水下爆炸潛艇綜合毀傷評(píng)估體系研究

韓大偉，張東俊，王天忠，朱廣成

(中國人民解放軍92337部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

0 引言

潛艇作為一種典型的水下結(jié)構(gòu)物，以其良好的水下探測(cè)、隱蔽航渡、隱蔽攻擊、戰(zhàn)略威懾等功能，成為各海軍強(qiáng)國作戰(zhàn)平臺(tái)體系的重要組成部分。但隨著現(xiàn)代反潛手段能力的不斷完善，戰(zhàn)時(shí)潛艇遂行使命任務(wù)能力及生存能力都受到極大威脅，其中最大的威脅來自魚雷、水雷、深水炸彈等產(chǎn)生的水下爆炸。水下爆炸對(duì)潛艇的綜合毀傷評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其毀傷效果不僅表現(xiàn)為殼體破裂、結(jié)構(gòu)大變形等物理毀傷，還表現(xiàn)為對(duì)艇內(nèi)人員、設(shè)備、管系、電纜、閥門等沖擊毀傷，以及由此產(chǎn)生的動(dòng)力性能降低、電力系統(tǒng)受損、攻擊能力喪失等系統(tǒng)功能毀傷，而且潛艇受損后艇員的損管、抗沉、消防等行為也對(duì)潛艇的生命力存在重要影響。研究構(gòu)建水下爆炸潛艇綜合毀傷評(píng)估體系，對(duì)于統(tǒng)一衡量不同毀傷機(jī)理和毀傷模式下潛艇的抗毀傷效能、切實(shí)摸清各類實(shí)戰(zhàn)條件下裝備性能底數(shù)，具有重要軍事意義和學(xué)術(shù)價(jià)值，也可為裝備改進(jìn)設(shè)計(jì)、戰(zhàn)法設(shè)計(jì)以及仿真分析和試驗(yàn)研究的開展提供參考和依據(jù)。以往文獻(xiàn)對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊下的動(dòng)力響應(yīng)開展了大量研究[1-6]，形成了聲固耦合、液固耦合、雙漸進(jìn)耦合、無網(wǎng)格法等仿真計(jì)算方法，并開發(fā)了多種商用有限元仿真分析軟件[7]，如Abaqus，Ls-dyna，Auto-dytran等。張阿漫等[8]就水下爆炸載荷對(duì)水中結(jié)構(gòu)毀傷的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的綜述?？v觀已有文獻(xiàn)，對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)毀傷引起的功能系統(tǒng)等毀傷研究較少，潛艇綜合毀傷評(píng)估體系研究不夠全面科學(xué)且定量方法缺失。

本文對(duì)水下爆炸潛艇綜合毀傷評(píng)估體系開展研究，建立了包括前處理模塊、一次毀傷分析模塊、二次毀傷分析模塊和后處理模塊的綜合毀傷評(píng)估體系結(jié)構(gòu)，并在系統(tǒng)分析建?；驹瓌t、關(guān)鍵影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)及其內(nèi)在邏輯的基礎(chǔ)上建立潛艇綜合毀傷評(píng)估模型的構(gòu)建流程與方法，研究結(jié)果可為水下爆炸潛艇毀傷效果精準(zhǔn)定量評(píng)估及水中兵器反潛戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用提供重要參考。

1 潛艇綜合毀傷評(píng)估體系結(jié)構(gòu)

按照從攻擊到毀傷全鏈路的時(shí)間先后順序，可將毀傷評(píng)估體系劃分為前處理模塊、一次毀傷分析模塊、二次毀傷分析模塊和后處理模塊，毀傷評(píng)估體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 毀傷評(píng)估體系結(jié)構(gòu)Fig. 1 Architecture of the damage assessment system

1.1 前處理模塊

結(jié)合魚水雷引信動(dòng)作機(jī)理、深水炸彈散布點(diǎn)、魚雷和潛艇三維運(yùn)動(dòng)模型以及占位機(jī)動(dòng)等典型戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用，依托交戰(zhàn)條件下魚雷攻擊命中潛艇全過程的仿真推演模型，分析魚雷、水雷或深水炸彈爆炸瞬間的雷（彈）目相對(duì)態(tài)勢(shì)，完成各型潛艇結(jié)構(gòu)、材料、炸藥模型參數(shù)設(shè)置，為基于潛艇變毀傷特性的抗爆抗沖擊評(píng)估提供初始輸入。

