鱼雷对水面舰艇毁伤效能评估方法

第38卷第8期兵器装备工程学报2017年8月【装备理论与装备技术】doi: 10.11809/scbgxb2017.08.003鱼雷对水面舰艇毁伤效能评估方法
李兵，房毅，杨光
(中国人民解放军91439部队，辽宁大连116041)
摘要:在武器毁伤效能评估层次研究框架分析的基础上，对于爆破型鱼雷对典型水面舰艇目标的交汇条件计算、物 理毁伤评估、功能毁伤评估及鱼雷对水面舰艇毁伤的综合评估方法进行了研究,可为其他型号武器装备对系统目标 的毁伤效能评估研究提供参考。

关键词:鱼雷;水面舰艇;毁伤效能;效能评估
本文引用格式:李兵，房毅，杨光.鱼雷对水面舰艇毁伤效能评估方法[J].兵器装备工程学报,2017(8) : 10 - 13.
Citation format：LI Bing, FANG Yi, YANG Guang. Research on Damage Efficiency Assessment Method of Torpedo to War- ship[ J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8) ：10 - 13.
中图分类号:TJ63 文献标识码:A 文章编号:2096 -2304(2017)08 -0010-04 Research on Damage Efficiency Assessment Method
of Torpedo to Warship
LI Bing, FANG Yi, YANG Guang
(The No. 91439th Troop of PLA,Dalian 116041, China)
Abstract ：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.
Key words：torpedo; surface ship；damage efficiency; efficiency assessment
武器装备作战效能是指武器装备及其组合在作战运用 中所具备的作战能力以及由此而获得的军事效益，主要包括 武器装备的生存能力、突防能力、工作可靠性、制导性能和毁 伤能力等,其中毁伤效能是武器装备对目标毁伤能力与毁伤 效果的量度，作为武器装备的终点作用目标和一项复杂的综 合性效能指标，对于武器的毁伤效能评估方法必须进行深人 的研究分析。

毁伤效能是战斗部对目标毁伤能力与毁伤效果的量度, 是考虑各种影响因素前提下战斗部对目标的毁伤能力[1]。

对于功能结构单一的典型目标,通常可直接用目标物理毁伤 程度（如毁伤面积、子目标毁伤数量）来代替目标功能损伤程 度。

而作为鱼雷攻击的典型目标——水面舰艇，它是由一系 列部件组成的，是由多类型、多层次、多用途的子目标构成的 有机整体，可认为是一种系统目标。

对系统目标的毁伤评估 通常采用二种方法:一种是将系统目标离散成较为典型的点、线、面等子目标，用AHP、模糊综合评判法或专家评估法[2<对各个子目标赋予权值,加权得到目标系统的整体毁 伤效果;另一种方法是根据目标功能分析构建毁伤评估指标 体系对目标进行综合评估。

但上述二种方法并未明确地区 分目标的物理毁伤、功能损伤以及作战效能损伤三者的差异 和联系，无法准确、系统地描述武器装备的毁伤效能。

作者在武器毁伤效能评估层次研究框架分析的基础上，对爆破型鱼雷对典型水面舰艇目标的命中概率计算、物理毁 伤评估、功能毁伤评估方法等进行了研究，提出了鱼雷对水 面舰艇毁伤的综合评估方法，可为武器装备对系统目标的毁 伤效能评估提供参考。

1武器威力与目标易损性
任何一类攻击型武器的威力，是指一定弹目交互情况
收稿日期=2017 -04 -15;修回日期=2017 -05 -10
作者简介:李兵（1969—），女，硕士，高级工程师,主要从事爆炸试验测量及数据处理研究。

李兵，等：鱼雷对水面舰艇毁伤效能评估方法11下，该武器系统对所攻击目标所产生的破坏效果的评估;而
任何一类目标的易损性是指针对特定的攻击武器，在某一弹 目交互情况下，该目标对毁伤敏感度的评估。

所以，兵器威 力和目标易损性二个术语分别从进攻和防御两个不同的角 度诠释了同一物理过程[4]。

武器毁伤效能评估是综合考虑战役战术目的、战场环 境、火力力量、目标性质等因素，对实际毁伤效果进行综合分 析和评定的过程。

武器对目标的毁伤效果可以从3个角度 描述:①目标的物理毁伤;②目标功能的丧失;③作战能力 的减退[5]。

由此，可从毁伤效能评估的角度对武器毁伤效能 和目标生存能力研究确立自顶向下的层次研究框架如图1所示。

图1武器毁伤效能分析层次框架
图1中，各层面的意义为：-1层:确定是否开火的物理 参数;〇层:武器发射的初始条件;1层:武器装备及其所攻击 目标的特性参数以及所有可能的弹目交汇情况;2层:部件 破坏状态即目标物理毁伤程度的评估，表示弹目交互作用 后，目标部件遭到破坏的物理状态;3层：目标工程性能的度 量即目标功能损伤程度评估，是指根据目标物理毁伤效果的 计算结果，从目标功能结构特点出发，研究目标物理毁伤与 目标功能丧失（或目标效能）之间的定量关系;4层：目标作 战性能的度量，即根据目标功能损伤，研究其对目标完成作 战任务的影响程度。

