魚雷動態(tài)打靶測量關(guān)鍵技術(shù)研究

焦安龍，宋敬利

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魚雷動態(tài)打靶測量關(guān)鍵技術(shù)研究

焦安龍，宋敬利

（91439部隊(duì)，遼寧大連 116041）

魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)是檢驗(yàn)魚雷武器毀傷能力的最直接、最有效的方法，魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)中由于魚雷爆炸對靶船產(chǎn)生的劇烈沖擊會造成靶船的嚴(yán)重毀傷甚至沉沒，因此魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)中對靶船的沖擊測量需要考慮測量設(shè)備沖擊防護(hù)、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)的可靠回收等諸多技術(shù)問題，通過對魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)測量工作所面臨的技術(shù)問題的難點(diǎn)分析，給出了相應(yīng)的解決方法，可以作為魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)測量工作實(shí)施的參考。

魚雷 動態(tài)打靶 測量

0 引言

測量魚雷動態(tài)爆炸對艦船的毀傷程度，對于定量評估水中兵器的毀傷效能至關(guān)重要。以美國為首的西方國家十分重視水中兵器在水中爆炸后的毀傷機(jī)理、測試、評估和艦船的抗爆抗沖擊研究。美國一直堅(jiān)持首制艦進(jìn)行實(shí)船水中爆炸驗(yàn)收試驗(yàn)。美國海軍抗沖擊規(guī)范MIL-S-901D規(guī)定，凡小于181噸的艦載設(shè)備必須經(jīng)過水中爆炸抗沖擊考核試驗(yàn)，大于181噸設(shè)備必須經(jīng)過沖擊計(jì)算考核[1]。

魚雷對艦艇的毀傷屬于接觸或近場爆炸毀傷，我國關(guān)于魚雷對水面艦艇的毀傷機(jī)理已經(jīng)開展過充分的理論研究[2]，以前由于受到測量手段的限制在魚雷實(shí)航打靶試驗(yàn)中都沒有對爆炸毀傷效應(yīng)進(jìn)行定量測量分析，一般只是宏觀看一下爆炸毀傷效果，對魚雷爆炸毀傷的定量測量目前都是通過陸上試驗(yàn)進(jìn)行，但由于空氣中爆炸與水中爆炸有著本質(zhì)的差別，陸爆方法不能對魚雷爆炸毀傷效能指標(biāo)作出科學(xué)判斷[3,4]。要想在接近實(shí)戰(zhàn)條件下檢驗(yàn)魚雷攻擊目標(biāo)艦時(shí)的毀傷效應(yīng)必須通過動態(tài)打靶方式，并且要對靶船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、沖擊響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行測量。通過對魚雷攻擊水面艦艇的毀傷效應(yīng)測量關(guān)鍵技術(shù)研究和魚雷動態(tài)打靶測量工作的難點(diǎn)問題分析，給出測量設(shè)備在劇烈沖擊作用下的防護(hù)方法、測量設(shè)備的遠(yuǎn)程控制方法，數(shù)據(jù)的可靠回收方法以及動態(tài)炸點(diǎn)位置測量的傳感器優(yōu)化布設(shè)及炸點(diǎn)位置的解算方法等，可以作為魚雷動態(tài)打靶測量工作的實(shí)施的參考。

1魚雷動態(tài)打靶測量工作的難點(diǎn)分析

魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)中魚雷處于航行狀態(tài)，且魚雷攻擊艦船的位置不確定，因此對艦船的毀傷效應(yīng)存在很多不確定因素，這給測量工作帶來了諸多困難。首先要考慮測量設(shè)備的安全問題，必須找到一個(gè)相對安全的位置安裝測量設(shè)備，同時(shí)需要對測量設(shè)備采取必要的緩沖措施，確保設(shè)備在劇烈的沖擊作用下能夠可靠工作并有效進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。動態(tài)打靶試驗(yàn)很有可能造成靶船沉沒，因此必須在靶船沉沒之前將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄出來，動態(tài)打靶試驗(yàn)的危險(xiǎn)性極大，在被試靶船附近不可能有其它艦船停留，因此需要遠(yuǎn)距離對靶船狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并將靶船的狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送到控制端，當(dāng)控制端檢測到靶船即將沉沒時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)測量設(shè)備與靶船的分離，確保測量設(shè)備安全回收。為了準(zhǔn)確分析測量數(shù)據(jù)還需要知道爆炸瞬間魚雷相對靶船的位置，因此必須采取合適的定位測量手段和解算方法對魚雷進(jìn)行精確定位。

2測量設(shè)備的安裝布置及遠(yuǎn)程控制方法

測量設(shè)備要布置在相對安全的地方，因此需要對魚雷動態(tài)打靶時(shí)靶船的沖擊響應(yīng)進(jìn)行事先評估，首先要對魚雷和被試艦分別進(jìn)行建模，并針對魚雷在典型部位的接觸和近場爆炸開展仿真計(jì)算，通過仿真計(jì)算得出不同工況下船體結(jié)構(gòu)和重要艦載設(shè)備及武器裝備的沖擊響應(yīng)情況和應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律。

