某拦截弹高海况下目标探测及装载性能适应性评估*

邵宗战 熊 勇 胡伟凡

（1.中国人民解放军91439部队 大连 116041）（2.江南工业集团有限公司 湘潭 411207）

1 引言

国内外对反鱼雷拦截武器在性能分析、作战使用、仿真试验等方面开展了较为广泛的研究工作。在现有条件下，拦截弹高海况适应性海上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；因此，为考核拦截弹高海况适应性，本文重点对六级海况下拦截弹目标特性、探测性能、装载动态力性能三个方面内容开展海况适应性评估［1～2］。对拦截弹目标特性设计与理论进行分析，开展较低海况目标特性试验，评估高海况下的目标特性能力；对拦截弹探测性能设计与理论进行分析，开展较低海况探测性能试验，评估高海况下的探测性能；对拦截弹装载受力环境进行仿真计算，对拦截弹结构强度设计与制造工艺进行分析，开展管内装载可靠度试验、振动试验、倾斜摇摆试验、冲击试验，评估高海况下的装载动态力性能。

2 拦截弹目标特性评估

2.1 目标特性设计与理论分析

鱼雷的辐射噪声在高频段的主要成分为螺旋桨空化噪声。空化噪声是由大量气泡破裂产生，由随机小脉冲构成，且为连续谱。

查询相关技术资料可知，在工作频带范围内，鱼雷平均谱级明显高于海洋背景噪声，该余量即为系统能量检测的阈值。

考虑目标声源级在不同距离变化的条件下，换能器端接收到的信号强度发生变化，需要始终保障目标辐射噪声高于海洋背景噪声。系统采用滤波、放大等手段提高目标信号输入量级，从而增加对目标的探测距离实验数据证明，在较宽的距离变化范围内，探测系统均能捕捉到目标辐射噪声变化趋势，实现对目标运动规律的预测，从而在最近点给出动作信号，满足声探测装置的技术要求［3～5］。

假设目标在S 距离内，做直线、均速运动，目标速度为V，目标从距离D 处通过，目标噪声强度为P，探测装置与目标运动位如图1所示。

图1 探测装置与目标运动位置示意图

设目标运行的时间为t，则目标与探测装置之间的直线距离：

探测装置所接收到的目标噪声信号强度为

其中A 为换能器接收到的目标噪声信号强度，D、V、P 不确定，但在目标拦截末端，可以认为其值保持不变，可以当做常量对待。因此目标通过固定状态下的探测装置时，其接收到的能量曲线信号具有下面的形式，当目标速度V 不同、最近距离D 不同时，曲线的上升速度和宽度有所变化，但波形保持不变。图2是选取速度V 边界值高速、低速目标和距离D条件下的目标通过特效曲线。

图2 不同速度V和距离D下的目标特性曲线对比

2.2 较低海况目标特性试验

进行了探测装置目标特性试验，图3是实测数据中的一组，图（a）为近距离时的目标特性曲线，图（b）为远距离时的目标特性曲线。

图3 海上目标特性试验数据

2.3 高海况下的目标特性能力

如图4所示，根据相关国家标准查表得到高海况（6级）的海面浪高范围为4m～6m。

图4 高海况下海面波形仿真

图5为高海况情况下，拦截弹与目标位置示意图。以无风浪状态下换能器声学中心建立直角坐标系，换能器在目标上方，无风浪时，L 取值为4m～6m 或者-4m～-6m，（换能器在目标下方时同理），接收换能器在A 点，由于海浪影响，换能器由A 点晃动到B点。

图5 波浪起伏影响示意图

假设目标直航通过O 点，目标初始距离EO 为s，目标速度为v，OC距离为D，AC距离为H。

则在任意时间t，目标航行至F 点，无晃动时换能器在A 点接收到的声压为PA，目标在O点处时，换能器接收到的声压为P0，则按照球面波衰减规律为

由上式可知，探测装置接收换能器接收到的目标辐射噪声能量由小变大后又逐渐减小，当t1=s/v时，上式取最大值，即目标通过处，接收能量最大。

由于海况影响存在晃动时，换能器由A 点晃动到B 点时，接收换能器在B 点接收到的声压为PB，则

由于海浪的周期性，短时间内假设海浪起伏满足正弦波规律，频率属低频，则L=Ksin(2πft+ϕ)，K代表波动大小，ϕ代表初始相位未知，上式为

使接收能量最大，则上式分母最小，设分母根号内为f′(t)，求导得：

则能量最大处应为上式求导后为0 的时间点，计算对应时间为

高海况（6级）取浪高最大值为6m，则K取3，目标可能在换能器上下活动，H 取换能器入水深度的一半，波浪的平均周期取7.56s，则频率为1/7.56，取0.14，则6级海况和0级海况对比图如图6。

图6 波浪起伏对特性影响

从图6中看出，海浪起伏对探测装置接收到的特性曲线影响较小。

有晃动时能量最大和无晃动时能量最大的时间偏差为

初始相位影响(H+Ksin(2πft+φ))cos(2πft+φ)项的最大值近似为，则时间偏差最大为

利用浅海噪声谱级经验公式：

式中，SNR=SL-TL-(NL-DI)为噪声谱级，频率SNR=SL-TL-(NL-DI)（kHz），S 为海况等级，按照6 级海况计算，SNR=SL-TL-(NL-DI)为下限频率时，SNR=SL-TL-(NL-DI)= 62dB，SNR=SL-TL-(NL-DI)为上限频率时，SNR=SL-TL-(NL-DI)=57dB，取最大值为62dB。

