潛射彈道導(dǎo)彈海洋環(huán)境影響評估指標體系*

顏 驥,劉丙杰,王瑞臣

(海軍潛艇學院,山東 青島 266199)

潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用應(yīng)從敵情、我情、海情三方面綜合考慮,海情指海洋環(huán)境因素,是影響導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用的重要因素。潛射彈道導(dǎo)彈武器系統(tǒng)以彈道導(dǎo)彈核潛艇為發(fā)射平臺,包括彈道導(dǎo)彈、艇上導(dǎo)彈配套設(shè)備和技術(shù)保障裝備等。近年來對潛射彈道導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用的研究主要集中在武器系統(tǒng)本身;一些文獻研究了海浪和海流對潛射彈道導(dǎo)彈水下運動特性的影響,但往往是針對其中的某一個問題進行研究,同時采取了很多假設(shè),尚無法對水下發(fā)射全過程進行準確預(yù)報,不能給決策者提供較為直觀的決策支持;部分學者研究了海洋環(huán)境對潛艇航行安全性和隱蔽性的影響,但鮮有將潛艇航行安全性和隱蔽性結(jié)合潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用背景展開研究。潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用過程一般包括作戰(zhàn)準備、作戰(zhàn)展開、巡航待機、導(dǎo)彈攻擊和撤收返航五個階段,因此,海洋環(huán)境對潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用的影響,體現(xiàn)在作戰(zhàn)全過程對彈道導(dǎo)彈核潛艇航行安全性和隱蔽性的影響以及導(dǎo)彈攻擊階段對導(dǎo)彈發(fā)射安全性的影響。影響潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用的海洋環(huán)境因素很多,各因素對發(fā)射平臺的安全性、隱蔽性、對導(dǎo)彈發(fā)射安全性的影響方式和影響程度不同,各因素之間相互耦合,對潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用各方面既有積極影響又有消極影響,加上海洋環(huán)境信息獲取的不完整性和不確定性,給作戰(zhàn)決策者帶來巨大的決策壓力。

在潛艇航行安全性評估方面,研究成果較多，也較為成熟;在潛艇隱蔽性方面,利用磁、光學、電場、紅外特征、水動力學特性變化等方法可以探測水下目標,但水下探潛設(shè)備主要是聲吶,對潛艇隱蔽性的評估可以轉(zhuǎn)換為對聲吶搜潛概率的評估。從現(xiàn)有研究成果看,搜潛概率公式是一個多元非線性公式,其關(guān)鍵參數(shù)難以精確計算,需要對很多因素進行簡化假設(shè),尚不能為潛艇的隱蔽性綜合評估提供較為完備的結(jié)論;同樣的問題也存在于導(dǎo)彈發(fā)射安全性的評估當中,導(dǎo)彈發(fā)射的安全性可從導(dǎo)彈的出水彈道和彈體載荷兩個方面進行評估,但彈體水下運動過程經(jīng)歷了復(fù)雜物理環(huán)境的交替變化,先后穿越了海水和?？战缑?期間受到平臺運動、海流、海浪、海面風場等水文氣象因素以及“筒口效應(yīng)”和“空化效應(yīng)”等特殊物理現(xiàn)象的影響。導(dǎo)彈在水下所受流體動力相對較大,雖然水下運動的距離較短,但速度和姿態(tài)變化較為劇烈,特別是在海浪、海流、流切變、空泡潰滅等多種干擾力和力矩的作用下,呈靜不穩(wěn)定狀態(tài)的導(dǎo)彈在無控狀態(tài)下:1)姿態(tài)呈非線性增長并急劇發(fā)散;2)彈體載荷在穿越水面階段呈現(xiàn)極強的隨機性和非線性特征。這使得導(dǎo)彈出水彈道和彈體載荷全過程準確預(yù)報十分困難。

綜上,在無法采取準確數(shù)值計算的前提下,基于作戰(zhàn)部隊現(xiàn)有海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)使用經(jīng)驗,構(gòu)建部隊官兵熟悉的、方便操作使用的海洋環(huán)境影響綜合評估系統(tǒng),開展海洋環(huán)境對潛射彈道導(dǎo)彈發(fā)射影響的綜合評估,從海洋環(huán)境角度對潛艇水下航行的安全性、隱蔽性和導(dǎo)彈發(fā)射的安全性進行量化評估,為決策者“趨利避害”,有效選擇航線，確定潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)海域,提高潛射彈道導(dǎo)彈在海洋戰(zhàn)場環(huán)境中的作戰(zhàn)效能具有重要意義。

1 海洋環(huán)境對潛射彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)影響因素

海洋環(huán)境是指影響潛艇及艇載武器、探測設(shè)備的整體技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能的海洋氣象、海洋水文和海洋地質(zhì)等方面的自然條件,其直接影響潛艇戰(zhàn)術(shù)行動的作戰(zhàn)效能。海洋環(huán)境因素對潛射彈道導(dǎo)彈發(fā)射的影響主要體現(xiàn)在對導(dǎo)彈發(fā)射平臺航行安全性和隱蔽性的影響,對導(dǎo)彈發(fā)射的安全性產(chǎn)生的影響有兩個方面,既有積極影響又有消極影響,兩者都與潛艇和彈道導(dǎo)彈自身性能有關(guān)。