对目标生命力分析而言，其易感性也称为战术易损性，是指目标被探测装置探测、被威胁物体命中的可能性;而结 构易损性是指目标在被探测、命中的条件下，在武器的毁伤 元素（如破片、冲击波、金属射流等）作用下被毁伤的可能性[6]。

从图1可以看出，无论是威力评估还是易损性分析，所 有毁伤评估的相关性研究工作，其核心都是研究层面1到层 面4的转换过程，其最终目标是获取得到层面3或层面4的状态。

2鱼雷对水面舰艇毁伤效能评估方法
作为海军主战武器，鱼雷对目标的毁伤是一个极为复杂 的过程，其毁伤能力与鱼雷战斗部威力、毁伤机理、击中目标 舰船的部位及目标舰船抗毁伤能力等因素有关。

作为鱼雷 主要攻击目标之一的水面舰艇，其易损性与舰艇的不沉性、结构强度、舱室分布、武备设置和损管能力等特性有关。

鱼 雷的毁伤效能为
P h=P m' P h/m(!)式中：/\为鱼雷武器的毁伤概率；为命中概率，与目标 特性、鱼雷武器控制能力、火力控制系统的探测、跟踪、打击 以及战术运用等因素相关;为给定的一次命中后目标的毁伤概率，与鱼雷战斗部性能、装药质量与尺寸、毁伤方式和 目标舰艇易损性等因素相关。

根据鱼雷毁伤效能定义和鱼雷武器毁伤效能层次分析 模型可知，鱼雷对水面舰艇毁伤效能的评估主要由以下过程 构成:①雷目交汇条件计算;②目标舰艇物理毁伤评估;③目 标舰艇功能毁伤评估;④毁伤效能综合评估。

2.1雷目交汇条件计算
雷目交汇条件即鱼雷武器命中目标的概率及攻击位置 计算。

由于攻击位置不同，即使对于同一目标舰船，损伤情 况也将产生极大差异。

当机房和某些舱室遭到毁伤时，舰艇 可以保持其不沉性;而如果鱼雷命中舰船的弹药舱部位，将 引起弹药爆炸，使舰船遭到毁灭性打击。

因此，鱼雷攻击目 标位置和概率的计算是后续毁伤效能的分析基础。

2.1.1命中概率计算
计算鱼雷命中概率的方法主要有两种：解析法和模拟 法[7]。

对于直航搜索鱼雷对等速直航目标的射击，采用解析 法可以得出较为精确的解，且计算速度快、效率高;而模拟法 可以真实仿真各种水文条件下鱼雷环形、蛇形、梯形等搜索 弹道和再搜索过程以及目标的任意机动。

假设鱼雷武器为声自导鱼雷，其命中概率的模拟法计算 过程一般是:①建立坐标系;②依据鱼雷性能指标和目标舰 艇运动特性，输入鱼雷和目标舰艇的初始参数;③确定模拟 次数#及导引方法;④进行模拟仿真，主要有:有关参数附 加误差量、根据阵位关系计算鱼雷及目标的初始位置坐标、模拟鱼雷及目标的运动;⑤进行命中目标判断，直至该次射 击命中目标或鱼雷航程终了；⑥统计#次模拟中命中目标 的次数，计算命中目标概率。

2. 1.2鱼雷攻击位置计算
由于鱼雷航行误差、目标运动要素误差及发控系统误差 的存在，武器射击会产生一定散布。

由实践统计规律可知，弹着点在目标舰艇水线下Z方向和F方向（水线下）呈正态 分布，且分布函数在Z和F方向相互独立[8]，则弹着点二维 分布密度函数为
p(x,j)-exp-m J(r -Mr)'
2iTaxa y^r L2al
式中为观测值；A、^为数学期望；
2a2y
<为方差。

(2
)
12兵器装备工程学报http：///
在实际工程应用中，可依据舰艏至舰艉各舱室布置、评 估精度要求等因素,将目标舰艇划分为若干区域，则鱼雷对 各区域的命中概率即可计算得到。

