攔截彈高海況適應(yīng)性評估方法

邵宗戰(zhàn) ,熊 勇 ,戴文留

(1.中國人民解放軍91439 部隊,遼寧 大連,116041;2.江南工業(yè)集團有限公司,湖南 長沙,410013)

0 引言

某攔截彈可裝備于適裝的水面艦艇,對來襲的反艦魚雷實施攔截。其實際使用要求中明確了攔截彈高海況作戰(zhàn)使用環(huán)境要求,檢驗條件以實航評估為主,若試驗條件不滿足,則需以裝載平臺進行仿真,并結(jié)合實航試驗數(shù)據(jù)進行綜合評估。

在現(xiàn)有條件下,攔截彈高海況適應(yīng)性試驗存在試驗組織實施難、試驗產(chǎn)品回收難以及試驗數(shù)據(jù)測量難等一系列問題,試驗的安全性很難保證。同時,國內(nèi)外對反魚雷攔截武器在性能分析、作戰(zhàn)使用和仿真試驗等方面開展了較為廣泛的研究工作,因此,文中采用試驗驗證與仿真計算相結(jié)合的方法進行該攔截彈高海況適應(yīng)性評估[1-2]。

1 高海況對攔截彈影響及性能要求分析

根據(jù)裝備實際使用情況的要求,文中分別針對6 級海況和9 級海況2 種高海況進行分析。6 級海況條件下風(fēng)速為17.2～24.4 m/s,浪高4～6 m;9 級海況條件下風(fēng)速不小于32.7 m/s,浪高不小于14 m。

根據(jù)高海況環(huán)境特性與攔截彈工作原理分析,高海況對攔截彈正常使用性能影響主要體現(xiàn)在發(fā)動機是否能正常點火發(fā)射和攔截彈出管后是否能正常工作。攔截彈發(fā)動機點火是由發(fā)射裝置供電啟動,并不受海況條件影響,因此,高海況對攔截彈正常使用性能影響主要體現(xiàn)在發(fā)射出管后的工作性能,表現(xiàn)為攔截彈發(fā)射飛行是否穩(wěn)定,以及入水分離懸浮、產(chǎn)品裝載是否正常[3-6]。

1.1 6 級海況對攔截彈發(fā)射飛行的影響

彈箭在風(fēng)場中運動所受的空氣動力和力矩取決于彈箭相對于空氣的速度大小和方向。攔截彈在發(fā)射飛行過程中,受風(fēng)速的疊加影響,相對氣流速度和相對攻角將發(fā)生較大變化。特別是在攔截彈出炮口階段,由于速度較低,6 級海況風(fēng)速占比大,風(fēng)向不確定,對攔截彈飛行速度、彈道傾角、射程及密集度等性能均會造成影響,所產(chǎn)生的空氣動力和力矩有可能使攔截彈彈道攻角增大到不可逆的程度,最終發(fā)生彈道失穩(wěn)、翻滾等現(xiàn)象。

結(jié)合攔截彈要求，文中攔截彈飛行速度和彈道傾角為非指標(biāo)性能參數(shù)，不需要專門評估,而射程與密集度需要在風(fēng)速不大于5 m/s 條件下進行評估。因此,與6 級海況相關(guān)的攔截彈發(fā)射飛行性能主要表現(xiàn)為彈道能否穩(wěn)定,即受風(fēng)速影響飛行彈道攻角能否收斂。攔截彈彈道攻角應(yīng)能滿足6 級海況最大風(fēng)速和垂直風(fēng)向條件下的發(fā)射飛行彈道的穩(wěn)定性要求。

1.2 6 級海況對攔截彈入水分離懸浮的影響

攔截彈飛行彈道受風(fēng)速影響后,入水速度和入水角度發(fā)生變化,導(dǎo)致入水過載改變,影響攔截彈探測入水開關(guān)閉合性能。同時,6 級海況下的海浪波高大,使懸浮組件產(chǎn)生較大起伏,增加承重連接件受力,影響承重連接性能。

因此,與6 級海況相關(guān)的攔截彈入水分離懸浮性能主要表現(xiàn)為入水過載能否保證探測入水開關(guān)正常閉合,承重連接件受力情況是否超出承力性能。

