攔截彈高海況適應性評估方法

邵宗戰 ,熊 勇 ,戴文留

(1.中國人民解放軍91439 部隊,遼寧 大連,116041;2.江南工業集團有限公司,湖南 長沙,410013)

0 引言

某攔截彈可裝備于適裝的水面艦艇,對來襲的反艦魚雷實施攔截。其實際使用要求中明確了攔截彈高海況作戰使用環境要求,檢驗條件以實航評估為主,若試驗條件不滿足,則需以裝載平臺進行仿真,并結合實航試驗數據進行綜合評估。

在現有條件下,攔截彈高海況適應性試驗存在試驗組織實施難、試驗產品回收難以及試驗數據測量難等一系列問題,試驗的安全性很難保證。同時,國內外對反魚雷攔截武器在性能分析、作戰使用和仿真試驗等方面開展了較為廣泛的研究工作,因此,文中采用試驗驗證與仿真計算相結合的方法進行該攔截彈高海況適應性評估[1-2]。

1 高海況對攔截彈影響及性能要求分析

根據裝備實際使用情況的要求,文中分別針對6 級海況和9 級海況2 種高海況進行分析。6 級海況條件下風速為17.2～24.4 m/s,浪高4～6 m;9 級海況條件下風速不小于32.7 m/s,浪高不小于14 m。

根據高海況環境特性與攔截彈工作原理分析,高海況對攔截彈正常使用性能影響主要體現在發動機是否能正常點火發射和攔截彈出管后是否能正常工作。攔截彈發動機點火是由發射裝置供電啟動,并不受海況條件影響,因此,高海況對攔截彈正常使用性能影響主要體現在發射出管后的工作性能,表現為攔截彈發射飛行是否穩定,以及入水分離懸浮、產品裝載是否正常[3-6]。

1.1 6 級海況對攔截彈發射飛行的影響

彈箭在風場中運動所受的空氣動力和力矩取決于彈箭相對于空氣的速度大小和方向。攔截彈在發射飛行過程中,受風速的疊加影響,相對氣流速度和相對攻角將發生較大變化。特別是在攔截彈出炮口階段,由于速度較低,6 級海況風速占比大,風向不確定,對攔截彈飛行速度、彈道傾角、射程及密集度等性能均會造成影響,所產生的空氣動力和力矩有可能使攔截彈彈道攻角增大到不可逆的程度,最終發生彈道失穩、翻滾等現象。

結合攔截彈要求，文中攔截彈飛行速度和彈道傾角為非指標性能參數，不需要專門評估,而射程與密集度需要在風速不大于5 m/s 條件下進行評估。因此,與6 級海況相關的攔截彈發射飛行性能主要表現為彈道能否穩定,即受風速影響飛行彈道攻角能否收斂。攔截彈彈道攻角應能滿足6 級海況最大風速和垂直風向條件下的發射飛行彈道的穩定性要求。

1.2 6 級海況對攔截彈入水分離懸浮的影響

攔截彈飛行彈道受風速影響后,入水速度和入水角度發生變化,導致入水過載改變,影響攔截彈探測入水開關閉合性能。同時,6 級海況下的海浪波高大,使懸浮組件產生較大起伏,增加承重連接件受力,影響承重連接性能。

因此,與6 級海況相關的攔截彈入水分離懸浮性能主要表現為入水過載能否保證探測入水開關正常閉合,承重連接件受力情況是否超出承力性能。

6 級海況下風速的疊加效應導致攔截彈的飛行彈道發生改變,攔截彈入水速度和入水角度隨之發生變化,最終使攔截彈入水過載改變,有可能導致攔截彈探測入水開關不能正常閉合。攔截彈入水過載及作用時間應能滿足探測入水開關正常閉合條件。

6 級海況下海浪的上下起伏將迫使分離后穩定懸浮的組件做跟隨運動,承重連接件受力特性由靜態力向動態力轉變,出現附加力,有可能導致承重連接件承力性能不夠,出現斷裂現象。攔截彈承重連接件受力特性應能滿足承重連接件承力性能。

1.3 6 級海況對攔截彈探測性能的影響

高海況條件下海洋環境噪聲增大,可能會對攔截彈的探測作用距離造成影響,同時,海面波浪引起懸浮組件上下起伏,接收到的目標輻射噪聲特性與靜止時接收到的目標特性不一致。因此,與6 級海況相關的攔截彈探測工作性能主要表現在探測作用距離和目標特性兩方面。

1.4 9 級海況對攔截彈管內裝載的影響

艦船高海況搖擺引起的靜態力和動態力是可能造成裝載攔截彈結構破壞的兩大因素。相比靜態力而言,平臺在9 級海況下動態力對彈載電子設備產生的力載荷更大,要求更高。因此,與9 級海況相關的攔截彈裝載不損壞能力主要表現為攔截彈的動態力是否會引起自身結構的損壞。

