某型艦抗沖擊試驗(yàn)爆源定位方法研究＊

（91439部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

艦艇抗沖擊試驗(yàn)是對(duì)艦船船體結(jié)構(gòu)及艦載設(shè)備抗沖擊能力的一種接近實(shí)戰(zhàn)的考核方法［1～3］，被試艦與爆源之間的準(zhǔn)確定位是艦艇抗沖擊試驗(yàn)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析和最終艦船抗沖擊毀傷能力評(píng)定起著重要的作用，這也是試驗(yàn)組織單位、艦船設(shè)計(jì)單位、作戰(zhàn)部隊(duì)都密切關(guān)注的一個(gè)問題。在艦船抗沖擊試驗(yàn)中，目前國(guó)內(nèi)外常用的爆源定位方法有機(jī)械定位法、沖擊波零時(shí)法、GPS水面定位法和水聲與GPS聯(lián)測(cè)法四種定位方法。

某型艦抗沖擊試驗(yàn)要求爆源正橫于被試艦且懸浮水下爆炸。該型艦無動(dòng)力，爆源布放入水后，無法實(shí)時(shí)調(diào)整該艦與爆源的相對(duì)位置，為精確控制爆距，必須采用被試艦橫流拋錨布場(chǎng)，爆源與被試艦軟性連接，依靠海流的作用控制爆距的方法。爆源布放入水至起爆過程會(huì)受到水流、風(fēng)力、涌浪等因素的影響，使被試艦和爆源的相對(duì)位置和態(tài)勢(shì)產(chǎn)生較大不確定性。

本文研究背景是針對(duì)該型艦試驗(yàn)特點(diǎn)，為實(shí)時(shí)、精確控制被試艦與爆源的相對(duì)位置和態(tài)勢(shì)，保證爆炸試驗(yàn)在預(yù)設(shè)距離上進(jìn)行，控制試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、保證試驗(yàn)實(shí)施效果，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外艦船抗沖擊試驗(yàn)中常用的定位方法進(jìn)行深入研究，以獲得適用于該型艦的爆源最佳定位方法。

2 某型艦抗沖擊海上試驗(yàn)特點(diǎn)

為準(zhǔn)確獲取某型艦船體結(jié)構(gòu)及艦載設(shè)備的抗沖擊能力，摸清該艦抗水下非接觸爆炸沖擊安全半徑，為艦船設(shè)計(jì)單位提供技術(shù)支撐。在海上利用大當(dāng)量爆源對(duì)該型艦進(jìn)行水下懸浮爆炸，按不同爆距試驗(yàn)工況對(duì)其進(jìn)行多次爆炸。具有如下試驗(yàn)特點(diǎn)：

1）被試艦在試驗(yàn)周期內(nèi)地理位置固定。該型艦無動(dòng)力，需要拖船拖帶進(jìn)行拋錨布場(chǎng)，要求拋錨后被試艦地理位置相對(duì)固定。由于海上試驗(yàn)參試設(shè)備多，試驗(yàn)環(huán)節(jié)多，實(shí)施復(fù)雜，從爆源布放到最終的爆炸實(shí)施時(shí)間間隔較長(zhǎng)，在此期間內(nèi)，由于海水流速、流向發(fā)生變化，以及被試艦拋錨等因素，艦位極可能發(fā)生較大漂移。對(duì)于海上試驗(yàn)，必須嚴(yán)格選擇流速流向穩(wěn)定時(shí)段，并盡量縮短從爆源布放到起爆的時(shí)間，保證被試艦艦位穩(wěn)定。

2）爆距控制難度大。爆源處于水下懸浮狀態(tài)，是一個(gè)自由體，爆炸時(shí)刻爆源處于被試艦正橫方向。因此必須確保爆源與被試艦的相對(duì)位置和態(tài)勢(shì)固定。

3 艦船抗沖擊試驗(yàn)常用爆源定位方法分析研究

目前國(guó)內(nèi)外艦船抗沖擊試驗(yàn)常用爆源定位方法［4］有機(jī)械定位法、沖擊波零時(shí)法、GPS定位法、水聲與GPS聯(lián)測(cè)法。

3．1 機(jī)械定位法

爆源機(jī)械定位法是被試艦處于拋錨狀態(tài)下保證爆源與被試艦相對(duì)位置的一種試驗(yàn)方法。適用于水面艦艇靜態(tài)抗沖擊試驗(yàn)。爆源布放入水后，受到水流、風(fēng)力、涌浪等因素的綜合作用，爆源會(huì)沿著被試艦縱向及橫向方向偏移。該方法通過被試艦上固定的三條定位索（定位索長(zhǎng)度可根據(jù)爆距要求進(jìn)行調(diào)整）將被試艦和爆源連接起來，依靠海流與起爆纜保護(hù)索的拉力作用對(duì)爆源進(jìn)行定位。主定位索按爆距要求控制爆源與被試艦的垂直距離，兩條輔定位索控制爆源左右偏移，確保爆源處于被試艦正橫方向。目前這種方法在國(guó)外艦船抗沖擊試驗(yàn)中（像美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家）被經(jīng)常采用。如圖1所示。

