某攔截彈高海況下目標(biāo)探測及裝載性能適應(yīng)性評估*

邵宗戰(zhàn) 熊 勇 胡偉凡

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

1 引言

國內(nèi)外對反魚雷攔截武器在性能分析、作戰(zhàn)使用、仿真試驗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)性海上試驗存在試驗組織實施難、試驗產(chǎn)品回收難以及試驗數(shù)據(jù)測量難等一系列問題；因此，為考核攔截彈高海況適應(yīng)性，本文重點對六級海況下攔截彈目標(biāo)特性、探測性能、裝載動態(tài)力性能三個方面內(nèi)容開展海況適應(yīng)性評估［1～2］。對攔截彈目標(biāo)特性設(shè)計與理論進行分析，開展較低海況目標(biāo)特性試驗，評估高海況下的目標(biāo)特性能力；對攔截彈探測性能設(shè)計與理論進行分析，開展較低海況探測性能試驗，評估高海況下的探測性能；對攔截彈裝載受力環(huán)境進行仿真計算，對攔截彈結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與制造工藝進行分析，開展管內(nèi)裝載可靠度試驗、振動試驗、傾斜搖擺試驗、沖擊試驗，評估高海況下的裝載動態(tài)力性能。

2 攔截彈目標(biāo)特性評估

2.1 目標(biāo)特性設(shè)計與理論分析

魚雷的輻射噪聲在高頻段的主要成分為螺旋槳空化噪聲。空化噪聲是由大量氣泡破裂產(chǎn)生，由隨機小脈沖構(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)，魚雷平均譜級明顯高于海洋背景噪聲，該余量即為系統(tǒng)能量檢測的閾值。

考慮目標(biāo)聲源級在不同距離變化的條件下，換能器端接收到的信號強度發(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)信號輸入量級，從而增加對目標(biāo)的探測距離實驗數(shù)據(jù)證明，在較寬的距離變化范圍內(nèi)，探測系統(tǒng)均能捕捉到目標(biāo)輻射噪聲變化趨勢，實現(xiàn)對目標(biāo)運動規(guī)律的預(yù)測，從而在最近點給出動作信號，滿足聲探測裝置的技術(shù)要求［3～5］。

假設(shè)目標(biāo)在S 距離內(nèi)，做直線、均速運動，目標(biāo)速度為V，目標(biāo)從距離D 處通過，目標(biāo)噪聲強度為P，探測裝置與目標(biāo)運動位如圖1所示。

圖1 探測裝置與目標(biāo)運動位置示意圖

設(shè)目標(biāo)運行的時間為t，則目標(biāo)與探測裝置之間的直線距離：

探測裝置所接收到的目標(biāo)噪聲信號強度為

其中A 為換能器接收到的目標(biāo)噪聲信號強度，D、V、P 不確定，但在目標(biāo)攔截末端，可以認為其值保持不變，可以當(dāng)做常量對待。因此目標(biāo)通過固定狀態(tài)下的探測裝置時，其接收到的能量曲線信號具有下面的形式，當(dāng)目標(biāo)速度V 不同、最近距離D 不同時，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)特性曲線對比

2.2 較低海況目標(biāo)特性試驗

進行了探測裝置目標(biāo)特性試驗，圖3是實測數(shù)據(jù)中的一組，圖（a）為近距離時的目標(biāo)特性曲線，圖（b）為遠距離時的目標(biāo)特性曲線。

圖3 海上目標(biāo)特性試驗數(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)國家標(biāo)準(zhǔn)查表得到高海況（6級）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，無風(fēng)浪時，L 取值為4m～6m 或者-4m～-6m，（換能器在目標(biāo)下方時同理），接收換能器在A 點，由于海浪影響，換能器由A 點晃動到B點。

圖5 波浪起伏影響示意圖

假設(shè)目標(biāo)直航通過O 點，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。

則在任意時間t，目標(biāo)航行至F 點，無晃動時換能器在A 點接收到的聲壓為PA，目標(biāo)在O點處時，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，上式取最大值，即目標(biāo)通過處，接收能量最大。

由于海況影響存在晃動時，換能器由A 點晃動到B 點時，接收換能器在B 點接收到的聲壓為PB，則

由于海浪的周期性，短時間內(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 的時間點，計算對應(yīng)時間為

高海況（6級）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，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級海況和0級海況對比圖如圖6。

圖6 波浪起伏對特性影響

從圖6中看出，海浪起伏對探測裝置接收到的特性曲線影響較小。

有晃動時能量最大和無晃動時能量最大的時間偏差為

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

利用淺海噪聲譜級經(jīng)驗公式：

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

按照被動聲納方程，探測裝置在6 級海況接收到目標(biāo)信號的信噪比為

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

高海況（6 級）引起海洋背景噪聲增高，對探測裝置有一定影響，但是目標(biāo)在臨界距離處經(jīng)過時，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時，接收信噪比增大，因此在要求距離內(nèi)可以檢測到目標(biāo)。

