魚雷對水面艦艇毀傷效能評估方法

李 兵，房 毅，楊 光

(中國人民解放軍91439部隊, 遼寧 大連 116041)

【裝備理論與裝備技術】

魚雷對水面艦艇毀傷效能評估方法

李 兵，房 毅，楊 光

(中國人民解放軍91439部隊, 遼寧 大連 116041)

在武器毀傷效能評估層次研究框架分析的基礎上，對于爆破型魚雷對典型水面艦艇目標的交匯條件計算、物理毀傷評估、功能毀傷評估及魚雷對水面艦艇毀傷的綜合評估方法進行了研究，可為其他型號武器裝備對系統(tǒng)目標的毀傷效能評估研究提供參考。

魚雷；水面艦艇；毀傷效能；效能評估

武器裝備作戰(zhàn)效能是指武器裝備及其組合在作戰(zhàn)運用中所具備的作戰(zhàn)能力以及由此而獲得的軍事效益，主要包括武器裝備的生存能力、突防能力、工作可靠性、制導性能和毀傷能力等，其中毀傷效能是武器裝備對目標毀傷能力與毀傷效果的量度，作為武器裝備的終點作用目標和一項復雜的綜合性效能指標，對于武器的毀傷效能評估方法必須進行深入的研究分析。

毀傷效能是戰(zhàn)斗部對目標毀傷能力與毀傷效果的量度，是考慮各種影響因素前提下戰(zhàn)斗部對目標的毀傷能力[1]。對于功能結(jié)構單一的典型目標，通常可直接用目標物理毀傷程度(如毀傷面積、子目標毀傷數(shù)量)來代替目標功能損傷程度。而作為魚雷攻擊的典型目標——水面艦艇，它是由一系列部件組成的，是由多類型、多層次、多用途的子目標構成的有機整體，可認為是一種系統(tǒng)目標。對系統(tǒng)目標的毀傷評估通常采用二種方法：一種是將系統(tǒng)目標離散成較為典型的點、線、面等子目標，用AHP、模糊綜合評判法或?qū)＜以u估法[2-3]對各個子目標賦予權值，加權得到目標系統(tǒng)的整體毀傷效果；另一種方法是根據(jù)目標功能分析構建毀傷評估指標體系對目標進行綜合評估。但上述二種方法并未明確地區(qū)分目標的物理毀傷、功能損傷以及作戰(zhàn)效能損傷三者的差異和聯(lián)系，無法準確、系統(tǒng)地描述武器裝備的毀傷效能。

作者在武器毀傷效能評估層次研究框架分析的基礎上，對爆破型魚雷對典型水面艦艇目標的命中概率計算、物理毀傷評估、功能毀傷評估方法等進行了研究，提出了魚雷對水面艦艇毀傷的綜合評估方法，可為武器裝備對系統(tǒng)目標的毀傷效能評估提供參考。

1 武器威力與目標易損性

任何一類攻擊型武器的威力，是指一定彈目交互情況下，該武器系統(tǒng)對所攻擊目標所產(chǎn)生的破壞效果的評估；而任何一類目標的易損性是指針對特定的攻擊武器，在某一彈目交互情況下，該目標對毀傷敏感度的評估。所以，兵器威力和目標易損性二個術語分別從進攻和防御兩個不同的角度詮釋了同一物理過程[4]。

武器毀傷效能評估是綜合考慮戰(zhàn)役戰(zhàn)術目的、戰(zhàn)場環(huán)境、火力力量、目標性質(zhì)等因素，對實際毀傷效果進行綜合分析和評定的過程。武器對目標的毀傷效果可以從3個角度描述：① 目標的物理毀傷；② 目標功能的喪失；③ 作戰(zhàn)能力的減退[5]。由此，可從毀傷效能評估的角度對武器毀傷效能和目標生存能力研究確立自頂向下的層次研究框架如圖1所示。

