邵宗戰(zhàn) 熊 勇 胡偉凡

（1.中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì) 大連 116041）（2.江南工業(yè)集團(tuán)有限公司 湘潭 411207）

1 引言

國(guó)內(nèi)外對(duì)反魚雷攔截武器在性能分析、作戰(zhàn)使用、仿真試驗(yàn)等方面開展了較為廣泛的研究工作。在現(xiàn)有條件下，攔截彈高海況適應(yīng)性海上試驗(yàn)存在試驗(yàn)組織實(shí)施難、試驗(yàn)產(chǎn)品回收難以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量難等一系列問(wèn)題；因此，為考核攔截彈高海況適應(yīng)性，本文重點(diǎn)對(duì)六級(jí)海況下攔截彈目標(biāo)特性、探測(cè)性能、裝載動(dòng)態(tài)力性能三個(gè)方面內(nèi)容開展海況適應(yīng)性評(píng)估［1～2］。對(duì)攔截彈目標(biāo)特性設(shè)計(jì)與理論進(jìn)行分析，開展較低海況目標(biāo)特性試驗(yàn)，評(píng)估高海況下的目標(biāo)特性能力；對(duì)攔截彈探測(cè)性能設(shè)計(jì)與理論進(jìn)行分析，開展較低海況探測(cè)性能試驗(yàn)，評(píng)估高海況下的探測(cè)性能；對(duì)攔截彈裝載受力環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)攔截彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與制造工藝進(jìn)行分析，開展管內(nèi)裝載可靠度試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、傾斜搖擺試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，評(píng)估高海況下的裝載動(dòng)態(tài)力性能。

2 攔截彈目標(biāo)特性評(píng)估

2.1 目標(biāo)特性設(shè)計(jì)與理論分析

魚雷的輻射噪聲在高頻段的主要成分為螺旋槳空化噪聲?？栈肼暿怯纱罅繗馀萜屏旬a(chǎn)生，由隨機(jī)小脈沖構(gòu)成，且為連續(xù)譜。

查詢相關(guān)技術(shù)資料可知，在工作頻帶范圍內(nèi)，魚雷平均譜級(jí)明顯高于海洋背景噪聲，該余量即為系統(tǒng)能量檢測(cè)的閾值。

考慮目標(biāo)聲源級(jí)在不同距離變化的條件下，換能器端接收到的信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化，需要始終保障目標(biāo)輻射噪聲高于海洋背景噪聲。系統(tǒng)采用濾波、放大等手段提高目標(biāo)信號(hào)輸入量級(jí)，從而增加對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在較寬的距離變化范圍內(nèi)，探測(cè)系統(tǒng)均能捕捉到目標(biāo)輻射噪聲變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的預(yù)測(cè)，從而在最近點(diǎn)給出動(dòng)作信號(hào)，滿足聲探測(cè)裝置的技術(shù)要求［3～5］。

假設(shè)目標(biāo)在S 距離內(nèi)，做直線、均速運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)速度為V，目標(biāo)從距離D 處通過(guò)，目標(biāo)噪聲強(qiáng)度為P，探測(cè)裝置與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)位如圖1所示。

圖1 探測(cè)裝置與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)位置示意圖

設(shè)目標(biāo)運(yùn)行的時(shí)間為t，則目標(biāo)與探測(cè)裝置之間的直線距離：

探測(cè)裝置所接收到的目標(biāo)噪聲信號(hào)強(qiáng)度為

其中A 為換能器接收到的目標(biāo)噪聲信號(hào)強(qiáng)度，D、V、P 不確定，但在目標(biāo)攔截末端，可以認(rèn)為其值保持不變，可以當(dāng)做常量對(duì)待。因此目標(biāo)通過(guò)固定狀態(tài)下的探測(cè)裝置時(shí)，其接收到的能量曲線信號(hào)具有下面的形式，當(dāng)目標(biāo)速度V 不同、最近距離D 不同時(shí)，曲線的上升速度和寬度有所變化，但波形保持不變。圖2是選取速度V 邊界值高速、低速目標(biāo)和距離D條件下的目標(biāo)通過(guò)特效曲線。

圖2 不同速度V和距離D下的目標(biāo)特性曲線對(duì)比

2.2 較低海況目標(biāo)特性試驗(yàn)

