一種適于計算艦載激光引偏干擾系統(tǒng)安全引偏距離的沖擊因子

張　爽， 張曉暉， 孫春生

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 武漢　430033)

一種適于計算艦載激光引偏干擾系統(tǒng)安全引偏距離的沖擊因子

張爽， 張曉暉， 孫春生

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 武漢430033)

艦載激光引偏系統(tǒng)的安全引偏距離可以采用沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)計算，但傳統(tǒng)的沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)在計算安全引偏距離時存在一些不足。引入艦船的尺度、外形和排水量等參數(shù)對破壞標(biāo)準(zhǔn)中沖擊因子的計算方法進(jìn)行了改進(jìn)，使之具有更加廣泛的適用范圍，然后在改進(jìn)的沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，計算了多種激光制導(dǎo)武器相對于不同類型艦船的安全引偏距離，分析了相關(guān)因素對安全引偏距離的影響，對艦載激光引偏干擾系統(tǒng)引偏距離的選擇具有一定的參考意義。

艦載激光引偏干擾； 安全引偏距離； 水下爆炸；沖擊因子

艦載激光引偏干擾系統(tǒng)是一種對抗半主動激光制導(dǎo)武器的專用光電對抗系統(tǒng)，通過將激光制導(dǎo)武器引偏至海水中爆炸達(dá)到保護(hù)艦船的目的。安全引偏距離是艦載激光引偏干擾系統(tǒng)能否達(dá)到其作戰(zhàn)效能的一項關(guān)鍵參數(shù)。它的物理含義是：在保證艦船安全的條件下，艦載激光引偏干擾系統(tǒng)所能選取的最小的引偏距離。當(dāng)引偏距離小于安全引偏距離時，被引偏的激光制導(dǎo)武器在水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波仍然會對艦船造成破壞。安全引偏距離的大小受引偏方位、艦船自身的抗沖擊能力以及激光制導(dǎo)武器的裝藥量等多種因素影響，需要采用科學(xué)的方法對其進(jìn)行計算。

為了計算艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離，需要參照艦船的水下爆炸破壞標(biāo)準(zhǔn)，判定激光制導(dǎo)武器被引偏至水下爆炸時可能造成的艦船損傷程度。目前對于艦船水下爆炸破壞標(biāo)準(zhǔn)的研究主要是以艦船遭受魚水雷等水中兵器攻擊為背景[1-3]，研究結(jié)果并不完全適用于艦載激光引偏干擾系統(tǒng)安全引偏距離的計算。本文在沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，從艦船遮擋能量角度研究激光制導(dǎo)武器水下爆炸對不同類型艦船造成的損傷，對該標(biāo)準(zhǔn)中的沖擊因子計算方法進(jìn)行了修正，使其更加適于計算艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離，并采用改進(jìn)的沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)計算了多類艦船應(yīng)對不同激光制導(dǎo)武器時的安全引偏距離，為艦載激光引偏干擾系統(tǒng)安全引偏距離的研究提供參考。

1　艦船水下爆炸破壞標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)水下爆炸對艦船造成損傷的機理，國內(nèi)外制定并使用過的艦船破壞標(biāo)準(zhǔn)主要有三種[4]。分別是基于水下爆炸沖擊波峰值壓強、艦船承受的沖擊加速度以及水下爆炸沖擊因子制定的。

基于水下爆炸沖擊因子的破壞標(biāo)準(zhǔn)是英國、意大利等許多北約國家所采用的標(biāo)準(zhǔn)，其中的沖擊因子是一種用于描述艦船所處的沖擊環(huán)境的參數(shù)，對于同一目標(biāo)，如果沖擊因子相等，則認(rèn)為艦船的水下爆炸沖擊響應(yīng)近似相等。沖擊因子有多種不同的形式，該標(biāo)準(zhǔn)采用的是基于平面波假定的一種形式，其計算公式如[4]：

(1)

式中，W為裝藥量(kg)，R為爆距(m)，K1為裝藥的TNT當(dāng)量系數(shù)，K2為海底的反射系數(shù)，硬質(zhì)海底一般取1.5。英國國防部規(guī)定的沖擊因子與艦船損傷程度(中型水面艦船)的對應(yīng)關(guān)系見表1[4]。

沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)的將艦船各種程度的損傷情況加以分類，并給出了量化判斷標(biāo)準(zhǔn)，可以方便的將激光引偏干擾過程中的引偏距離值換算成艦船的損傷程度，有助于分析不同情況下的安全引偏距離。但是該標(biāo)準(zhǔn)使用的沖擊因子形式過于簡單，計算結(jié)果并不總是符合實際情況。因此在利用沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)計算安全引偏距離時，需要對該標(biāo)準(zhǔn)中的沖擊因子計算方法進(jìn)行修正。

表1　沖擊因子與艦船損傷程度

2　適于計算安全引偏距離的沖擊因子

沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)中使用的是一種基于平面波假定并從艦船遮擋的沖擊波能量相等角度定義的沖擊因子形式，即假定爆距R與艦船特征尺度L相比足夠大，則對于艦船來說，水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波可以認(rèn)為是平面波，因此無論爆距如何變化，船體在垂直于平面波傳播方向上的投影面積為常數(shù)，只要沖擊因子不變，艦船遮擋的沖擊波能量大小也不會改變[5]。

但是在引偏干擾過程中引偏距離(即爆距)R并不總是足夠大。為了解決這個問題，姚熊亮等[5]提出了基于球面波假定的沖擊因子：

(2)

(3)

式中:Se為船體在以爆炸點為球心，爆距為半徑的球面上的投影面積。

這種形式的沖擊因子可以反映艦船特征尺度以及爆炸點與艦船的相對位置改變時，船體遮擋的沖擊波能量的變化情況。但是其改變了基于平面波假定的沖擊因子的量綱，無法直接應(yīng)用于沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)中。同時，對于不同排水量的艦船，沖擊因子相同僅表示其遮擋的沖擊波能量相等，并不表示艦船的損傷程度也近似相同。因此以某一排水量艦船為目標(biāo)制定的破壞標(biāo)準(zhǔn)不適用于其他排水量的艦船，為了能夠合理的判斷不同排水量的艦船在水下爆炸中的損傷程度，需要在沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)中考慮艦船的排水量因素。為此，對沖擊因子做出如下修正：

(4)

式中：α為待定系數(shù)，S1為船體基于平面波假定時的投影面積，M為艦船的實際排水量，Ms為基準(zhǔn)排水量，表示制定破壞標(biāo)準(zhǔn)時對應(yīng)的艦船排水量，表1中所示的標(biāo)準(zhǔn)適用于中型艦船，因此在這里選取Ms=6 000 t。

圖1　引偏位置示意圖Fig.1 The position diagram of deflection decoy jamming

如圖1所示，假設(shè)激光制導(dǎo)武器分別被引偏至艦船側(cè)舷的A點與艦艉的B點爆炸。由于水面艦船的外形非常復(fù)雜，為簡化計算，如圖2所示，將艦船的側(cè)舷與艦艉的面積等效為矩形進(jìn)行計算，則側(cè)舷與艦艉的等效面積SA和SB可以表示為：

SA=L×H

(5)

SB=P×H

(6)

式中:L表示艦船水線長度，P表示艦船水線寬度，H表示艦船的吃水深度。與水雷等水中兵器相比，被引偏的激光制導(dǎo)武器的爆炸深度較小，在這里取為H/2，因而兩種爆炸情況下，艦船在球面沖擊波陣面上的投影面積分別為：

(7)

(8)

基于平面波假定時，船體在垂直于平面波傳播方向上的投影面積，可由下式求得：

(9)

待定系數(shù)α的取值應(yīng)依據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，本文依據(jù)水下爆炸的實驗及有限元仿真結(jié)果[6-9]，分別計算了不同工況下，α=1/2和α=1/3時的沖擊因子Cm，計算結(jié)果及實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2　等效面積示意圖Fig.2The diagram of equivalent area

工況L/mP/mH/mM/tW/kgR/m實驗或仿真結(jié)果Cm(α=1/2)Cm(α=1/3)1240321250000100078未超過材料屈服極限0.140.192240321250000100040.5船體發(fā)生塑性形變0.210.303240321250000100031.6船體發(fā)生塑性形變0.240.3549013.27.6200057630船體發(fā)生塑性形變1.371.135117.5254.7370003402113船體發(fā)生塑性形變0.560.586397.81.820081.529.4船體發(fā)生塑性形變1.891.08

將表2的計算結(jié)果與表1結(jié)合起來看，并與實驗及仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以看到α=1/2時，工況6的Cm計算結(jié)果偏大，而α=1/3時的計算結(jié)果較為合理，其它工況下兩種α取值的計算結(jié)果都在合理區(qū)間之內(nèi)。

