一种爆破型鱼雷战斗部对舰船毁伤效能评估方法

邵建军

(中国人民解放军 91439部队,辽宁 大连,116041)

一种爆破型鱼雷战斗部对舰船毁伤效能评估方法

邵建军

(中国人民解放军 91439部队,辽宁 大连,116041)

鱼雷战斗部毁伤效果评估直接关系到对战场态势的判断。基于此,文中提出一种爆破型鱼雷战斗部毁伤效能评估方法,建立了相应的数学模型,介绍了毁伤指标量化方法及评估步骤。该方法基于层次分析理论及专家调查数据给出爆破型鱼雷战斗部对典型水面舰艇毁伤效能指标体系的底层指标相对权重,以计算得到毁伤综合评估值。基于灰色评估理论,开展爆破型鱼雷战斗部对特定目标水面舰艇毁伤等级的计算及判定方法研究,并参照灰色等级赋值,可评估舰船的毁伤等级。文中方法可实现实战条件下爆破型鱼雷战斗部毁伤效能快速评估。

爆破型鱼雷战斗部; 毁伤效能; 评估

0 引言

作为水中兵器作战效能的重要部分,针对爆破型鱼雷战斗部对海上舰船目标的毁伤评估直接关系到战场态势的判断,成为研究的热点问题[1-2]。影响爆破型鱼雷战斗部毁伤效能的主要因素包括鱼雷战斗部爆炸威力、雷目交会条件及目标特性3大类[3]。国内相关研究机构先后开展了炸药水中爆炸传播特性研究[4-6]、舰船及模型毁伤试验研究[7-11],取得了部分成果。在水中爆炸威力评估方面,由于水中爆炸毁伤效能为爆炸时产生的冲击波能及气泡能耦合作用的结果,综合国内外水中爆炸威力评估研究现状,仅能够实现理想炸药在自由场条件下的爆炸威力评估,非理想炸药的爆炸威力评估仍存在诸多未解决的问题。在目标特性评估方面,舰船目标的毁伤机理相当复杂,包括材料、结构等多学科问题[12-13],目前还没有可行的在一定能量输入条件下对特定目标毁伤等级判断的数学解析方法。因此,开展爆破型鱼雷战斗部对舰船毁伤效能的评估方法研究,探索一种适用于水中兵器设计、试验鉴定部门科学考核及战场指挥员进行战场态势判断的毁伤能力简便快捷计算方法,意义显著。

毁伤效能评估主要分2步: 1) 构建评估效能的指标体系; 2) 根据指标体系选择适当的评估方法、建立正确的评估模型并求出综合评估值。

文献[14]和[15]在采用专家评估分析法确定武器系统作战效能评估指标权重后,运用灰色评估理论构建了评估模型,并通过实例验证了该模型的可行性。由此可得,利用文献[3]已建立的爆破型鱼雷战斗部爆炸威力指标体系,采用灰色层次分析法也应能够实现舰船的毁伤效能评估,但将文献[14]和[15]的方法应用于爆破型鱼雷战斗部对典型水面舰艇的毁伤评估还存在部分未解决的实际问题。一方面,采用灰色层次分析法的主要实现手段是通过专家对底层指标重要性打分实现,由于专家对事前信息的掌握还不完备,必然导致专家对指标的打分无法充分反映毁伤效能的真实程度,则受战场态势影响程度较小的战斗部爆炸威力因素应通过计算确定,而影响因素较多的雷目交会条件及目标特性指标可以采用灰色层次分析理论进行评估。另一方面,文献[14]和[15]中所列各分项指标的关系均为相互独立型关系,而爆破型鱼雷战斗部对舰船的毁伤分项指标不是相互独立型关系。因此,文中重点研究的是已建立的爆破型鱼雷战斗部毁伤效能指标体系中各分项指标的相互关系,继而建立三位一体的毁伤效能评估模型即基于战斗部威力-目标特性-雷目交会条件毁伤评估模型,研究爆炸威力指标的客观计算方法,通过灰色层次分析法的毁伤效能评估手段,研究毁伤效能的评估方法及实现过程。

1 毁伤评估模型建立

系统效能评估指标是指对系统实现特定目标程度的定量描述结果,是评价、比较系统效能的具体尺度。因此,构建适当的效能指标是系统效能分析的首要问题,效能指标必须能够反映系统所要实现的目标。

根据文献[3]的研究结果,爆破型鱼雷战斗部毁伤效能指标体系中第2层分指标即战斗部爆炸威力指标、目标特性指标以及雷目交会条件指标构成具有线性相关性的相互不可偏废型指标[16],则爆破型鱼雷战斗部对舰船的毁伤效能评估模型为

