水下爆炸潛艇綜合毀傷評估體系研究

韓大偉，張東俊，王天忠，朱廣成

(中國人民解放軍92337部隊，遼寧 大連 116023)

0 引言

潛艇作為一種典型的水下結構物，以其良好的水下探測、隱蔽航渡、隱蔽攻擊、戰略威懾等功能，成為各海軍強國作戰平臺體系的重要組成部分。但隨著現代反潛手段能力的不斷完善，戰時潛艇遂行使命任務能力及生存能力都受到極大威脅，其中最大的威脅來自魚雷、水雷、深水炸彈等產生的水下爆炸。水下爆炸對潛艇的綜合毀傷評估是一項復雜的系統工程，其毀傷效果不僅表現為殼體破裂、結構大變形等物理毀傷，還表現為對艇內人員、設備、管系、電纜、閥門等沖擊毀傷，以及由此產生的動力性能降低、電力系統受損、攻擊能力喪失等系統功能毀傷，而且潛艇受損后艇員的損管、抗沉、消防等行為也對潛艇的生命力存在重要影響。研究構建水下爆炸潛艇綜合毀傷評估體系，對于統一衡量不同毀傷機理和毀傷模式下潛艇的抗毀傷效能、切實摸清各類實戰條件下裝備性能底數，具有重要軍事意義和學術價值，也可為裝備改進設計、戰法設計以及仿真分析和試驗研究的開展提供參考和依據。以往文獻對潛艇結構在水下爆炸沖擊下的動力響應開展了大量研究[1-6]，形成了聲固耦合、液固耦合、雙漸進耦合、無網格法等仿真計算方法，并開發了多種商用有限元仿真分析軟件[7]，如Abaqus，Ls-dyna，Auto-dytran等。張阿漫等[8]就水下爆炸載荷對水中結構毀傷的研究現狀進行了較為全面的綜述。縱觀已有文獻，對潛艇結構毀傷引起的功能系統等毀傷研究較少，潛艇綜合毀傷評估體系研究不夠全面科學且定量方法缺失。

本文對水下爆炸潛艇綜合毀傷評估體系開展研究，建立了包括前處理模塊、一次毀傷分析模塊、二次毀傷分析模塊和后處理模塊的綜合毀傷評估體系結構，并在系統分析建模基本原則、關鍵影響因素和評價指標及其內在邏輯的基礎上建立潛艇綜合毀傷評估模型的構建流程與方法，研究結果可為水下爆炸潛艇毀傷效果精準定量評估及水中兵器反潛戰術運用提供重要參考。

1 潛艇綜合毀傷評估體系結構

按照從攻擊到毀傷全鏈路的時間先后順序，可將毀傷評估體系劃分為前處理模塊、一次毀傷分析模塊、二次毀傷分析模塊和后處理模塊，毀傷評估體系結構如圖1所示。

圖1 毀傷評估體系結構Fig. 1 Architecture of the damage assessment system

1.1 前處理模塊

結合魚水雷引信動作機理、深水炸彈散布點、魚雷和潛艇三維運動模型以及占位機動等典型戰術運用，依托交戰條件下魚雷攻擊命中潛艇全過程的仿真推演模型，分析魚雷、水雷或深水炸彈爆炸瞬間的雷（彈）目相對態勢，完成各型潛艇結構、材料、炸藥模型參數設置，為基于潛艇變毀傷特性的抗爆抗沖擊評估提供初始輸入。

1.2 一次毀傷分析模塊

利用有限元仿真軟件對不同雷（彈）目相對態勢下潛艇的動態響應進行分析，主要分析潛艇破損、局部大變形、動力失穩等情況，以及艇內各人員戰位、設備基座處的加速度、位移響應，與設計指標閾值比對，分析水下爆炸沖擊對艇體、人員、設備等造成的直接損傷。

1.3 二次毀傷分析模塊

分析設備、人員損傷對潛艇綜合毀傷效能的貢獻率，建立潛艇水下抗爆抗沖擊毀傷譜系。依據一次毀傷分析模塊結果和毀傷鏈路譜系，重點分析潛艇破損進水、火災、失電等極端情況下潛艇各設備、系統的功能毀傷，以及對潛艇生命力和作戰能力的影響。

