錨雷,其雷位深度隨海流緩慢改變,水雷危險(xiǎn)半徑也在緩慢變化，可用其偏降值極值計(jì)算。本文以獵雷遙控艇所受沖擊波峰值壓強(qiáng)為60 kg/cm2作為邊界值，對(duì)不同工況下水雷威脅進(jìn)行計(jì)算與分析。不同裝藥水雷威脅半徑相對(duì)不同，為保證計(jì)算分析的一致性，均以水雷TNT當(dāng)量表征。

2.3.1 500 kg TNT當(dāng)量沉底水雷威脅半徑

設(shè)沉底水雷為500 kg TNT當(dāng)量，水雷爆炸深度分別為20 m、30 m、40 m時(shí)，爆距Rg為40～100 m，依據(jù)式(1)和式(2)可計(jì)算得出獵雷遙控艇所受沖擊波峰值壓強(qiáng)和水雷威脅半徑(見表1)，對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)：隨爆距增加,水雷爆炸能量按指數(shù)衰減，隨深度增加，水雷威脅半徑呈減小趨勢(shì)。以30 m水深為例,Rg為60 m，Pm為54.20 kg/cm2，R僅為52 m，獵雷遙控艇相對(duì)安全；當(dāng)Rg為50 m，Pm為66.60 kg/cm2，R為40 m，獵雷遙控艇將有毀傷風(fēng)險(xiǎn)。

表1 不同深度水雷威脅半徑分布(G=500 kg)

2.3.2 1 000 kg TNT當(dāng)量沉底水雷威脅半徑

設(shè)沉底水雷為1 000 kg TNT當(dāng)量，水雷爆炸深度H分別為30 m、40 m、50 m時(shí)，爆距Rg為50～100 m，計(jì)算得出獵雷遙控艇所受沖擊波峰值壓強(qiáng)和水雷威脅半徑(表2)，與表1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)爆距Rg為70 m時(shí)，Pm為59.12 kg/cm2，達(dá)到獵雷遙控艇威脅邊界，R為63.25 m(H=30 m)。同樣深度條件下,水雷裝藥量越大,水雷威脅半徑也越大，危險(xiǎn)性大大增強(qiáng)。

表2 不同深度水雷威脅半徑分布(G=1 000 kg)

2.3.3 水中錨雷威脅半徑

設(shè)錨雷為240 kg TNT當(dāng)量,定深為6 m、12 m、16 m(含偏降極值),考察其威脅半徑分布。由表3中數(shù)據(jù)可知,水雷威脅半徑約為50 m,且隨著定深增大,變化不大。水中錨雷相比沉底雷對(duì)獵雷遙控艇構(gòu)成的威脅更大。

表3 不同定深錨雷威脅半徑分布(G=240 kg)

3 獵雷遙控艇毀傷風(fēng)險(xiǎn)與控制方法

3.1 獵雷遙控艇毀傷風(fēng)險(xiǎn)概率

獵雷遙控艇毀傷風(fēng)險(xiǎn)概率是其所受沖擊波峰值壓強(qiáng)不小于60 kg/cm2條件下，由于控位精度或航跡誤差影響使其小于水雷威脅半徑R的概率。取獵雷遙控艇中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，逆流方向?yàn)閤軸,水面垂直于X軸為Y軸(如圖3所示)。設(shè)隨機(jī)點(diǎn)落在圓周上任一小段等長(zhǎng)的弧上的概率相同,即可求出此點(diǎn)橫坐標(biāo)的概率密度。

圖3 獵雷遙控艇毀傷風(fēng)險(xiǎn)概率圓

x=cosθ在[-π，π]上是分段單調(diào)函數(shù)，如圖4所示。

{X≤x}={-π≤Θ≤-θ1}∪{-θ1≤Θ≤π}

圖4 [-π，π]分段單調(diào)函數(shù)

F(x)=P{X≤x}=

P{-π≤Θ≤-θ1}+P{θ1≤Θ≤π}=

當(dāng)x=±R時(shí)，F(xiàn)(x)不存在。得出X的概率密度為：

考慮航跡控制精度或控位誤差影響，利用概率密度求隨機(jī)變量X落入某一區(qū)間的概率為：

(3)