圖1 爆源機(jī)械定位法

爆源懸浮布放后，采用破斷力大、伸縮率小的正浮力纜做定位索將爆源與被試艦連接，在三條定位索的束縛下，通過海流與起爆纜保護(hù)索的拉力作用可保證爆源始終處于被試艦下流正橫方向，可以確保爆距的穩(wěn)定，實(shí)施程序簡(jiǎn)捷，試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)減少。

3．2 沖擊波零時(shí)法

該方法通過準(zhǔn)確獲取爆炸零時(shí)信號(hào)，測(cè)量得到水下爆炸沖擊波由炸點(diǎn)到自由場(chǎng)壓力測(cè)點(diǎn)的時(shí)延，進(jìn)而計(jì)算求取炸點(diǎn)到測(cè)點(diǎn)的距離來獲取爆距［5］。測(cè)量中炸點(diǎn)的零時(shí)信號(hào)利用貼在爆源上的陶瓷片（零時(shí)傳感器）在起爆瞬間給出，炸藥完全爆轟時(shí)，可將零時(shí)信號(hào)通過電纜傳送給測(cè)量設(shè)備，同時(shí)，爆炸沖擊波到達(dá)各自由場(chǎng)壓力測(cè)點(diǎn)的時(shí)間也可由測(cè)量設(shè)備記錄下來。采用的計(jì)算公式［6］如下：

式中：P為沖擊波壓力，Pmax為峰值壓力；t為沖擊波在R的消失時(shí)間；t1為沖擊波到達(dá)距離R的初始時(shí)間；θ為衰減時(shí)間；K為修正系數(shù)（與峰值壓力、炸藥當(dāng)量和海域有關(guān)，需通過試驗(yàn)標(biāo)定來確定）；W為爆源所用的炸藥TNT 量；R為待測(cè)距離；A1為修正系數(shù)（若炸藥為TNT 時(shí)，其值為1．18）；R0為爆源的等效藥包半徑；C0為爆源所在水域的聲速。

從以上計(jì)算公式可以分析看出，沖擊波零時(shí)法的主要誤差源為爆距測(cè)量誤差、陣元坐標(biāo)測(cè)量誤差和解算誤差等，其中以爆距測(cè)量誤差的影響最大，且該誤差隨著爆距的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)。因此該方法只適合于近距離抗沖擊試驗(yàn)。

3．3 GPS定位法

GPS定位法是采用測(cè)量爆源水面位置和被試艦位置，然后解算二者距離的方法［7］。

GPS定位法需要在被試艦上架設(shè)天線，無論被試艦處于靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)均是可行的。不采用在爆源上架設(shè)天線，尤其對(duì)于爆源處于懸浮狀態(tài)更是如此。原因一是爆源爆炸后天線損毀，加大試驗(yàn)成本，二是增加實(shí)施難度。一般采用在爆源長(zhǎng)、短起爆電纜對(duì)接前手持天線對(duì)爆源地理坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后爆源地理位置必須保持不變。這對(duì)于沉底布放的爆源是可行的，但對(duì)于懸浮狀態(tài)的爆源，爆源長(zhǎng)、短起爆電纜對(duì)接至起爆一般需要30min 時(shí)間，這個(gè)時(shí)段受海況的綜合作用爆源位置會(huì)產(chǎn)生變化。GPS定位法示意如圖2所示。

圖2 GPS定位法示意圖

3．4 水聲與GPS聯(lián)測(cè)法

水聲與GPS聯(lián)測(cè)法是指對(duì)爆源的定位采用水聲與GPS聯(lián)測(cè)的方法給出爆源的大地坐標(biāo)，對(duì)被試艦位置、航向采用雙天線GPS測(cè)量給出。

定位示意見圖4所示，設(shè)基陣由三個(gè)陣元組成，各基元坐標(biāo)為（xi，yi，zi）（i＝1，2，3），目標(biāo)位置坐標(biāo)為（X，Y，Z），則可得到定位方程［8］如下：