2 評估方法

根據海況適應性對攔截彈的性能要求分析結果,需要評估的內容有6 級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載、連接件受力、探測作用距離、目標通過特性以及9 級海況下攔截彈裝載動態力性能6 個方面。文中重點對攔截彈彈道攻角、入水過載和連接件受力3 個方面的評估方法進行研究[7-8],如圖1 所示。

圖1 評估方法框圖Fig.1 Block diagram of the assessment method

2.1 攔截彈彈道攻角

采用仿真方法得到不同條件下攔截彈的彈道攻角情況。利用較低海況下艦船搭載發射飛行試驗驗證彈道穩定性情況,并推算6 級海況條件下的彈道攻角是否滿足彈道飛行穩定性要求。

2.2 攔截彈入水過載

采用仿真方法得到不同條件下攔截彈的入水過載情況。采用沖擊過載試驗覆蓋式評估探測入水開關閉合情況,驗證6 級海況條件下的入水過載是否滿足探測入水開關閉合要求。

2.3 承重連接件受力

采用仿真方法得到不同條件下攔截彈連接件受力情況。采用動態強度試驗覆蓋式評估連接件承力性能,驗證6 級海況條件下的連接件是否滿足正常懸浮要求。

3 試驗與評估

3.1 攔截彈彈道攻角評估

3.1.1 高海況下彈道攻角計算分析

根據彈箭六自由度剛體彈道方程組,將6 級海況下最大正順風、正逆風和正橫風(風速24.4 m/s)納入計算初始條件[9-12],解算攔截彈在6 級海況最大風速下的彈道飛行攻角幅值變化情況,計算結果如圖2～圖4 所示。

圖2 正順風初始條件彈道攻角幅值曲線Fig.2 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive tailwind

圖3 正逆風初始條件彈道攻角幅值曲線Fig.3 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive headwind

圖4 正橫風初始條件彈道攻角幅值曲線Fig.4 Amplitude curves of angle of attack under initial conditions with positive crosswind

由圖2～圖4 可見,攔截彈彈道攻角幅值曲線呈振蕩減小的趨勢,在發射出管瞬間最大,隨后迅速減小,到達彈道主動段末尾時趨于穩定,并隨飛行時間的增加逐漸減小,攔截彈入水時彈道攻角幅值最小。其中,正順風條件下攔截彈最大射程彈道攻角幅值最大為33°,最小射程彈道攻角幅值最大為14°;正逆風條件下攔截彈最大射程彈道攻角幅值最大為16°,最小射程彈道攻角幅值最大為4.4°;正橫風條件下攔截彈最大射程彈道攻角幅值最大為29°,最小射程彈道攻角幅值最大為29°。因此,攔截彈需滿足在最大33°彈道攻角條件下的彈道穩定性能力。

3.1.2 彈道飛行穩定裕度

通過軟件計算攔截彈不同攻角條件下的氣動壓心位置,并由彈箭飛行彈道穩定裕度公式計算攔截彈彈道飛行穩定裕度如表1 所示。其中,攔截彈在小攻角條件下的彈道穩定裕度超過20%,隨著彈道攻角的增加,攔截彈彈道穩定裕度逐漸減小,彈道攻角在45°時,其彈道飛行穩定裕度仍超過12%。

表1 攔截彈氣動穩定性計算結果Table 1 Results of aerodynamic stability calculation for the intercept missile

根據攔截彈6 級海況風速條件下的彈道計算結果,在正順風條件下攔截彈彈道攻角最大,為33°,表1 對應的彈道飛行穩定裕度在15%左右,滿足彈箭飛行穩定裕度一般為12%～20%的設計條件,因此,攔截彈在6 級海況條件下可以滿足彈道飛行穩定性能。

3.1.3 低海況下海上發射飛行試驗

在某海域進行了海上射擊試驗,試驗期間風級達到了4～5 級(風速為5.5～10.7 m/s),發射200 余發攔截彈,全部工作正常,彈道發射飛行穩定。

試驗表明攔截彈在3 級海況、4～5 級風速條件下最大、最小射程彈道飛行均可穩定,滿足正常使用要求,結合3.1.1、3.1.2 節對攔截彈高海況條件下彈道攻角計算及飛行穩定裕度分析評估,攔截彈可以滿足6 級海況下的發射飛行要求。

3.2 攔截彈入水過載評估

3.2.1 高海況下入水過載計算分析

攔截彈入水過載主要體現在彈體擊水及初始降速2 個階段。彈體擊水階段是指從彈頭開始接觸水面到攔截彈完全沾濕為止,該階段作用時間短,過載幅值大。初始降速階段是指攔截彈入水完全沾濕后,速度仍然較大,由流體阻力主導形成的一段減速階段,該階段作用時間相對較長,過載幅值相對較大。2 個階段運動過載及作用時間共同構成攔截彈探測入水開關的過載激活條件[13-15]。

