基于模块化的鱼雷总体设计技术

历明坤， 曹小娟， 王 中， 张 博， 聂卫东， 马 玲

（1. 中国船舶重工集团公司 第 705 研究所， 陕西 西安， 710077； 2. 水下信息与控制重点实验室， 陕西 西安，710077）

基于模块化的鱼雷总体设计技术

历明坤1，2， 曹小娟1， 王 中1，2， 张 博1， 聂卫东1， 马 玲1

（1. 中国船舶重工集团公司 第 705 研究所， 陕西 西安， 710077； 2. 水下信息与控制重点实验室， 陕西 西安，710077）

鱼雷总体设计技术一直是水中兵器领域研究的热点之一， 针对传统设计中存在的研制成本高、可靠性低以及成熟技术重用率低等问题， 通过鱼雷模块化经典案例DM2A4重型鱼雷和MK54轻型混装鱼雷的研发历程和技术指标的启示， 结合工程实践分析了鱼雷武器模块化设计的研发策略， 文中提出了一种快速的基于模块化的鱼雷总体设计方法， 分析了模块化设计体系、流程和关键技术。该方法以构建资源管理平台为基本设计思路， 对成熟型号设计资源加以有效管理， 根据作战需求， 通过检索战术技术性能指标， 确定设计资源平台内最优相似型号，修改完善差异性模块， 进而形成全雷总体技术方案， 该方法可最大限度地实现成熟型号设计资源的继承和重用，有效控制研发成本， 可为鱼雷及其相似产品开展模块化设计提供参考。

鱼雷； 总体设计； 模块化

0 引言

随着科学技术的飞速发展， 鱼雷装载平台日趋多样化， 受其影响鱼雷武器的使用模式也有大幅拓展， 同时作为鱼雷攻击对象的水面舰艇和潜艇等武器平台的抗沉性、隐身性也日趋成熟， 总体性能更加先进。因此， 未来信息化战争对鱼雷武器的性能提出了更高的要求， 鱼雷复杂程度越来越高， 研制难度越来越大。随着市场竞争的不断加剧， 要求鱼雷周期短、研制成本低， 而同时用户对鱼雷可靠性、维修性和保障性的要求则越来越高。

在鱼雷型号研制的同时， 鱼雷设计方法的与时俱进已成为各国海军致力研究和发展的重要方向， 如模块化相关技术已成为当前研究热点。美国20世纪60年代初研制的MK46鱼雷经系列化发展， 于20世纪90年代混装成新一代MK54轻型鱼雷［1］。德国于1990年研制的DM2A4重型鱼雷采用模块化电池组， 可实现多种作战模式［2］。1991年意大利和法国联合研制的 MU90鱼雷采用模块化舱段结构［3］， 具有良好的保障性。可见国外先进鱼雷均不同程度上采用了模块化设计技术。

国内在鱼雷模块化研究方面也开展了不少有意义的工作。2001年， 康春华开展了鱼雷操雷段模块化技术研究［4］。2002年， 杨扬针对操雷段制定了多项行业标准， 其中包括GJB3534-1999《鱼雷操雷段规范》等［5］。其后， 吕汝信等也先后开展了针对功能舱段的模块化研究［6］， 积累了一定的鱼雷模块化经验， 但在全雷模块化总体设计方面仍有大量的研究工作有待开展。

基于此， 文中通过分析国外鱼雷模块化典型研发过程和设计特点， 就模块化设计方法在鱼雷设计中的应用策略进行梳理， 给出了利用模块化设计方法使鱼雷快速实现变型设计的思路和途径，为鱼雷武器的模块化研发提供参考。

1 模块化设计

模块化技术应用于武器装备最早起源于二战时期， 代表性的有德国U型潜艇模块化船体和美国B-24模块化重型轰炸机。20世纪70年代， 德国BLOHM&VOSS公司提出MEKO/FES设计方法， 将舰船平台设计成标准化的系列产品， 美国按照与MEKO方法类似的SEAMOD思想， 建造了DD963级驱逐舰。

目前， 模块化设计已渗透进轻武器、舰船、飞机、航天器、水中兵器等多个领域， 成为科学技术向前推进的基本方向和策略［7］。从而， 鱼雷武器引入模块化设计方法也势在必行。从发达国家鱼雷研制的发展过程来看， 无论是重型鱼雷还是轻型鱼雷， 其高性能新型鱼雷几乎经过了几十年、几代人不断的持续研究和改进。在技术层面具有很强的延续性和继承性， 其突出的成果和表现使各国产品向系列化、组合化和模块化方向发展［8］。比如， 在同一系列的各型鱼雷甚至同一国家的不同系列鱼雷研制中， 许多产品都安装有通用模块， 尤其在二战后这种趋势更加明显。