式(3)中，a為下限值，b為上限值。例如，R=60 m，航跡控制精度為10 m，則a=50,b≤60，若取b=59 m，由式(3)可得：

受航跡控制精度影響，獵雷遙控艇將承受12.82%毀傷風(fēng)險(xiǎn)。同理，當(dāng)精度值為5 m時(shí)，可計(jì)算得出，獵雷遙控艇毀傷風(fēng)險(xiǎn)降為7.60%，由此可見，控制精度提高了5 m，毀傷風(fēng)險(xiǎn)降低了40%。因此，獵雷遙控艇抗爆性能試驗(yàn)評(píng)估中，應(yīng)充分考慮航跡控制精度帶來的被試艇安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 獵雷遙控艇毀傷風(fēng)險(xiǎn)控制方法

試驗(yàn)中爆源為1 000 kg TNT當(dāng)量沉底水雷，H=40 m，R=60 m。

由式(1)、式(2)分別得出pm=57.17 kg/cm2，Rg=72.11 m，被試艇安全，但當(dāng)航跡控制精度為10 m，則pm最大值為65.39 kg/cm2，Rg=64.03 m，獵雷遙控艇將承受13%毀傷風(fēng)險(xiǎn)。

若要保證試驗(yàn)被試艇安全，由被試艇pm=60 kg/cm2和式(1)得出Rg=69.1 m，由式(2)得出R=56.34 m，考慮航跡控制精度為10 m，則R不小于66.34 m，試驗(yàn)中，應(yīng)按照由遠(yuǎn)及近原則，可依次設(shè)置爆炸橫距100 m、90 m、80 m、70 m。試驗(yàn)后，通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)pm值、Rg值與理論值比對(duì)，考慮測(cè)量誤差、海底反射效應(yīng)[8]等因素，即可推算出被試艇抗爆性能臨界值。同時(shí)，每次爆炸后檢查和測(cè)試獵雷遙控艇各設(shè)備工作狀況以及艇體、拖體等破損情況，綜合評(píng)估獵雷遙控艇抗爆性能。

4 結(jié)論

目前，國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了各種反獵水雷，用于對(duì)獵雷艇、獵雷聲納或滅雷具實(shí)施攻擊，當(dāng)目標(biāo)抵近水雷的識(shí)別距離時(shí)，自導(dǎo)水雷可根據(jù)聲納波束導(dǎo)向被攻擊的目標(biāo)，這對(duì)獵雷遙控艇抗爆性能提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文基于獵雷遙控艇抗爆性能試驗(yàn)需求，僅對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波能作用下獵雷遙控艇所受威脅進(jìn)行了計(jì)算分析與評(píng)估，對(duì)接觸爆炸和近場(chǎng)爆炸條件下，尤其是氣泡脈動(dòng)和海底反射效應(yīng)下對(duì)獵雷遙控艇毀傷影響還需進(jìn)一步研究。本文提出的獵雷遙控艇抗爆性能試驗(yàn)與評(píng)估方法，不同工況下的水雷威脅半徑，以及航跡控制精度或控位誤差對(duì)獵雷遙控艇毀傷風(fēng)險(xiǎn)影響，可為靶場(chǎng)試驗(yàn)和部隊(duì)作戰(zhàn)提供指導(dǎo)和參考。

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(責(zé)任編輯周江川)

TestandEvaluationMethodsofAnti-ExposionPerformanceforRemoteMinehuntingBoats

ZHANG Chen, XIE Junhong

(The No. 91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China)

Based on the demand of anti-exposion performance test on the sea for minehunting remote control boat, the implement method of test is advanced in this paper. It is aimed at the threat of minehunting remote control boat from mine at different conditions, and the distribution of mine threat radius is calculated and analyzed, and the damage probability model under the influence of path automatic control accuracy and control error is established. It is important that the test and evaluation methods can be reference provided to range test and army operations.

minehunting; remote-control boat; anti-exposion performance; test; evaluation

2017-07-02；

2017-07-30

張臣(1979—)，男，工程師，主要從事水中兵器試驗(yàn)總體技術(shù)研究。

裝備理論與裝備技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.003

本文引用格式：張臣，謝君紅.獵雷遙控艇抗爆性能試驗(yàn)方法與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):13-16.

formatZHANG Chen, XIE Junhong.Test and Evaluation Methods of Anti-Exposion Performance for Remote Minehunting Boats[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):13-16.

TJ610.1

A

2096-2304(2017)11-0013-04