反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)體系研究

李洪濤，奚慧巍，李佳橦

(中國人民解放軍91439 部隊，遼寧 大連，116041)

0 引言

反艦魚雷一般指由潛艇發(fā)射、以各型水面艦艇為主要打擊目標(biāo)的爆破型戰(zhàn)斗部魚雷，以接觸爆炸或近距離非接觸爆炸為毀傷模式，以沖擊波、爆轟產(chǎn)物、氣泡脈動壓力波等為毀傷元素。毀傷效能與毀傷環(huán)境、戰(zhàn)斗部爆炸威力、作用機(jī)理、打擊目標(biāo)的部位及目標(biāo)易損性等因素有關(guān)，即毀傷效能主要取決于戰(zhàn)斗部、目標(biāo)、魚雷與目標(biāo)交會條件三大因素。

美國從20 世紀(jì)40 年代最早開展毀傷評估研究工作，采用蒙特卡洛仿真模型、GENEric 仿真系統(tǒng)進(jìn)行武器彈藥毀傷效能評估，其生存力/易損性情報分析中心(survivability/vulnerability information analysis center，SURVIAC)是目前實力最強(qiáng)大的目標(biāo)易損性建模與仿真機(jī)構(gòu)，擁有世界上幾乎任意目標(biāo)的毀傷模型。德國IABG 公司開發(fā)的UniVeMo 通用易損性模型，是歐洲最先進(jìn)的有關(guān)易損性和殺傷力武器效能仿真工具[1]。

我國的魚雷毀傷效能評估技術(shù)研究剛剛起步，還沒有建立起完備且實用的涵蓋魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力和艦船目標(biāo)易損性的毀傷效能評估體系和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對魚雷戰(zhàn)斗部威力的試驗評價，一般是參照GJB 2425-1995《常規(guī)兵器戰(zhàn)斗部威力試驗方法》和CB 1238-1993《魚雷戰(zhàn)斗部靜爆試驗方法》[2-3]；朱錫[4]、張阿漫[5]等開展了對艦船結(jié)構(gòu)和技術(shù)設(shè)備毀傷研究，提出了魚雷威力、艦船結(jié)構(gòu)抗毀傷能力表征方法和評價衡準(zhǔn)；蒲金云等[6]進(jìn)行了魚雷攻擊對水面艦船總體生命力的影響研究；劉建湖[7]開展了水下爆炸對艦船沖擊環(huán)境影響與艦載設(shè)備沖擊防護(hù)技術(shù)研究。

文中基于反艦魚雷接觸爆炸和近距離非接觸爆炸的毀傷模式，研究魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)、雷目交會條件指標(biāo)和艦船結(jié)構(gòu)易損性指標(biāo)，構(gòu)建了反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)體系，為開展反艦魚雷毀傷效能評估、戰(zhàn)斗部設(shè)計、裝備采購與儲備、火力配備、戰(zhàn)場建設(shè)與目標(biāo)防護(hù)等工作提供一定參考。文中研究的反艦魚雷毀傷效能，是指單枚反艦魚雷在一定雷目交會條件下爆炸，對水面艦艇造成的毀傷程度或毀傷效果，并不考慮發(fā)射方式、制導(dǎo)方式、命中概率及多枚齊射等因素。

1 反艦魚雷毀傷模式

潛艇是發(fā)射反艦魚雷的主要平臺，反艦魚雷一般都裝有觸發(fā)/非觸發(fā)引信，只要與目標(biāo)接觸或距目標(biāo)一定距離內(nèi)通過就會爆炸。水面艦艇水線以下部分可近似看作梯形體，魚雷攻擊的目標(biāo)域為觸發(fā)引信起作用的梯形體部分，及其周圍非觸發(fā)引信作用距離以內(nèi)的空間區(qū)域，即水面艦艇水線以下舷側(cè)和底部是反艦魚雷主要攻擊部位。

