鱼雷对水面舰艇毁伤效能评估方法

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入的研究分析。

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[2-3]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；0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(1)式中：P h为鱼雷武器的毁伤概率；P m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；P h/m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N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N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X方向和Y方向(水线下)呈正态分布，且分布函数在X和Y方向相互独立[8]，则弹着点二维分布密度函数为(2)式中：x、y为观测值；μx、μy为数学期望；为方差。

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表征，有：(3)式中：M u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；M q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(4)式中：D0为目标舰设计特征破口直径；D 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a cr和速度阈值v sr分别为：(5)对于甲板安装部位，有：(6)式(5)、式(6)中：m a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。