拦截弹高海况适应性评估方法

邵宗战 ,熊 勇 ,戴文留

(1.中国人民解放军91439 部队,辽宁 大连,116041;2.江南工业集团有限公司,湖南 长沙,410013)

0 引言

某拦截弹可装备于适装的水面舰艇,对来袭的反舰鱼雷实施拦截。其实际使用要求中明确了拦截弹高海况作战使用环境要求,检验条件以实航评估为主,若试验条件不满足,则需以装载平台进行仿真,并结合实航试验数据进行综合评估。

在现有条件下,拦截弹高海况适应性试验存在试验组织实施难、试验产品回收难以及试验数据测量难等一系列问题,试验的安全性很难保证。同时,国内外对反鱼雷拦截武器在性能分析、作战使用和仿真试验等方面开展了较为广泛的研究工作,因此,文中采用试验验证与仿真计算相结合的方法进行该拦截弹高海况适应性评估[1-2]。

1 高海况对拦截弹影响及性能要求分析

根据装备实际使用情况的要求,文中分别针对6 级海况和9 级海况2 种高海况进行分析。6 级海况条件下风速为17.2～24.4 m/s,浪高4～6 m;9 级海况条件下风速不小于32.7 m/s,浪高不小于14 m。

根据高海况环境特性与拦截弹工作原理分析,高海况对拦截弹正常使用性能影响主要体现在发动机是否能正常点火发射和拦截弹出管后是否能正常工作。拦截弹发动机点火是由发射装置供电启动,并不受海况条件影响,因此,高海况对拦截弹正常使用性能影响主要体现在发射出管后的工作性能,表现为拦截弹发射飞行是否稳定,以及入水分离悬浮、产品装载是否正常[3-6]。

1.1 6 级海况对拦截弹发射飞行的影响

弹箭在风场中运动所受的空气动力和力矩取决于弹箭相对于空气的速度大小和方向。拦截弹在发射飞行过程中,受风速的叠加影响,相对气流速度和相对攻角将发生较大变化。特别是在拦截弹出炮口阶段,由于速度较低,6 级海况风速占比大,风向不确定,对拦截弹飞行速度、弹道倾角、射程及密集度等性能均会造成影响,所产生的空气动力和力矩有可能使拦截弹弹道攻角增大到不可逆的程度,最终发生弹道失稳、翻滚等现象。

结合拦截弹要求，文中拦截弹飞行速度和弹道倾角为非指标性能参数，不需要专门评估,而射程与密集度需要在风速不大于5 m/s 条件下进行评估。因此,与6 级海况相关的拦截弹发射飞行性能主要表现为弹道能否稳定,即受风速影响飞行弹道攻角能否收敛。拦截弹弹道攻角应能满足6 级海况最大风速和垂直风向条件下的发射飞行弹道的稳定性要求。

1.2 6 级海况对拦截弹入水分离悬浮的影响

拦截弹飞行弹道受风速影响后,入水速度和入水角度发生变化,导致入水过载改变,影响拦截弹探测入水开关闭合性能。同时,6 级海况下的海浪波高大,使悬浮组件产生较大起伏,增加承重连接件受力,影响承重连接性能。

因此,与6 级海况相关的拦截弹入水分离悬浮性能主要表现为入水过载能否保证探测入水开关正常闭合,承重连接件受力情况是否超出承力性能。

6 级海况下风速的叠加效应导致拦截弹的飞行弹道发生改变,拦截弹入水速度和入水角度随之发生变化,最终使拦截弹入水过载改变,有可能导致拦截弹探测入水开关不能正常闭合。拦截弹入水过载及作用时间应能满足探测入水开关正常闭合条件。

6 级海况下海浪的上下起伏将迫使分离后稳定悬浮的组件做跟随运动,承重连接件受力特性由静态力向动态力转变,出现附加力,有可能导致承重连接件承力性能不够,出现断裂现象。拦截弹承重连接件受力特性应能满足承重连接件承力性能。

1.3 6 级海况对拦截弹探测性能的影响

高海况条件下海洋环境噪声增大,可能会对拦截弹的探测作用距离造成影响,同时,海面波浪引起悬浮组件上下起伏,接收到的目标辐射噪声特性与静止时接收到的目标特性不一致。因此,与6 级海况相关的拦截弹探测工作性能主要表现在探测作用距离和目标特性两方面。

1.4 9 级海况对拦截弹管内装载的影响

舰船高海况摇摆引起的静态力和动态力是可能造成装载拦截弹结构破坏的两大因素。相比静态力而言,平台在9 级海况下动态力对弹载电子设备产生的力载荷更大,要求更高。因此,与9 级海况相关的拦截弹装载不损坏能力主要表现为拦截弹的动态力是否会引起自身结构的损坏。