由于魚雷動態(tài)攻擊靶船屬于近場或接觸爆炸，會使目標(biāo)艦產(chǎn)生大的變形或破口，有限元方法不再適用，采用光滑粒子流體動力學(xué)方法可以很好地解決近場和接觸爆炸毀傷的沖擊波載荷問題。氣泡脈動載荷采用邊界元法進(jìn)行求解，氣泡射流載荷采用簡化計(jì)算方法，將射流簡化為高速運(yùn)動流體，通過非線性雙漸進(jìn)法計(jì)算氣泡射流載荷對船體的毀傷作用。結(jié)果對被試艦的建模采用全船建模方式，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的艦載設(shè)備及重要武器裝備采用等效質(zhì)量方法進(jìn)行建模。對魚雷爆炸載荷作用下被試艦沖擊響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算得出全船沖擊響應(yīng)及重要裝備的沖擊輸入輸出參數(shù)，考慮到魚雷動態(tài)打靶炸點(diǎn)的隨機(jī)性，仿真計(jì)算應(yīng)考慮魚雷在不同攻擊位置（船艏、船舯、船艉）、不同攻擊角度（船底、舷側(cè)）爆炸進(jìn)行。通過仿真計(jì)算找出被試艦沖擊相對較小的位置對測量設(shè)備進(jìn)行安裝布置。

采用無線數(shù)傳電臺，在測量船和靶船之間通過自動尋址方式進(jìn)行無線組網(wǎng)，由測量船上的控制端通過特定的指令對采集設(shè)備進(jìn)行采集控制，在測量船上通過無線網(wǎng)絡(luò)對靶船上的采集設(shè)備進(jìn)行測量參數(shù)設(shè)置、采集設(shè)置及觸發(fā)設(shè)置，測量設(shè)備的觸發(fā)采用傳感器信號觸發(fā)和遠(yuǎn)程手動觸發(fā)雙備份的方式以確保測量設(shè)備可靠觸發(fā)采集[5]。對于魚雷實(shí)航爆炸威力測量試驗(yàn)中，考慮到魚雷炸點(diǎn)的不確定性，自由場壓力傳感器信號強(qiáng)弱差別較大，如果預(yù)先指定某一通道為觸發(fā)通道，會給系統(tǒng)帶來很大的不確定性，因此需要對各個(gè)測量通道采取并聯(lián)的方法，當(dāng)任意一個(gè)通道達(dá)到觸發(fā)閾值時(shí)即可觸發(fā)測量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3測量設(shè)備的防護(hù)方法

魚雷爆炸時(shí)，強(qiáng)大的沖擊波會引起靶船的劇烈振動，為了確保靶船上各測試儀器的正常工作，必須將測試儀器安放在緩沖平臺上。緩沖平臺可以采取空氣彈簧緩沖器，也可以采取氣液緩沖器，但是在使用前需要對緩沖器的緩沖效果進(jìn)行沖擊測試，合理調(diào)整空氣彈簧內(nèi)的氣壓以達(dá)到最佳緩沖效果，對于氣液緩沖器需要合理調(diào)整氣液比例，根據(jù)承載設(shè)備的重量進(jìn)行充放氣操作。

測量設(shè)備屬于電子設(shè)備，不能接觸海水，當(dāng)靶船沉沒時(shí)必須保證測量設(shè)備的可靠回收，因此必須將測量設(shè)備安裝在具有防水功能的密封艙內(nèi)，密封艙內(nèi)要設(shè)置測量設(shè)備的供電電源，測量設(shè)備與傳感器相連的電纜要通過水密件穿過密封艙體。密封艙通過爆炸螺栓固定在緩沖平臺上，當(dāng)靶船即將沉沒時(shí)，可通過遠(yuǎn)程控制指令迅速切斷密封艙與外部相聯(lián)的電纜以及密封裝置與緩沖平臺之間的連接，使密封艙浮于海面上，便于事后打撈，把試驗(yàn)損失降低到最小限度。

4靶船狀態(tài)的監(jiān)測方法

為了準(zhǔn)確判定是否需要對密封裝置進(jìn)行解脫，需要檢測底部船艙是否進(jìn)水及進(jìn)水深度，判斷是否具有沉船的可能，并進(jìn)一步?jīng)Q定是否發(fā)出解脫指令。根據(jù)海水電導(dǎo)率較高，具有一定導(dǎo)流能力這一事實(shí)設(shè)計(jì)海水接觸傳感器，多只傳感器置于靶船不同位置，遠(yuǎn)程控制端通過采集傳感器的導(dǎo)通狀態(tài)來判斷靶船的傾覆狀態(tài)。將多個(gè)液位開關(guān)出來的開關(guān)量信號分別通過光電隔離，進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的處理后，由RS232收發(fā)器轉(zhuǎn)化為RS232信號通過電纜與PC機(jī)通信，并由局域網(wǎng)發(fā)送至主控計(jì)算機(jī)。電路示意如圖1所示。