進(jìn)行了探測(cè)裝置目標(biāo)特性試驗(yàn)，圖3是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的一組，圖（a）為近距離時(shí)的目標(biāo)特性曲線，圖（b）為遠(yuǎn)距離時(shí)的目標(biāo)特性曲線。

圖3 海上目標(biāo)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 高海況下的目標(biāo)特性能力

如圖4所示，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)查表得到高海況（6級(jí)）的海面浪高范圍為4m～6m。

圖4 高海況下海面波形仿真

圖5為高海況情況下，攔截彈與目標(biāo)位置示意圖。以無(wú)風(fēng)浪狀態(tài)下?lián)Q能器聲學(xué)中心建立直角坐標(biāo)系，換能器在目標(biāo)上方，無(wú)風(fēng)浪時(shí)，L 取值為4m～6m 或者-4m～-6m，（換能器在目標(biāo)下方時(shí)同理），接收換能器在A 點(diǎn)，由于海浪影響，換能器由A 點(diǎn)晃動(dòng)到B點(diǎn)。

圖5 波浪起伏影響示意圖

假設(shè)目標(biāo)直航通過(guò)O 點(diǎn)，目標(biāo)初始距離EO 為s，目標(biāo)速度為v，OC距離為D，AC距離為H。

則在任意時(shí)間t，目標(biāo)航行至F 點(diǎn)，無(wú)晃動(dòng)時(shí)換能器在A 點(diǎn)接收到的聲壓為PA，目標(biāo)在O點(diǎn)處時(shí)，換能器接收到的聲壓為P0，則按照球面波衰減規(guī)律為

由上式可知，探測(cè)裝置接收換能器接收到的目標(biāo)輻射噪聲能量由小變大后又逐漸減小，當(dāng)t1=s/v時(shí)，上式取最大值，即目標(biāo)通過(guò)處，接收能量最大。

由于海況影響存在晃動(dòng)時(shí)，換能器由A 點(diǎn)晃動(dòng)到B 點(diǎn)時(shí)，接收換能器在B 點(diǎn)接收到的聲壓為PB，則

由于海浪的周期性，短時(shí)間內(nèi)假設(shè)海浪起伏滿足正弦波規(guī)律，頻率屬低頻，則L=Ksin(2πft+?)，K代表波動(dòng)大小，?代表初始相位未知，上式為

使接收能量最大，則上式分母最小，設(shè)分母根號(hào)內(nèi)為f′(t)，求導(dǎo)得：

則能量最大處應(yīng)為上式求導(dǎo)后為0 的時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間為

高海況（6級(jí)）取浪高最大值為6m，則K取3，目標(biāo)可能在換能器上下活動(dòng)，H 取換能器入水深度的一半，波浪的平均周期取7.56s，則頻率為1/7.56，取0.14，則6級(jí)海況和0級(jí)海況對(duì)比圖如圖6。

圖6 波浪起伏對(duì)特性影響

從圖6中看出，海浪起伏對(duì)探測(cè)裝置接收到的特性曲線影響較小。

有晃動(dòng)時(shí)能量最大和無(wú)晃動(dòng)時(shí)能量最大的時(shí)間偏差為

初始相位影響(H+Ksin(2πft+φ))cos(2πft+φ)項(xiàng)的最大值近似為，則時(shí)間偏差最大為

利用淺海噪聲譜級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，SNR=SL-TL-(NL-DI)為噪聲譜級(jí)，頻率SNR=SL-TL-(NL-DI)（kHz），S 為海況等級(jí)，按照6 級(jí)海況計(jì)算，SNR=SL-TL-(NL-DI)為下限頻率時(shí)，SNR=SL-TL-(NL-DI)= 62dB，SNR=SL-TL-(NL-DI)為上限頻率時(shí)，SNR=SL-TL-(NL-DI)=57dB，取最大值為62dB。

按照被動(dòng)聲納方程，探測(cè)裝置在6 級(jí)海況接收到目標(biāo)信號(hào)的信噪比為

上式中，聲源級(jí)SL取譜級(jí)典型值，傳播損失TL按照球面波衰減規(guī)律計(jì)算，距離取臨界距離值，環(huán)境噪聲NL取譜級(jí)62dB，無(wú)指向性DI為0，則計(jì)算得SNR約為15dB。