根據彈箭六自由度剛體彈道方程組,將最大正順風、正逆風、正橫風(風速24.4 m/s)納入計算初始條件,解算攔截彈在6 級海況最大風速下的彈道入水速度、入水彈道傾角及攻角情況,如表2 所示。

表2 攔截彈6 級海況最大風速條件下彈道入水參數計算結果Table 2 Calculation results of ballistic water entry parameters under the condition of sea state level 6 and the maximum wind speed

攔截彈擊水階段運動非常復雜,通過有限元仿真軟件對攔截彈標準無風及6 級海況典型風速入水條件下的擊水運動進行了仿真計算,仿真結果見圖5～圖8。其中,最大射程無風條件下擊水過載最大為257 g,6 級海況典型風速條件下擊水過載最大為240 g,后續過載基本重合,均滿足攔截彈探測入水開關工作要求。最小射程無風條件下擊水過載最大為135 g,6 級海況典型風速條件下由于入水攻角增大,其擊水過載曲線與無風條件下差別較大,最大為240 g,后續過載曲線變化趨勢基本相同,滿足攔截彈探測入水開關工作要求。

圖5 最大射程擊水階段有限元仿真結果Fig.5 Finite element simulation results at maximumrange water hitting stage

圖6 最大射程擊水階段過載曲線Fig.6 Overload curves at maximum-range water hitting stage

圖7 最小射程擊水階段有限元仿真結果Fig.7 Finite element simulation results at minimum-range water hitting stage

圖8 最小射程擊水階段過載曲線Fig.8 Overload curves at minimum-range water hitting stage

攔截彈初始降速階段的過載與作用時間通過編制的水下運動彈道模型進行計算,結果如圖9 和圖10 所示,其中最大射程入水降速過載在標準無風與6 級海況典型風速條件下的差值不超過8%,最小射程降速過載在標準無風與6 級海況典型風速條件下的差值不超過4%,均在探測入水開關設計范圍之內。

圖9 最大射程擊水階段后的降速過載曲線Fig.9 Deceleration overload curves after maximum-range water hitting stage

圖10 最小射程擊水階段后的降速過載曲線Fig.10 Deceleration overload curves after minimumrange water hitting stage

3.2.2 探測入水開關沖擊過載試驗

在進行的30 發次探測入水開關可靠性試驗中,探測入水開關均能正常閉合。根據對攔截彈入水過載計算結果分析,攔截彈無論是在擊水階段,還是初始降速階段,其最大、最小射程下的入水過載及持續時間均大于探測入水開關閉合條件,因此,攔截彈在6 級海況條件下可以滿足探測入水開關正常工作要求。

3.3 攔截彈承重連接件受力評估

3.3.1 高海況下承重連接件受力計算分析

6 級海況最大波高為5.56 m,平均周期為7.56 s,假設海浪運動模型為二元進行波φ=0,則波幅A=2.78 m,圓周頻率ω=0.83 rad/s。初始相位φ取0,π/4,π/2,···,7π/4共8 個狀態。

通過仿真計算,攔截彈上浮后會經歷一個過渡過程才能達到平衡狀態,該過渡過程中連接件受力大小與懸浮組件上浮到水面時海浪波的初始相位有關,下面計算了各初始相位時的連接件受力情況,見圖11～圖14。

圖11 φ=0時連接件受力圖Fig.11 Force diagram of connector at φ=0

圖12 φ=π/2時連接件受力圖Fig.12 Force diagram of connector at φ=π/2

圖13 φ=π時連接件受力圖Fig.13 Force diagram of connector at φ=π

圖14 φ=7π/4時連接件受力圖Fig.14 Force diagram of connector at φ=7π/4

由以上計算可以看出,海浪波的初始相位φ=π/2時,連接件承受的最大拉力最大但不超過3 500 N,小于承力設計強度。因此,6 級海況條件下連接件可以正常使用。

3.3.2 承重連接件動態拉力試驗

在進行的12 個承重連接件靜態拉力試驗中,施加最大值恒定靜態拉力后,連接件均未斷裂;在進行的15 個承重連接件動態拉力試驗中,施加最大值的動態拉力后,連接件均未斷裂。根據對高海況下承重連接件受力計算結果分析,承重連接件承受的最大拉力小于試驗值,因此,承重連接件在6 級海況條件下可以滿足正常工作要求。

4 結束語

通過對高海況條件下攔截彈作戰使用受到的環境影響進行梳理分析,提出攔截彈作戰使用需滿足的性能要求,歸納高海況適應性需要評估的內容有6 級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載、連接件受力、探測作用距離、目標通過特性,以及9 級海況下攔截彈裝載動態力性能6 個方面。文中針對6 級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載和連接件受力3 個方面內容,采用仿真計算與實驗室試驗、海上實航試驗相結合的方法進行綜合評估,結果表明該攔截彈的彈道攻角、入水過載和連接件受力3 個方面性能滿足規定的使用要求,可為攔截彈高海況適應性狀態鑒定結論的得出提供技術支撐。