1.2 一次毀傷分析模塊

利用有限元仿真軟件對(duì)不同雷（彈）目相對(duì)態(tài)勢(shì)下潛艇的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，主要分析潛艇破損、局部大變形、動(dòng)力失穩(wěn)等情況，以及艇內(nèi)各人員戰(zhàn)位、設(shè)備基座處的加速度、位移響應(yīng)，與設(shè)計(jì)指標(biāo)閾值比對(duì)，分析水下爆炸沖擊對(duì)艇體、人員、設(shè)備等造成的直接損傷。

1.3 二次毀傷分析模塊

分析設(shè)備、人員損傷對(duì)潛艇綜合毀傷效能的貢獻(xiàn)率，建立潛艇水下抗爆抗沖擊毀傷譜系。依據(jù)一次毀傷分析模塊結(jié)果和毀傷鏈路譜系，重點(diǎn)分析潛艇破損進(jìn)水、火災(zāi)、失電等極端情況下潛艇各設(shè)備、系統(tǒng)的功能毀傷，以及對(duì)潛艇生命力和作戰(zhàn)能力的影響。

1.4 后處理模塊

結(jié)合二次毀傷分析模塊結(jié)果，給出水下爆炸沖擊下潛艇生命力、作戰(zhàn)能力等綜合效能評(píng)估結(jié)論。

2 綜合毀傷評(píng)估模型構(gòu)建方法

潛艇作為一種典型的水下功能結(jié)構(gòu)物，系統(tǒng)、功能、設(shè)備儀器、艙室劃分方式等紛繁復(fù)雜，人員訓(xùn)練水平與指揮操縱策略各異，水下操縱相比于水面艦船難度更大，其生命力、戰(zhàn)斗力受各類指標(biāo)參數(shù)影響的敏感度更強(qiáng)，在綜合毀傷評(píng)估建模中不可能面面俱到。本文以影響潛艇生命力和戰(zhàn)斗力的基本原則為評(píng)價(jià)依據(jù)，分析關(guān)鍵因素并建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合毀傷評(píng)估按照毀傷程度由重到輕的判別順序，先分析對(duì)潛艇生命力造成直接重大威脅的判別指標(biāo)，再分析對(duì)生命力和作戰(zhàn)能力造成間接重大影響的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.1 建?；驹瓌t分析

2.1.1 相鄰N艙破損不沉制原則

水面艦船和潛艇設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)考慮相鄰破艙不沉制指標(biāo)，可描述為相鄰N艙破損時(shí)可保證平臺(tái)不沉性。潛艇艙室破損是最嚴(yán)重的毀傷情形且易于判斷，是否滿足相鄰破艙不沉制原則可作為毀傷評(píng)估判別的第一步。如果相鄰破艙個(gè)數(shù)小于N時(shí)，進(jìn)行下一步評(píng)估；否則，認(rèn)為潛艇生命力喪失，毀傷程度標(biāo)定為1。

2.1.2 損管抗沉有效性原則

潛艇水下操縱復(fù)雜，水下爆炸受損后操縱難度更大，即使受損潛艇滿足相鄰破艙不沉制原則，也并不能意味著潛艇生命力未喪失，還跟下一步的損管抗沉行為息息相關(guān)。損管抗沉有效性可表述為，受損潛艇通過各種靜、動(dòng)力抗沉措施，能否避免潛艇因強(qiáng)度、穩(wěn)性喪失或其他原因?qū)е鲁翛]?？钩劣行栽瓌t是評(píng)估潛艇生命力的重要依據(jù)，可作為毀傷評(píng)估判別的第二步，因靜力抗沉中的壓載水艙吹除系統(tǒng)以及動(dòng)力抗沉能力等與功能系統(tǒng)毀傷情況相關(guān)，抗沉有效性評(píng)估依賴功能系統(tǒng)毀傷分析反饋結(jié)果，需并行開展。如果損管抗沉行為有效，進(jìn)行下一步作戰(zhàn)能力毀傷評(píng)估；否則，認(rèn)為潛艇生命力喪失，毀傷程度標(biāo)定為1。