2 评估方法

根据海况适应性对拦截弹的性能要求分析结果,需要评估的内容有6 级海况下拦截弹弹道攻角、入水过载、连接件受力、探测作用距离、目标通过特性以及9 级海况下拦截弹装载动态力性能6 个方面。文中重点对拦截弹弹道攻角、入水过载和连接件受力3 个方面的评估方法进行研究[7-8],如图1 所示。

图1 评估方法框图Fig.1 Block diagram of the assessment method

2.1 拦截弹弹道攻角

采用仿真方法得到不同条件下拦截弹的弹道攻角情况。利用较低海况下舰船搭载发射飞行试验验证弹道稳定性情况,并推算6 级海况条件下的弹道攻角是否满足弹道飞行稳定性要求。

2.2 拦截弹入水过载

采用仿真方法得到不同条件下拦截弹的入水过载情况。采用冲击过载试验覆盖式评估探测入水开关闭合情况,验证6 级海况条件下的入水过载是否满足探测入水开关闭合要求。

2.3 承重连接件受力

采用仿真方法得到不同条件下拦截弹连接件受力情况。采用动态强度试验覆盖式评估连接件承力性能,验证6 级海况条件下的连接件是否满足正常悬浮要求。

3 试验与评估

3.1 拦截弹弹道攻角评估

3.1.1 高海况下弹道攻角计算分析

根据弹箭六自由度刚体弹道方程组,将6 级海况下最大正顺风、正逆风和正横风(风速24.4 m/s)纳入计算初始条件[9-12],解算拦截弹在6 级海况最大风速下的弹道飞行攻角幅值变化情况,计算结果如图2～图4 所示。

图2 正顺风初始条件弹道攻角幅值曲线Fig.2 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive tailwind

图3 正逆风初始条件弹道攻角幅值曲线Fig.3 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive headwind

图4 正横风初始条件弹道攻角幅值曲线Fig.4 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive crosswind

由图2～图4 可见,拦截弹弹道攻角幅值曲线呈振荡减小的趋势,在发射出管瞬间最大,随后迅速减小,到达弹道主动段末尾时趋于稳定,并随飞行时间的增加逐渐减小,拦截弹入水时弹道攻角幅值最小。其中,正顺风条件下拦截弹最大射程弹道攻角幅值最大为33°,最小射程弹道攻角幅值最大为14°;正逆风条件下拦截弹最大射程弹道攻角幅值最大为16°,最小射程弹道攻角幅值最大为4.4°;正横风条件下拦截弹最大射程弹道攻角幅值最大为29°,最小射程弹道攻角幅值最大为29°。因此,拦截弹需满足在最大33°弹道攻角条件下的弹道稳定性能力。

3.1.2 弹道飞行稳定裕度

通过软件计算拦截弹不同攻角条件下的气动压心位置,并由弹箭飞行弹道稳定裕度公式计算拦截弹弹道飞行稳定裕度如表1 所示。其中,拦截弹在小攻角条件下的弹道稳定裕度超过20%,随着弹道攻角的增加,拦截弹弹道稳定裕度逐渐减小,弹道攻角在45°时,其弹道飞行稳定裕度仍超过12%。

表1 拦截弹气动稳定性计算结果Table 1 Results of aerodynamic stability calculation for the intercept missile

根据拦截弹6 级海况风速条件下的弹道计算结果,在正顺风条件下拦截弹弹道攻角最大,为33°,表1 对应的弹道飞行稳定裕度在15%左右,满足弹箭飞行稳定裕度一般为12%～20%的设计条件,因此,拦截弹在6 级海况条件下可以满足弹道飞行稳定性能。

3.1.3 低海况下海上发射飞行试验

在某海域进行了海上射击试验,试验期间风级达到了4～5 级(风速为5.5～10.7 m/s),发射200 余发拦截弹,全部工作正常,弹道发射飞行稳定。

试验表明拦截弹在3 级海况、4～5 级风速条件下最大、最小射程弹道飞行均可稳定,满足正常使用要求,结合3.1.1、3.1.2 节对拦截弹高海况条件下弹道攻角计算及飞行稳定裕度分析评估,拦截弹可以满足6 级海况下的发射飞行要求。

3.2 拦截弹入水过载评估

3.2.1 高海况下入水过载计算分析

拦截弹入水过载主要体现在弹体击水及初始降速2 个阶段。弹体击水阶段是指从弹头开始接触水面到拦截弹完全沾湿为止,该阶段作用时间短,过载幅值大。初始降速阶段是指拦截弹入水完全沾湿后,速度仍然较大,由流体阻力主导形成的一段减速阶段,该阶段作用时间相对较长,过载幅值相对较大。2 个阶段运动过载及作用时间共同构成拦截弹探测入水开关的过载激活条件[13-15]。

