反艦彈終點毀傷效果測試方法研究

劉延青，楊洪兵，張 戈

（92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引 言

當反艦導彈命中艦艇時，爆炸場環境特別惡劣，爆炸產生的振動、壓力以及溫度的劇烈變化等是影響艦艇結構、艦上人員設備最直接的因素。通過合理布置測點，用“測試站”技術真實地記錄這些參數的變化情況，是反艦導彈對目標毀傷能力定量分析的一條新途徑。目前，國內尚無水面艦艇毀傷評估、測量方面的記錄，因此，研究導彈爆炸毀傷艦艇程度的測試方法是非常必要的，是海上靶場職能的完善與補充，也是試驗鑒定任務的技術支撐。

隨著靶場轉型，其主要使命將由武器系統戰技性能指標評定向有關戰斗力及指戰員生命的武器系統作戰性能評定過渡。導彈能否毀傷目標及毀傷程度如何，是衡量導彈武器系統作戰性能的重要指標，是作戰使用的重要依據，對反艦導彈性能評定意義重大。

該文通過對水面艦艇易損性進行簡要分析，確定艦艇毀傷評判標準、艦艇易損段劃分和毀傷元對目標作用效應等；根據艦艇特點，提出導彈爆炸場動態參數測試方法，并給出測試數據的分析依據。

1 典型目標（艦艇）易損性

目標易損性是描述武器對目標毀傷作用的敏感性的一種特性，它是攻擊武器的毀傷特性和目標物理特性及功能特性的函數[1]。目標幾何結構是目標物理易損性分析中最重要的特性之一，通常按武器毀傷威力與目標的幾何形狀將目標劃分為點、線、面及立體目標，并以此作為毀傷效果指標選取與計算的重要依據。目標功能易損性又可以稱為目標效能易損性，是反映武器對目標功能毀傷作用的函數[2]。下面對艦艇易損性進行簡要分析。

1.1 艦艇毀傷評判標準

常用的艦艇毀傷評判標準[3]共分為以下5類損傷：

（1）艦艇沉沒，艦艇斷裂或因嚴重火災失控而棄船，為完全喪失戰斗力。

（2）艦艇無作戰、機動能力，漂浮水面，仍具有不沉性，為基本喪失戰斗力。

（3）艦體或主要設備系統遭受損傷，但仍具有不沉性；在30 min內修復后，仍具有手動操作下的機動能力和主要防御作戰能力，具有基本生命力。

（4）艦體或主要設備系統遭受損傷，但仍具有不沉性；在30 min內修復后，具有手動操作下的機動能力和主要防御作戰能力，具有完全的生命力。

（5）艦艇完好，毫無損傷。

1.2 艦艇易損段劃分

艦艇由許多要害部分組成，每個要害部分又包含了許多復雜的構件。導彈命中后，在艦的局部造成破壞，受破壞部分在全艦中重要程度的差異造成了導彈對目標毀傷的不同。艦艇部分要害艙段及其權重見表1。

表1 艦艇部分要害艙段及其權重

1.3 毀傷元對目標作用效應

根據目標特點，目前反艦導彈的戰斗部采取半穿甲戰斗部和聚能爆破戰斗部2種形式。帶有聚能爆破戰斗部的導彈命中艦艇時，觸發式延遲引信引爆戰斗部，戰斗部產生大量的高溫、高速、高壓的金屬射流，艦艇結構在金屬射流的作用下產生破孔。隨即爆炸形成的沖擊波隨后到達，擴大了破壞效果。沖擊波對目標引起破壞作用的主要因素是超壓（ΔP）和比沖量（I）。試驗表明，當沖擊波壓縮區正壓作用時間與目標振動周期之比（t+/T）≥10時，目標的破壞由沖擊波陣面的超壓（ΔP）引起，對目標具有明顯的擊碎作用。如果沖擊波正壓的作用時間小于目標本身的振動周期時，目標的破壞主要由比沖量引起[4]。超壓（ΔP）和比沖量（I）作用下目標的破壞程度見表2。