由于缺乏進(jìn)一步的實驗或仿真數(shù)據(jù)(目前的實驗或仿真數(shù)據(jù)多為不同工況下的船體沖擊響應(yīng)，很難借此得到不同工況下的艦船損傷程度)，為了得到較為合理的α取值，依據(jù)表2中所列的排水量分別為50 000 t、7 000 t和200 t的三種艦船參數(shù)，計算了三種艦船在α取不同值，且Cm=0.2時，水下爆炸裝藥量隨爆炸距離的變化情況，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3　α取不同值時裝藥量隨爆炸距離的變化Fig.3The explosive loading vs. the explosive distance with different α

如圖3(a)所示，計算中選取艦船的排水量遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)排水量，α=1/2時裝藥量W的計算結(jié)果明顯偏大，且裝藥量W隨爆炸距離R的增長趨勢過快，而α=1/3時的計算結(jié)果較為合理。圖3(b)選取的艦船排水量與基準(zhǔn)排水量接近，兩種α取值情況下的計算結(jié)果比較接近。圖3(c)所示為艦船排水量遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)排水量情況下的計算結(jié)果，α=1/2時裝藥量W的計算結(jié)果明顯偏小，α=1/3時裝藥量W的計算結(jié)果在爆炸距離R較小時偏小，但裝藥量W隨爆炸距離R的增長趨勢較為合理。

綜合上述分析，當(dāng)α取1/2時，艦船排水量與基準(zhǔn)排水量相差較大情況下，沖擊因子Cm的計算結(jié)果存在較大偏差，其他情況下，沖擊因子Cm的計算結(jié)果較為合理；當(dāng)α取1/3時，艦船排水量遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)排水量情況下，沖擊因子Cm的計算結(jié)果存在一定偏差，其他情況下，沖擊因子Cm的計算結(jié)果較為合理。本文研究的是用于計算安全引偏距離的沖擊因子，而排水量太小的艦船一般不會裝備激光引偏干擾系統(tǒng)，不在本文大討論范圍之內(nèi)，因此本文選取α=1/3來計算沖擊因子Cm，并以其分析艦船的安全引偏距離。

3　典型艦船的安全引偏距離分析

選取大、中、小三型典型艦船為研究對象，依據(jù)沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)計算其在受到激光制導(dǎo)武器攻擊時的安全引偏距離。艦船與激光制導(dǎo)武器的具體參數(shù)分別見表3和表4。

表3　典型艦船參數(shù)

注：表3中所列艦船參數(shù)為依據(jù)多種艦船數(shù)據(jù)得出的參考值，并非實際參數(shù)

表4　典型激光制導(dǎo)武器裝藥量參數(shù)

如表4所示，各型激光制導(dǎo)武器的裝藥量差別較大，其值在60～450 kg之間變化，考慮到現(xiàn)役激光制導(dǎo)武器的裝藥一般為高能炸藥，其TNT當(dāng)量系數(shù)大多在1.5以上[10]，因此計算中激光制導(dǎo)武器裝藥量(TNT當(dāng)量)的取值范圍在50～600 kg之間。

圖4所示為引偏距離等于30 m時，三種類型艦船的沖擊因子Cm以及沖擊因子C1隨裝藥量變化的曲線。從圖中可以看出，沖擊因子Cm和沖擊因子C1隨著裝藥量的增多均有所增大，且由于在尺度、外形以及排水量上存在差異，三類艦船的沖擊因子Cm存在明顯不同，當(dāng)激光制導(dǎo)武器被引偏至側(cè)舷爆炸時，小型艦船的沖擊因子Cm大于沖擊因子C1，而中型艦船和大型艦船的沖擊因子Cm則小于沖擊因子C1。當(dāng)激光制導(dǎo)武器被引偏至艦艉爆炸時，由于船體在沖擊波陣面上的投影面積減小，三種類型艦船的沖擊因子Cm均小于沖擊因子C1，說明沖擊因子Cm較好的反映出了引偏方位變化時，艦船損傷程度的變化。

