一种适于计算舰载激光引偏干扰系统安全引偏距离的冲击因子

张　爽， 张晓晖， 孙春生

(海军工程大学 兵器工程系, 武汉　430033)

一种适于计算舰载激光引偏干扰系统安全引偏距离的冲击因子

张爽， 张晓晖， 孙春生

(海军工程大学 兵器工程系, 武汉430033)

舰载激光引偏系统的安全引偏距离可以采用冲击因子破坏标准计算，但传统的冲击因子破坏标准在计算安全引偏距离时存在一些不足。引入舰船的尺度、外形和排水量等参数对破坏标准中冲击因子的计算方法进行了改进，使之具有更加广泛的适用范围，然后在改进的冲击因子破坏标准基础上，计算了多种激光制导武器相对于不同类型舰船的安全引偏距离，分析了相关因素对安全引偏距离的影响，对舰载激光引偏干扰系统引偏距离的选择具有一定的参考意义。

舰载激光引偏干扰； 安全引偏距离； 水下爆炸；冲击因子

舰载激光引偏干扰系统是一种对抗半主动激光制导武器的专用光电对抗系统，通过将激光制导武器引偏至海水中爆炸达到保护舰船的目的。安全引偏距离是舰载激光引偏干扰系统能否达到其作战效能的一项关键参数。它的物理含义是：在保证舰船安全的条件下，舰载激光引偏干扰系统所能选取的最小的引偏距离。当引偏距离小于安全引偏距离时，被引偏的激光制导武器在水下爆炸产生的冲击波仍然会对舰船造成破坏。安全引偏距离的大小受引偏方位、舰船自身的抗冲击能力以及激光制导武器的装药量等多种因素影响，需要采用科学的方法对其进行计算。

为了计算舰载激光引偏干扰系统的安全引偏距离，需要参照舰船的水下爆炸破坏标准，判定激光制导武器被引偏至水下爆炸时可能造成的舰船损伤程度。目前对于舰船水下爆炸破坏标准的研究主要是以舰船遭受鱼水雷等水中兵器攻击为背景[1-3]，研究结果并不完全适用于舰载激光引偏干扰系统安全引偏距离的计算。本文在冲击因子破坏标准的基础上，从舰船遮挡能量角度研究激光制导武器水下爆炸对不同类型舰船造成的损伤，对该标准中的冲击因子计算方法进行了修正，使其更加适于计算舰载激光引偏干扰系统的安全引偏距离，并采用改进的冲击因子破坏标准计算了多类舰船应对不同激光制导武器时的安全引偏距离，为舰载激光引偏干扰系统安全引偏距离的研究提供参考。

1　舰船水下爆炸破坏标准

依据水下爆炸对舰船造成损伤的机理，国内外制定并使用过的舰船破坏标准主要有三种[4]。分别是基于水下爆炸冲击波峰值压强、舰船承受的冲击加速度以及水下爆炸冲击因子制定的。

基于水下爆炸冲击因子的破坏标准是英国、意大利等许多北约国家所采用的标准，其中的冲击因子是一种用于描述舰船所处的冲击环境的参数，对于同一目标，如果冲击因子相等，则认为舰船的水下爆炸冲击响应近似相等。冲击因子有多种不同的形式，该标准采用的是基于平面波假定的一种形式，其计算公式如[4]：

(1)

式中，W为装药量(kg)，R为爆距(m)，K1为装药的TNT当量系数，K2为海底的反射系数，硬质海底一般取1.5。英国国防部规定的冲击因子与舰船损伤程度(中型水面舰船)的对应关系见表1[4]。

冲击因子标准详细的将舰船各种程度的损伤情况加以分类，并给出了量化判断标准，可以方便的将激光引偏干扰过程中的引偏距离值换算成舰船的损伤程度，有助于分析不同情况下的安全引偏距离。但是该标准使用的冲击因子形式过于简单，计算结果并不总是符合实际情况。因此在利用冲击因子标准计算安全引偏距离时，需要对该标准中的冲击因子计算方法进行修正。