3 攔截彈探測性能評估

3.1 探測性能設(shè)計與理論分析

探測裝置將不斷累計的目標(biāo)特性曲線，進行最小二乘擬合，如果生成擬合多項式的可決系數(shù)滿足設(shè)計指標(biāo)，且信號最大強度大于閾值等條件，則認為擬合曲線符合目標(biāo)特性，算法在擬合曲線頂點處給出動作信號［6～11］。

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

這里是首項系數(shù)為1 的次多項式，根據(jù)正交性，得：

由通過特性能量曲線構(gòu)成正交多項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，相應(yīng)計算出系數(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 較低海況探測性能試驗

在海上進行了探測性能試驗，經(jīng)過計算提取的目標(biāo)特性曲線如圖7，當(dāng)取近距離時探測裝置正確給出動作信號（虛線為動作信號），當(dāng)取遠距離時，探測裝置不動作。

圖7 較低海況探測性能試驗

3.3 高海況下的探測性能

根據(jù)低海況的驗證，對高海況（6 級）下探測裝置性能進行模擬仿真，傳播損失按照TL=20lg（r）+ar 進行計算，風(fēng)速8 級。從圖8中可以看到，在6 級海況下工作性能不受影響。

圖8 高海況探測性能仿真

4 攔截彈裝載動態(tài)力評估

4.1 攔截彈裝載受力環(huán)境分析

由于攔截彈內(nèi)沒有不平衡運動系統(tǒng)、液體介質(zhì)和旋轉(zhuǎn)運動部件，因此高海情的主要影響是艦船搖擺載荷對攔截彈結(jié)構(gòu)強度的影響［12～15］。

艦船高海況搖擺引起的靜態(tài)力、動態(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 級海況下動態(tài)力對彈載電子設(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，不會對攔截彈造成結(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傾斜和搖擺試驗條件施加運動，得到結(jié)構(gòu)強度仿真結(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，不會對攔截彈造成結(jié)構(gòu)性破壞。

圖9 攔截彈尾翼架結(jié)構(gòu)強度仿真計算結(jié)果

此外，攔截彈電子元器件進行過大于1000g 的沖擊過載試驗，試驗條件的應(yīng)力載荷遠高于裝載攔截彈在艦船搖擺中所形成的動態(tài)環(huán)境應(yīng)力載荷。故推定，攔截彈在9 級海況不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞問題。

4.2 結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與制造工藝分析

為了適應(yīng)高海情動態(tài)力，攔截彈設(shè)計中采用了以下設(shè)計措施：

1）設(shè)計過程中，進行了結(jié)構(gòu)強度余量設(shè)計，通過加強結(jié)構(gòu)以提高結(jié)構(gòu)強度余量，并通過了設(shè)計電子設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及有關(guān)參數(shù)，使其具有良好的動態(tài)特性，從而增強攔截彈抗振動、沖擊能力；

2）應(yīng)用機械振動與沖擊隔離技術(shù)對電子設(shè)備進行振動與沖擊的隔離；

3）對可能遭受的環(huán)境抗沖擊進行了抗沖擊分析，對結(jié)構(gòu)部件進行了受力分析，確保結(jié)構(gòu)剛度、強度滿足要求；

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)計要求，編制了設(shè)備質(zhì)量保證大綱，環(huán)境試驗大綱和檢驗驗收細則，作為設(shè)備檢驗驗收依據(jù)并嚴(yán)格執(zhí)行；

5）對關(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，檢驗人員復(fù)驗，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

5.1 管內(nèi)裝載可靠度試驗

完成攔截彈艦上管內(nèi)裝載試驗后，經(jīng)長途運輸進行14 發(fā)管內(nèi)裝載試驗產(chǎn)品的湖上射擊試驗，全部工作正常，試驗表明攔截彈在較低海況下長時間裝載后，可以滿足正常使用需求。

5.2 振動試驗

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

圖10 隨機振動試驗功率譜密度譜圖

表1 正弦掃頻振動試驗量值

5.3 傾斜、搖擺試驗

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

表2 傾斜和搖擺試驗條件

5.4 沖擊試驗

進行了兩發(fā)攔截彈沖擊試驗，按表3試驗條件對彈軸、彈徑方向各沖擊10 次，試驗結(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 傾斜和搖擺試驗條件

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

6 結(jié)語

通過對高海況條件下攔截彈作戰(zhàn)使用受到的環(huán)境影響進行梳理分析，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)性需要評估的內(nèi)容有六級海況下攔截彈彈道攻角、入水過載、連接件受力、探測性能、目標(biāo)特性，以及九級海況下攔截彈裝載動態(tài)力性能六個方面；本文針對六級海況下攔截彈目標(biāo)特性、探測性能、裝載動態(tài)力性能三個方面內(nèi)容，在理論分析基礎(chǔ)上采用仿真計算、實驗室試驗及海上實航試驗相結(jié)合的方法進行綜合評估，結(jié)果表明攔截彈的目標(biāo)特性、探測性能、裝載動態(tài)力性能三個方面均能滿足規(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。