圖1 武器毀傷效能分析層次框架

圖1中，各層面的意義為：-1層：確定是否開火的物理參數(shù)；0層：武器發(fā)射的初始條件；1層：武器裝備及其所攻擊目標的特性參數(shù)以及所有可能的彈目交匯情況；2層：部件破壞狀態(tài)即目標物理毀傷程度的評估，表示彈目交互作用后，目標部件遭到破壞的物理狀態(tài)；3層：目標工程性能的度量即目標功能損傷程度評估，是指根據(jù)目標物理毀傷效果的計算結(jié)果，從目標功能結(jié)構特點出發(fā)，研究目標物理毀傷與目標功能喪失(或目標效能)之間的定量關系；4層：目標作戰(zhàn)性能的度量，即根據(jù)目標功能損傷，研究其對目標完成作戰(zhàn)任務的影響程度。

對目標生命力分析而言，其易感性也稱為戰(zhàn)術易損性，是指目標被探測裝置探測、被威脅物體命中的可能性；而結(jié)構易損性是指目標在被探測、命中的條件下，在武器的毀傷元素(如破片、沖擊波、金屬射流等)作用下被毀傷的可能性[6]。

從圖1可以看出，無論是威力評估還是易損性分析，所有毀傷評估的相關性研究工作，其核心都是研究層面1到層面4的轉(zhuǎn)換過程，其最終目標是獲取得到層面3或?qū)用?的狀態(tài)。

2 魚雷對水面艦艇毀傷效能評估方法

作為海軍主戰(zhàn)武器，魚雷對目標的毀傷是一個極為復雜的過程，其毀傷能力與魚雷戰(zhàn)斗部威力、毀傷機理、擊中目標艦船的部位及目標艦船抗毀傷能力等因素有關。作為魚雷主要攻擊目標之一的水面艦艇，其易損性與艦艇的不沉性、結(jié)構強度、艙室分布、武備設置和損管能力等特性有關。魚雷的毀傷效能為

(1)

式中：Ph為魚雷武器的毀傷概率；Pm為命中概率，與目標特性、魚雷武器控制能力、火力控制系統(tǒng)的探測、跟蹤、打擊以及戰(zhàn)術運用等因素相關；Ph/m為給定的一次命中后目標的毀傷概率，與魚雷戰(zhàn)斗部性能、裝藥質(zhì)量與尺寸、毀傷方式和目標艦艇易損性等因素相關。

根據(jù)魚雷毀傷效能定義和魚雷武器毀傷效能層次分析模型可知，魚雷對水面艦艇毀傷效能的評估主要由以下過程構成：①雷目交匯條件計算；②目標艦艇物理毀傷評估；③目標艦艇功能毀傷評估；④毀傷效能綜合評估。

2.1 雷目交匯條件計算

雷目交匯條件即魚雷武器命中目標的概率及攻擊位置計算。由于攻擊位置不同，即使對于同一目標艦船，損傷情況也將產(chǎn)生極大差異。當機房和某些艙室遭到毀傷時，艦艇可以保持其不沉性；而如果魚雷命中艦船的彈藥艙部位，將引起彈藥爆炸，使艦船遭到毀滅性打擊。因此，魚雷攻擊目標位置和概率的計算是后續(xù)毀傷效能的分析基礎。

2.1.1 命中概率計算

計算魚雷命中概率的方法主要有兩種：解析法和模擬法[7]。對于直航搜索魚雷對等速直航目標的射擊，采用解析法可以得出較為精確的解，且計算速度快、效率高；而模擬法可以真實仿真各種水文條件下魚雷環(huán)形、蛇形、梯形等搜索彈道和再搜索過程以及目標的任意機動。

假設魚雷武器為聲自導魚雷，其命中概率的模擬法計算過程一般是：① 建立坐標系；② 依據(jù)魚雷性能指標和目標艦艇運動特性，輸入魚雷和目標艦艇的初始參數(shù)；③ 確定模擬次數(shù)N及導引方法；④ 進行模擬仿真，主要有：有關參數(shù)附加誤差量、根據(jù)陣位關系計算魚雷及目標的初始位置坐標、模擬魚雷及目標的運動；⑤ 進行命中目標判斷，直至該次射擊命中目標或魚雷航程終了；⑥ 統(tǒng)計N次模擬中命中目標的次數(shù)，計算命中目標概率。