上式中，ti為聲脈沖從目標(biāo)到各基元的傳輸時(shí)間，c為聲速。

在實(shí)際使用中，通常可在目標(biāo)上安裝兼具測(cè)深功能的水聲應(yīng)答機(jī)，深度信息可通過水聲通信方式傳送至測(cè)量船上的信號(hào)處理單元。同時(shí)，通過在測(cè)量船上安裝GPS測(cè)量分機(jī)及姿態(tài)（方位、縱搖、橫搖）測(cè)量裝置，可解算出基陣陣元的大地坐標(biāo)；再通過求解定位方程組，可得到爆源的絕對(duì)大地坐標(biāo)。然后，在爆源大地坐標(biāo)、被試艦位置和航向已知的情況下，即可解算出爆源與被試艦的相對(duì)態(tài)勢(shì)，水聲與GPS聯(lián)測(cè)法示意見圖3所示。

圖3 水聲與GPS聯(lián)測(cè)法示意圖

水聲與GPS 聯(lián)測(cè)法適用于被試艦可動(dòng)態(tài)航行，爆源懸浮布放和沉底布放兩種試驗(yàn)態(tài)勢(shì)?？蓪?duì)爆源及被試艦位置的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該方法需要在爆源上安裝水聲換能器，對(duì)布放后的爆源進(jìn)行水聲測(cè)量，再利用GPS定位方法對(duì)懸浮爆源進(jìn)行定位。

3．5 四種定位方法的比較

針對(duì)該型艦抗沖擊試驗(yàn)特點(diǎn)，通過上述基本分析認(rèn)為，沖擊波零時(shí)法只能作為試后數(shù)據(jù)處理時(shí)計(jì)算爆距的一個(gè)依據(jù)，無法作為實(shí)施時(shí)精確控制爆距的手段，無法對(duì)爆源布設(shè)和指揮提供參考。該方法還需要布設(shè)長(zhǎng)短零時(shí)電纜、爆源上安裝零時(shí)傳感器等工作，對(duì)爆源處于懸浮狀態(tài)下，易發(fā)生電纜纏繞拉斷，增加試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)海上作業(yè)時(shí)間，加大試驗(yàn)實(shí)施的難度。GPS定位法適合于爆源吊布沉底的布放方式，同時(shí)，爆源布放點(diǎn)的測(cè)量時(shí)機(jī)選擇極為重要，必須與布放實(shí)施緊密配合、協(xié)調(diào)一致，方能保證最佳測(cè)量效果，對(duì)于懸浮布放的爆源實(shí)施難度加大。水聲與GPS聯(lián)測(cè)法對(duì)于被試艦靜態(tài)，爆源懸浮狀態(tài)，需實(shí)時(shí)調(diào)整爆源懸浮位置難度是很大的，并且爆源懸浮狀態(tài)時(shí)，爆源受海流與風(fēng)的影響會(huì)有一定的偏蕩產(chǎn)生誤差，要調(diào)整爆距仍然需要通過機(jī)械定位法來實(shí)現(xiàn)，并且所需設(shè)備最多，實(shí)施最復(fù)雜，實(shí)施時(shí)間長(zhǎng)（測(cè)量需要超過1小時(shí)）。機(jī)械定位法由三根定位索對(duì)爆源進(jìn)行定位，在一定程度上可實(shí)時(shí)對(duì)爆源進(jìn)行調(diào)整，爆距控制精確，實(shí)施難度小，試驗(yàn)時(shí)間短，試驗(yàn)消耗小，只是對(duì)試驗(yàn)窗口要求高，必須選擇流速流向較為穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行，只要加強(qiáng)海上氣象資料研判，做好氣象預(yù)測(cè)，這個(gè)難點(diǎn)容易解決。因此，對(duì)于該型艦抗沖擊試驗(yàn)，機(jī)械定位法是爆源定位的最佳方法，可滿足試驗(yàn)要求。

4 機(jī)械定位法理論分析

通過以上分析，在該型艦抗沖擊試驗(yàn)中爆源定位采用機(jī)械定位法，該方法的要求是被試艦橫流布場(chǎng)，爆源依靠海流的作用使定位索處于張直狀態(tài)，試驗(yàn)周期在一個(gè)穩(wěn)定的流速流向內(nèi)實(shí)施。為滿足試驗(yàn)要求，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，定位索采用采用國(guó)標(biāo)Ф20、最大伸縮率η≤0．8%，破斷力大于2t的正浮力纜。爆源浮體采用2．1m×1．3m×0．85m 的正方體泡沫材質(zhì)，浮體吃水2／3為宜。

定位索及爆源浮體在海流的作用下受到的縱向作用力F［9］估算如下：

式中：ρ水為海水密度；V水為海水流速；CD索為定位索的阻尼系數(shù)（圓形取值為1．0）；CD漂為爆源浮體的阻尼系數(shù)（矩形取值為2．0）；S索為定位索過水面積；S漂為爆源浮體過水面積。

計(jì)算實(shí)例：

假設(shè)海水流速為2節(jié)（1．03m／s），主定位索布長(zhǎng)68m，艦艏輔定位索布長(zhǎng)89m，艦艉輔定位索布長(zhǎng)87m。其中主定位索58m 漂浮水面，艦艏輔定位索70米漂浮水面，艦艉輔定位索72 米漂浮水面。計(jì)算得到：