6 級海況下風(fēng)速的疊加效應(yīng)導(dǎo)致攔截彈的飛行彈道發(fā)生改變,攔截彈入水速度和入水角度隨之發(fā)生變化,最終使攔截彈入水過載改變,有可能導(dǎo)致攔截彈探測入水開關(guān)不能正常閉合。攔截彈入水過載及作用時間應(yīng)能滿足探測入水開關(guān)正常閉合條件。

6 級海況下海浪的上下起伏將迫使分離后穩(wěn)定懸浮的組件做跟隨運動,承重連接件受力特性由靜態(tài)力向動態(tài)力轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)附加力,有可能導(dǎo)致承重連接件承力性能不夠,出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。攔截彈承重連接件受力特性應(yīng)能滿足承重連接件承力性能。

1.3 6 級海況對攔截彈探測性能的影響

高海況條件下海洋環(huán)境噪聲增大,可能會對攔截彈的探測作用距離造成影響,同時,海面波浪引起懸浮組件上下起伏,接收到的目標(biāo)輻射噪聲特性與靜止時接收到的目標(biāo)特性不一致。因此,與6 級海況相關(guān)的攔截彈探測工作性能主要表現(xiàn)在探測作用距離和目標(biāo)特性兩方面。

1.4 9 級海況對攔截彈管內(nèi)裝載的影響

艦船高海況搖擺引起的靜態(tài)力和動態(tài)力是可能造成裝載攔截彈結(jié)構(gòu)破壞的兩大因素。相比靜態(tài)力而言,平臺在9 級海況下動態(tài)力對彈載電子設(shè)備產(chǎn)生的力載荷更大,要求更高。因此,與9 級海況相關(guān)的攔截彈裝載不損壞能力主要表現(xiàn)為攔截彈的動態(tài)力是否會引起自身結(jié)構(gòu)的損壞。

2 評估方法

根據(jù)海況適應(yīng)性對攔截彈的性能要求分析結(jié)果,需要評估的內(nèi)容有6 級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載、連接件受力、探測作用距離、目標(biāo)通過特性以及9 級海況下攔截彈裝載動態(tài)力性能6 個方面。文中重點對攔截彈彈道攻角、入水過載和連接件受力3 個方面的評估方法進行研究[7-8],如圖1 所示。

圖1 評估方法框圖Fig.1 Block diagram of the assessment method

2.1 攔截彈彈道攻角

采用仿真方法得到不同條件下攔截彈的彈道攻角情況。利用較低海況下艦船搭載發(fā)射飛行試驗驗證彈道穩(wěn)定性情況,并推算6 級海況條件下的彈道攻角是否滿足彈道飛行穩(wěn)定性要求。

2.2 攔截彈入水過載

采用仿真方法得到不同條件下攔截彈的入水過載情況。采用沖擊過載試驗覆蓋式評估探測入水開關(guān)閉合情況,驗證6 級海況條件下的入水過載是否滿足探測入水開關(guān)閉合要求。

2.3 承重連接件受力

采用仿真方法得到不同條件下攔截彈連接件受力情況。采用動態(tài)強度試驗覆蓋式評估連接件承力性能,驗證6 級海況條件下的連接件是否滿足正常懸浮要求。

3 試驗與評估

3.1 攔截彈彈道攻角評估

3.1.1 高海況下彈道攻角計算分析

根據(jù)彈箭六自由度剛體彈道方程組,將6 級海況下最大正順風(fēng)、正逆風(fēng)和正橫風(fēng)(風(fēng)速24.4 m/s)納入計算初始條件[9-12],解算攔截彈在6 級海況最大風(fēng)速下的彈道飛行攻角幅值變化情況,計算結(jié)果如圖2～圖4 所示。

圖2 正順風(fēng)初始條件彈道攻角幅值曲線Fig.2 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive tailwind

圖3 正逆風(fēng)初始條件彈道攻角幅值曲線Fig.3 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive headwind

圖4 正橫風(fēng)初始條件彈道攻角幅值曲線Fig.4 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive crosswind

由圖2～圖4 可見,攔截彈彈道攻角幅值曲線呈振蕩減小的趨勢,在發(fā)射出管瞬間最大,隨后迅速減小,到達彈道主動段末尾時趨于穩(wěn)定,并隨飛行時間的增加逐漸減小,攔截彈入水時彈道攻角幅值最小。其中,正順風(fēng)條件下攔截彈最大射程彈道攻角幅值最大為33°,最小射程彈道攻角幅值最大為14°;正逆風(fēng)條件下攔截彈最大射程彈道攻角幅值最大為16°,最小射程彈道攻角幅值最大為4.4°;正橫風(fēng)條件下攔截彈最大射程彈道攻角幅值最大為29°,最小射程彈道攻角幅值最大為29°。因此,攔截彈需滿足在最大33°彈道攻角條件下的彈道穩(wěn)定性能力。

