鱼雷动态打靶测量关键技术研究

2016-10-13焦安龙宋敬利

船电技术 2016年9期

焦安龙，宋敬利

鱼雷动态打靶测量关键技术研究

焦安龙，宋敬利

（91439部队，辽宁大连 116041）

鱼雷动态打靶试验是检验鱼雷武器毁伤能力的最直接、最有效的方法，鱼雷动态打靶试验中由于鱼雷爆炸对靶船产生的剧烈冲击会造成靶船的严重毁伤甚至沉没，因此鱼雷动态打靶试验中对靶船的冲击测量需要考虑测量设备冲击防护、远程控制、数据的可靠回收等诸多技术问题，通过对鱼雷动态打靶试验测量工作所面临的技术问题的难点分析，给出了相应的解决方法，可以作为鱼雷动态打靶试验测量工作实施的参考。

鱼雷动态打靶测量

0 引言

测量鱼雷动态爆炸对舰船的毁伤程度，对于定量评估水中兵器的毁伤效能至关重要。以美国为首的西方国家十分重视水中兵器在水中爆炸后的毁伤机理、测试、评估和舰船的抗爆抗冲击研究。美国一直坚持首制舰进行实船水中爆炸验收试验。美国海军抗冲击规范MIL-S-901D规定，凡小于181吨的舰载设备必须经过水中爆炸抗冲击考核试验，大于181吨设备必须经过冲击计算考核[1]。

鱼雷对舰艇的毁伤属于接触或近场爆炸毁伤，我国关于鱼雷对水面舰艇的毁伤机理已经开展过充分的理论研究[2]，以前由于受到测量手段的限制在鱼雷实航打靶试验中都没有对爆炸毁伤效应进行定量测量分析，一般只是宏观看一下爆炸毁伤效果，对鱼雷爆炸毁伤的定量测量目前都是通过陆上试验进行，但由于空气中爆炸与水中爆炸有着本质的差别，陆爆方法不能对鱼雷爆炸毁伤效能指标作出科学判断[3,4]。要想在接近实战条件下检验鱼雷攻击目标舰时的毁伤效应必须通过动态打靶方式，并且要对靶船的结构强度、冲击响应等参数进行测量。通过对鱼雷攻击水面舰艇的毁伤效应测量关键技术研究和鱼雷动态打靶测量工作的难点问题分析，给出测量设备在剧烈冲击作用下的防护方法、测量设备的远程控制方法，数据的可靠回收方法以及动态炸点位置测量的传感器优化布设及炸点位置的解算方法等，可以作为鱼雷动态打靶测量工作的实施的参考。

1鱼雷动态打靶测量工作的难点分析

鱼雷动态打靶试验中鱼雷处于航行状态，且鱼雷攻击舰船的位置不确定，因此对舰船的毁伤效应存在很多不确定因素，这给测量工作带来了诸多困难。首先要考虑测量设备的安全问题，必须找到一个相对安全的位置安装测量设备，同时需要对测量设备采取必要的缓冲措施，确保设备在剧烈的冲击作用下能够可靠工作并有效进行数据采集。动态打靶试验很有可能造成靶船沉没，因此必须在靶船沉没之前将采集的数据转录出来，动态打靶试验的危险性极大，在被试靶船附近不可能有其它舰船停留，因此需要远距离对靶船状态进行监测，并将靶船的状态实时传送到控制端，当控制端检测到靶船即将沉没时能够实现测量设备与靶船的分离，确保测量设备安全回收。为了准确分析测量数据还需要知道爆炸瞬间鱼雷相对靶船的位置，因此必须采取合适的定位测量手段和解算方法对鱼雷进行精确定位。

2测量设备的安装布置及远程控制方法

测量设备要布置在相对安全的地方，因此需要对鱼雷动态打靶时靶船的冲击响应进行事先评估，首先要对鱼雷和被试舰分别进行建模，并针对鱼雷在典型部位的接触和近场爆炸开展仿真计算，通过仿真计算得出不同工况下船体结构和重要舰载设备及武器装备的冲击响应情况和应力在结构中的传播规律。

由于鱼雷动态攻击靶船属于近场或接触爆炸，会使目标舰产生大的变形或破口，有限元方法不再适用，采用光滑粒子流体动力学方法可以很好地解决近场和接触爆炸毁伤的冲击波载荷问题。气泡脉动载荷采用边界元法进行求解，气泡射流载荷采用简化计算方法，将射流简化为高速运动流体，通过非线性双渐进法计算气泡射流载荷对船体的毁伤作用。结果对被试舰的建模采用全船建模方式，对结构复杂的舰载设备及重要武器装备采用等效质量方法进行建模。对鱼雷爆炸载荷作用下被试舰冲击响应进行仿真计算得出全船冲击响应及重要装备的冲击输入输出参数，考虑到鱼雷动态打靶炸点的随机性，仿真计算应考虑鱼雷在不同攻击位置（船艏、船舯、船艉）、不同攻击角度（船底、舷侧）爆炸进行。通过仿真计算找出被试舰冲击相对较小的位置对测量设备进行安装布置。