模块化设计在各领域中都有其特定的含义，但基本内容是一致的， 模块划分表现出模块内的强相关性和模块间的弱相关性［9］。鱼雷模块化设计是根据战技需求确定基本型功能主体框架， 通过功能分解创建模块单元， 拟定产品系列型谱、确定参数范围及主要参数， 形成模块资源库并编制技术文件， 从基本型发展派生型， 以满足广泛需求。

2 鱼雷模块化案例及启示

2.1 鱼雷模块化典型案例

2.1.1 德国DM2A4鱼雷系列

德国主力战雷采用电子控制高速永磁发动机和模块化锌氧化银电池组， 玻璃纤维对转螺旋桨（5叶和9叶侧斜桨）， 配以欧洲MU90鱼雷所用的大型减速、换向齿轮［2］。可根据不同实战或训练需求配置1～4块模块化电池组， 同时根据需要调换螺旋桨， DM2A4鱼雷内部计算机通过兼容数字模式结合模块化电池数量配置实现型号衍生功能。此外， DM2A4鱼雷结构紧凑并有较大的改进和提升空间， 系统预留了未来改进和功能扩展的标准接口， 可衍生出多型号鱼雷和多功能无人水下航行器等， 图 1所示为 DM2A4系列鱼雷和UUV的结构配置。

2.1.2 混装鱼雷

MK54鱼雷的混装技术方案， 阐述了美国近年来在鱼雷领域模块化设计趋势和策略。

1994年雷声（Raytheon）公司通过验证 MK46后段与MK50前段之间机械、电子和软件的接口匹配性， 采用“拼凑方案”设计了MK54鱼雷， 即采用MK50的雷顶段、MK46的战斗部和后段、MK48的变速控制阀， 以及新型商用成品电子部件和MK50的Ada语言编程软件这种拼凑型的开发方式［10］， 如图2所示。

图1 DM2A4鱼雷系列Fig. 1 DM2A4 torpedo series and an AUV

图2 MK54鱼雷混装示意图Fig. 2 Schematic of MK54 hybrid torpedo

2.2 模块化鱼雷的研发策略

从DM2A4系列鱼雷和美国混装鱼雷MK54的升级开发过程可以看出， 国外在鱼雷模块化技术开发和产品研制方面的许多策略值得借鉴。

2.2.1 注重顶层框架和规划

注重顶层框架的构建， 集中力量发展基本型。基于高度模块化的基型鱼雷， 进一步制定具体型号的系列化规划， 以满足未来海军任务的多样性和不确定性需求。将标准、统一、规范的要求， 贯穿于鱼雷方案论证、设计、生产、试验、定型和改进过程， 持续提高鱼雷武器装备整体通用化、系列化、模块化水平， 努力实现“一雷多型、一雷多用”的发展目标。

德国通过模块组合与模块升级实现 DM2A4鱼雷的系列化发展， 既成功集成应用高新技术，又可以提高军费利用率。常规操雷仅需使用2块电池， 就可满足试验需求， 日常发射训练时甚至只需 1块电池。战时， 可通过变换模块化电池的数量打击不同的目标， 做到“因人而异”。MK46鱼雷可供水面舰艇、固定翼飞机、直升机使用， 也可作为火箭助飞鱼雷的有效载荷使用， 最大限度地兼容了现有的轻型鱼雷发射平台， 实现了“一雷多用”目标。

现代鱼雷的系列化发展分为轻、重两型， 轻型鱼雷代表产品有 MK46（美）系列、A244（意）系列、APR-2E（A-2）（俄）等； 重型鱼雷代表产品有MK48系列（美）、A184（意）、“旗鱼”（英）和65-73（俄）等。由此可见， 各国均对鱼雷系列化发展持积极推进态度， 着力进行鱼雷系列化规划， 但各国顶层规划和技术水平起点不同， 系列化程度差距明显， 美国完成的MK46、MK48等多系列， 足以彰显其先进的战略思想和技术高度。