表1　冲击因子与舰船损伤程度

2　适于计算安全引偏距离的冲击因子

冲击因子标准中使用的是一种基于平面波假定并从舰船遮挡的冲击波能量相等角度定义的冲击因子形式，即假定爆距R与舰船特征尺度L相比足够大，则对于舰船来说，水下爆炸产生的冲击波可以认为是平面波，因此无论爆距如何变化，船体在垂直于平面波传播方向上的投影面积为常数，只要冲击因子不变，舰船遮挡的冲击波能量大小也不会改变[5]。

但是在引偏干扰过程中引偏距离(即爆距)R并不总是足够大。为了解决这个问题，姚熊亮等[5]提出了基于球面波假定的冲击因子：

(2)

(3)

式中:Se为船体在以爆炸点为球心，爆距为半径的球面上的投影面积。

这种形式的冲击因子可以反映舰船特征尺度以及爆炸点与舰船的相对位置改变时，船体遮挡的冲击波能量的变化情况。但是其改变了基于平面波假定的冲击因子的量纲，无法直接应用于冲击因子破坏标准中。同时，对于不同排水量的舰船，冲击因子相同仅表示其遮挡的冲击波能量相等，并不表示舰船的损伤程度也近似相同。因此以某一排水量舰船为目标制定的破坏标准不适用于其他排水量的舰船，为了能够合理的判断不同排水量的舰船在水下爆炸中的损伤程度，需要在冲击因子标准中考虑舰船的排水量因素。为此，对冲击因子做出如下修正：

(4)

式中：α为待定系数，S1为船体基于平面波假定时的投影面积，M为舰船的实际排水量，Ms为基准排水量，表示制定破坏标准时对应的舰船排水量，表1中所示的标准适用于中型舰船，因此在这里选取Ms=6 000 t。

图1　引偏位置示意图Fig.1 The position diagram of deflection decoy jamming

如图1所示，假设激光制导武器分别被引偏至舰船侧舷的A点与舰艉的B点爆炸。由于水面舰船的外形非常复杂，为简化计算，如图2所示，将舰船的侧舷与舰艉的面积等效为矩形进行计算，则侧舷与舰艉的等效面积SA和SB可以表示为：

SA=L×H

(5)

SB=P×H

(6)

式中:L表示舰船水线长度，P表示舰船水线宽度，H表示舰船的吃水深度。与水雷等水中兵器相比，被引偏的激光制导武器的爆炸深度较小，在这里取为H/2，因而两种爆炸情况下，舰船在球面冲击波阵面上的投影面积分别为：

(7)

(8)

基于平面波假定时，船体在垂直于平面波传播方向上的投影面积，可由下式求得：

(9)

待定系数α的取值应依据实验数据进行确定，本文依据水下爆炸的实验及有限元仿真结果[6-9]，分别计算了不同工况下，α=1/2和α=1/3时的冲击因子Cm，计算结果及实验数据如表2所示。

图2　等效面积示意图Fig.2The diagram of equivalent area

工况L/mP/mH/mM/tW/kgR/m实验或仿真结果Cm(α=1/2)Cm(α=1/3)1240321250000100078未超过材料屈服极限0.140.192240321250000100040.5船体发生塑性形变0.210.303240321250000100031.6船体发生塑性形变0.240.3549013.27.6200057630船体发生塑性形变1.371.135117.5254.7370003402113船体发生塑性形变0.560.586397.81.820081.529.4船体发生塑性形变1.891.08

将表2的计算结果与表1结合起来看，并与实验及仿真数据进行对比，可以看到α=1/2时，工况6的Cm计算结果偏大，而α=1/3时的计算结果较为合理，其它工况下两种α取值的计算结果都在合理区间之内。

由于缺乏进一步的实验或仿真数据(目前的实验或仿真数据多为不同工况下的船体冲击响应，很难借此得到不同工况下的舰船损伤程度)，为了得到较为合理的α取值，依据表2中所列的排水量分别为50 000 t、7 000 t和200 t的三种舰船参数，计算了三种舰船在α取不同值，且Cm=0.2时，水下爆炸装药量随爆炸距离的变化情况，计算结果如图3所示。

图3　α取不同值时装药量随爆炸距离的变化Fig.3The explosive loading vs. the explosive distance with different α