表2 超壓（ΔP）和比沖量（I）作用下目標的破壞程度

2 測試方法設計

根據試驗要求，且從提高可靠性角度出發對系統設計遵循如下原則[5]：

（1）在選擇和布置測試點方面，要盡可能全面地覆蓋整個目標，并選擇有效測試參數，保證測試的全面、有效、可靠性等；

（2）在電路設計方面，滿足功能要求前提下，以電路最簡化設計為原則，極大地提高系統的可靠性；

（3）具有可靠保障措施，確保在任何環境下記錄系統能可靠啟動、可靠記錄、可靠回收，系統具有高可靠性；

（4）在結構設計上具有可靠的防水性能；

（5）要有較強的環境適應性，且使用操作簡便，測試結果可讀性強。

2.1 測試站設計及工作原理

導彈爆炸場毀傷效果動態測試系統由傳感器、采編單元、數據存儲記錄單元、實時無損壓縮單元、無線數據收發單元、電源模塊、防護組件、回收處理單元等8部分組成，如圖1所示。

圖1 測試站框圖

系統選用壓力傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器。系統根據傳感器來確定采編單元，采編單元的數據一路作為記錄單元的輸入，一路作為實時無損壓縮單元壓縮傳輸。系統采用高強度材料作為第一級防護，主要防護爆炸產生的高能彈片、瞬態高溫、重物撞擊。電源模塊提供系統所需電源。回收處理單元包括記錄完畢殼體脫離甲板部件、落水充氣漂浮部件兩部分。

爆炸場超壓測量單元使用1 MHz頻率采樣，振動單元使用100kHz頻率采樣，溫度使用100kHz頻率采樣，存儲單元采用超大容量非易失性存儲器。對爆炸場超壓數據使用專用的多參數反濾波軟件進行處理，可準確恢復超壓信號[6]。

測量單元的結構設計如圖2，測量電路使用高強度保護殼進行抗沖擊保護，密封防水保護；使用緩沖材料減小爆炸沖擊引起的沖擊過載；存儲記錄單元作為記錄部分的核心，是回收的關鍵，須單獨進行保護。

圖2 測試站結構示意圖

工作流程：系統在導彈發射前僅基站工作，當接收到導彈發射信號后，根據導彈的飛行時間，確定系統開機時間。在導彈距離水面艦艇一定時間時，根據預設時間開啟各測試站的存儲記錄單元開始記錄數據。各測試站采用同步開啟，這樣能保證所有的測試站記錄時間一致，便于分析各點沖擊波、振動、溫度的變化規律。系統記錄完畢后，開啟爆炸螺栓和充氣氣囊。

2.2 測試布點

由于試驗場地選擇在空曠的海面上，而導彈攻擊靶船的具體位置不能確定，因此需對靶船結構分布及導彈的入靶點進行分析來確定傳感器測點的分布。導彈為掠海飛行，飛行高度離海面大約3～5m，因此，導彈入靶點大約為3種情況：

（1）艦艏艉甲板上方的碰網。此情況下，導彈直接穿靶而過，得到的唯一信息是入靶位置。

（2）船舷位置并進入內部艙體。由于船體浮出海面為3m以下，因此，入靶點位置應在艙體頂部，并靠近甲板，能造成船體破損，設備受到沖擊破壞，甚至發生火災、進水現象。

（3）甲板上建筑位置。此種情況對艦船設備破壞程度嚴重，一般并不擊穿船體結構，且考慮到導彈掠海飛行高度，此種機率較小。

按照導彈攻擊目標參數分析，入靶點為第2種情況的概率最高，測試站的分布主要根據這種情況確定。

動態參數測試站布點如圖3，動態參數測試站在每個隔離艙段布置兩套，布置在每一個艙段的兩端中心位置。導彈擊中某一艙段后爆炸點的位置是不能確定的。假設爆炸時沖擊波各向壓力一致，要反映爆炸的威力，至少需要已知距離的2個點來確定爆炸位置，這樣才能比較準確地測定爆炸產生的沖擊波超壓值。布置示意圖如圖4。