2.2.2 应用开放式系统结构和植入先进技术

为了能够实现鱼雷更好、更可靠的航行和作战性能， 应用计算机、网络、总线等技术的植入，有助于提高鱼雷武器装备的数字化、信息化、智能化水平。一型鱼雷服役期间会涌现大量新兴技术， 用于提高鱼雷的作战性能［11］。这就要求鱼雷的内部组件结构紧凑、系统开放， 便于及时植入先进技术， 同时可通过不断优化设计， 逐步提高并强化产品可靠性、维修性、测试性、保障性水平和系列化发展能力。

以鱼雷用电池与电机匹配性为例， 从早期的铅酸电池发展到目前主流的银锌电池、镁-氯化银海水电池［12］。电池能源的迅猛发展造成了电机匹配性的矛盾， 目前先进电动力鱼雷大都选用结构紧凑型电机以便后续改造升级、匹配新型电池。如法意联合研制的永磁电机具有结构紧凑、体积小、效率高等优点。德国的DM2A4、法国的“海鳝”、欧洲的MU90等鱼雷均采用该型电机。

美国针对MK37鱼雷通过不断改进、植入新技术陆续推出NT37C、NT37D、NT37E、NT37F、NT37FTM鱼雷， 直至NT37FTM鱼雷仅保留了原来MK37鱼雷的雷壳， 其内部子系统（动力与制导）已逐渐被新的硬件和软件取代， 性能大幅提高，可以看出 MK37鱼雷研发初期就已应用开放式系统结构， 这一点在MK46、MK48等鱼雷系列化进程均有所体现。针对某型鱼雷改装升级也不是盲目进行的， MK37鱼雷改造的背景是核潜艇的发展已不能满足作战需求， 综合权衡效益和费用后， 美国海军决定通过子系统分步升级完成鱼雷武器的全面升级， 改造旧型鱼雷可以显著节省军费。

2.2.3 规范一套通用合理的标准体系

合理规划鱼雷的内外接口， 实现与发射装置、发控设备和检测系统的最佳匹配， 提高鱼雷在技术准备、试验测试和训练保障时的机动化、通用化水平。

例如关于鱼雷保障性的检测， 美国先后研究了MK48和MK54等鱼雷检测系统， 可针对相应型号鱼雷实现便捷地检测。随着鱼雷通用化水平的提高， 单一针对某型鱼雷的检测系统必将被时代所淘汰， 未来鱼雷检测系统的发展方向为一体化、通用化、机动化和简捷化［11］。建立检测标准，积累基础数据， 开展专题研究， 建立与国际接轨的标准检测规范， 对鱼雷技术阵地及战场的快捷技术准备具有重要意义。

2.2.4 灵活改造和螺旋升级

MK54鱼雷在研发中应用了一些通用度较高的民用设备代替专研设备， 并在零部件的选用中最大限度地取自武器库中现存装备的通用件， 节约了大量的生产和后续维护经费［1］。据估计，MK54鱼雷的研制、试验和鉴定费用大约为1亿美元， 约为以往一新型鱼雷研制费用的十分之一，研制周期不到MK50鱼雷的一半。因价格较低、性能优越等特点， MK54鱼雷成为21世纪美国海军及其盟友轻型鱼雷家族中的重要成员。

其他各国也在积极效仿美国这种做法， 法意MU90鱼雷是法国“海鳝”鱼雷与意大利A290鱼雷的混型［13］。南非A44鱼雷是美国MK44鱼雷与MK46鱼雷的混型。鱼雷武器的混装改型， 既实现更新升级， 又降低成本和研制周期， 事半功倍。

通过上述分析可知， 在鱼雷设计研发方面，部分国家已充分考虑如何最大限度地继承和利用已有成熟型号的功能模块和研究成果， 实现新型鱼雷的快捷设计， 减少和消除同一水平上的重复劳动， 降低研制经费， 缩短研制周期， 同时最大程度上实现生产能力的分时复用（和平时期提高生产线的利用率， 有效降低生产成本， 抢占军贸市场； 战时快速提高产能保障战场损耗和供应）。

结合以往鱼雷设计研制情况， 借鉴其他行业模块化设计技术发展经验， 文中针对性的提出了适合鱼雷行业技术发展的模块化鱼雷变型设计方法。

3 基于模块化的鱼雷总体设计方法

为满足不同战技需求， 模块化鱼雷总体设计引入变型设计方法可实现快速、高质量、低成本地派生新型鱼雷。鱼雷变型设计旨在保持鱼雷实例组部件（模块）基本功能、原理和结构不变的情况下， 根据不同战技需求， 对已有基本型号局部结构和工程约束的变异形成新的型号。