2.1.2 魚雷攻擊位置計算

由于魚雷航行誤差、目標運動要素誤差及發(fā)控系統(tǒng)誤差的存在，武器射擊會產(chǎn)生一定散布。由實踐統(tǒng)計規(guī)律可知，彈著點在目標艦艇水線下X方向和Y方向(水線下)呈正態(tài)分布，且分布函數(shù)在X和Y方向相互獨立[8]，則彈著點二維分布密度函數(shù)為

(2)

在實際工程應用中，可依據(jù)艦艏至艦艉各艙室布置、評估精度要求等因素，將目標艦艇劃分為若干區(qū)域，則魚雷對各區(qū)域的命中概率即可計算得到。

2.2 目標艦艇物理毀傷評估

2.2.1 物理毀傷狀態(tài)的獲取

對確定雷目交匯條件下目標艦艇的物理毀傷狀態(tài)可采用以下3種方法獲得：原型試驗、等效試驗、仿真試驗。3種方法可有效結(jié)合使用。

原型試驗是準確獲取目標物理毀傷狀態(tài)、獲得毀傷測量參數(shù)、驗證仿真模型算法的最好方法，但由于原型試驗耗資巨大，試驗實施難度大，試驗次數(shù)有限。在實際使用中，可采用縮比模型試驗、地面靜爆試驗、等效靶試驗3種等效試驗方法對特定雷目交匯條件下目標艦艇的物理毀傷情況進行評定。其中，縮比模型試驗通常是根據(jù)相似理論，采用小尺寸模型彈和艦艇的縮比模型模擬真實魚雷和目標艦艇所進行的試驗；等效靶試驗是采用在毀傷意義上與目標近似的靶標所進行的試驗。由于等效試驗與原型試驗之間存在不可忽視的差異，因此，必須進行等效理論研究，定性定量分析等效試驗與原型試驗之間的差異，進一步將差異體現(xiàn)在目標艦艇的物理毀傷評估中。仿真試驗具有耗資小、安全性好等優(yōu)點，而且相關參數(shù)調(diào)整、工況設置等也更為方便，可方便地進行對比研究，且可為原型試驗工況預報、測點布置、測量參數(shù)量程設置提供依據(jù)。但仿真試驗結(jié)果的準確性、可用性必須通過原型試驗、等效試驗進行校核，通過參數(shù)、模型、算法的再調(diào)整、再修正，使其計算與實際試驗情況更為符合。

2.2.2 毀傷評定準則

毀傷評定準則是判斷目標遭受物理毀傷程度的量化判據(jù)，通常采用兩種方法確定：通過基本試驗(包括實物試驗和模型試驗)建立經(jīng)驗公式；建立物理模型，通過理論推導得到定量關系，再由試驗進行驗證或修正。對水面艦艇而言，其毀傷部件主要可分為艦艇結(jié)構、艦載設備和人員3類。

2.2.2.1 艦艇結(jié)構毀傷評定

魚雷對目標的毀傷作用通常表現(xiàn)為近場非接觸或接觸水下爆炸。在魚雷攻擊作用下，驅(qū)、護艦等無防護或輕型防護艦體的船體結(jié)構通常會產(chǎn)生破口毀傷，所以，艦艇結(jié)構毀傷通常采用基于極限強度的破損船體剩余強度評估方法，剩余強度是爆炸載荷對艦船結(jié)構總體毀傷的重要體現(xiàn)[9]。文獻[10]中基于艦艇剩余極限強度、艦體結(jié)構撓曲變形、破口大小等，系統(tǒng)地提出了水面艦艇結(jié)構毀傷表征方法。