3.1.2 彈道飛行穩(wěn)定裕度

通過軟件計算攔截彈不同攻角條件下的氣動壓心位置,并由彈箭飛行彈道穩(wěn)定裕度公式計算攔截彈彈道飛行穩(wěn)定裕度如表1 所示。其中,攔截彈在小攻角條件下的彈道穩(wěn)定裕度超過20%,隨著彈道攻角的增加,攔截彈彈道穩(wěn)定裕度逐漸減小,彈道攻角在45°時,其彈道飛行穩(wěn)定裕度仍超過12%。

表1 攔截彈氣動穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 1 Results of aerodynamic stability calculation for the intercept missile

根據(jù)攔截彈6 級海況風(fēng)速條件下的彈道計算結(jié)果,在正順風(fēng)條件下攔截彈彈道攻角最大,為33°,表1 對應(yīng)的彈道飛行穩(wěn)定裕度在15%左右,滿足彈箭飛行穩(wěn)定裕度一般為12%～20%的設(shè)計條件,因此,攔截彈在6 級海況條件下可以滿足彈道飛行穩(wěn)定性能。

3.1.3 低海況下海上發(fā)射飛行試驗

在某海域進行了海上射擊試驗,試驗期間風(fēng)級達到了4～5 級(風(fēng)速為5.5～10.7 m/s),發(fā)射200 余發(fā)攔截彈,全部工作正常,彈道發(fā)射飛行穩(wěn)定。

試驗表明攔截彈在3 級海況、4～5 級風(fēng)速條件下最大、最小射程彈道飛行均可穩(wěn)定,滿足正常使用要求,結(jié)合3.1.1、3.1.2 節(jié)對攔截彈高海況條件下彈道攻角計算及飛行穩(wěn)定裕度分析評估,攔截彈可以滿足6 級海況下的發(fā)射飛行要求。

3.2 攔截彈入水過載評估

3.2.1 高海況下入水過載計算分析

攔截彈入水過載主要體現(xiàn)在彈體擊水及初始降速2 個階段。彈體擊水階段是指從彈頭開始接觸水面到攔截彈完全沾濕為止,該階段作用時間短,過載幅值大。初始降速階段是指攔截彈入水完全沾濕后,速度仍然較大,由流體阻力主導(dǎo)形成的一段減速階段,該階段作用時間相對較長,過載幅值相對較大。2 個階段運動過載及作用時間共同構(gòu)成攔截彈探測入水開關(guān)的過載激活條件[13-15]。

根據(jù)彈箭六自由度剛體彈道方程組,將最大正順風(fēng)、正逆風(fēng)、正橫風(fēng)(風(fēng)速24.4 m/s)納入計算初始條件,解算攔截彈在6 級海況最大風(fēng)速下的彈道入水速度、入水彈道傾角及攻角情況,如表2 所示。

表2 攔截彈6 級海況最大風(fēng)速條件下彈道入水參數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculation results of ballistic water entry parameters under the condition of sea state level 6 and the maximum wind speed

攔截彈擊水階段運動非常復(fù)雜,通過有限元仿真軟件對攔截彈標(biāo)準(zhǔn)無風(fēng)及6 級海況典型風(fēng)速入水條件下的擊水運動進行了仿真計算,仿真結(jié)果見圖5～圖8。其中,最大射程無風(fēng)條件下?lián)羲^載最大為257 g,6 級海況典型風(fēng)速條件下?lián)羲^載最大為240 g,后續(xù)過載基本重合,均滿足攔截彈探測入水開關(guān)工作要求。最小射程無風(fēng)條件下?lián)羲^載最大為135 g,6 級海況典型風(fēng)速條件下由于入水攻角增大,其擊水過載曲線與無風(fēng)條件下差別較大,最大為240 g,后續(xù)過載曲線變化趨勢基本相同,滿足攔截彈探測入水開關(guān)工作要求。

圖5 最大射程擊水階段有限元仿真結(jié)果Fig.5 Finite element simulation results at maximumrange water hitting stage