根据弹箭六自由度刚体弹道方程组,将最大正顺风、正逆风、正横风(风速24.4 m/s)纳入计算初始条件,解算拦截弹在6 级海况最大风速下的弹道入水速度、入水弹道倾角及攻角情况,如表2 所示。

表2 拦截弹6 级海况最大风速条件下弹道入水参数计算结果Table 2 Calculation results of ballistic water entry parameters under the condition of sea state level 6 and the maximum wind speed

拦截弹击水阶段运动非常复杂,通过有限元仿真软件对拦截弹标准无风及6 级海况典型风速入水条件下的击水运动进行了仿真计算,仿真结果见图5～图8。其中,最大射程无风条件下击水过载最大为257 g,6 级海况典型风速条件下击水过载最大为240 g,后续过载基本重合,均满足拦截弹探测入水开关工作要求。最小射程无风条件下击水过载最大为135 g,6 级海况典型风速条件下由于入水攻角增大,其击水过载曲线与无风条件下差别较大,最大为240 g,后续过载曲线变化趋势基本相同,满足拦截弹探测入水开关工作要求。

图5 最大射程击水阶段有限元仿真结果Fig.5 Finite element simulation results at maximumrange water hitting stage

图6 最大射程击水阶段过载曲线Fig.6 Overload curves at maximum-range water hitting stage

图7 最小射程击水阶段有限元仿真结果Fig.7 Finite element simulation results at minimum-range water hitting stage

图8 最小射程击水阶段过载曲线Fig.8 Overload curves at minimum-range water hitting stage

拦截弹初始降速阶段的过载与作用时间通过编制的水下运动弹道模型进行计算,结果如图9 和图10 所示,其中最大射程入水降速过载在标准无风与6 级海况典型风速条件下的差值不超过8%,最小射程降速过载在标准无风与6 级海况典型风速条件下的差值不超过4%,均在探测入水开关设计范围之内。

图9 最大射程击水阶段后的降速过载曲线Fig.9 Deceleration overload curves after maximum-range water hitting stage

图10 最小射程击水阶段后的降速过载曲线Fig.10 Deceleration overload curves after minimumrange water hitting stage

3.2.2 探测入水开关冲击过载试验

在进行的30 发次探测入水开关可靠性试验中,探测入水开关均能正常闭合。根据对拦截弹入水过载计算结果分析,拦截弹无论是在击水阶段,还是初始降速阶段,其最大、最小射程下的入水过载及持续时间均大于探测入水开关闭合条件,因此,拦截弹在6 级海况条件下可以满足探测入水开关正常工作要求。

3.3 拦截弹承重连接件受力评估

3.3.1 高海况下承重连接件受力计算分析

6 级海况最大波高为5.56 m,平均周期为7.56 s,假设海浪运动模型为二元进行波φ=0,则波幅A=2.78 m,圆周频率ω=0.83 rad/s。初始相位φ取0,π/4,π/2,···,7π/4共8 个状态。

通过仿真计算,拦截弹上浮后会经历一个过渡过程才能达到平衡状态,该过渡过程中连接件受力大小与悬浮组件上浮到水面时海浪波的初始相位有关,下面计算了各初始相位时的连接件受力情况,见图11～图14。

图11 φ=0时连接件受力图Fig.11 Force diagram of connector at φ=0

图12 φ=π/2时连接件受力图Fig.12 Force diagram of connector at φ=π/2

图13 φ=π时连接件受力图Fig.13 Force diagram of connector at φ=π

图14 φ=7π/4时连接件受力图Fig.14 Force diagram of connector at φ=7π/4

由以上计算可以看出,海浪波的初始相位φ=π/2时,连接件承受的最大拉力最大但不超过3 500 N,小于承力设计强度。因此,6 级海况条件下连接件可以正常使用。

3.3.2 承重连接件动态拉力试验

在进行的12 个承重连接件静态拉力试验中,施加最大值恒定静态拉力后,连接件均未断裂;在进行的15 个承重连接件动态拉力试验中,施加最大值的动态拉力后,连接件均未断裂。根据对高海况下承重连接件受力计算结果分析,承重连接件承受的最大拉力小于试验值,因此,承重连接件在6 级海况条件下可以满足正常工作要求。

4 结束语

通过对高海况条件下拦截弹作战使用受到的环境影响进行梳理分析,提出拦截弹作战使用需满足的性能要求,归纳高海况适应性需要评估的内容有6 级海况下拦截弹弹道攻角、入水过载、连接件受力、探测作用距离、目标通过特性,以及9 级海况下拦截弹装载动态力性能6 个方面。文中针对6 级海况下拦截弹弹道攻角、入水过载和连接件受力3 个方面内容,采用仿真计算与实验室试验、海上实航试验相结合的方法进行综合评估,结果表明该拦截弹的弹道攻角、入水过载和连接件受力3 个方面性能满足规定的使用要求,可为拦截弹高海况适应性状态鉴定结论的得出提供技术支撑。