圖3 測量單元布置簡圖

圖4 測試站布置示意圖

無線數據收發基站在船頭和船尾各設一套，兩套基站同時接收每一動態參數測試站的數據，以不同的頻率發送給岸基基站。

2.3 數據記錄與傳輸

系統對采集的爆炸場動態數據通過2種途徑處理：（1）采用存儲模式，將采集的數據記錄在Flash存儲器中，數據可以長時間保持[7]；（2）將采集的數據通過實時無損壓縮后，通過無線收發單元將數據發送給地面接收站。

無線傳輸系統的任務是實現計算機和測量單元之間指令和數據的無線傳輸。根據連接對象的不同，分為3部分：測量單元內嵌的無線傳輸單元、艦載從控系統、連接計算機的岸基主控系統，如圖5所示。

圖5 無線傳輸系統總體框圖

2.4 裝置回收

測量單元的回收是整個試驗成功的關鍵，試驗完畢之后必須回收測量單元讀取數據。因此必須考慮測量單元的可靠回收，首先測量單元必須有很好的防水性能，其次必須保證在靶船被擊沉后可以可靠找回測量單元。

試驗過程中，導彈爆炸可能將鏈接基站的數據毀壞，因此無線發送數據不成功的站點可以通過回收來獲取存儲記錄單元中的數據。為確保測試單元容易回收，采用的手段：（1）使用爆炸螺栓將測試單元與艦體固定，在數據記錄完畢后使測試單元與艦體分離；（2）在裝置上安裝充氣氣囊，當裝置進入水中后自動對氣囊充氣使裝置漂浮水面。裝置回收后，打開外殼，取出存儲記錄單元使用計算機和讀數電纜從存儲記錄單元讀取存儲數據，在專用軟件上進行數據處理、繪制曲線、打印結果等操作。

3 測試數據分析方法

對測量數據進行誤差分析、時域、頻域分析，得到動態環境參數的時域幅值、頻率分布情況和能量分布情況等相關數據。

3.1 振動測量數據的分析

為了解振動信號的頻率成分與分布范圍（幅值與能量分布），需要進行譜分析，譜分析有頻譜分析及功率譜分析兩種方法：

3.1.1 頻譜分析

設F（ω）是f（t）的傅里葉變換，根據逆變換定理得

作周期振動的函數f（t）是由無數個幅值F（ω）dω的譜波分量組成，故F（ω）稱之為f（t）的頻譜。幅值譜：

相位譜

3.1.2 功率譜分析

設頻譜函數為

取其共軛復數乘積為

3.2 壓力測量數據的分析

式中：p0——標定的壓力值，N/m2；

Vp0——標定的壓力值所對應電壓幅值，mV；

Vpc——測量的壓力值所對應電壓幅值，mV；

pc——測量的壓力值，N/m2。

3.3 溫度測量數據的分析

根據測量時測量系統的冷端溫度，在所用熱電偶傳感器的“分度特性表”上查出冷端溫度對應的冷端熱電勢值；測量點補償后的熱電勢值為

式中：VL——冷端熱電勢值，mV；

Vc——測量點測得的熱電勢值，mV；

VS——測量點補償后的熱電勢值，mV。

4 結束語

目前，國內尚無成熟的水面艦艇毀傷測試方法，該文所提出的爆炸場毀傷測試方法尚處于初期研究階段，其設計可靠性、實際可行性及測試結果反映毀傷效果的真實性，都需要后續的大量試驗工作進行驗證。隨著海軍靶場在此方面試驗研究的深入展開，該測試方法會不斷完善，并將最終成為試驗鑒定任務的技術支撐，同時該方法也可為有關艦船毀傷方面的研究提供參考。

[1] 王鳳英.毀傷理論與技術[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[2] 吳新宏，許誠.艦空導彈典型目標易損性模型[J].戰術導彈技術，2002（3）：37-41.

[3]蓋京波.艦船結構在爆炸沖擊載荷作用下的局部破壞研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

[4] 黃祥兵，朱錫.非接觸空爆對艦艇結構的破壞作用分析[J].海軍工程大學學報，2003（6）：62-64.

[5]張燕.導彈攻擊艦船毀傷效果測評技術研究[D].太原：中北大學，2008.

[6] 黃正平.爆炸與沖擊電測技術[M].北京：國防工業出版社，2006.

[7] 許輝.基于Flash的大容量記錄器的設計[D].太原：中北大學，2007.