通常根據(jù)爆炸時刻魚雷距目標(biāo)殼體的最近距離D和魚雷非觸發(fā)引信作用距離R來判定攻擊形式。0＜D≤R時非觸發(fā)引信動作，分為接觸爆炸和非接觸爆炸2 種情況： 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4]及對試驗數(shù)據(jù)研究結(jié)果，當(dāng)D與艦船標(biāo)準(zhǔn)排水量W滿足時為接觸爆炸，時為近距離非接觸爆炸；D=0 時魚雷會撞擊目標(biāo)，正常情況下觸發(fā)或非觸發(fā)引信動作，為舷側(cè)接觸爆炸模式。

2 反艦魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)

目前對反艦魚雷爆炸威力的描述沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常采用目標(biāo)艦船殼體破口長度、爆炸沖擊波壓力、破壞半徑和爆炸能量等參數(shù)來表征[8]。戰(zhàn)斗部爆炸威力與下列參數(shù)相關(guān)

式中包含以下3 種因素：

1) 爆炸及水域環(huán)境因素： 水的密度ρw、水中聲速cw、爆炸深度處靜水壓與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐蚿h、裝藥距目標(biāo)距離R、爆炸深度h、不同時刻沖擊波壓力p（t）以及氣泡脈動周期Tb等，以上參數(shù)在試驗條件下可通過測量獲得。

2) 裝藥因素： 裝藥質(zhì)量系數(shù)K、裝藥爆壓Pcj、裝藥密度ρ0以及裝藥質(zhì)量W等，對于確定裝藥的戰(zhàn)斗部，以上參數(shù)基本固化。

3) 目標(biāo)艦船因素： 艦船類型系數(shù)kc和艦船殼體鋼板厚度tk。

魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力表征和評價，對于工程設(shè)計、作戰(zhàn)使用和試驗檢驗等不同的應(yīng)用層面選取的指標(biāo)有所不同。戰(zhàn)斗部威力工程設(shè)計和作戰(zhàn)使用時，針對規(guī)定的典型目標(biāo)，立足于實現(xiàn)“理想雷目交會條件下致其沉沒，非理想雷目交會條件下造成中等以上毀傷”目標(biāo)，主要考慮戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量系數(shù)和裝藥量，以及目標(biāo)類型系數(shù)和艦船殼體鋼板厚度。

試驗條件下，通過戰(zhàn)雷實航攻擊靶船并運用測量手段，可一定程度上實現(xiàn)爆炸威力的量化評估。實航爆炸試驗分為攻擊固定靶和活動靶2 種情況。攻擊固定靶時，靶船錨泊于海面，潛艇瞄準(zhǔn)發(fā)射魚雷，魚雷出管后以直航方式攻擊靶船。攻擊活動靶時，按照實戰(zhàn)條件下的戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行，靶船穩(wěn)速穩(wěn)向航行，發(fā)射艇隱蔽探測、跟蹤，解算目標(biāo)運動要素，發(fā)射魚雷并自動導(dǎo)向目標(biāo)。利用式(1)的測量數(shù)據(jù)計算爆心位置、沖擊波能、氣泡能和爆炸能量，結(jié)合應(yīng)變、沖擊加速度數(shù)據(jù)和殼體破口尺寸，船體結(jié)構(gòu)、技術(shù)設(shè)備和人員損傷情況等，綜合評估魚雷的爆炸威力[9]。

3 雷目交會條件指標(biāo)

反艦魚雷攻擊水面艦艇，在舷側(cè)接觸爆炸模式下，即戰(zhàn)斗部在位于圖1 水線面與艦船基線之間的點A附近爆炸，雷目交會條件以爆炸部位和炸點距船舷的水平距離表征；在船底接觸爆炸或近距離非接觸爆炸模式下，即戰(zhàn)斗部在位于圖1龍骨下方的點B爆炸，雷目交會條件以爆炸部位、爆炸深度和攻擊角度表征[10]。