如图3(a)所示，计算中选取舰船的排水量远大于基准排水量，α=1/2时装药量W的计算结果明显偏大，且装药量W随爆炸距离R的增长趋势过快，而α=1/3时的计算结果较为合理。图3(b)选取的舰船排水量与基准排水量接近，两种α取值情况下的计算结果比较接近。图3(c)所示为舰船排水量远小于基准排水量情况下的计算结果，α=1/2时装药量W的计算结果明显偏小，α=1/3时装药量W的计算结果在爆炸距离R较小时偏小，但装药量W随爆炸距离R的增长趋势较为合理。

综合上述分析，当α取1/2时，舰船排水量与基准排水量相差较大情况下，冲击因子Cm的计算结果存在较大偏差，其他情况下，冲击因子Cm的计算结果较为合理；当α取1/3时，舰船排水量远小于基准排水量情况下，冲击因子Cm的计算结果存在一定偏差，其他情况下，冲击因子Cm的计算结果较为合理。本文研究的是用于计算安全引偏距离的冲击因子，而排水量太小的舰船一般不会装备激光引偏干扰系统，不在本文大讨论范围之内，因此本文选取α=1/3来计算冲击因子Cm，并以其分析舰船的安全引偏距离。

3　典型舰船的安全引偏距离分析

选取大、中、小三型典型舰船为研究对象，依据冲击因子破坏标准计算其在受到激光制导武器攻击时的安全引偏距离。舰船与激光制导武器的具体参数分别见表3和表4。

表3　典型舰船参数

注：表3中所列舰船参数为依据多种舰船数据得出的参考值，并非实际参数

表4　典型激光制导武器装药量参数

如表4所示，各型激光制导武器的装药量差别较大，其值在60～450 kg之间变化，考虑到现役激光制导武器的装药一般为高能炸药，其TNT当量系数大多在1.5以上[10]，因此计算中激光制导武器装药量(TNT当量)的取值范围在50～600 kg之间。

图4所示为引偏距离等于30 m时，三种类型舰船的冲击因子Cm以及冲击因子C1随装药量变化的曲线。从图中可以看出，冲击因子Cm和冲击因子C1随着装药量的增多均有所增大，且由于在尺度、外形以及排水量上存在差异，三类舰船的冲击因子Cm存在明显不同，当激光制导武器被引偏至侧舷爆炸时，小型舰船的冲击因子Cm大于冲击因子C1，而中型舰船和大型舰船的冲击因子Cm则小于冲击因子C1。当激光制导武器被引偏至舰艉爆炸时，由于船体在冲击波阵面上的投影面积减小，三种类型舰船的冲击因子Cm均小于冲击因子C1，说明冲击因子Cm较好的反映出了引偏方位变化时，舰船损伤程度的变化。

图4　冲击因子随装药量的变化Fig.4 The impulsive factor vs. the explosive loading

三种类型舰船的冲击因子Cm以及冲击因子C1随引偏距离变化的曲线如图5所示，图中曲线均在装药量为200 kg条件下计算得到。当激光制导武器被引偏至侧舷时，从图5(a)中可以看到，在引偏距离较小时，三类舰船的冲击因子Cm均小于C1，随着引偏距离的增大，小型舰船的冲击因子Cm逐渐大于C1，中型舰船的冲击因子Cm与C1逐渐接近，在引偏距离大于1倍船长时与C1近似相等，大型舰船的冲击因子Cm则一直小于C1。当激光制导武器被引偏至舰艉时，从图5(b)中可以看到，舰船的冲击因子Cm与图5(a)中相比均有所降低，且均小于冲击因子C1。说明冲击因子Cm较好的反映了舰船的排水量以及舰船的尺度、外形特征等因素对于舰船损伤的影响。

采用冲击因子破坏标准计算舰船的安全引偏距离，首先需要规定舰船在水下爆炸中处于安全状态对应的冲击因子的大小。依据表1中的判定标准，冲击因子的不同大小代表了舰船的不同损伤程度，对于舰载激光引偏干扰系统来说，综合战场环境、激光制导武器参数以及舰船参数等因素时，舰船完全不受损伤所对应的引偏距离有可能使激光制导武器无法被引偏，这就需要适当减少引偏距离，使舰船受到一定程度的损伤，以提高激光引偏的成功率。因此舰船的安全状态在作战条件不同时是不一样的，需要综合考虑多种因素来规定舰船在水下爆炸中处于安全状态对应的冲击因子的大小。

