舰炮武器系统高海况适应性仿真评估方法研究

张振中,胡春晓

(中国人民解放军92941部队,辽宁 葫芦岛 125000)

海况是风力直接作用下的海面外貌特征。根据视野内有无波浪、波峰形状和破碎程度,以及浪花泡沫出现的多少,分为十个等级[1]。舰艇在高海况下的航行是在三维空间的复合运动。它包括沿三个坐标轴的直线运动和围绕三个坐标轴的旋转运动,即船舶的六自由度运动:横摇、纵摇、艏摇,横荡、纵荡、垂荡[2]。当舰炮武器系统随舰艇航行时,海况环境特别是高海况环境对舰艇航行和舰炮武器系统作战运用的各环节均具有潜在的影响,进而影响整体作战效能的发挥。随着海军使命任务的拓展,舰艇执行远洋任务中遭遇高海况甚至瞬时强风、飓风、热带风暴的机会也越来越多,高海况适应性已成为舰炮武器系统试验鉴定中不可忽视的一项重要内容。但是,受试验周期和试验资源限制,高海况适应性试验往往不能完全通过外场试验检验,基于此,本文通过系统梳理海况环境对舰炮武器系统各工作环节的影响机理,有针对性地开展了舰炮武器系统高海况适应性仿真评估方法研究。

1 高海况适应性评估的主要内容

1.1 高海况适应性试验方法概述

对舰炮武器系统高海况适应性的一般定性表述为:在使用减摇鳍时,系统及其设备能在A级海况下正常工作;不使用减摇鳍时,降低一级海况使用本系统;B级海况下,系统各组成设备应不损坏。因此，高海况试验最直观、可信的考核方式是在实际高海况条件下的实装验证，即舰炮武器系统随载舰在规定等级的高海况海区,按照典型任务剖面执行联动和射击任务,全面检验武器系统在A级海况下能否正常工作及在B级海况下是否出现损坏。这种情况下,武器系统各个组成部分都能在实际环境条件下得到充分考核。但由于试验期间实际高海况条件可遇而不可求,且在高海况条件下,特别是B级海况条件下开展外场试验存在较大保障困难和安全风险,实际开展高海况外场试验的可行性和可操作性显著降低。为满足试验鉴定进度要求,往往需结合已有数据采用仿真分析、综合评估的方式给出高海况适应性评估结论。

1.2 高海况适应性评估的主要内容分析

现代舰炮武器系统一般由跟踪探测设备、姿态测量设备、火控解算设备和舰炮设备等组成。高海况环境对武器系统各设备影响因素主要包括浪高、风速及由此引起的舰艇大幅垂荡、纵横摇运动等。根据舰炮武器系统组成和工作流程,分析高海况环境对舰炮武器系统的影响主要包括对各单机设备结构强度的影响、对舰炮和跟踪器伺服跟踪性能影响、对跟踪探测设备跟踪探测性能的影响以及对舰艇姿态测量精度的影响等方面。其中，对单机设备结构强度的影响主要包括舰艇运动惯性力对舱内固定安装设备强度的影响、对跟踪设备和舰炮结构强度的影响,风压对炮塔及跟踪设备舱外件结构强度影响等;对跟踪探测设备跟踪探测性能影响主要包括海杂波增强对目标探测性能影响、对弹着水柱探测影响和舰艇运动对跟踪器伺服性能影响等;对舰艇姿态测量性能影响主要指高海况条件下因船体运动幅值增大及弹性变形对捷联设备等姿态测量精度的影响。舰炮武器系统高海况环境适应性评估的主要内容及影响因素如表1所示。

表1 高海况适应性评估内容及影响因素

在完成各单项内容评估基础上,综合分析高海况对系统总体性能影响情况,最终给出综合评估结论。原则上，只有单项评估结论均满足要求,武器系统总体评估结论才能评估为满足要求。考虑系统分配支持要求时,各单项指标相容和匹配性超差,而系统相应评估项满足要求时,也可以认为系统满足要求。