圖1 魚雷攻擊角度示意圖Fig.1 Schematic of the torpedo impact angle

1) 爆炸部位

爆炸部位可能發(fā)生在船艏、船舯或船艉，船艏長度一般為船長的25%～35%，船艉長度一般為船長的25%，船舯長度一般為船長40%～50%。

2) 爆炸深度

魚雷爆炸深度選擇取決于尾流自導(dǎo)裝置的探測能力、非觸發(fā)引信作用半徑、目標(biāo)艦船吃水、海面風(fēng)浪等多種因素。魚雷在發(fā)射前，要根據(jù)攻擊目標(biāo)的情況設(shè)定航深或搜索深度、航向、自導(dǎo)工作方式、自導(dǎo)搜索方式、發(fā)射方式等。如尾流自導(dǎo)魚雷或線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)魚雷，在自導(dǎo)開始工作前，按設(shè)定的程序彈道或線導(dǎo)遙控指令接近目標(biāo)，當(dāng)接近目標(biāo)尾流時，自導(dǎo)裝置開始工作，此時魚雷上爬至尾流自導(dǎo)搜索深度(也稱戰(zhàn)斗深度)，以后魚雷就在該深度上搜索和追蹤并攻擊目標(biāo)，該深度就是魚雷爆炸深度。例如，采用觸發(fā)+非觸發(fā)電磁引信的虎魚魚雷，最小搜索深度6 m。觸發(fā)爆炸時，爆炸深度在艦船基線至水面6 m 的范圍內(nèi)；非觸發(fā)爆炸時，爆炸點在船底下方距水面8～10 m 的范圍內(nèi)。

3) 攻擊角度

魚雷爆炸深度保持不變情況下，魚雷爆炸攻擊角度θ越大，船體中橫剖面上的平均應(yīng)力越大，對艦船的毀傷效果越好。當(dāng)魚雷在船底正下方爆炸(θ=90°)時應(yīng)力最大，對船體總縱強(qiáng)度毀傷也最大。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，魚雷攻擊水面艦艇時，在船底正下方爆炸的概率并不大，而在舷側(cè)30°左右爆炸的概率較大。

4 反艦魚雷攻擊下艦船結(jié)構(gòu)易損性指標(biāo)

反艦魚雷裝藥一般為200～300 kg 的高爆炸藥，采用的是近炸-觸發(fā)復(fù)合引信，自導(dǎo)工作方式以尾流自導(dǎo)或線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)為主，主要對艦船結(jié)構(gòu)造成毀傷。艦船局部結(jié)構(gòu)毀傷的后果主要是艦船進(jìn)水和浮力損失，以及艦船結(jié)構(gòu)總縱剩余強(qiáng)度的損失，導(dǎo)致抗損性和抗沉性下降。當(dāng)爆炸發(fā)生在艦船龍骨下方，嚴(yán)重時可致中小型水面艦艇斷艏、斷艉或從中部折斷并沉沒。因此，在評價反艦魚雷攻擊下的目標(biāo)艦船易損性時，可只考慮結(jié)構(gòu)毀傷而暫不考慮對技術(shù)設(shè)備和人員的毀傷。

反艦魚雷攻擊水面艦艇主要在水線以下舷側(cè)和船底部位。因此，艦船總體參數(shù)、船體材料、水線以下舷側(cè)和船底防護(hù)結(jié)構(gòu)、抗沉性設(shè)計等，對水面艦船遭受魚雷攻擊后的生存能力和作戰(zhàn)能力來說，顯得尤為重要。對于結(jié)構(gòu)毀傷的艦船易損性評價指標(biāo)如下。

1) 艦船總體參數(shù)： 遭受相同武器的打擊后，尺度大的艦船其破損容積與總?cè)莘e之比要比尺度小的艦船小，通常認(rèn)為主尺度和正常排水量大的艦船抗毀傷能力更強(qiáng)。

2) 船體材料： 涉及強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性和外板厚度等指標(biāo)。

3) 船體防護(hù)結(jié)構(gòu)： 分為無防護(hù)結(jié)構(gòu)、輕型防護(hù)結(jié)構(gòu)和重型防護(hù)結(jié)構(gòu)。

