某型舰抗冲击试验爆源定位方法研究＊

（91439部队 大连 116041）

1 引言

舰艇抗冲击试验是对舰船船体结构及舰载设备抗冲击能力的一种接近实战的考核方法［1～3］，被试舰与爆源之间的准确定位是舰艇抗冲击试验实施的关键环节，对数据结果分析和最终舰船抗冲击毁伤能力评定起着重要的作用，这也是试验组织单位、舰船设计单位、作战部队都密切关注的一个问题。在舰船抗冲击试验中，目前国内外常用的爆源定位方法有机械定位法、冲击波零时法、GPS水面定位法和水声与GPS联测法四种定位方法。

某型舰抗冲击试验要求爆源正横于被试舰且悬浮水下爆炸。该型舰无动力，爆源布放入水后，无法实时调整该舰与爆源的相对位置，为精确控制爆距，必须采用被试舰横流抛锚布场，爆源与被试舰软性连接，依靠海流的作用控制爆距的方法。爆源布放入水至起爆过程会受到水流、风力、涌浪等因素的影响，使被试舰和爆源的相对位置和态势产生较大不确定性。

本文研究背景是针对该型舰试验特点，为实时、精确控制被试舰与爆源的相对位置和态势，保证爆炸试验在预设距离上进行，控制试验风险、保证试验实施效果，对目前国内外舰船抗冲击试验中常用的定位方法进行深入研究，以获得适用于该型舰的爆源最佳定位方法。

2 某型舰抗冲击海上试验特点

为准确获取某型舰船体结构及舰载设备的抗冲击能力，摸清该舰抗水下非接触爆炸冲击安全半径，为舰船设计单位提供技术支撑。在海上利用大当量爆源对该型舰进行水下悬浮爆炸，按不同爆距试验工况对其进行多次爆炸。具有如下试验特点：

1）被试舰在试验周期内地理位置固定。该型舰无动力，需要拖船拖带进行抛锚布场，要求抛锚后被试舰地理位置相对固定。由于海上试验参试设备多，试验环节多，实施复杂，从爆源布放到最终的爆炸实施时间间隔较长，在此期间内，由于海水流速、流向发生变化，以及被试舰抛锚等因素，舰位极可能发生较大漂移。对于海上试验，必须严格选择流速流向稳定时段，并尽量缩短从爆源布放到起爆的时间，保证被试舰舰位稳定。

2）爆距控制难度大。爆源处于水下悬浮状态，是一个自由体，爆炸时刻爆源处于被试舰正横方向。因此必须确保爆源与被试舰的相对位置和态势固定。

3 舰船抗冲击试验常用爆源定位方法分析研究

目前国内外舰船抗冲击试验常用爆源定位方法［4］有机械定位法、冲击波零时法、GPS定位法、水声与GPS联测法。

3．1 机械定位法

爆源机械定位法是被试舰处于抛锚状态下保证爆源与被试舰相对位置的一种试验方法。适用于水面舰艇静态抗冲击试验。爆源布放入水后，受到水流、风力、涌浪等因素的综合作用，爆源会沿着被试舰纵向及横向方向偏移。该方法通过被试舰上固定的三条定位索（定位索长度可根据爆距要求进行调整）将被试舰和爆源连接起来，依靠海流与起爆缆保护索的拉力作用对爆源进行定位。主定位索按爆距要求控制爆源与被试舰的垂直距离，两条辅定位索控制爆源左右偏移，确保爆源处于被试舰正横方向。目前这种方法在国外舰船抗冲击试验中（像美国、韩国等国家）被经常采用。如图1所示。

图1 爆源机械定位法

爆源悬浮布放后，采用破断力大、伸缩率小的正浮力缆做定位索将爆源与被试舰连接，在三条定位索的束缚下，通过海流与起爆缆保护索的拉力作用可保证爆源始终处于被试舰下流正横方向，可以确保爆距的稳定，实施程序简捷，试验风险减少。

3．2 冲击波零时法

该方法通过准确获取爆炸零时信号，测量得到水下爆炸冲击波由炸点到自由场压力测点的时延，进而计算求取炸点到测点的距离来获取爆距［5］。测量中炸点的零时信号利用贴在爆源上的陶瓷片（零时传感器）在起爆瞬间给出，炸药完全爆轰时，可将零时信号通过电缆传送给测量设备，同时，爆炸冲击波到达各自由场压力测点的时间也可由测量设备记录下来。采用的计算公式［6］如下：

式中：P为冲击波压力，Pmax为峰值压力；t为冲击波在R的消失时间；t1为冲击波到达距离R的初始时间；θ为衰减时间；K为修正系数（与峰值压力、炸药当量和海域有关，需通过试验标定来确定）；W为爆源所用的炸药TNT 量；R为待测距离；A1为修正系数（若炸药为TNT 时，其值为1．18）；R0为爆源的等效药包半径；C0为爆源所在水域的声速。