按照被动声纳方程，探测装置在6 级海况接收到目标信号的信噪比为

上式中，声源级SL取谱级典型值，传播损失TL按照球面波衰减规律计算，距离取临界距离值，环境噪声NL取谱级62dB，无指向性DI为0，则计算得SNR约为15dB。

高海况（6 级）引起海洋背景噪声增高，对探测装置有一定影响，但是目标在临界距离处经过时，目标辐射噪声仍是接收能量的主要部分，目标在小于临界距离通过时，接收信噪比增大，因此在要求距离内可以检测到目标。

3 拦截弹探测性能评估

3.1 探测性能设计与理论分析

探测装置将不断累计的目标特性曲线，进行最小二乘拟合，如果生成拟合多项式的可决系数满足设计指标，且信号最大强度大于阈值等条件，则认为拟合曲线符合目标特性，算法在拟合曲线顶点处给出动作信号［6～11］。

目标通过特性曲线幅度经过转换，满足如下递推公式：

这里是首项系数为1 的次多项式，根据正交性，得：

由通过特性能量曲线构成正交多项式的线性组合作最小二乘曲线拟合，根据上面递推公式逐步求出的同时，相应计算出系数：

并逐步把α*0Pk(x)累加到S(x)中去，最后就可得到所求的拟合曲线：

3.2 较低海况探测性能试验

在海上进行了探测性能试验，经过计算提取的目标特性曲线如图7，当取近距离时探测装置正确给出动作信号（虚线为动作信号），当取远距离时，探测装置不动作。

图7 较低海况探测性能试验

3.3 高海况下的探测性能

根据低海况的验证，对高海况（6 级）下探测装置性能进行模拟仿真，传播损失按照TL=20lg（r）+ar 进行计算，风速8 级。从图8中可以看到，在6 级海况下工作性能不受影响。

图8 高海况探测性能仿真

4 拦截弹装载动态力评估

4.1 拦截弹装载受力环境分析

由于拦截弹内没有不平衡运动系统、液体介质和旋转运动部件，因此高海情的主要影响是舰船摇摆载荷对拦截弹结构强度的影响［12～15］。

舰船高海况摇摆引起的静态力、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，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。

拦截弹可认为是中小型电子设备，在此纵摇、横摇情况下产生的内部动态力与拦截弹经历的环境应力载荷相比悬殊，不会对拦截弹造成结构性破坏。拦截弹与发射装置之间的作用力主要集中在尾翼架的制止器环形槽上，按照表2倾斜和摇摆试验条件施加运动，得到结构强度仿真结果如图9所示，拦截弹尾翼架上的最大应力为32MPa，小于结构材料应力，不会对拦截弹造成结构性破坏。

图9 拦截弹尾翼架结构强度仿真计算结果

此外，拦截弹电子元器件进行过大于1000g 的冲击过载试验，试验条件的应力载荷远高于装载拦截弹在舰船摇摆中所形成的动态环境应力载荷。故推定，拦截弹在9 级海况不会出现结构破坏问题。

4.2 结构强度设计与制造工艺分析

为了适应高海情动态力，拦截弹设计中采用了以下设计措施：

1）设计过程中，进行了结构强度余量设计，通过加强结构以提高结构强度余量，并通过了设计电子设备的内部结构及有关参数，使其具有良好的动态特性，从而增强拦截弹抗振动、冲击能力；

2）应用机械振动与冲击隔离技术对电子设备进行振动与冲击的隔离；

3）对可能遭受的环境抗冲击进行了抗冲击分析，对结构部件进行了受力分析，确保结构刚度、强度满足要求；

4）为满足环境适应性要求，防止由于产品制造缺陷导致不能满足设计要求，编制了设备质量保证大纲，环境试验大纲和检验验收细则，作为设备检验验收依据并严格执行；

5）对关键工序，制定了关键工序质量控制，严格生产人员自检，检验人员复验，保证了关键工序，特殊工艺的质量，满足质量要求。

5 试验

5.1 管内装载可靠度试验

完成拦截弹舰上管内装载试验后，经长途运输进行14 发管内装载试验产品的湖上射击试验，全部工作正常，试验表明拦截弹在较低海况下长时间装载后，可以满足正常使用需求。

5.2 振动试验

完成了两发拦截弹振动试验，按图10、表1试验条件对被试品依次进行了随机振动、正弦扫频振动和定频耐久振动试验，试验结果显示拦截弹各项性能满足指标及大纲要求，可以满足正常使用要求。

图10 随机振动试验功率谱密度谱图

表1 正弦扫频振动试验量值

5.3 倾斜、摇摆试验

完成了两发拦截弹倾斜、摇摆试验，按表2试验条件对被试品依次进行了纵倾、横倾、纵摇和横摇试验，试验结果显示拦截弹各项性能满足指标及大纲要求，可以满足拦截弹使用要求。

表2 倾斜和摇摆试验条件

5.4 冲击试验

进行了两发拦截弹冲击试验，按表3试验条件对弹轴、弹径方向各冲击10 次，试验结果显示拦截弹电路、各火工组部件均能正常工作，可以满足正常使用要求。

表3 倾斜和摇摆试验条件

综合以上拦截弹装载受力环境、结构强度、制造工艺等分析及相关试验验证，表明拦截弹在九级海况条件下可以满足结构强度要求。

6 结语

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六级海况下拦截弹弹道攻角、入水过载、连接件受力、探测性能、目标特性，以及九级海况下拦截弹装载动态力性能六个方面；本文针对六级海况下拦截弹目标特性、探测性能、装载动态力性能三个方面内容，在理论分析基础上采用仿真计算、实验室试验及海上实航试验相结合的方法进行综合评估，结果表明拦截弹的目标特性、探测性能、装载动态力性能三个方面均能满足规定的高海况作战使用环境要求，为综合评定拦截弹高海况适应性状态鉴定结论提供技术支撑。