1) 艦體結(jié)構毀傷等級

魚雷對水面艦艇結(jié)構毀傷等級可分為無毀傷、部分毀傷和完全毀傷3級。部分毀傷又可根據(jù)毀傷后水面艦艇具備部分實現(xiàn)設計抗毀傷能力的比例，進一步分為輕度毀傷、中度毀傷和重度毀傷。因此，水面艦艇結(jié)構毀傷等級可分為無毀傷(A)、輕度毀傷(B)、中度毀傷(C)、重度毀傷(D)、完全毀傷(E)5個等級。

2) 艦體結(jié)構總體毀傷

(3)

式中：Mu為標準毀傷載荷作用下毀傷計算狀態(tài)對應的船體梁計算剖面彈性極限彎矩值；Mq為船體梁計算剖面所受靜、動外力合成作用彎矩的最大設計值。

相對剩余極限抗力與結(jié)構毀傷等級對應關系如表1所示。

表1 相對剩余極限抗力閾值與結(jié)構毀傷等級

3) 艦體結(jié)構局部毀傷

(4)

式中：D0為目標艦設計特征破口直徑；Dm為艦艇在水中兵器近炸或接觸爆炸載荷作用下所產(chǎn)生的破口最大直徑。

2.2.2.2 艦載設備毀傷評定

對艦船設備而言，近場水下爆炸對其破壞模式主要有：① 船體外板破壞嚴重，造成內(nèi)部結(jié)構變形，使安裝在附近的設備、電纜、油、氣、水管路損壞；② 船體外板產(chǎn)生較大破口，鄰近艙室進水，由于浸水或噴濺，使艦船電氣設備絕緣降低，甚至短路；③ 船體和設備遭受強烈沖擊，引起設備沖擊破壞；④ 若爆炸點位于易燃、易爆艙室附近，沖擊波能沖壞外板，引起火災，甚至爆炸。其中，模式①、②、④均為設備相關系統(tǒng)破壞所引起的設備毀傷。下文以破壞模式③為重點，研究艦載設備的毀傷評定方法。

艦載設備毀傷閾值基準為設備的抗沖擊設計值。設備的毀傷破壞判據(jù)為：

1) 設備的響應加速度超過設備的允許沖擊加速度；

2) 設備的響應速度最大值超過設備允許的速度閾值。

對于船體和外板安裝部位，艦載設備的沖擊加速度閾值acr和速度閾值vsr分別為：

(5)

對于甲板安裝部位，有：

(6)

式(5)、式(6)中：ma是設備的模態(tài)質(zhì)量。對于單自由度系統(tǒng)，其模態(tài)質(zhì)量即其安裝質(zhì)量。

2.2.2.3 艦員毀傷評定

艦員的物理毀傷主要指不同人員遭受創(chuàng)傷的程度和位置。GJB2689—1996《水面艦艇沖擊對人體作用安全限值》中，規(guī)定了水面艦艇沖擊對艦(艇)員作用的安全限值及其引起沖擊損傷的閾值曲線，具體數(shù)值范圍如表2所示。其中，當艦艇沖擊運動達到最大速度時間小于15 ms時，對人員的損傷作用評估主要取決于最大沖擊速度大小，而持續(xù)時間大于15ms時，則主要取決于平均沖擊加速度大小。

表2 艦艇人員沖擊損傷安全限值及損傷閾值

此外，還有生物力學模型、沖擊損傷標準等在內(nèi)的多種方法途徑可用來評估在強烈加速度、碰撞、爆炸等作用下的人體損傷。沖擊損傷評估方法通常還包括頸部損傷標準、胸部損傷標準、腰部損傷標準、頭部損傷標準、腹部損傷標準等。

