艙段式潛艇試驗?zāi)繕税薪ㄔO(shè)方法研究

焦安龍，賈 則

(中國人民解放軍91439部隊, 遼寧 大連 116041)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

艙段式潛艇試驗?zāi)繕税薪ㄔO(shè)方法研究

焦安龍，賈 則

(中國人民解放軍91439部隊, 遼寧 大連 116041)

檢驗新型水中兵器毀傷效果最有效的方法就是在盡可能真實的海況和戰(zhàn)況下對靶船進行攻擊，從而評估新型兵器的毀傷能力。在分析國外潛艇結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，依據(jù)水中兵器毀傷試驗?zāi)繕税械慕ㄔO(shè)需求，采用潛艇艙段模型為目標靶，設(shè)計了一種艙段式的潛艇目標靶，對防沉浮架系統(tǒng)和試驗輔助設(shè)備進行初步研究。采用數(shù)值模擬方法比對某型潛艇的整船模型和艙段模型遭受水中兵器攻擊時的試驗結(jié)果。比對結(jié)果在同一數(shù)量級，且具有一定的相似性，從而驗證了所提出的潛艇試驗?zāi)繕税薪ㄔO(shè)方法的合理性。

水中兵器；潛艇目標靶；艙段模型；數(shù)值模擬；毀傷效果

水中兵器的毀傷效果是兵器設(shè)計部門和使用部門最為關(guān)心的指標之一。毀傷效果由兩個因素決定：戰(zhàn)斗部炸藥當量和目標艦結(jié)構(gòu)性能。提高毀傷效果可以通過研制新式高能炸藥或者增加戰(zhàn)斗部裝藥實現(xiàn)。由于新型的水中兵器多數(shù)毀傷效果具有不確定性，因此，檢驗新型兵器毀傷能力最有效的辦法就是在盡可能真實的海況下和盡可能真實的戰(zhàn)況下對靶船進行攻擊，從而評估新型兵器的毀傷能力。另外，魚雷、水雷、深水炸彈等水中兵器遂行戰(zhàn)斗任務(wù)時，都是在運動中攻擊水面艦、潛艇等作戰(zhàn)平臺。這些兵器受自身設(shè)定的功能約束，爆炸位置都是隨機的，不同的爆炸位置對艦船的沖擊輸入不同，不同的沖擊輸入對艦船的毀傷有著明顯差別。因此測量運動中的水中兵器爆炸威力及對目標的毀傷能力是定量確定兵器作戰(zhàn)效能和毀傷能力的主要參數(shù)。

同時，目標靶的結(jié)構(gòu)性能對水中兵器毀傷效果影響較大。同種兵器命中目標艦的不同位置或者不同型號的目標艦，其毀傷效果也截然不同[1]。實際上，新型兵器在生產(chǎn)時每一枚都會有一定的差異性，而同種型號的目標艦也略有區(qū)別。因此，設(shè)計檢驗水中兵器毀傷效果的標準目標靶用于評估新型水中兵器毀傷能力最直接和最有效[2]。

目前廣泛使用的目標靶主要是退役艦船，這種目標靶船有兩點不足[3-4]：首先是目標特性不好控制，前后兩條靶船的結(jié)構(gòu)特性可能完全不同；第二，退役艦船不能隨用隨有，影響試驗進程。因此，研制一套潛艇試驗?zāi)繕税?，解決兵器定型試驗、毀傷效果試驗以及部隊訓練、演練無靶的難題，是當務(wù)之急。

1 目標靶建設(shè)方法分析

目標靶分為兩類：水面艦艇目標靶和潛艇目標靶[5]。有3種建設(shè)方案可供選擇：① 退役艦艇的實際靶船；② 典型艦艇艙段模型；③ 整艦縮比模型，優(yōu)缺點對比[6]如表1所示。

在退役艦艇無法保障的情況下，目標靶可根據(jù)試驗規(guī)模及兵器裝藥當量大小選擇典型艙段模型或整船縮比模型[7]。典型艙段模型可依據(jù)國外現(xiàn)役水面艦船目標特性設(shè)計，整船縮比模型同樣可依據(jù)國外現(xiàn)役艦船目標特性建設(shè)。

2 潛艇艙段模型目標靶分析

本研究以“支持者”級攻擊常規(guī)潛艇為目標靶設(shè)計原型，如圖1所示，設(shè)計和制造該艇的某艙段為水下靶船?！爸С终摺奔壒舫Ｒ?guī)潛艇充分吸取了核潛艇研制的成功經(jīng)驗和先進技術(shù)，是一艘高性能遠洋作戰(zhàn)潛艇。該型首艇于1983年11月在巴羅廠動工，1986年12月下水，并于1990年6月完工。后續(xù)3艘隱匿號、烏蘇拉號及麒麟號則由位于伯肯赫德的卡梅爾賴德造船廠承造，最后一艘在1993年服役。它既能在大陸架和淺海區(qū)活動，亦能到北大西洋作戰(zhàn)，作戰(zhàn)區(qū)域可從熱帶海區(qū)到北極海區(qū)。同時能攜帶多種武器，既能執(zhí)行反潛任務(wù)，又能進行反艦作戰(zhàn)。“支持者”級潛艇的主尺度為：艇長70.3 m，型寬7.6 m，吃水5.5 m，潛航狀態(tài)下排水量2 455 t，最大航速20 kn。