2.2目标舰艇物理毁伤评估
2.2.1 物理毁伤状态的获取
对确定雷目交汇条件下目标舰艇的物理毁伤状态可采 用以下3种方法获得:原型试验、等效试验、仿真试验。

3种 方法可有效结合使用。

原型试验是准确获取目标物理毁伤状态、获得毁伤测量 参数、验证仿真模型算法的最好方法,但由于原型试验耗资 巨大，试验实施难度大，试验次数有限。

在实际使用中，可采 用缩比模型试验、地面静爆试验、等效靶试验3种等效试验 方法对特定雷目交汇条件下目标舰艇的物理毁伤情况进行 评定。

其中,缩比模型试验通常是根据相似理论，采用小尺 寸模型弹和舰艇的缩比模型模拟真实鱼雷和目标舰艇所进 行的试验;等效靶试验是采用在毁伤意义上与目标近似的靶 标所进行的试验。

由于等效试验与原型试验之间存在不可 忽视的差异，因此，必须进行等效理论研究，定性定量分析等 效试验与原型试验之间的差异,进一步将差异体现在目标舰 艇的物理毁伤评估中。

仿真试验具有耗资小、安全性好等优 点，而且相关参数调整、工况设置等也更为方便，可方便地进 行对比研究，且可为原型试验工况预报、测点布置、测量参数 量程设置提供依据。

但仿真试验结果的准确性、可用性必须 通过原型试验、等效试验进行校核，通过参数、模型、算法的 再调整、再修正，使其计算与实际试验情况更为符合。

2.2.2毁伤评定准则
毁伤评定准则是判断目标遭受物理毁伤程度的量化判 据，通常采用两种方法确定:通过基本试验(包括实物试验和 模型试验）建立经验公式;建立物理模型，通过理论推导得到 定量关系，再由试验进行验证或修正。

对水面舰艇而言，其 毁伤部件主要可分为舰艇结构、舰载设备和人员3类。

2.2.2. 1舰艇结构毁伤评定
鱼雷对目标的毁伤作用通常表现为近场非接触或接触 水下爆炸。

在鱼雷攻击作用下，驱、护舰等无防护或轻型防 护舰体的船体结构通常会产生破口毁伤，所以，舰艇结构毁 伤通常采用基于极限强度的破损船体剩余强度评估方法，剩 余强度是爆炸载荷对舰船结构总体毁伤的重要体现[9]。

文 献[10]中基于舰艇剩余极限强度、舰体结构挠曲变形、破口 大小等，系统地提出了水面舰艇结构毁伤表征方法。

1)舰体结构毁伤等级
鱼雷对水面舰艇结构毁伤等级可分为无毁伤、部分毁伤 和完全毁伤3级。

部分毁伤又可根据毁伤后水面舰艇具备 部分实现设计抗毁伤能力的比例,进一步分为轻度毁伤、中度毁伤和重度毁伤。

因此，水面舰艇结构毁伤等级可分为无 毁伤（A)、轻度毁伤（B)、中度毁伤（C)、重度毁伤（D)、完全 毁伤（E)5个等级。

2)舰体结构总体毁伤
毁伤后舰体结构总纵剩余强度是衡量舰体结构总体毁 伤的重要参数，可用毁伤后计算剖面船体梁的相对剩余极限抗力M表征，有:
M = Mu/Mq(3)式中：为标准毁伤载荷作用下毁伤计算状态对应的船体 梁计算剖面弹性极限弯矩值；m3为船体梁计算剖面所受静、动外力合成作用弯矩的最大设计值。

相对剩余极限抗力与结构毁伤等级对应关系如表1所示。

表1相对剩余极限抗力阈值与结构毁伤等级舰体结构毁伤等级
破损船体梁相对剩余
极限抗力阈值
A M^1.5
B 1.35^M<1.5
C 1.15^M<1.35
D 1.0^M<1.15
E M<1.0
3)舰体结构局部毁伤
舰艇结构局部破损毁伤程度可通过相对破口毁伤程度 参数表征。

相对破口毁伤程度^可表示为
D= Dm/D0(4)式中:队为目标舰设计特征破口直径;Z)m为舰艇在水中兵 器近炸或接触爆炸载荷作用下所产生的破口最大直径。

2.2.2.2舰载设备毁伤评定
对舰船设备而言，近场水下爆炸对其破坏模式主要有：①船体外板破坏严重，造成内部结构变形，使安装在附近的 设备、电缆、油、气、水管路损坏;②船体外板产生较大破口，邻近舱室进水，由于浸水或喷溅，使舰船电气设备绝缘降低，甚至短路;③船体和设备遭受强烈冲击，引起设备冲击破 坏;④若爆炸点位于易燃、易爆舱室附近，冲击波能冲坏外 板，引起火灾，甚至爆炸。