1.4 后處理模塊

結合二次毀傷分析模塊結果，給出水下爆炸沖擊下潛艇生命力、作戰能力等綜合效能評估結論。

2 綜合毀傷評估模型構建方法

潛艇作為一種典型的水下功能結構物，系統、功能、設備儀器、艙室劃分方式等紛繁復雜，人員訓練水平與指揮操縱策略各異，水下操縱相比于水面艦船難度更大，其生命力、戰斗力受各類指標參數影響的敏感度更強，在綜合毀傷評估建模中不可能面面俱到。本文以影響潛艇生命力和戰斗力的基本原則為評價依據，分析關鍵因素并建立評價指標，綜合毀傷評估按照毀傷程度由重到輕的判別順序，先分析對潛艇生命力造成直接重大威脅的判別指標，再分析對生命力和作戰能力造成間接重大影響的關鍵指標。

2.1 建模基本原則分析

2.1.1 相鄰N艙破損不沉制原則

水面艦船和潛艇設計時，通常會考慮相鄰破艙不沉制指標，可描述為相鄰N艙破損時可保證平臺不沉性。潛艇艙室破損是最嚴重的毀傷情形且易于判斷，是否滿足相鄰破艙不沉制原則可作為毀傷評估判別的第一步。如果相鄰破艙個數小于N時，進行下一步評估；否則，認為潛艇生命力喪失，毀傷程度標定為1。

2.1.2 損管抗沉有效性原則

潛艇水下操縱復雜，水下爆炸受損后操縱難度更大，即使受損潛艇滿足相鄰破艙不沉制原則，也并不能意味著潛艇生命力未喪失，還跟下一步的損管抗沉行為息息相關。損管抗沉有效性可表述為，受損潛艇通過各種靜、動力抗沉措施，能否避免潛艇因強度、穩性喪失或其他原因導致沉沒。抗沉有效性原則是評估潛艇生命力的重要依據，可作為毀傷評估判別的第二步，因靜力抗沉中的壓載水艙吹除系統以及動力抗沉能力等與功能系統毀傷情況相關，抗沉有效性評估依賴功能系統毀傷分析反饋結果，需并行開展。如果損管抗沉行為有效，進行下一步作戰能力毀傷評估；否則，認為潛艇生命力喪失，毀傷程度標定為1。

2.1.3 毀傷關聯度分級原則

在潛艇生命力未完全喪失，即滿足相鄰破艙不沉制原則的情況下，與損管抗沉有效性評估并行開展功能系統毀傷評估，對潛艇作戰能力的損失情況進行分析。將功能系統毀傷評估按功能、系統、設備劃分為3層，下層節點通過邊與上層節點建立關聯，節點的現實意義可理解為各功能、系統、設備，邊的現實意義可理解為各電纜、光纜、信號傳輸線、水管、油管、氣管等。定義毀傷鏈路為若干下層節點為保證上一層節點正常運行所需的最小串行組合，每個節點的毀傷程度跟與之相聯的各條毀傷鏈路相關聯，每條毀傷鏈路中每個節點對上一節點的毀傷關聯度取值范圍為0～1，每條邊對上一節點的毀傷關聯度取值為0或1。與上層節點直接相聯的下層節點定義為一級節點，與一級節點相聯的節點定義為二級節點，以此類推，并依此建立相鄰兩層之間的毀傷鏈路譜。某系統的毀傷鏈路譜如圖2所示，根據上述定義，該系統共有10條毀傷鏈路。

圖2 某系統的毀傷鏈路譜Fig. 2 The relevant damage spectrum of X system

2.2 關鍵影響因素與評價指標分析

2.2.1 相鄰破艙數量

潛艇遭受魚雷或深水炸彈近距離或接觸命中時，往往會造成耐壓殼體的破損，相鄰破艙數量n是影響潛艇不沉性的直接關鍵因素。評價指標可集成為戰斗部破壞半徑r、潛艇各艙室長度Li及雷（彈）目交會態勢。如圖3所示，戰斗部1對潛艇的破艙數量為1，戰斗部2對潛艇的破艙數量為2。其中，戰斗部破壞半徑與戰斗部裝藥種類、當量、距艇體的距離、角度、耐壓殼體及肋骨材料、尺寸等多個因素有關，可通過理論或經驗公式及仿真計算得到；雷（彈）目交會態勢跟潛艇及魚雷的初始態勢、魚雷導引方式、引信動作機理及潛艇機動行為等因素有關，可通過仿真分析得到[9]。