2.3 目標艦艇功能毀傷評估

目標功能損傷程度評估，是指根據(jù)目標物理毀傷效果的計算結(jié)果，從目標功能結(jié)構特點出發(fā)，研究目標物理毀傷與目標功能喪失之間的定量關系。艦船目標的總體毀傷實際是部件毀傷累加效果的綜合體現(xiàn)。由于目標系統(tǒng)中各組成部件(元素)在作戰(zhàn)使用中的具體功能以及結(jié)構形式和防護特性的不同，所以在遭受毀傷后對整體功能的影響差別很大，為了對毀傷效能進行量化評估，必須將部件對其系統(tǒng)影響的程度進行量化分析。以艦員來說，由于所承擔任務、受傷持續(xù)時間、心理及氣候因素的不同，遭受同樣創(chuàng)傷(受傷程度和位置)的人員對其執(zhí)行戰(zhàn)斗任務能力的影響也是不同的。因此，功能毀傷評估是涉及層面廣泛、非常復雜的一項工作。

以水面艦艇而言，從戰(zhàn)斗功能角度考慮可將其劃分為機動、作戰(zhàn)2個功能系統(tǒng)。其中，作戰(zhàn)系統(tǒng)又可分為指揮控制分系統(tǒng)、預警探測分系統(tǒng)、電子戰(zhàn)分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、導航分系統(tǒng)、武器(艦炮、導彈、魚雷、深彈等)分系統(tǒng)。依據(jù)各分系統(tǒng)組成部件、相關人員的物理毀傷程度，結(jié)合其位置、配置、結(jié)構、功能影響程度等因素，對目標艦船的功能毀傷程度進行總體分析。

2.4 毀傷效能綜合評估

作戰(zhàn)效能是指在規(guī)定的作戰(zhàn)環(huán)境下，考慮火力威脅和生存等戰(zhàn)場因素的情況下，目標完成規(guī)定作戰(zhàn)任務的能力。而魚雷武器對水面艦艇的毀傷效果最終集中體現(xiàn)在對其作戰(zhàn)效能的綜合影響上[11]。

毀傷效能綜合評估可采用毀傷樹評估法、毀傷評估表法、降階態(tài)評估法、試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計法、單元加權法、貝葉斯網(wǎng)絡法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡分析法等。典型水面艦艇整體作戰(zhàn)能力可基本分為機動能力、對空防御能力、對海打擊能力、對潛打擊能力等，通過目標艦船的功能毀傷量化分析，綜合考慮目標的戰(zhàn)役戰(zhàn)術目的，對目標艦船遭受魚雷攻擊后完成規(guī)定作戰(zhàn)任務的能力進行綜合分析。最后，結(jié)合雷目交匯條件，給出魚雷武器對所選水面艦艇目標的毀傷效能。

3 結(jié)束語

魚雷對目標的毀傷效能是魚雷武器作戰(zhàn)效能評估的關鍵指標。本研究在爆破型魚雷對典型水面艦艇目標的毀傷效能評估層次研究框架分析的基礎上，研究了雷目交匯計算方法，探討了艦艇結(jié)構、艦載設備和人員物理毀傷評估準則，分析了水面艦艇功能毀傷評估及魚雷對水面艦艇毀傷的綜合評估基本方法，可為其他型號武器裝備對系統(tǒng)目標的毀傷效能評估提供參考。

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(責任編輯 周江川)

Research on Damage Efficiency Assessment Method of Torpedo to Warship

LI Bing, FANG Yi, YANG Guang

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

Based on weapon damage efficiency assessment framework study, this paper mainly researches the calculation of torpedo-target initial conditions and physical damage assessment and functional damage assessment. In the end, the integrated assessment method of torpedo to warship is also discussed. The paper can work as an effectively reference to the damage efficiency assessment of other weapons to system targets.

torpedo; surface ship; damage efficiency; efficiency assessment

2017-04-15；

2017-05-10

李兵(1969—)，女，碩士，高級工程師，主要從事爆炸試驗測量及數(shù)據(jù)處理研究。

10.11809/scbgxb2017.08.003

format:LI Bing, FANG Yi, YANG Guang.Research on Damage Efficiency Assessment Method of Torpedo to Warship[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):10-13.

TJ63

A

2096-2304(2017)08-0010-04

本文引用格式：李兵，房毅，楊光.魚雷對水面艦艇毀傷效能評估方法[J].兵器裝備工程學報，2017(8):10-13.