2.1.3 毀傷關(guān)聯(lián)度分級(jí)原則

在潛艇生命力未完全喪失，即滿足相鄰破艙不沉制原則的情況下，與損管抗沉有效性評(píng)估并行開展功能系統(tǒng)毀傷評(píng)估，對(duì)潛艇作戰(zhàn)能力的損失情況進(jìn)行分析。將功能系統(tǒng)毀傷評(píng)估按功能、系統(tǒng)、設(shè)備劃分為3層，下層節(jié)點(diǎn)通過邊與上層節(jié)點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)，節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)意義可理解為各功能、系統(tǒng)、設(shè)備，邊的現(xiàn)實(shí)意義可理解為各電纜、光纜、信號(hào)傳輸線、水管、油管、氣管等。定義毀傷鏈路為若干下層節(jié)點(diǎn)為保證上一層節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行所需的最小串行組合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的毀傷程度跟與之相聯(lián)的各條毀傷鏈路相關(guān)聯(lián)，每條毀傷鏈路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)上一節(jié)點(diǎn)的毀傷關(guān)聯(lián)度取值范圍為0～1，每條邊對(duì)上一節(jié)點(diǎn)的毀傷關(guān)聯(lián)度取值為0或1。與上層節(jié)點(diǎn)直接相聯(lián)的下層節(jié)點(diǎn)定義為一級(jí)節(jié)點(diǎn)，與一級(jí)節(jié)點(diǎn)相聯(lián)的節(jié)點(diǎn)定義為二級(jí)節(jié)點(diǎn)，以此類推，并依此建立相鄰兩層之間的毀傷鏈路譜。某系統(tǒng)的毀傷鏈路譜如圖2所示，根據(jù)上述定義，該系統(tǒng)共有10條毀傷鏈路。

圖2 某系統(tǒng)的毀傷鏈路譜Fig. 2 The relevant damage spectrum of X system

2.2 關(guān)鍵影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

2.2.1 相鄰破艙數(shù)量

潛艇遭受魚雷或深水炸彈近距離或接觸命中時(shí)，往往會(huì)造成耐壓殼體的破損，相鄰破艙數(shù)量n是影響潛艇不沉性的直接關(guān)鍵因素。評(píng)價(jià)指標(biāo)可集成為戰(zhàn)斗部破壞半徑r、潛艇各艙室長度Li及雷（彈）目交會(huì)態(tài)勢(shì)。如圖3所示，戰(zhàn)斗部1對(duì)潛艇的破艙數(shù)量為1，戰(zhàn)斗部2對(duì)潛艇的破艙數(shù)量為2。其中，戰(zhàn)斗部破壞半徑與戰(zhàn)斗部裝藥種類、當(dāng)量、距艇體的距離、角度、耐壓殼體及肋骨材料、尺寸等多個(gè)因素有關(guān)，可通過理論或經(jīng)驗(yàn)公式及仿真計(jì)算得到；雷（彈）目交會(huì)態(tài)勢(shì)跟潛艇及魚雷的初始態(tài)勢(shì)、魚雷導(dǎo)引方式、引信動(dòng)作機(jī)理及潛艇機(jī)動(dòng)行為等因素有關(guān)，可通過仿真分析得到[9]。

圖3 破艙數(shù)量評(píng)價(jià)示意圖Fig. 3 The quantitative assessment of broken cabins

2.2.2 剩余強(qiáng)度及損管抗沉有效性

潛艇受水下爆炸破損變形后，艇體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度及局部耐壓強(qiáng)度均有所降低，評(píng)價(jià)指標(biāo)可取剩余彈性極限彎矩Ms、設(shè)計(jì)極限彎矩M、耐壓殼體與破艙艙壁承壓能力的最小值Min{Pk,Pc}及潛艇所處水深處的靜水壓力P。其中，剩余強(qiáng)度的外載荷計(jì)算可采用損失浮力法或增加重力法[10]。

潛艇受水下爆炸破損進(jìn)水后，由于浮力的損失，會(huì)產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，能否通過綜合運(yùn)用靜力抗沉、動(dòng)力抗沉措施，及時(shí)使?jié)撏У竭_(dá)安全深度，是評(píng)判損管抗沉有效與否的關(guān)鍵，評(píng)價(jià)指標(biāo)可取為潛艇到達(dá)危險(xiǎn)深度的臨界時(shí)間tw與潛艇到達(dá)安全深度所需時(shí)間ts。其中，靜力抗沉能力與剩余儲(chǔ)備浮力、剩余高壓氣儲(chǔ)量及潛艇破損進(jìn)水情況等因素有關(guān)，動(dòng)力抗沉能力與潛艇航速、破口面積及所處深度等因素有關(guān)[11]。