圖6 最大射程擊水階段過載曲線Fig.6 Overload curves at maximum-range water hitting stage

圖7 最小射程擊水階段有限元仿真結(jié)果Fig.7 Finite element simulation results at minimum-range water hitting stage

圖8 最小射程擊水階段過載曲線Fig.8 Overload curves at minimum-range water hitting stage

攔截彈初始降速階段的過載與作用時間通過編制的水下運動彈道模型進行計算,結(jié)果如圖9 和圖10 所示,其中最大射程入水降速過載在標(biāo)準(zhǔn)無風(fēng)與6 級海況典型風(fēng)速條件下的差值不超過8%,最小射程降速過載在標(biāo)準(zhǔn)無風(fēng)與6 級海況典型風(fēng)速條件下的差值不超過4%,均在探測入水開關(guān)設(shè)計范圍之內(nèi)。

圖9 最大射程擊水階段后的降速過載曲線Fig.9 Deceleration overload curves after maximum-range water hitting stage

圖10 最小射程擊水階段后的降速過載曲線Fig.10 Deceleration overload curves after minimumrange water hitting stage

3.2.2 探測入水開關(guān)沖擊過載試驗

在進行的30 發(fā)次探測入水開關(guān)可靠性試驗中,探測入水開關(guān)均能正常閉合。根據(jù)對攔截彈入水過載計算結(jié)果分析,攔截彈無論是在擊水階段,還是初始降速階段,其最大、最小射程下的入水過載及持續(xù)時間均大于探測入水開關(guān)閉合條件,因此,攔截彈在6 級海況條件下可以滿足探測入水開關(guān)正常工作要求。

3.3 攔截彈承重連接件受力評估

3.3.1 高海況下承重連接件受力計算分析

6 級海況最大波高為5.56 m,平均周期為7.56 s,假設(shè)海浪運動模型為二元進行波φ=0,則波幅A=2.78 m,圓周頻率ω=0.83 rad/s。初始相位φ取0,π/4,π/2,···,7π/4共8 個狀態(tài)。

通過仿真計算,攔截彈上浮后會經(jīng)歷一個過渡過程才能達到平衡狀態(tài),該過渡過程中連接件受力大小與懸浮組件上浮到水面時海浪波的初始相位有關(guān),下面計算了各初始相位時的連接件受力情況,見圖11～圖14。

圖11 φ=0時連接件受力圖Fig.11 Force diagram of connector at φ=0

圖12 φ=π/2時連接件受力圖Fig.12 Force diagram of connector at φ=π/2

圖13 φ=π時連接件受力圖Fig.13 Force diagram of connector at φ=π

圖14 φ=7π/4時連接件受力圖Fig.14 Force diagram of connector at φ=7π/4

由以上計算可以看出,海浪波的初始相位φ=π/2時,連接件承受的最大拉力最大但不超過3 500 N,小于承力設(shè)計強度。因此,6 級海況條件下連接件可以正常使用。

3.3.2 承重連接件動態(tài)拉力試驗

在進行的12 個承重連接件靜態(tài)拉力試驗中,施加最大值恒定靜態(tài)拉力后,連接件均未斷裂;在進行的15 個承重連接件動態(tài)拉力試驗中,施加最大值的動態(tài)拉力后,連接件均未斷裂。根據(jù)對高海況下承重連接件受力計算結(jié)果分析,承重連接件承受的最大拉力小于試驗值,因此,承重連接件在6 級海況條件下可以滿足正常工作要求。

4 結(jié)束語

通過對高海況條件下攔截彈作戰(zhàn)使用受到的環(huán)境影響進行梳理分析,提出攔截彈作戰(zhàn)使用需滿足的性能要求,歸納高海況適應(yīng)性需要評估的內(nèi)容有6 級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載、連接件受力、探測作用距離、目標(biāo)通過特性,以及9 級海況下攔截彈裝載動態(tài)力性能6 個方面。文中針對6 級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載和連接件受力3 個方面內(nèi)容,采用仿真計算與實驗室試驗、海上實航試驗相結(jié)合的方法進行綜合評估,結(jié)果表明該攔截彈的彈道攻角、入水過載和連接件受力3 個方面性能滿足規(guī)定的使用要求,可為攔截彈高海況適應(yīng)性狀態(tài)鑒定結(jié)論的得出提供技術(shù)支撐。