式中:U为爆破型鱼雷对舰船的毁伤性能评估值;U1为战斗部爆炸威力赋值;U2为雷目交会条件赋值;U3为目标特性评估值。

对于战斗部爆炸威力指标,接触爆炸条件下冲击波为主要毁伤作用,则初始冲击波能为主要威力指标; 非接触爆炸条件下为冲击波及气泡脉动压力联合作用的结果,则冲击波能及气泡能为爆炸威力指标。底层指标为相互独立型指标。

对于雷目交会条件指标,非接触爆炸中爆炸深度及攻角会对毁伤效果产生影响,底层指标为相互独立型指标; 接触爆炸则不存在爆炸深度及攻角因素影响,雷目交会条件按毁伤能力最强类别计算。

对于目标特性指标,其中的底层指标可看作一个相对独立的系统即线性无关的相互独立型指标[16]。

2 毁伤指标量化方法及评估步骤

2.1 战斗部爆炸威力量化打分方法

鱼雷爆炸对舰船的毁伤为冲击波、气泡脉动产生的冲击波能和气泡能耦合作用的结果。由于鱼雷的爆炸为接触爆炸或近距离非接触爆炸,气泡脉动过程中为产生上浮垂直运动,在气泡压缩至最小体积对周围流体产生作用时的位置已经变化。因此,水中爆炸产生冲击波压力的位置与产生脉动压力的位置不可能相同。只要鱼雷在船底爆炸,可以认为气泡能的作用为接触爆炸作用方式。冲击波在向前推进过程中,由于波头内压力和速度下降会导致能量的衰减,且在鱼雷战斗部附近,压力和速度下降最大,则能量衰减也最大,冲击波的能量传播效率非常低。由于鱼雷水中爆炸时受引信作用机制、作战区域海况及舰船吃水深度等多种因素的影响,会形成鱼雷在爆炸零时与舰船距离的差异,进而导致作用于舰船的冲击波能的不同。因此,冲击波的作用不可能是冲击波总能作用的结果,应该是衰减后剩余能量作用的结果,可表示为

式中:W为战斗部海上实战爆炸能量,MJ;k1为装药气泡能 TNT当量系数;k2为装药冲击波能TNT当量系数;为冲击波能衰减系数;m为装药质量,kg。

由于鱼雷外表面附近的超高压力会破坏用于测量的传感器,对于鱼雷战斗部爆炸附近距离冲击波的衰减系数只能通过理论计算近似获得。图1是根据文献[17]计算结果绘出的 7倍药包半径之内冲击波能量衰减曲线。

图1 装药冲击波能衰减系数Fig. 1 Attenuation coefficient of explosive shock wave energy

图1 中,A为冲击波能计算曲线,B为根据计算值A进行的冲击波能拟合曲线,并给出了拟合衰减系数计算公式

式中,为与船底爆炸距离对战斗部半径比。

通过式(2)可见,无论是接触爆炸抑或非接触爆炸,都可根据作战当时海况、目标舰船实际吃水深度、鱼雷引信起爆深度给出鱼雷作用于目标舰船的快速准确能量计算。

实现鱼雷战斗部爆炸威力的评估,必须给出爆炸能量与舰船的关系,可将达到舰船沉没时所需的鱼雷爆炸能量赋值 100。综合国内相关研究数据得出,水中爆炸对舰船的毁伤与舰船排水量具有正比例的线性相关性

式中:T为舰船排水量,t;为彻底毁伤常数,MJ/t。

国内外研究发现,3 000 t级无防护驱逐舰在2 165 MJ爆炸能量接触爆炸条件下,可被一次性摧毁,丧失其总纵强度。根据式(4)算得彻底毁伤常数为 0.722,则鱼雷对无防护水面舰船在船底部爆炸威力毁伤赋值

2.2 雷目交会条件赋值方法

雷目交会条件对爆炸威力产生较大影响。爆炸毁伤形式、接触部位及爆炸深度等交会条件的不同会导致鱼雷爆炸威力较大的区别,与鱼雷爆炸威力构成不可偏废型的关系。前述爆炸威力的赋值方法是在最佳雷目交会条件及目标特性最薄弱环节得到,则根据鱼雷爆炸威力与雷目交会条件关系可判断,毁伤效能数值分布在0～1区间。数值“1”表示毁伤程度最严,数值“0”表示0毁伤交会条件。对于特定鱼雷,由于战斗部引信作用方式明确,则鱼雷对舰船目标的毁伤形式已经明确。目标的毁伤部位对毁伤程度的影响可通过专家打分,采用层次分析法得出,但对模糊问题的处理精度较差。灰色层次分析法是灰色系统理论与层次分析法相结合的一门理论,其主要思想是在层次分析法中,不同层次决策“权”的数值是按灰色系统理论计算得出的。因此,灰色系统理论在评估过程中可实现对系统模糊目标的确切描述。无论接触爆炸还是非接触爆炸,由于战时海况、鱼雷及目标舰的航向航速等情况难以精确掌握,鱼雷对目标的爆炸部位、爆炸深度及攻角难以事前准确判断,可采用灰色层次分析法,由专家打分,得出评估值。