圖4　沖擊因子隨裝藥量的變化Fig.4 The impulsive factor vs. the explosive loading

三種類型艦船的沖擊因子Cm以及沖擊因子C1隨引偏距離變化的曲線如圖5所示，圖中曲線均在裝藥量為200 kg條件下計算得到。當(dāng)激光制導(dǎo)武器被引偏至側(cè)舷時，從圖5(a)中可以看到，在引偏距離較小時，三類艦船的沖擊因子Cm均小于C1，隨著引偏距離的增大，小型艦船的沖擊因子Cm逐漸大于C1，中型艦船的沖擊因子Cm與C1逐漸接近，在引偏距離大于1倍船長時與C1近似相等，大型艦船的沖擊因子Cm則一直小于C1。當(dāng)激光制導(dǎo)武器被引偏至艦艉時，從圖5(b)中可以看到，艦船的沖擊因子Cm與圖5(a)中相比均有所降低，且均小于沖擊因子C1。說明沖擊因子Cm較好的反映了艦船的排水量以及艦船的尺度、外形特征等因素對于艦船損傷的影響。

采用沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)計算艦船的安全引偏距離，首先需要規(guī)定艦船在水下爆炸中處于安全狀態(tài)對應(yīng)的沖擊因子的大小。依據(jù)表1中的判定標(biāo)準(zhǔn)，沖擊因子的不同大小代表了艦船的不同損傷程度，對于艦載激光引偏干擾系統(tǒng)來說，綜合戰(zhàn)場環(huán)境、激光制導(dǎo)武器參數(shù)以及艦船參數(shù)等因素時，艦船完全不受損傷所對應(yīng)的引偏距離有可能使激光制導(dǎo)武器無法被引偏，這就需要適當(dāng)減少引偏距離，使艦船受到一定程度的損傷，以提高激光引偏的成功率。因此艦船的安全狀態(tài)在作戰(zhàn)條件不同時是不一樣的，需要綜合考慮多種因素來規(guī)定艦船在水下爆炸中處于安全狀態(tài)對應(yīng)的沖擊因子的大小。

圖6所示為沖擊因子Cm不同時，引偏距離隨激光制導(dǎo)武器裝藥量變化的情況，圖6(a)～(b)是Cm=0.15時的計算結(jié)果，圖6(c)～(d)是Cm=0.2時的計算結(jié)果。

由圖6中計算結(jié)果，Cm=0.15時三種類型艦船對應(yīng)的引偏距離與Cm=0.2時的引偏距離相比均有所增大，且艦船排水量越小引偏距離的增大幅度越大。當(dāng)裝藥量為50 kg的激光制導(dǎo)武器被引偏至艦船側(cè)舷，Cm=0.15時，小型艦船的引偏距離約為80 m，Cm=0.2時，小型艦船的引偏距離為56 m。相對于小型艦船的自身參數(shù)，80 m的引偏距離過大，無法保證激光引偏的成功率，不應(yīng)選擇Cm=0.15來計算艦船的安全引偏距離。因此在不考慮氣象及海況等戰(zhàn)場環(huán)境因素的情況下，結(jié)合表1中所列艦船沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)，本文規(guī)定沖擊因子Cm=0.2時，爆炸對艦船造成輕微損傷，此時對應(yīng)的引偏距離為安全引偏距離。

圖5 沖擊因子隨引偏距離的變化Fig.5Theimpulsivefactorvs.thedeflectiondecoydistance圖6 沖擊因子不同時引偏距離隨裝藥量的變化Fig.6Thedeflectiondecoydistancevs.theexplosiveloadingwithdifferentimpulsivefactor

依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，激光制導(dǎo)武器的裝藥量分別為50 kg、100 kg、200 kg、400 kg計算得到的安全引偏距離如表5所示。

表5　安全引偏距離的計算結(jié)果

從表5的計算結(jié)果以及圖6(c)～ (d)看，大中型艦船抗沖擊能力較強，可在距艦船較近的范圍內(nèi)進(jìn)行激光引偏干擾，同時與艦艉相比艦船側(cè)舷在沖擊波陣面上的投影面積大，遮擋的沖擊波能量多，應(yīng)盡量避免將激光制導(dǎo)武器引偏至艦船側(cè)舷方位。

綜上可知，排水量較大的艦船可以選擇較小的引偏距離，而對于同一艦船，在合適的引偏方位上也可以選擇較小的引偏距離。因此在艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的引偏距離選擇問題上，應(yīng)依據(jù)艦船的尺度、外形特征和排水量以及激光制導(dǎo)武器的裝藥量等因素，選擇合適的引偏距離和引偏方位。