高海況（6 級(jí)）引起海洋背景噪聲增高，對(duì)探測(cè)裝置有一定影響，但是目標(biāo)在臨界距離處經(jīng)過(guò)時(shí)，目標(biāo)輻射噪聲仍是接收能量的主要部分，目標(biāo)在小于臨界距離通過(guò)時(shí)，接收信噪比增大，因此在要求距離內(nèi)可以檢測(cè)到目標(biāo)。

3 攔截彈探測(cè)性能評(píng)估

3.1 探測(cè)性能設(shè)計(jì)與理論分析

探測(cè)裝置將不斷累計(jì)的目標(biāo)特性曲線，進(jìn)行最小二乘擬合，如果生成擬合多項(xiàng)式的可決系數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，且信號(hào)最大強(qiáng)度大于閾值等條件，則認(rèn)為擬合曲線符合目標(biāo)特性，算法在擬合曲線頂點(diǎn)處給出動(dòng)作信號(hào)［6～11］。

目標(biāo)通過(guò)特性曲線幅度經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，滿足如下遞推公式：

這里是首項(xiàng)系數(shù)為1 的次多項(xiàng)式，根據(jù)正交性，得：

由通過(guò)特性能量曲線構(gòu)成正交多項(xiàng)式的線性組合作最小二乘曲線擬合，根據(jù)上面遞推公式逐步求出的同時(shí)，相應(yīng)計(jì)算出系數(shù)：

并逐步把α*0Pk(x)累加到S(x)中去，最后就可得到所求的擬合曲線：

3.2 較低海況探測(cè)性能試驗(yàn)

在海上進(jìn)行了探測(cè)性能試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算提取的目標(biāo)特性曲線如圖7，當(dāng)取近距離時(shí)探測(cè)裝置正確給出動(dòng)作信號(hào)（虛線為動(dòng)作信號(hào)），當(dāng)取遠(yuǎn)距離時(shí)，探測(cè)裝置不動(dòng)作。

圖7 較低海況探測(cè)性能試驗(yàn)

3.3 高海況下的探測(cè)性能

根據(jù)低海況的驗(yàn)證，對(duì)高海況（6 級(jí)）下探測(cè)裝置性能進(jìn)行模擬仿真，傳播損失按照TL=20lg（r）+ar 進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)速8 級(jí)。從圖8中可以看到，在6 級(jí)海況下工作性能不受影響。

圖8 高海況探測(cè)性能仿真

4 攔截彈裝載動(dòng)態(tài)力評(píng)估

4.1 攔截彈裝載受力環(huán)境分析

由于攔截彈內(nèi)沒(méi)有不平衡運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、液體介質(zhì)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，因此高海情的主要影響是艦船搖擺載荷對(duì)攔截彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響［12～15］。

艦船高海況搖擺引起的靜態(tài)力、動(dòng)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，在9 級(jí)海況下動(dòng)態(tài)力對(duì)彈載電子設(shè)備產(chǎn)生的力載荷更大，要求更高。

攔截彈可認(rèn)為是中小型電子設(shè)備，在此縱搖、橫搖情況下產(chǎn)生的內(nèi)部動(dòng)態(tài)力與攔截彈經(jīng)歷的環(huán)境應(yīng)力載荷相比懸殊，不會(huì)對(duì)攔截彈造成結(jié)構(gòu)性破壞。攔截彈與發(fā)射裝置之間的作用力主要集中在尾翼架的制止器環(huán)形槽上，按照表2傾斜和搖擺試驗(yàn)條件施加運(yùn)動(dòng)，得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖9所示，攔截彈尾翼架上的最大應(yīng)力為32MPa，小于結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力，不會(huì)對(duì)攔截彈造成結(jié)構(gòu)性破壞。

圖9 攔截彈尾翼架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果

此外，攔截彈電子元器件進(jìn)行過(guò)大于1000g 的沖擊過(guò)載試驗(yàn)，試驗(yàn)條件的應(yīng)力載荷遠(yuǎn)高于裝載攔截彈在艦船搖擺中所形成的動(dòng)態(tài)環(huán)境應(yīng)力載荷。故推定，攔截彈在9 級(jí)海況不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題。