图6所示为冲击因子Cm不同时，引偏距离随激光制导武器装药量变化的情况，图6(a)～(b)是Cm=0.15时的计算结果，图6(c)～(d)是Cm=0.2时的计算结果。

由图6中计算结果，Cm=0.15时三种类型舰船对应的引偏距离与Cm=0.2时的引偏距离相比均有所增大，且舰船排水量越小引偏距离的增大幅度越大。当装药量为50 kg的激光制导武器被引偏至舰船侧舷，Cm=0.15时，小型舰船的引偏距离约为80 m，Cm=0.2时，小型舰船的引偏距离为56 m。相对于小型舰船的自身参数，80 m的引偏距离过大，无法保证激光引偏的成功率，不应选择Cm=0.15来计算舰船的安全引偏距离。因此在不考虑气象及海况等战场环境因素的情况下，结合表1中所列舰船冲击因子破坏标准，本文规定冲击因子Cm=0.2时，爆炸对舰船造成轻微损伤，此时对应的引偏距离为安全引偏距离。

图5 冲击因子随引偏距离的变化Fig.5Theimpulsivefactorvs.thedeflectiondecoydistance图6 冲击因子不同时引偏距离随装药量的变化Fig.6Thedeflectiondecoydistancevs.theexplosiveloadingwithdifferentimpulsivefactor

依据上述标准，激光制导武器的装药量分别为50 kg、100 kg、200 kg、400 kg计算得到的安全引偏距离如表5所示。

表5　安全引偏距离的计算结果

从表5的计算结果以及图6(c)～ (d)看，大中型舰船抗冲击能力较强，可在距舰船较近的范围内进行激光引偏干扰，同时与舰艉相比舰船侧舷在冲击波阵面上的投影面积大，遮挡的冲击波能量多，应尽量避免将激光制导武器引偏至舰船侧舷方位。

综上可知，排水量较大的舰船可以选择较小的引偏距离，而对于同一舰船，在合适的引偏方位上也可以选择较小的引偏距离。因此在舰载激光引偏干扰系统的引偏距离选择问题上，应依据舰船的尺度、外形特征和排水量以及激光制导武器的装药量等因素，选择合适的引偏距离和引偏方位。

4　结　论

(1) 冲击因子破坏标准所采用的冲击因子C1形式过于简单，不适于计算舰载激光引偏干扰系统的安全引偏距离。改进的冲击因子Cm可以较好的反映舰船的尺度、外形特征和排水量等因素对于舰船损伤的影响，用以计算安全引偏距离时，计算结果较为合理。

(2) 舰载激光引偏干扰系统的安全引偏距离受战场环境、激光制导武器参数以及舰船参数等多种因素制约。结合舰船参数与激光制导武器参数，本文规定Cm=0.2时的引偏距离为舰载激光引偏干扰系统的安全引偏距离。

(3) 从不同类型舰船的安全引偏距离来看，大中型舰船能够承受更强的冲击，可在距舰船较近的范围内进行激光引偏干扰。对于同类舰船，应依据舰船的尺度和外形特征选择合适的引偏方位和引偏距离，使舰船在水下爆炸冲击波阵面上投影面积尽可能小，以减小舰船承受的冲击强度。

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Impulsive factor for safe distance calculation of a ship-based laser decoy jamming system

ZHANG Shuang, ZHANG Xiao-hui, SUN Chun-sheng

(Department of Ordnance Engineering, Naral University of Engineering, 430043, China)

The ship-damage standard of impulsive factor for underwater explosion was used to calculate the safe distance of a ship-based laser decoy jamming system. The modification for the calculation method of impulsive factor in the standard expanded the scope of application of the standard through introducing parameters of size, external form and water discharge of warships. Then, based on the improved standard, the safe distances of three types of warships with different laser guidance weapons were calculated and the effects of the corresponding factors on the safe distance were analyzed. The results provided a reference for selection of safe distance of a ship-based laser decoy jamming system.

ship-based laser decoy jamming; safe distance; underwater explosion; impulsive factor

10.13465/j.cnki.jvs.2016.13.006

军内科研项目(42410566)

2014-08-19修改稿收到日期：2015-04-21

张爽 男，博士生，1986年12月生

张晓晖 女，博士，教授，1965年4月生

TJ95

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