2 高海况适应性仿真评估方法

关于结构强度评估方面,原则上所有设备结构均应完成强度校核。由于各固定设备结构强度校核模型简单且可视为运动结构强度校核模型的特例,而鉴于舰炮不仅机构零件繁多、机械结构复杂,而且，射击时机构运动速度快、受力大,动力学建模难度大,所以，本文仅以舰炮为例，给出机构强度仿真评估方法,其他固定和运动机构的结构强度评估可参照执行。另外,关于伺服跟踪性能评估方面,以受海风影响明显又要快速跟踪目标的跟踪雷达为例，给出评估方法,舰炮伺服跟踪性能可参照执行;关于跟踪探测性能方面,以受高海况条件下海杂波影响明显的跟踪雷达对弹着水柱探测性能为例给出分析评估方法,其他跟踪设备探测跟踪性能可参照执行;捷联姿态测量性能采用实验室仿真环境实装试验数据和陆上跑车试验数据进行评估。

2.1 舰炮结构强度刚度仿真评估方法

2.1.1 仿真输入条件

1)舰炮安装坐标参数条件

如图1所示,建立舰艇摇心坐标系OH-XHYHZH,舰炮质心运动坐标系O-XYZ,则舰炮质心坐标系原点在舰艇摇心坐标系中的坐标为(X,Y,Z)。为方便计算,忽略细微差别,将所有舰炮机构零件在舰艇摇心坐标系中的坐标都按舰炮质心坐标计算。

图1 舰炮坐标系

2)高海况舰艇运动条件

在高海况条件下,舰艇影响舰炮结构强度的主要运动特征值包括纵摇、横摇、升沉运动的周期和幅值6组参数,将舰炮适装舰艇适应高海况的运动特征值作为该型舰炮结构强度仿真评估的输入条件。表2所示为某舰艇在A级海况下的运动特征值参数。

表2 某舰艇在A级海况条件下运动特征参数表

2.1.2 舰炮机构过载系数的计算

1) 舰艇摇摆运动引起的舰炮机构过载系数

(1)

2) 舰艇升沉运动引起的舰炮结构过载系数

假设舰艇质心的轨圆运动在纵向和横向两个平面上的投影均为圆形,因此舰炮随舰艇作轨圆运动时其结构过载系数为

(2)

3) 舰炮随舰艇摇摆过程中自重引起的机构过载系数

(3)

4) 舰炮机构总过载系数

考虑舰艇摇心不重合情况,并且只考虑y方向舰艇升沉运动引起的过载系数时,综合以上公式得出舰炮机构的最大过载系数如下所示

(4)

5) 过载系数计算结果

将表2中舰艇高海况条件下摇摆参数代入公式(4),计算得到对应海况条件下,舰炮各机构处总的最大过载系数nx、ny、nz,作为各机构有限元强度计算的输入条件。

2.1.3 舰炮刚度强度仿真评估

1)通过有限元仿真计算,舰炮在高海况下射击时某部件最大应力为σmax,最大变形为δmax;

2)根据强度设计要求,该部件的最小许用应力为σ许min,则计算射击时强度安全系数为n=σ许min/σmax。如该安全系数满足设计强度最小安全系数要求,则评估该部件强度满足要求;

3)根据刚度设计要求,如该部件最大变形量δmax小于设计允许最大变形量,则评估该部件刚度满足要求;

4)根据以上步骤完成对所有零部件强度和刚度评估,如所有零部件均满足要求则认为该舰炮的强度刚度满足高海况适应性要求。

2.2 跟踪雷达伺服跟踪性能评估方法

2.2.1 仿真输入条件

本文主要考虑舰艇高海况运动特性和海风对跟踪雷达伺服跟踪性能的影响,其中舰艇高海况运动特性条件主要为舰艇的纵摇、横摇、升沉运动的幅值和周期,与2.1.1节中相同。海风条件主要指高海况条件下相对风速,分别采用如下参数进行计算[3]

将各菌株培养至OD600约为0.4，加入各应激条件刺激，测定各菌株的生长曲线.结果显示，在氧应激条件下，AsrC缺陷后生长明显减慢，无应激以及其它应激条件下缺陷AsrC对细菌的生长基本没有影响(图3).在高表达AsrC后，对无应激以及各应激条件下细菌的生长也基本没有影响(图4).实验结果表明，在氧应激情况下，AsrC缺陷能够使细菌的生长减慢.