从以上计算公式可以分析看出，冲击波零时法的主要误差源为爆距测量误差、阵元坐标测量误差和解算误差等，其中以爆距测量误差的影响最大，且该误差随着爆距的增加呈逐渐增大的趋势。因此该方法只适合于近距离抗冲击试验。

3．3 GPS定位法

GPS定位法是采用测量爆源水面位置和被试舰位置，然后解算二者距离的方法［7］。

GPS定位法需要在被试舰上架设天线，无论被试舰处于静态还是动态均是可行的。不采用在爆源上架设天线，尤其对于爆源处于悬浮状态更是如此。原因一是爆源爆炸后天线损毁，加大试验成本，二是增加实施难度。一般采用在爆源长、短起爆电缆对接前手持天线对爆源地理坐标进行测量，测量后爆源地理位置必须保持不变。这对于沉底布放的爆源是可行的，但对于悬浮状态的爆源，爆源长、短起爆电缆对接至起爆一般需要30min 时间，这个时段受海况的综合作用爆源位置会产生变化。GPS定位法示意如图2所示。

图2 GPS定位法示意图

3．4 水声与GPS联测法

水声与GPS联测法是指对爆源的定位采用水声与GPS联测的方法给出爆源的大地坐标，对被试舰位置、航向采用双天线GPS测量给出。

定位示意见图4所示，设基阵由三个阵元组成，各基元坐标为（xi，yi，zi）（i＝1，2，3），目标位置坐标为（X，Y，Z），则可得到定位方程［8］如下：

上式中，ti为声脉冲从目标到各基元的传输时间，c为声速。

在实际使用中，通常可在目标上安装兼具测深功能的水声应答机，深度信息可通过水声通信方式传送至测量船上的信号处理单元。同时，通过在测量船上安装GPS测量分机及姿态（方位、纵摇、横摇）测量装置，可解算出基阵阵元的大地坐标；再通过求解定位方程组，可得到爆源的绝对大地坐标。然后，在爆源大地坐标、被试舰位置和航向已知的情况下，即可解算出爆源与被试舰的相对态势，水声与GPS联测法示意见图3所示。

图3 水声与GPS联测法示意图

水声与GPS 联测法适用于被试舰可动态航行，爆源悬浮布放和沉底布放两种试验态势。可对爆源及被试舰位置的动态变化情况进行实时监测。该方法需要在爆源上安装水声换能器，对布放后的爆源进行水声测量，再利用GPS定位方法对悬浮爆源进行定位。

3．5 四种定位方法的比较

针对该型舰抗冲击试验特点，通过上述基本分析认为，冲击波零时法只能作为试后数据处理时计算爆距的一个依据，无法作为实施时精确控制爆距的手段，无法对爆源布设和指挥提供参考。该方法还需要布设长短零时电缆、爆源上安装零时传感器等工作，对爆源处于悬浮状态下，易发生电缆缠绕拉断，增加试验风险，延长海上作业时间，加大试验实施的难度。GPS定位法适合于爆源吊布沉底的布放方式，同时，爆源布放点的测量时机选择极为重要，必须与布放实施紧密配合、协调一致，方能保证最佳测量效果，对于悬浮布放的爆源实施难度加大。水声与GPS联测法对于被试舰静态，爆源悬浮状态，需实时调整爆源悬浮位置难度是很大的，并且爆源悬浮状态时，爆源受海流与风的影响会有一定的偏荡产生误差，要调整爆距仍然需要通过机械定位法来实现，并且所需设备最多，实施最复杂，实施时间长（测量需要超过1小时）。机械定位法由三根定位索对爆源进行定位，在一定程度上可实时对爆源进行调整，爆距控制精确，实施难度小，试验时间短，试验消耗小，只是对试验窗口要求高，必须选择流速流向较为稳定的时段进行，只要加强海上气象资料研判，做好气象预测，这个难点容易解决。因此，对于该型舰抗冲击试验，机械定位法是爆源定位的最佳方法，可满足试验要求。

4 机械定位法理论分析

通过以上分析，在该型舰抗冲击试验中爆源定位采用机械定位法，该方法的要求是被试舰横流布场，爆源依靠海流的作用使定位索处于张直状态，试验周期在一个稳定的流速流向内实施。为满足试验要求，降低试验风险，定位索采用采用国标Ф20、最大伸缩率η≤0．8%，破断力大于2t的正浮力缆。爆源浮体采用2．1m×1．3m×0．85m 的正方体泡沫材质，浮体吃水2／3为宜。