4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與制造工藝分析

為了適應(yīng)高海情動(dòng)態(tài)力，攔截彈設(shè)計(jì)中采用了以下設(shè)計(jì)措施：

1）設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度余量設(shè)計(jì)，通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度余量，并通過(guò)了設(shè)計(jì)電子設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及有關(guān)參數(shù)，使其具有良好的動(dòng)態(tài)特性，從而增強(qiáng)攔截彈抗振動(dòng)、沖擊能力；

2）應(yīng)用機(jī)械振動(dòng)與沖擊隔離技術(shù)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)與沖擊的隔離；

3）對(duì)可能遭受的環(huán)境抗沖擊進(jìn)行了抗沖擊分析，對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了受力分析，確保結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度滿足要求；

4）為滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，防止由于產(chǎn)品制造缺陷導(dǎo)致不能滿足設(shè)計(jì)要求，編制了設(shè)備質(zhì)量保證大綱，環(huán)境試驗(yàn)大綱和檢驗(yàn)驗(yàn)收細(xì)則，作為設(shè)備檢驗(yàn)驗(yàn)收依據(jù)并嚴(yán)格執(zhí)行；

5）對(duì)關(guān)鍵工序，制定了關(guān)鍵工序質(zhì)量控制，嚴(yán)格生產(chǎn)人員自檢，檢驗(yàn)人員復(fù)驗(yàn)，保證了關(guān)鍵工序，特殊工藝的質(zhì)量，滿足質(zhì)量要求。

5 試驗(yàn)

5.1 管內(nèi)裝載可靠度試驗(yàn)

完成攔截彈艦上管內(nèi)裝載試驗(yàn)后，經(jīng)長(zhǎng)途運(yùn)輸進(jìn)行14 發(fā)管內(nèi)裝載試驗(yàn)產(chǎn)品的湖上射擊試驗(yàn)，全部工作正常，試驗(yàn)表明攔截彈在較低海況下長(zhǎng)時(shí)間裝載后，可以滿足正常使用需求。

5.2 振動(dòng)試驗(yàn)

完成了兩發(fā)攔截彈振動(dòng)試驗(yàn)，按圖10、表1試驗(yàn)條件對(duì)被試品依次進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)、正弦掃頻振動(dòng)和定頻耐久振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示攔截彈各項(xiàng)性能滿足指標(biāo)及大綱要求，可以滿足正常使用要求。

圖10 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度譜圖

表1 正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)量值

5.3 傾斜、搖擺試驗(yàn)

完成了兩發(fā)攔截彈傾斜、搖擺試驗(yàn)，按表2試驗(yàn)條件對(duì)被試品依次進(jìn)行了縱傾、橫傾、縱搖和橫搖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示攔截彈各項(xiàng)性能滿足指標(biāo)及大綱要求，可以滿足攔截彈使用要求。

表2 傾斜和搖擺試驗(yàn)條件

5.4 沖擊試驗(yàn)

進(jìn)行了兩發(fā)攔截彈沖擊試驗(yàn)，按表3試驗(yàn)條件對(duì)彈軸、彈徑方向各沖擊10 次，試驗(yàn)結(jié)果顯示攔截彈電路、各火工組部件均能正常工作，可以滿足正常使用要求。

表3 傾斜和搖擺試驗(yàn)條件

綜合以上攔截彈裝載受力環(huán)境、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造工藝等分析及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明攔截彈在九級(jí)海況條件下可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高海況條件下攔截彈作戰(zhàn)使用受到的環(huán)境影響進(jìn)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(píng)估的內(nèi)容有六級(jí)海況下攔截彈彈道攻角、入水過(guò)載、連接件受力、探測(cè)性能、目標(biāo)特性，以及九級(jí)海況下攔截彈裝載動(dòng)態(tài)力性能六個(gè)方面；本文針對(duì)六級(jí)海況下攔截彈目標(biāo)特性、探測(cè)性能、裝載動(dòng)態(tài)力性能三個(gè)方面內(nèi)容，在理論分析基礎(chǔ)上采用仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及海上實(shí)航試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果表明攔截彈的目標(biāo)特性、探測(cè)性能、裝載動(dòng)態(tài)力性能三個(gè)方面均能滿足規(guī)定的高海況作戰(zhàn)使用環(huán)境要求，為綜合評(píng)定攔截彈高海況適應(yīng)性狀態(tài)鑒定結(jié)論提供技術(shù)支撐。