表1 目標靶建設(shè)方案對比

圖1 “支持者”級潛艇

1∶1艙段模型采用“支持者”級潛艇中段的一個艙室結(jié)構(gòu),如圖2和圖3所示，選取與原船大體相同的尺寸、板厚和結(jié)構(gòu)形式，保持與目標船相同的結(jié)構(gòu)形式和力學性質(zhì)。

圖2 艙段示意圖

3 目標靶的防沉浮架系統(tǒng)和試驗輔助設(shè)備初步研究

防沉浮架系統(tǒng)是一個長方形的艙室浮體結(jié)構(gòu)，由多個水密艙室、兩個艙室閘門、固定柱、拖帶柱，測量設(shè)備布放室等組成。外面多加了8根鋼索，用來起吊潛艇艙段模型，如圖4所示。

圖3 潛艇艙段模型三視圖

圖4 目標靶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗輔助設(shè)備根據(jù)試驗需求，包括聲納靶、魚雷引導靶、毀傷測量系統(tǒng)，目標定位系統(tǒng)及數(shù)值模擬計算系統(tǒng)等。根據(jù)水中兵器導引要求，選擇聲靶。測量系統(tǒng)選用相應(yīng)的測試系統(tǒng)，完成對潛艇艙段目標的水下沖擊波、射流速度和沖擊響應(yīng)的測量。

4 潛艇試驗?zāi)繕税薪ㄔO(shè)方法的數(shù)值模擬試驗驗證

由于無法獲取“支持者”級潛艇的詳細設(shè)計圖紙及結(jié)構(gòu)資料，數(shù)值模擬驗證模型采用與此類潛艇具有可比性且已先期開展過全船抗沖擊數(shù)值模擬研究的國產(chǎn)某型潛艇[8]，具有代表性和可驗證性。通過1:1艙段模型數(shù)值模擬計算結(jié)果對比驗證是否能表征整船實際戰(zhàn)場環(huán)境。數(shù)值模擬試驗工況選取為爆源(400 kg TNT當量深水炸彈)距潛艇底部中心垂直距離40 m，潛深為30 m。

數(shù)值模擬試驗?zāi)Ｐ腿鐖D5～圖7所示，圖5為艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限元模型，圖6為艙段加強結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖7為水域有限元模型，圖8為艙段數(shù)值模擬計算的整體有限元模型。數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖9～圖11所示，圖9為數(shù)值模擬計算的水域壓力云圖，圖10為數(shù)值模擬計算的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，圖11為船底中部正下方測點加速度和速度對比曲線圖。

圖5 艙段外板有限元模型

圖6 艙段加強結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 水域有限元模型

圖8 艙段數(shù)值模擬計算整體有限元模型

船底中部正下方測點的數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，雖然在結(jié)構(gòu)形式上存在一定的差異，但該艙段模型和整船模型水平方向的加速度、垂直方向的加速度和速度值在同一數(shù)量級上，具有相似性；但水平方向的速度曲線產(chǎn)生了較大差異，這是由于艙段模型僅有單層耐壓殼且板厚較厚(40 mm)，而該型潛艇模型最外層為非耐壓殼且板厚較薄(10 mm)所造成的振蕩響應(yīng)差異。數(shù)值模擬試驗驗證結(jié)果表明，該潛艇艙段模型總體符合設(shè)計要求，可用于模擬實際戰(zhàn)場環(huán)境。

圖9 數(shù)值模擬計算的水域壓力云圖

圖10 數(shù)值模擬計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 船底中部正下方測點加速度和速度對比曲線

5 結(jié)論

本研究在分析國外潛艇結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，依據(jù)水中兵器毀傷試驗?zāi)繕税械慕ㄔO(shè)需求，選取“支持者”級潛艇為目標靶設(shè)計原型，設(shè)計了一種艙段式的潛艇目標靶，并對防沉浮架系統(tǒng)和試驗輔助設(shè)備進行初步研究，最后采用數(shù)值模擬方法比對了同等級別的某型潛艇的整船模型和艙段模型在遭受水中兵器攻擊下的試驗結(jié)果。比對結(jié)果在同一數(shù)量級具有一定的相似性，驗證了該潛艇目標靶建設(shè)方法的合理性，為之后系列目標靶的建設(shè)思路提供參考。

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StudyontheConstructionofSubmarineCabinTestTarget

JIAO Anlong, JIA Ze

(The No. 91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China)

The most effective way to test the damage ability of new underwater weapons is to attack on the target ship as true as possible in the sea and fighting, so as to evaluate the damage ability of new weapons. On the basis of the analysis of the structure characteristics of foreign submarine and the construction demand of underwater weapon damage tests target, in this paper, using the submarine cabin model for target, we designed a cabin type submarine target, which is a preliminary study of the anti ups and downs frame system and auxiliary test equipment. Through numerical simulation, we compared the test results of the whole ship model and cabin model of certain submarine while subjected to underwater weapon attack. The comparison results are in the same order of magnitude and have certain similarity, which verifies the rationality of the design method of submarine test target in this paper.

underwater weapon; submarine target; cabin model; numerical simulation; damage effect

2017-05-14；

2017-06-15

國家自然科學基金資助項目(61172109)

焦安龍(1974—)，男，工程師，主要從事水下裝備試驗總體技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.10.004

本文引用格式：焦安龍，賈則.艙段式潛艇試驗?zāi)繕税薪ㄔO(shè)方法研究[J].兵器裝備工程學報，2017(10):15-20.

formatJIAO Anlong, JIA Ze.Study on the Construction of Submarine Cabin Test Target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):15-20.

TJ410

A

2096-2304(2017)10-0015-06

(責任編輯周江川)