3.1 设计体系

如图3所示， 模块化鱼雷变型设计体系包括设计资源平台［14］建立和变型设计2个基本组成部分。平台建立阶段将功能模块和配置方式等资源生成设计资源库； 变型设计阶段按战术技术性能需求调用资源数据库， 确定总体设计方案组成， 包括基型鱼雷、模块单元以及约束要素等， 结合性能需求对差异化模块进行增添、修改等处理。

图3 基于模块化的鱼雷变型设计体系Fig. 3 Torpedo variant design system based on modularization

模块化鱼雷进行变型设计过程中， 主要通过“选定基型鱼雷+提取相似模块+提取差异化模块”的设计方法。设计过程中应严格控制因差异化而派生的改造和新设计模块的数量， 减少零部件变型数目， 达到减少设计冗余和成本的目的，同时可以在一定程度上提高产品的成熟度。

3.2 设计流程

根据战术技术性能指标需求查询总体设计资源库， 将匹配度最优的相似型号作为基型鱼雷，对其进行参数或结构的局部调整得到变型鱼雷总体技术方案， 如图4所示。

图4 基于模块化的鱼雷变型设计流程Fig. 4 Torpedo variant design flow chart based on modularization

具体流程为

1） 在总体思路明确的基础上， 确定鱼雷模块化的约束条件包括:

a. 装载平台， 飞机的武器舱、助飞火箭、水面舰或潜艇的发射管等不同装载平台， 对鱼雷外形、尺寸和重心等参数所产生的约束；

b. 攻击对象， 针对敌方航母、水面舰、潜艇以及岸基设施等不同攻击目标， 应制定可替换功能模块方案， 以保证鱼雷可对攻击目标造成毁伤最大化；

c. 接口要素， 包括合理规划舱段间接口、硬件接口等； 规范软件协议， 优化“电布局”、“线布局”和“总体结构”之间的关系；

d. 功能特性和结构特性， 开放性设计方案应全面兼容鱼雷内部制导、控制、战斗部、动力等复杂分系统； 合理配置雷内各组部件， 包括雷内电子系统集成时的空间尺寸约束等。

2） 进行模块设计: 划分模块/段； 定义各模块间的机械和电子接口界面； 建立统一的信息标准和资源数据管理； 对比设计指标参数， 选取所有同系列的鱼雷产品， 并对其各功能模块进行分析对比， 按照完全借用、改造和新研 3个类别对新产品各模块的实现途径进行对比分析； 制定各功能模块的设计方案。

3.3 关键技术

关键技术: 模块设计、提取基型鱼雷和模块处理， 分别介绍如下。

3.3.1 模块设计

模块设计包括: 模块划分； 确定功能、结构形式、组装方式和接口方式； 确定性能参数和结构尺寸等。模块设计过程中， 应慎重把握模块划分原则、建立标准规范、制定合理目标， 以科学的态度， 采用适当的方法， 客观划分模块。具体应遵循以下原则。

1） 在满足战技指标的前提下， 优先使用在成熟型号上经过实航开合的技术/功能模块。

2） 组部件的设计中优先使用工业级标准库中的产品（方便战时快速提升产能）。

3） 各模块间的接口尽量使用工业级标准的机械和电子接口（便于未来产品升级和维护）。

3.3.2 提取基型鱼雷

相似度是选取基型鱼雷的衡量标准， 选取实例库中与战技性能需求匹配度最高的成熟型号作为基型鱼雷， 进而针对基型鱼雷处理模块需求。提取基型鱼雷的过程中， 需注意性能参数权重的确定问题， 质量功能配置（quality function deployment， QFD）是一种通过矩阵图解方法将顾客需求驱动转换成技术参数需求的产品设计开发方法［15］。通过QFD方法， 可建立战技性能需求与资源库内鱼雷战技指标之间的联系， 确定参数权重。

通过战技性能需求， 确定相关性能指标的相对重要度， 构建相对重要性矩阵 A， 利用式（1）判断矩阵A是否具有一致性。

式中:maxλ 为矩阵A的最大特征值； q为参数个数；RI为随机一致性指标。CR＞0.1（不具有一致性）时， 需重新评估军方需求参数的重要度； CR≤0.1（具有一致性）时， 通过式（2）求取相似度S。