其中,模式①、②、④均为设备相关 系统破坏所引起的设备毁伤。

下文以破坏模式③为重点，研 究舰载设备的毁伤评定方法。

舰载设备毁伤阈值基准为设备的抗冲击设计值。

设备 的毁伤破坏判据为：
1) 设备的响应加速度超过设备的允许冲击加速度；
2) 设备的响应速度最大值超过设备允许的速度阈值。

对于船体和外板安装部位,舰载设备的冲击加速度阈值%和速度阈值&分别为：
_。

（17.01 +»〇 (5.44 +»〇
arr-196. 2------------------------—；------
(2.72 +m j2
5. 44 + ma
vsr=1.52-—------
2. 72 + ma
对于甲板安装部位，有：
(5)
ac r= 98. 119.05 + ma
2.72 + ma
l= 1.52
5.44 + ma
2.12 + ma
(6)
李兵，等：直雷对水面舰艇毁伤效能评估方法13
式(5)、式(6)中：ma是设备的模态质量。

对于单自由度系
统,其模态质量即其安装质量。

2.2. 2. 3舰员毁伤评定
舰员的物理毁伤主要指不同人员遭受创伤的程度和位
置。

GJB2689—1996《水面舰艇冲击对人体作用安全限值》
中，规定了水面舰艇冲击对舰(艇）员作用的安全限值及其引
起冲击损伤的阈值曲线，具体数值范围如表2所示。

其中，
当舰艇冲击运动达到最大速度时间小于15 m S时，对人员的
损伤作用评估主要取决于最大冲击速度大小,而持续时间大
于15ms时，则主要取决于平均冲击加速度大小。

表2舰艇人员冲击损伤安全限值及损伤阈值
安全限值和损伤阈值
损伤程度最大速度评估
*S-1)平均加速度评估I/O .r2)
安全区U 2.2疋，140轻度损伤区 2.2<
U 3.0140 <4^200中度损伤区3.〇<1^4.0200 <疋，250
重度损伤区4.〇< V匪250 <疋《
此外，还有生物力学模型、冲击损伤标准等在内的多种方 法途径可用来评估在强烈加速度、碰撞、爆炸等作用下的人体 损伤。

冲击损伤评估方法通常还包括颈部损伤标准、胸部损 伤标准、腰部损伤标准、头部损伤标准、腹部损伤标准等。

2.3目标舰艇功能毁伤评估
目标功能损伤程度评估，是指根据目标物理毁伤效果的 计算结果，从目标功能结构特点出发,研究目标物理毁伤与 目标功能丧失之间的定量关系。

舰船目标的总体毁伤实际 是部件毁伤累加效果的综合体现。

由于目标系统中各组成 部件(元素）在作战使用中的具体功能以及结构形式和防护 特性的不同，所以在遭受毁伤后对整体功能的影响差别很大，为了对毁伤效能进行量化评估，必须将部件对其系统影 响的程度进行量化分析。

以舰员来说，由于所承担任务、受 伤持续时间、心理及气候因素的不同,遭受同样创伤（受伤程 度和位置）的人员对其执行战斗任务能力的影响也是不同 的。

因此，功能毁伤评估是涉及层面广泛、非常复杂的一项 工作。

以水面舰艇而言，从战斗功能角度考虑可将其划分为机 动、作战2个功能系统。

其中，作战系统又可分为指挥控制 分系统、预警探测分系统、电子战分系统、通信分系统、导航 分系统、武器（舰炮、导弹、鱼雷、深弹等）分系统。

依据各分 系统组成部件、相关人员的物理毁伤程度，结合其位置、配 置、结构、功能影响程度等因素,对目标舰船的功能毁伤程度 进行总体分析。

2.4毁伤效能综合评估
作战效能是指在规定的作战环境下，考虑火力威胁和生 存等战场因素的情况下，目标完成规定作战任务的能力。

而 鱼雷武器对水面舰艇的毁伤效果最终集中体现在对其作战效能的综合影响上™。

毁伤效能综合评估可采用毁伤树评估法、毁伤评估表 法、降阶态评估法、试验数据统计法、单元加权法、贝叶斯网 络法、RBF神经网络分析法等。

典型水面舰艇整体作战能力 可基本分为机动能力、对空防御能力、对海打击能力、对潜打 击能力等,通过目标舰船的功能毁伤量化分析，综合考虑目 标的战役战术目的，对目标舰船遭受鱼雷攻击后完成规定作 战任务的能力进行综合分析。

最后，结合雷目交汇条件，给 出鱼雷武器对所选水面舰艇目标的毁伤效能。

3结束语
鱼雷对目标的毁伤效能是鱼雷武器作战效能评估的关 键指标。

本研究在爆破型鱼雷对典型水面舰艇目标的毁伤 效能评估层次研究框架分析的基础上,研究了雷目交汇计算 方法，探讨了舰艇结构、舰载设备和人员物理毁伤评估准则，分析了水面舰艇功能毁伤评估及鱼雷对水面舰艇毁伤的综 合评估基本方法,可为其他型号武器装备对系统目标的毁伤 效能评估提供参考。

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(责任编辑周江川）。