4　結(jié)　論

(1) 沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)所采用的沖擊因子C1形式過于簡單，不適于計算艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離。改進(jìn)的沖擊因子Cm可以較好的反映艦船的尺度、外形特征和排水量等因素對于艦船損傷的影響，用以計算安全引偏距離時，計算結(jié)果較為合理。

(2) 艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離受戰(zhàn)場環(huán)境、激光制導(dǎo)武器參數(shù)以及艦船參數(shù)等多種因素制約。結(jié)合艦船參數(shù)與激光制導(dǎo)武器參數(shù)，本文規(guī)定Cm=0.2時的引偏距離為艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離。

(3) 從不同類型艦船的安全引偏距離來看，大中型艦船能夠承受更強的沖擊，可在距艦船較近的范圍內(nèi)進(jìn)行激光引偏干擾。對于同類艦船，應(yīng)依據(jù)艦船的尺度和外形特征選擇合適的引偏方位和引偏距離，使艦船在水下爆炸沖擊波陣面上投影面積盡可能小，以減小艦船承受的沖擊強度。

[1] 張海鵬，岳永威，蘇羅青，等. 水下爆炸作用下艦船總縱強度模型實驗方案研究[J]. 振動與沖擊，2012，31(6)：175-180.

ZHANG Hai-peng, YUE Yong-wei, SU Luo-qing, et al. Model experimental scheme for longitudinal strength of warship subjected to underwater explosion[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(6): 175-180.

[2] 陳輝，李玉節(jié)，潘建強，等. 水下爆炸條件下不同裝藥對水面艦船沖擊環(huán)境的影響試驗研究 [J]. 振動與沖擊，2011，30(7)：16-20.

CHEN Hui, LI Yu-jie, PAN Jian-qiang, et al. Tests for different charges in UNDEX on shock environment of surface warships[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(7): 16-20.

[3] 張阿漫，王詩平，汪玉，等. 水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)損傷特征研究綜述[J]. 中國艦船研究，2011，6(3)：1-7.

ZHANG A-man, WANG Shi-ping, WANG Yu, et al. Advances in research of characteristics of warship structural damage due to underwater explosion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2011,6(3): 1-7.

[4] 孟慶玉，張靜遠(yuǎn)，宋保維. 魚雷作戰(zhàn)效能分析[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2003：243-247.

[5] 姚熊亮，曹宇，郭君，等. 一種用于水面艦船的水下爆炸沖擊因子[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2007，28(5)：501-509.

YAO Xiong-liang, CAO Yu, GUO Jun, et al. Research on the response of warships to impulsive factor of underwater explosions [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2007, 28(5): 501-509.

[6] 岳永威. 大型運輸船水下爆炸結(jié)構(gòu)強度計算方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[7] 馮麟涵. 艦船系統(tǒng)抗沖擊性能全局優(yōu)化方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[8] Liang C C, Tai Y S. Shock responses of a surface ship subjected to noncontact underwater explosions [J]. Ocean Engineering, 2006, 33: 748-772.

[9] Ucar H. Dynamic response of a catamaran-hull ship subjected to underwater explosions [D]. Monterey: Naval Postgraduate School, 2006.

[10] Л.П. 奧爾連科. 爆炸物理學(xué)[M]. 原書第三版. 北京：科學(xué)出版社，2011：130-156.

Impulsive factor for safe distance calculation of a ship-based laser decoy jamming system

ZHANG Shuang, ZHANG Xiao-hui, SUN Chun-sheng

(Department of Ordnance Engineering, Naral University of Engineering, 430043, China)

The ship-damage standard of impulsive factor for underwater explosion was used to calculate the safe distance of a ship-based laser decoy jamming system. The modification for the calculation method of impulsive factor in the standard expanded the scope of application of the standard through introducing parameters of size, external form and water discharge of warships. Then, based on the improved standard, the safe distances of three types of warships with different laser guidance weapons were calculated and the effects of the corresponding factors on the safe distance were analyzed. The results provided a reference for selection of safe distance of a ship-based laser decoy jamming system.

ship-based laser decoy jamming; safe distance; underwater explosion; impulsive factor

10.13465/j.cnki.jvs.2016.13.006

軍內(nèi)科研項目(42410566)

2014-08-19修改稿收到日期：2015-04-21

張爽 男，博士生，1986年12月生

張曉暉 女，博士，教授，1965年4月生

TJ95

A