采用无线数传电台，在测量船和靶船之间通过自动寻址方式进行无线组网，由测量船上的控制端通过特定的指令对采集设备进行采集控制，在测量船上通过无线网络对靶船上的采集设备进行测量参数设置、采集设置及触发设置，测量设备的触发采用传感器信号触发和远程手动触发双备份的方式以确保测量设备可靠触发采集[5]。对于鱼雷实航爆炸威力测量试验中，考虑到鱼雷炸点的不确定性，自由场压力传感器信号强弱差别较大，如果预先指定某一通道为触发通道，会给系统带来很大的不确定性，因此需要对各个测量通道采取并联的方法，当任意一个通道达到触发阈值时即可触发测量设备进行数据采集。

3测量设备的防护方法

鱼雷爆炸时，强大的冲击波会引起靶船的剧烈振动，为了确保靶船上各测试仪器的正常工作，必须将测试仪器安放在缓冲平台上。缓冲平台可以采取空气弹簧缓冲器，也可以采取气液缓冲器，但是在使用前需要对缓冲器的缓冲效果进行冲击测试，合理调整空气弹簧内的气压以达到最佳缓冲效果，对于气液缓冲器需要合理调整气液比例，根据承载设备的重量进行充放气操作。

测量设备属于电子设备，不能接触海水，当靶船沉没时必须保证测量设备的可靠回收，因此必须将测量设备安装在具有防水功能的密封舱内，密封舱内要设置测量设备的供电电源，测量设备与传感器相连的电缆要通过水密件穿过密封舱体。密封舱通过爆炸螺栓固定在缓冲平台上，当靶船即将沉没时，可通过远程控制指令迅速切断密封舱与外部相联的电缆以及密封装置与缓冲平台之间的连接，使密封舱浮于海面上，便于事后打捞，把试验损失降低到最小限度。

4靶船状态的监测方法

为了准确判定是否需要对密封装置进行解脱，需要检测底部船舱是否进水及进水深度，判断是否具有沉船的可能，并进一步决定是否发出解脱指令。根据海水电导率较高，具有一定导流能力这一事实设计海水接触传感器，多只传感器置于靶船不同位置，远程控制端通过采集传感器的导通状态来判断靶船的倾覆状态。将多个液位开关出来的开关量信号分别通过光电隔离，进入单片机，经过单片机的处理后，由RS232收发器转化为RS232信号通过电缆与PC机通信，并由局域网发送至主控计算机。电路示意如图1所示。

传感器将触水信号转换为电信号，0为默认值，1为浸入海水导通状态，按默认编号次序将多传感器的导通状态转为多位编码。该数据字在总线控制器查询后反馈，经测控局域网发送至遥控端解码显示，由人工判断倾覆状态。

5测量数据转录方法

要将测量数据快速转录出来需要采用传输速率较高的传输设备，可以考虑采用光纤或无线方式进行数据转录，但无线传输方式由于易受到周围电磁环境干扰，且传输速率与距离有很大关系，而冲击测量由于采样率较高，采集的数据量较大，很难在短时间内将数据安全转录出来，而光纤传输技术传输速率高，数据传输更加安全可靠，因此考虑采用光纤进行数据传输。由于实航打靶试验时控制船离靶船较远，若在控制船和靶船之间拉一条光缆海上实施难度较大，因此考虑在靶船附近布设一个用于承载转录装置的浮体，将光纤从靶船拉至浮体上。

位于靶船上的数据采集设备采集到的数据通过交换机融合在一起传输给光端机，然后通过光纤传输到数据转存浮体上的光端机，数据转存浮体上的光端机接收数据并传送给千兆交换机，最后千兆交换器将数据输出给数据转存计算机。由于数据采集设备可能有多个，因此需要对每个采集设备分配一个IP地址，数据转存与控制系统配置一个IP地址，双方进行通信时通过IP地址就可以区分数据的信源和信宿，解决数据冲突的问题。

6炸点定位测量的测点优化布置及解算方法

在鱼雷实航打靶试验中，无法采用GPS和水声定位方法对动态炸点进行定位。因此考虑采用对压力测量数据进行解算获得爆源相对靶船位置的方法[6,7]。由于鱼雷实航攻击目标舰的炸点随机，传感器布设位置的选择很难，在目标舰上布设压力传感器时应尽量增加布设数量以获取更准确的爆源位置，但是受测量规模限制传感器不宜布设太多，在测点数量有限的情况下需要对传感器的安装部位进行优化设计，以确保动态炸点的定位精度，优化设计要充分考虑动态炸点位置的随机性，针对目标舰的结构特点，采用自由场压力和船体壁压两种参数作为爆源定位的原始依据，首先确定在目标舰上建立三维坐标系，然后给定一个爆源的大概初始相对于靶船坐标系的坐标，以此坐标为中心在三维空间进行网格划分，计算各分割区域到达各测点位置的时间差并跟爆炸冲击波信号达到各测点的实际时间差做比较，找出均方差最小的区域并继续对该区域进行网格划分，继续采用上述方法进行解算，直到均方差值小于事先设定的阈值计算结束。通过计算最终得到的网格坐标即为爆源位置坐标。