定位索及爆源浮体在海流的作用下受到的纵向作用力F［9］估算如下：

式中：ρ水为海水密度；V水为海水流速；CD索为定位索的阻尼系数（圆形取值为1．0）；CD漂为爆源浮体的阻尼系数（矩形取值为2．0）；S索为定位索过水面积；S漂为爆源浮体过水面积。

计算实例：

假设海水流速为2节（1．03m／s），主定位索布长68m，舰艏辅定位索布长89m，舰艉辅定位索布长87m。其中主定位索58m 漂浮水面，舰艏辅定位索70米漂浮水面，舰艉辅定位索72 米漂浮水面。计算得到：

爆源浮体受到海流的作用力为

因此，爆源浮体在海流的作用下受到约0．8t的纵向拉力。考虑风和涌浪及起爆缆定位索的拉伸作用，爆源浮体受到的拉力远远大于0．8t，在这个拉力作用下，定位索漂浮于水面部分基本处于张直的状态。

海上实施时，海水流向与被试舰绝对垂直是很难的，稍微有一定的误差（一般不能超过10°），考虑舰的舷高因素，定位索漂浮水面部分与悬空部分也不是绝对的直线，舷高和流向与被试舰夹角的误差对爆距计算的修正系数可以通过试验来标定，试后对爆距处理时，加入修正系数可获取爆距结果。通过试验验证，方案切实可行。

5 机械定位法优化措施分析

以上分析已得出机械定位法是该型舰试验爆源定位的最佳方法，在被试舰态势比较稳定的前提下，为确保爆源相对位置更接近于预设距离，且尽量确保定位索处于张直的状态，通过对海上态势的研判和分析，认为可供选择的优化措施有GPS 辅助验证法和牵引索法。

5．1 GPS辅助验证法

结合该型舰试验特点，在以机械定位方法为主的基础上，可采用GPS定位法进行适当时机的监测，以提供试验辅助指挥，并通过定位索对爆源进行适当的调整。具体方法是三根定位索与爆源浮体连接，通过被试舰绞盘将爆源绞至预定距离，完毕后用GPS定位测量方法对爆源浮体位置进行水面定位测量加以验证。在长、短起爆缆对接前，用GPS定位测量方法再对爆源浮体位置进行水面定位测量，若爆距不符合要求（偏小），说明定位索未完全处于张直状态，连接长、短起爆电缆及长起爆缆保护索，起爆前由布雷船绞盘收紧保护索（图1）加以弥补（牵引索法）；若爆距符合要求，说明定位索基本处于张直状态，尽量缩短长、短起爆缆对接至起爆的作业时间，减少海况因素对爆距的影响。

5．2 牵引索法

该方法很简单，陆地准备时将长起爆缆保护索（图1）适当加粗，确保收紧时不被拉断。具体方法是长、短起爆缆对接前，用GPS定位法对爆源浮体位置进行水面定位测量，若爆距不符合要求，连接长、短起爆电缆及长起爆缆保护索，起爆前由布雷船绞盘收紧保护索，保护索起到沿被试舰正横方向牵引作用；若爆距符合要求，保护索不进行收紧作业。

6 结语

在舰艇抗冲击试验中，爆源的定位是实施的关键环节。某型舰抗冲击试验，针对首次进行爆源悬浮布放，爆距控制难，被试舰横流抛锚布场的关键技术点，对目前国内外常用的爆源定位方法进行了详细的分析研究，重点对机械定位法进行了理论分析，并且在传统机械定位方法基础上，针对该型舰试验特点，提出了两种优化方案。通过研究分析认为，加以优化的机械定位法是适用于该型舰试验爆源定位的最佳方法，该法可精确控制爆距，便于海上指挥，海上实施简单，作业时间短，试验设备少，试验消耗少。该方法可用于解决同类实船抗冲击试验中的爆源定位问题。

［1］叶明，范井峰．舰艇抗冲击综合研究初探［J］．船舶，2004（6）：10-12．

［2］王贡献，华宏星，汪玉．新型重载舰船设备冲击试验台机理分析与仿真［J］．力学与实践，2009，31（4）：54-58．

［3］昝文涛，沈兆武．微型药柱有限水域爆炸径向压力衰减规律研究［J］．力学与实践，2011，33（6）：59-62．

［4］李兵，宁永成，董忠臣，等．水面舰艇抗冲击试验定位方法研究［J］．测绘科学，2010，35（s）：117-119．

［5］高善民，张志新．船舶定位与航法计算原理［M］．北京：海潮出版社，1993．

［6］P．库尔．水下爆炸［M］．北京：国防工业出版社，1960．

［7］徐绍铨，张华海，杨志强，等．GPS 测量原理及应用［M］．北京：测绘出版社，2003．

［8］王权，程鹏飞，等．差分GPS水下立体定位系统［J］．测绘科学，2006，31（5）：18-21．

［9］潘文全．工程流体力学［M］．北京：清华大学出版社，1988：186-213．