雷目交会条件指标可将其定义为毁伤强度指标(参见表1)。因此,也可将其按抗毁伤强度等级分为5类: A类(毁伤能力最强); B类(毁伤能力较强);C类(毁伤能力一般); D类(毁伤能力较差); E类(无毁伤能力)。

2.3 目标特性赋值方法

目标特性与爆炸威力是相互矛盾即不可偏废型的关系。前述爆炸威力的赋值方法是在最佳雷目交会条件及目标特性最薄弱环节得到,则根据鱼雷爆炸威力与目标特性的相互不可偏废的关系可判定,毁伤效果影响最大的目标特性值最小阈值应为“1”。

表1 雷目交会条件毁伤强度指标评判等级分值及评估灰类赋值方法Table 1 Damage degrees of evaluation in torpedo-target intersection condition and assignment method for gray evaluation

综合国内关于爆炸冲击载荷抗毁伤结构设计研究成果,采用金属夹芯结构、超弹性抗冲瓦、双层底结构等抗毁伤措施后,目标抗毁伤性能得到较大提高,普通金属板受到的冲击加速度约为金属夹芯板的2倍[18],敷设不同覆盖层圆的金属板加速度冲击隔离量约为金属板的2倍[19],金属板的速度响应值约为敷设了超弹性覆盖层金属板的1.5倍[20],双层底结构安全半径为单层底结构的1.3倍[21],则将目标特性最大阈值设为“2”,数值在 1～2 区间。“1”表示抗毁伤特性最差,“2”表示抗毁伤特性最强。可将其按抗毁伤强度等级分为 5类[22](见表2): A类(抗毁伤能力最强); B类(抗毁伤能力较强); C类(抗毁伤能力一般); D类(抗毁伤能力较差); E类(无抗毁伤能力)。

表2 舰船目标特性抗毁伤能力评判等级分值及评估灰类赋值方法及赋值Table 2 Levels of anti-damage capability of warship target characteristics evaluation and assignment method of gray evaluation with value

2.4 毁伤等级确定

从海战和海损的实例来看,战斗舰船典型破坏形式主要表现在: 船体破损进水、倾覆或沉没;舰船起火或爆炸; 技术装备损伤; 舰员损伤和毒害等。舰船在鱼雷接触爆炸或近距离非接触爆炸载荷作用下,水面舰船结构将产生局部区域的破口,从而造成舰船结构的局部破损毁伤。局部结构破损毁伤的后果主要是造成舰船进水和浮力损失,以及舰船结构总纵剩余强度的损失。当舰船破损剩余强度不足时,在自然环境载荷作用下,舰船结构可能产生总纵弯曲破坏。鱼雷对舰船毁伤等级量化赋值如下[22](见表3): A类(舰船沉没,为彻底毁伤); B类(舰船无作战机动能力,为严重毁伤); C类(具有基本的生命力,为中度毁伤); D类(具有完全的生命力,为轻度毁伤); E类(舰船无损失,为0毁伤)。

表3 舰船毁伤评判等级分类及赋值方法Table 3 Assignment method and classification of warship damage degrees for gray evaluation

2.5 毁伤评估步骤

基于灰色层次分析法的舰船毁伤评估步骤可参考文献[14]和[15]进行,区别是爆炸威力指标需进行计算得到,将采用灰色理论得到的雷目交会条件数值及目标特性数值代入式(1)得到毁伤综合评估值,参照毁伤等级赋值,可评估该鱼雷对目标舰的毁伤等级。

3 结束语

在全面分析目前开展效能评估方法的基础上,建立了基于战斗部威力-目标特性-雷目交会条件的三位一体的毁伤评估模型,给出了爆炸威力指标的计算方法,采用灰色层次分析法得到雷目交会条件、目标特性抗毁伤性能的评估值,进而得到毁伤效能评估值、判断毁伤等级的研究路线。

采用灰色层次分析法进行评估主要是依靠专家的经验实现,必然导致专家对指标的打分与真实的毁伤效能存在误差。理想的方法是针对不同的鱼雷战斗部爆炸威力、雷目交会条件及目标特性建立准确的计算输入模型,得到高精度的舰船毁伤评估结论,为未来海战作战指挥提供技术支撑。由于战场环境下雷目交会条件的复杂性、目标抗毁伤机理的复杂性,目前还难以实现高精度的鱼雷战斗部毁伤效能建模,仍需进行试验数据的不断积累,以实现爆破型鱼雷战斗部对舰船的快速毁伤评估。

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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

邵建军. 一种爆破型鱼雷战斗部对舰船毁伤效能评估方法[J]. 水下无人系统学报,2017,25(3): 272-277.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.010

2017-02-03;

2017-05-09.

邵建军(1967-),男,博士,高级工程师,主要研究方向为水中爆炸威力与毁伤评估.

(责任编辑: 杨力军)