爆源浮體受到海流的作用力為

因此，爆源浮體在海流的作用下受到約0．8t的縱向拉力?？紤]風(fēng)和涌浪及起爆纜定位索的拉伸作用，爆源浮體受到的拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0．8t，在這個(gè)拉力作用下，定位索漂浮于水面部分基本處于張直的狀態(tài)。

海上實(shí)施時(shí)，海水流向與被試艦絕對(duì)垂直是很難的，稍微有一定的誤差（一般不能超過10°），考慮艦的舷高因素，定位索漂浮水面部分與懸空部分也不是絕對(duì)的直線，舷高和流向與被試艦夾角的誤差對(duì)爆距計(jì)算的修正系數(shù)可以通過試驗(yàn)來標(biāo)定，試后對(duì)爆距處理時(shí)，加入修正系數(shù)可獲取爆距結(jié)果。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，方案切實(shí)可行。

5 機(jī)械定位法優(yōu)化措施分析

以上分析已得出機(jī)械定位法是該型艦試驗(yàn)爆源定位的最佳方法，在被試艦態(tài)勢(shì)比較穩(wěn)定的前提下，為確保爆源相對(duì)位置更接近于預(yù)設(shè)距離，且盡量確保定位索處于張直的狀態(tài)，通過對(duì)海上態(tài)勢(shì)的研判和分析，認(rèn)為可供選擇的優(yōu)化措施有GPS 輔助驗(yàn)證法和牽引索法。

5．1 GPS輔助驗(yàn)證法

結(jié)合該型艦試驗(yàn)特點(diǎn)，在以機(jī)械定位方法為主的基礎(chǔ)上，可采用GPS定位法進(jìn)行適當(dāng)時(shí)機(jī)的監(jiān)測(cè)，以提供試驗(yàn)輔助指揮，并通過定位索對(duì)爆源進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。具體方法是三根定位索與爆源浮體連接，通過被試艦絞盤將爆源絞至預(yù)定距離，完畢后用GPS定位測(cè)量方法對(duì)爆源浮體位置進(jìn)行水面定位測(cè)量加以驗(yàn)證。在長(zhǎng)、短起爆纜對(duì)接前，用GPS定位測(cè)量方法再對(duì)爆源浮體位置進(jìn)行水面定位測(cè)量，若爆距不符合要求（偏?。?，說明定位索未完全處于張直狀態(tài)，連接長(zhǎng)、短起爆電纜及長(zhǎng)起爆纜保護(hù)索，起爆前由布雷船絞盤收緊保護(hù)索（圖1）加以彌補(bǔ)（牽引索法）；若爆距符合要求，說明定位索基本處于張直狀態(tài)，盡量縮短長(zhǎng)、短起爆纜對(duì)接至起爆的作業(yè)時(shí)間，減少海況因素對(duì)爆距的影響。

5．2 牽引索法

該方法很簡(jiǎn)單，陸地準(zhǔn)備時(shí)將長(zhǎng)起爆纜保護(hù)索（圖1）適當(dāng)加粗，確保收緊時(shí)不被拉斷。具體方法是長(zhǎng)、短起爆纜對(duì)接前，用GPS定位法對(duì)爆源浮體位置進(jìn)行水面定位測(cè)量，若爆距不符合要求，連接長(zhǎng)、短起爆電纜及長(zhǎng)起爆纜保護(hù)索，起爆前由布雷船絞盤收緊保護(hù)索，保護(hù)索起到沿被試艦正橫方向牽引作用；若爆距符合要求，保護(hù)索不進(jìn)行收緊作業(yè)。

6 結(jié)語

在艦艇抗沖擊試驗(yàn)中，爆源的定位是實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。某型艦抗沖擊試驗(yàn)，針對(duì)首次進(jìn)行爆源懸浮布放，爆距控制難，被試艦橫流拋錨布場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常用的爆源定位方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，重點(diǎn)對(duì)機(jī)械定位法進(jìn)行了理論分析，并且在傳統(tǒng)機(jī)械定位方法基礎(chǔ)上，針對(duì)該型艦試驗(yàn)特點(diǎn)，提出了兩種優(yōu)化方案。通過研究分析認(rèn)為，加以優(yōu)化的機(jī)械定位法是適用于該型艦試驗(yàn)爆源定位的最佳方法，該法可精確控制爆距，便于海上指揮，海上實(shí)施簡(jiǎn)單，作業(yè)時(shí)間短，試驗(yàn)設(shè)備少，試驗(yàn)消耗少。該方法可用于解決同類實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)中的爆源定位問題。

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