4) 船底防護(hù)結(jié)構(gòu)： 分為單層底、雙層底和三層底。

5) 抗沉性： 包括最小浸水隔艙數(shù)、最小隔艙長度、最小干舷高和主橫艙壁數(shù)量等指標(biāo)。

5 反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)體系

基于以上分析研究，構(gòu)建反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)體系如圖2 所示，指標(biāo)含義如表1 所示。

反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)體系由戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)、雷目交會條件指標(biāo)和目標(biāo)結(jié)構(gòu)易損性指標(biāo)3 部分構(gòu)成。

圖2 反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)體系Fig.2 Index system of anti-ship torpedo damage effectiveness evaluation

1) 戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)

與戰(zhàn)斗部主裝藥、目標(biāo)艦船和爆炸水域環(huán)境等要素相關(guān)，具體包括： 戰(zhàn)斗部主裝藥當(dāng)量系數(shù)、裝藥質(zhì)量、裝藥密度和裝藥爆壓；目標(biāo)艦船類型系數(shù)和船殼鋼板厚度；爆炸水域水的密度、水中聲速、爆炸深度處靜水壓、當(dāng)?shù)卮髿鈮?、魚雷爆炸中心與目標(biāo)艦船濕表面的最近距離、作用于目標(biāo)艦船上的沖擊波壓力以及氣泡脈動周期等指標(biāo)。

2) 雷目交會條件指標(biāo)

包括魚雷相對于目標(biāo)艦船的爆炸部位、魚雷爆炸深度、攻擊角度等指標(biāo)。

3) 目標(biāo)結(jié)構(gòu)易損性指標(biāo)

與艦船總體參數(shù)、船體材料、船體防護(hù)結(jié)構(gòu)、船底防護(hù)結(jié)構(gòu)和抗沉性等要素相關(guān)，具體包括： 主尺度和正常排水量；船體材料屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、外板厚度；船體無防護(hù)結(jié)構(gòu)、輕型防護(hù)結(jié)構(gòu)和重型防護(hù)結(jié)構(gòu)；單層底、雙層底和三層底；最小浸水隔艙數(shù)、最小隔艙長度、最小干舷高和主橫艙壁數(shù)量等指標(biāo)。

6 結(jié)束語

文中提出了“戰(zhàn)斗部爆炸威力-雷目交會條件-目標(biāo)結(jié)構(gòu)易損性”三大毀傷要素的反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)體系構(gòu)建方法，并建立了指標(biāo)體系。研究表明：

1) 爆炸及水域環(huán)境、戰(zhàn)斗部及裝藥，以及目標(biāo)艦船等相關(guān)指標(biāo)，構(gòu)成魚雷戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)；

2) 爆炸部位、爆心距殼體距離、爆炸深度、攻擊角度等指標(biāo)，構(gòu)成雷目交會條件指標(biāo)；

3) 艦船總體參數(shù)、船體材料、艦體防護(hù)結(jié)構(gòu)、船底防護(hù)結(jié)構(gòu)、抗沉性等相關(guān)指標(biāo)，構(gòu)成目標(biāo)結(jié)構(gòu)易損性指標(biāo)。

表1 反艦魚雷毀傷效能評估指標(biāo)含義Table 1 Index system meaning of anti-ship torpedo damage effectiveness evaluation

在此基礎(chǔ)上建立的毀傷效能評估指標(biāo)體系，可為魚雷戰(zhàn)斗部毀傷能力設(shè)計、戰(zhàn)時火力配備、戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)、武器毀傷效能試驗評估、艦船生命力研究等軍事及工程應(yīng)用提供參考。運用該指標(biāo)體系以及層次分析方法和專家調(diào)查法等，建立評估模型和指標(biāo)權(quán)重分配模型，對在南海進(jìn)行的某型線導(dǎo)魚雷實航攻擊某型醫(yī)護(hù)船進(jìn)行了毀傷評估，評估結(jié)果與實航毀傷結(jié)果基本一致。

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