2.2.3 抗沖擊閾值與最大容許變形量

潛艇遭受深水炸彈或水雷水下中遠(yuǎn)場爆炸時(shí)，即使不會(huì)對(duì)潛艇殼體造成大破口而沉沒，但也可能導(dǎo)致殼體產(chǎn)生大變形，并在艇載設(shè)施設(shè)備處產(chǎn)生巨大的沖擊加速度，由此引發(fā)的功能、系統(tǒng)及設(shè)備的毀傷是綜合毀傷評(píng)估的關(guān)鍵。依據(jù)毀傷鏈路譜，可將評(píng)價(jià)指標(biāo)取為各節(jié)點(diǎn)和邊的抗沖擊閾值和最大容許變形量。提取某節(jié)點(diǎn)或邊處的沖擊加速度輸入和變形量，與其設(shè)計(jì)閾值和最大容許量進(jìn)行比較，若沖擊加速度輸入超出設(shè)計(jì)閾值或?qū)嶋H變形量超出容許值，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)或邊的毀傷程度為1；若沖擊加速度輸入未超出設(shè)計(jì)閾值且實(shí)際變形量未超出容許值，毀傷程度為0。

2.3 建模分析方法流程

生命力是戰(zhàn)斗力的基礎(chǔ)和保障，建模分析分步實(shí)施：第1步，分析評(píng)估潛艇是否生命力完全喪失；第2步，在生命力未完全喪失的條件下，分析評(píng)估作戰(zhàn)能力受損情況。建模分析流程如圖4所示。

3 結(jié)論與展望

本文對(duì)水下爆炸下潛艇綜合毀傷評(píng)估體系開展研究，構(gòu)建了包括前處理模塊、一次毀傷分析模塊、二次毀傷分析模塊和后處理模塊的綜合毀傷評(píng)估體系結(jié)構(gòu)；通過分析建模基本原則、關(guān)鍵影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了潛艇綜合毀傷評(píng)估模型的構(gòu)建流程與方法；通過對(duì)綜合毀傷評(píng)估體系的研究，可以得出以下結(jié)論：

圖4 建模分析流程圖Fig. 4 The modeling and analysis flowchart

1）該毀傷評(píng)估體系覆蓋了從水中兵器攻擊到潛艇毀傷的全鏈路，任意單一因素的改變都可能對(duì)毀傷評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生大的影響，必須對(duì)各毀傷要素及其內(nèi)在邏輯進(jìn)行系統(tǒng)分析，才能得到科學(xué)合理的評(píng)估結(jié)論。

2）命中態(tài)勢(shì)是潛艇綜合毀傷的外因，在潛艇綜合毀傷的精準(zhǔn)定量評(píng)估中，必須依托精確的外部輸入；同時(shí)，遭受魚雷等水中兵器攻擊時(shí)，潛艇一方面可通過優(yōu)化機(jī)動(dòng)決策改變命中態(tài)勢(shì)來降低水下爆炸對(duì)本艇的初始?xì)?，另一方面可以通過有效的損管抗沉行動(dòng)來降低本艇的后效毀傷。

3）潛艇各功能系統(tǒng)的毀傷鏈路是潛艇毀傷的內(nèi)因，毀傷鏈路上各節(jié)點(diǎn)的毀傷程度及其毀傷體系貢獻(xiàn)度對(duì)潛艇的綜合毀傷效能有重要影響，在潛艇的抗水下爆炸性能體系優(yōu)化設(shè)計(jì)上必須綜合考量各毀傷鏈路的魯棒性。

潛艇系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜多樣，各系統(tǒng)設(shè)備的沖擊可靠性和戰(zhàn)損后的損管行動(dòng)對(duì)潛艇生命力和作戰(zhàn)能力具有重要影響，僅僅對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)開展毀傷分析已不能滿足毀傷評(píng)估需求，建立潛艇綜合毀傷要素?cái)?shù)據(jù)庫，并深化結(jié)構(gòu)毀傷到功能毀傷的精準(zhǔn)定量映射關(guān)系以及損管行動(dòng)優(yōu)化決策研究，是后續(xù)潛艇毀傷效能評(píng)估體系研究的重點(diǎn)問題。