傳感器將觸水信號轉(zhuǎn)換為電信號，0為默認(rèn)值，1為浸入海水導(dǎo)通狀態(tài)，按默認(rèn)編號次序?qū)⒍鄠鞲衅鞯膶?dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為多位編碼。該數(shù)據(jù)字在總線控制器查詢后反饋，經(jīng)測控局域網(wǎng)發(fā)送至遙控端解碼顯示，由人工判斷傾覆狀態(tài)。

5測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄方法

要將測量數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)錄出來需要采用傳輸速率較高的傳輸設(shè)備，可以考慮采用光纖或無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄，但無線傳輸方式由于易受到周圍電磁環(huán)境干擾，且傳輸速率與距離有很大關(guān)系，而沖擊測量由于采樣率較高，采集的數(shù)據(jù)量較大，很難在短時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)錄出來，而光纖傳輸技術(shù)傳輸速率高，數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠，因此考慮采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于實(shí)航打靶試驗(yàn)時(shí)控制船離靶船較遠(yuǎn)，若在控制船和靶船之間拉一條光纜海上實(shí)施難度較大，因此考慮在靶船附近布設(shè)一個(gè)用于承載轉(zhuǎn)錄裝置的浮體，將光纖從靶船拉至浮體上。

位于靶船上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過交換機(jī)融合在一起傳輸給光端機(jī)，然后通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存浮體上的光端機(jī)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存浮體上的光端機(jī)接收數(shù)據(jù)并傳送給千兆交換機(jī)，最后千兆交換器將數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存計(jì)算機(jī)。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備可能有多個(gè)，因此需要對每個(gè)采集設(shè)備分配一個(gè)IP地址，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存與控制系統(tǒng)配置一個(gè)IP地址，雙方進(jìn)行通信時(shí)通過IP地址就可以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的信源和信宿，解決數(shù)據(jù)沖突的問題。

6炸點(diǎn)定位測量的測點(diǎn)優(yōu)化布置及解算方法

在魚雷實(shí)航打靶試驗(yàn)中，無法采用GPS和水聲定位方法對動態(tài)炸點(diǎn)進(jìn)行定位。因此考慮采用對壓力測量數(shù)據(jù)進(jìn)行解算獲得爆源相對靶船位置的方法[6,7]。由于魚雷實(shí)航攻擊目標(biāo)艦的炸點(diǎn)隨機(jī)，傳感器布設(shè)位置的選擇很難，在目標(biāo)艦上布設(shè)壓力傳感器時(shí)應(yīng)盡量增加布設(shè)數(shù)量以獲取更準(zhǔn)確的爆源位置，但是受測量規(guī)模限制傳感器不宜布設(shè)太多，在測點(diǎn)數(shù)量有限的情況下需要對傳感器的安裝部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保動態(tài)炸點(diǎn)的定位精度，優(yōu)化設(shè)計(jì)要充分考慮動態(tài)炸點(diǎn)位置的隨機(jī)性，針對目標(biāo)艦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自由場壓力和船體壁壓兩種參數(shù)作為爆源定位的原始依據(jù)，首先確定在目標(biāo)艦上建立三維坐標(biāo)系，然后給定一個(gè)爆源的大概初始相對于靶船坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以此坐標(biāo)為中心在三維空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算各分割區(qū)域到達(dá)各測點(diǎn)位置的時(shí)間差并跟爆炸沖擊波信號達(dá)到各測點(diǎn)的實(shí)際時(shí)間差做比較，找出均方差最小的區(qū)域并繼續(xù)對該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，繼續(xù)采用上述方法進(jìn)行解算，直到均方差值小于事先設(shè)定的閾值計(jì)算結(jié)束。通過計(jì)算最終得到的網(wǎng)格坐標(biāo)即為爆源位置坐標(biāo)。

7結(jié)束語

魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)的開展面臨諸多技術(shù)難題，通過對魚雷動態(tài)打靶試驗(yàn)的難點(diǎn)問題進(jìn)行分析，嘗試給出相應(yīng)的解決辦法，但在具體操作時(shí)還需要考慮很多細(xì)節(jié)問題，文章在這方面進(jìn)行了初步探索，在具體實(shí)施時(shí)還需根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施。

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Research on Key Techniques of Dynamic Measurement for Torpedo Shooting

Jiao Anlong , Song Jingli

(Unit 91439 of PLA, DaLian 116041, Liaoning, China)

TJ630

A

1003-4862（2016）09-0028-03

2016-04-15

焦安龍（1974-），男，工程師。研究方向：魚雷技術(shù)。