1)在正常工作试验时的相对风速为45 m/s;

2)在破坏性试验时的相对风速为60 m/s。

2.2.2 跟踪速度评估

强风、高海况条件下雷达跟踪器的载荷主要有:风载荷、惯性载荷、摩擦载荷及不平衡载荷等。下面用均方综合的方法计算俯仰轴上所承受的负载力矩,通过与设计指标比对的方式,对跟踪器俯仰部分的高海况适应性进行评估。方位系统的评估方法相同。

1)惯性力矩计算

首先，计算俯仰部分(含执行电机转子)折算到俯仰轴上的转动惯量J,然后，根据战技指标规定的参数,计算俯仰部分在保精度跟踪时的惯性力矩M惯,以及最大跟踪加速度时的转动力矩M惯max，如公式(5)所示。

(5)

2) 总负载力矩计算

俯仰部分正常工作状态和最大工作状态的总力矩按公式(6)计算。

(6)

式中，M俯仰为正常工作状态的总负载力矩;M风为风载荷力矩;M摩擦为摩擦载荷力矩;M俯仰max为最大跟踪加速度时的总负载力矩。

3) 计算执行电机输出力矩

根据跟踪雷达伺服电机参数,确定电机在正常工作时输出的连续力矩M以及峰值力矩Mmax值。

4) 伺服跟踪性能评估

当M≥M俯仰且Mmax≥M俯仰max,即当执行电机的连续输出力矩和峰值力矩大于等于正常工作和最大加速度跟踪所需的力矩时,判定跟踪雷达跟踪性能满足高海况适应性要求。

2.3 跟踪雷达对弹着水柱探测性能评估方法

在高海况条件下,雷达本身的威力并不会降低,但因海浪较高,海杂波明显增强,会影响雷达对目标信号的观测提取。为了抑制海杂波的影响,保证非常低的虚警概率,在设计时跟踪雷达,通常将检测门限提高到海杂波电平的n倍(XdB)以上。因此,通过仿真计算,当高海况条件下弹着水柱等效雷达反射面积大于或等于海杂波等效雷达反射面积的n倍以上时,则可评估认为高海况下跟踪雷达对弹着水柱的探测能力满足要求。如某型舰炮在五级海况下对海上10 km远目标射击时,通过计算可得海杂波的雷达等效反射面积为σ=0.5 m2,而弹着水柱的雷达等效反射面积为σ=10 m2,水柱的反射面积是海杂波反射面积的20倍,远大于规定的检测门限,因此,可评估认定该型跟踪雷达在高海况下对弹着水柱的探测能力满足要求。

2.4 捷联姿态测量性能评估方法

捷联设备的高海况适应性主要表现为能否在高海况条件下正常测量舰艇航向、航速及纵横摇姿态信息,其影响因素主要为捷联设备对舰艇纵横摇幅值和速度的适应能力,可按高海况条件下舰艇运动特征值,利用试验室多自由度转台模拟环境下的测试结果给出评估结论。如:按表2提供的舰艇极限摇摆参数在转台上构建模拟测试环境,若捷联设备工作正常,测量精度满足设计要求,则可评估认为捷联设备高海况适应性满足要求。

2.5 舰炮武器系统高海况适应性综合评估

在规定的高海况和风力等级条件下,如果对舰炮武器系统内各单机的结构强度、舰炮和跟踪设备的伺服跟踪性能、跟踪设备的目标探测性能、捷联设备的姿态测量性能均满足要求,则可评估认为舰炮武器系统高海况适应性满足要求。

3 结束语

近年来,有若干型号装备利用上述方法进行了仿真评估。经过几年的工程实践,评估结果得到了验证,证明舰炮武器系统高海况适应性评估方法原理可行,评估结果能够为舰炮武器系统试验转阶段提供技术支持。但是,该方法毕竟不是真实高海况条件下的实装验证,存在一定的局限性,舰炮武器系统高海况适应性还应结合高海况条件下实际使用、演练等机会进一步检验验证。