圖3 破艙數量評價示意圖Fig. 3 The quantitative assessment of broken cabins

2.2.2 剩余強度及損管抗沉有效性

潛艇受水下爆炸破損變形后，艇體結構總縱強度及局部耐壓強度均有所降低，評價指標可取剩余彈性極限彎矩Ms、設計極限彎矩M、耐壓殼體與破艙艙壁承壓能力的最小值Min{Pk,Pc}及潛艇所處水深處的靜水壓力P。其中，剩余強度的外載荷計算可采用損失浮力法或增加重力法[10]。

潛艇受水下爆炸破損進水后，由于浮力的損失，會產生向下的運動趨勢，能否通過綜合運用靜力抗沉、動力抗沉措施，及時使潛艇到達安全深度，是評判損管抗沉有效與否的關鍵，評價指標可取為潛艇到達危險深度的臨界時間tw與潛艇到達安全深度所需時間ts。其中，靜力抗沉能力與剩余儲備浮力、剩余高壓氣儲量及潛艇破損進水情況等因素有關，動力抗沉能力與潛艇航速、破口面積及所處深度等因素有關[11]。

2.2.3 抗沖擊閾值與最大容許變形量

潛艇遭受深水炸彈或水雷水下中遠場爆炸時，即使不會對潛艇殼體造成大破口而沉沒，但也可能導致殼體產生大變形，并在艇載設施設備處產生巨大的沖擊加速度，由此引發的功能、系統及設備的毀傷是綜合毀傷評估的關鍵。依據毀傷鏈路譜，可將評價指標取為各節點和邊的抗沖擊閾值和最大容許變形量。提取某節點或邊處的沖擊加速度輸入和變形量，與其設計閾值和最大容許量進行比較，若沖擊加速度輸入超出設計閾值或實際變形量超出容許值，認為該節點或邊的毀傷程度為1；若沖擊加速度輸入未超出設計閾值且實際變形量未超出容許值，毀傷程度為0。

2.3 建模分析方法流程

生命力是戰斗力的基礎和保障，建模分析分步實施：第1步，分析評估潛艇是否生命力完全喪失；第2步，在生命力未完全喪失的條件下，分析評估作戰能力受損情況。建模分析流程如圖4所示。

3 結論與展望

本文對水下爆炸下潛艇綜合毀傷評估體系開展研究，構建了包括前處理模塊、一次毀傷分析模塊、二次毀傷分析模塊和后處理模塊的綜合毀傷評估體系結構；通過分析建模基本原則、關鍵影響因素和評價指標，建立了潛艇綜合毀傷評估模型的構建流程與方法；通過對綜合毀傷評估體系的研究，可以得出以下結論：

圖4 建模分析流程圖Fig. 4 The modeling and analysis flowchart

1）該毀傷評估體系覆蓋了從水中兵器攻擊到潛艇毀傷的全鏈路，任意單一因素的改變都可能對毀傷評估結果產生大的影響，必須對各毀傷要素及其內在邏輯進行系統分析，才能得到科學合理的評估結論。

2）命中態勢是潛艇綜合毀傷的外因，在潛艇綜合毀傷的精準定量評估中，必須依托精確的外部輸入；同時，遭受魚雷等水中兵器攻擊時，潛艇一方面可通過優化機動決策改變命中態勢來降低水下爆炸對本艇的初始毀傷，另一方面可以通過有效的損管抗沉行動來降低本艇的后效毀傷。

3）潛艇各功能系統的毀傷鏈路是潛艇毀傷的內因，毀傷鏈路上各節點的毀傷程度及其毀傷體系貢獻度對潛艇的綜合毀傷效能有重要影響，在潛艇的抗水下爆炸性能體系優化設計上必須綜合考量各毀傷鏈路的魯棒性。

潛艇系統設備復雜多樣，各系統設備的沖擊可靠性和戰損后的損管行動對潛艇生命力和作戰能力具有重要影響，僅僅對潛艇結構開展毀傷分析已不能滿足毀傷評估需求，建立潛艇綜合毀傷要素數據庫，并深化結構毀傷到功能毀傷的精準定量映射關系以及損管行動優化決策研究，是后續潛艇毀傷效能評估體系研究的重點問題。