式中: wi为性能需求参数的权重值； δi为性能需求参数与资源库内参数的差异度。

表1为按战技性能指标需求检索库存型号实例， 计算战技指标性能需求与实例库内各型号的相似度， 确定基型鱼雷。

充分考虑军方需求（质量合适、尺寸合适、航速大、航程远、航深大）， 针对性地选取质量、尺寸、航速、航深作为选取基型鱼雷的参数指标见表 2。采用◎○△标记用户需求与技术指标之间的相关度， 分值定为9（强相关）、3（中相关）、1（弱相关）， 进而计算技术指标的相对重要度。

表1 比较战技需求与资源库内成熟型号示例Table 1 Comparison of tactical and technical demands with mature type in resource database

表2 鱼雷主要性能参数规划矩阵Table 2 Planning matrix of torpedo′s main performance parameters

相对重要性矩阵为

式中， 矩阵A的最大特征值maxλ =5， CR≤0.1， 矩阵A具有一致性。

因此， 可得如表3、表4和图5所示的比较参数权重值和资源库内型号实例的相似度结果。

比较 3种示例型号相似度可知， 资源库内MK46-Ⅱ和MK50与战技性能指标需求契合度较高， 进一步利用约束条件可筛选出最佳基型鱼雷。为了说明计算流程， 仅仅举了一个简单例子，实际基型鱼雷的选取过程要复杂得多， 鱼雷设计包括流体动力布局、总体结构、全雷电路及信息系统、动力系统、自导系统、引信系统、战斗部系统和控制系统等复杂系统［16］， 各参数之间耦合度较高， 并行存在定量和定性 2种参数， 因此，基型鱼雷的选取过程应在实践中摸索， 针对各系统特点以分系统性能、可靠性、保障性等对参数权重进行多目标优化， 进而求取最佳的基型鱼雷。

表3 鱼雷主要性能参数权重值Table 3 Weight values of torpedo′s main performance parameters

表4 相似度计算结果Table 4 Similarity results

图5 相似度示意图Fig. 5 Schematic of similarity

3.3.3 模块处理

比较基型鱼雷战技指标与战技性能需求， 确定基型鱼雷中需调整的差异化模块。模块处理分别选用标准模块、标准模块改造设计和全新设计所需的“标准”模块。

1） 选用标准模块: 检索模块资源库中满足技战术性能指标要求的模块用于基型鱼雷。

2） 标准模块修改: 战技需求与基型鱼雷的差异化模块， 可通过修改模块资源库中的标准模块得到。

3） 补充设计标准模块: 为满足特定战技性能需求创建新模块。

修改、创建过程中产生的新模块应及时注册到设计资源库中， 不断积累设计资源和模块， 同时便于后续使用和完善。

基于模块化的鱼雷变型设计方法， 可实现快速、高质量， 有效提升产品可靠度和保障性， 取得较好的经济效益。

4 结束语

为了使鱼雷复杂性可控、实现并行工作以及适应多样性升级， 模块化技术已成为武器装备领域研发设计的发展趋势及应对策略。文中通过分析国外模块化鱼雷实例的研发策略， 结合质量功能配置方法， 证实模块化鱼雷变型设计方法可作为一种快速设计手段， 实现设计资源的继承与重用。由于鱼雷总体设计包含应用系统工程学、流体力学、电气设计、质量工程等多学科领域［8］， 模块化鱼雷设计资源种类繁多、数量庞大， 如何实现这些数据的高效管理和调用是后续研究需重点关注的方向。

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（责任编辑: 许 妍）

Torpedo Overall Design Technology Based on Modularization

LI Ming-kun1， 2， CAO Xiao-juan1， WANG Zhong1， 2， ZHANG Bo1， NIE Wei-dong1， MA Ling1
（1. The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710077， China； 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory， Xi′an 710077， China）

In view of the problems in traditional torpedo overall design， such as the high design & development cost， the low reliability and the low reuse rate of mature technology， a rapid torpedo overall design method based on modularization is proposed through getting the inspiration from development process and specifications of DM2A4 and MK54 torpedoes， and analyzing the strategies of torpedo modular design with respect to engineering practice. The design flow and the key technologies are discussed in detail. This design method is on the basis of construction of a resource management platform， and manages effectively the design resources of mature types. According to operational requirements，specifications are searched to determine the most optimal similar type on the design resource management platform， then to modify the different modules and form the overall technical scheme of a torpedo. The method can reduce the cost effectively by achieving the maximum reuse of design resource of mature type.

torpedo； overall design； modularization

TJ630.2

A

1673-1948（2016）04-0241-07

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.001

2016-04-25；

2016-05-18.

历明坤（1990-）， 男， 在读硕士， 主要研究方向为鱼雷总体技术.