1.1 海洋環(huán)境對潛艇航行安全性的影響

海流和潮汐有可能使?jié)撏x航線,行駛到不安全的海域;惡劣的海況可能會使航行中的潛艇斷裂;當潛艇離障礙物比較近時可能會造成觸碰。潛艇航行安全是指要盡可能地避免與沉船、水下山脈、暗礁、島嶼等障礙物碰撞而造成失事,避免密度躍層、中尺度漩渦和海洋內(nèi)波等海洋物理環(huán)境對潛艇航行安全造成重大影響。潛艇自身的性能限制也是潛艇航行安全中不可忽略的因素。潛艇的適航深度、最大拐彎角、最大爬升/俯沖角、操縱性、型長和導(dǎo)航設(shè)備精度等因素對潛艇航行安全有重大影響。

1.2 海洋環(huán)境對潛艇隱蔽性的影響

彈道導(dǎo)彈核潛艇自身防護能力不強,當它被發(fā)現(xiàn)后,任意一艘具備反潛能力的水面艦艇都能對它構(gòu)成致命威脅,保持自身的隱蔽性是彈道導(dǎo)彈核潛艇抵達作戰(zhàn)海區(qū),發(fā)揮核威懾和核反擊作用的重要保障和前提條件。海水的透明度、水色主要影響敵反潛飛行器、光學設(shè)備、雷達等對潛艇的探測;從聲學探測來講,潛艇航行隱蔽性的實質(zhì)是反潛聲吶設(shè)備與潛艇之間的偵查與反偵查的對抗過程。潛艇在海洋中航行時造成的各類噪聲以及海洋環(huán)境對聲波傳播的影響都關(guān)系著潛艇能否被敵方聲吶裝備探測到。海洋環(huán)境對聲波傳播的影響主要體現(xiàn)在三個方面:海水對聲波的折射、反射的影響,聲波在海水中的衰減和海洋噪聲。躍層、海浪、海底地形、降雨、海洋生物噪聲等因素都會對聲波的傳播造成影響。從潛艇自身來講,影響隱蔽性的因素包括下潛深度、暴露率、噪聲和目標聲場強度等指標。

1.3 海洋環(huán)境對導(dǎo)彈發(fā)射安全性的影響

潛射彈道導(dǎo)彈通常在水下40 m以內(nèi)深度組織發(fā)射,由于海水密度是空氣的800倍,導(dǎo)彈在水下所受流體動力相對較大,對導(dǎo)彈的速度和姿態(tài)影響較為劇烈。相比而言,導(dǎo)彈在深水段受擾動小,而在近水面處,導(dǎo)彈除受水氣自由面邊界的影響外,風、波浪、潮流、涌等多種海洋現(xiàn)象也對導(dǎo)彈出水過程造成影響。潛射彈道導(dǎo)彈水下運動過程中,在彈體肩部及尾部會產(chǎn)生空化現(xiàn)象,由于空泡處于不斷發(fā)展、脫落的動態(tài)過程,使得空泡區(qū)的位置及所受壓力一直在變化,導(dǎo)致彈體所受的水動力載荷不斷變化。彈體穿越水面時,空泡發(fā)生潰滅,潰滅載荷作用在彈體表面將對彈體結(jié)構(gòu)及彈道產(chǎn)生影響。

除海洋環(huán)境因素外,導(dǎo)彈的出筒速度、發(fā)射深度、艇速等導(dǎo)彈發(fā)射條件和彈體結(jié)構(gòu)也和海洋環(huán)境因素相互耦合,影響導(dǎo)彈發(fā)射的安全性。

發(fā)射深度太小,海浪影響下,潛艇操縱不穩(wěn)定,深度太大則給導(dǎo)彈發(fā)射帶來困難,同時還需考慮發(fā)射海域深度和齊射時導(dǎo)致的潛艇深度變化。出筒速度也影響導(dǎo)彈在水下的運動過程。對于俯仰運動而言,俯仰角速度改變量隨出筒速度增大而減小。對軸向運動而言,出筒速度越大,導(dǎo)彈頭出水速度和尾出水速度也越大。導(dǎo)彈發(fā)射出筒后與海流的相對速度就是艇與海流的相對流速,艇速越大,導(dǎo)彈攻角越大,對彈的姿態(tài)和載荷均有不利影響，但淺深度發(fā)射和齊射時要加大艇速以提高艇的操縱性。

彈體結(jié)構(gòu)在主要完成導(dǎo)彈空中飛行任務(wù)的同時,還須兼顧水下發(fā)射時承受的載荷,保護彈上設(shè)備水下航行時狀態(tài)完好,可順利轉(zhuǎn)入空中段飛行。彈體結(jié)構(gòu),尤其是頭型參數(shù)會影響導(dǎo)彈的水動外形和肩空泡形態(tài),從而對導(dǎo)彈的水下受力和載荷造成影響。

2 海洋環(huán)境對潛射彈道導(dǎo)彈發(fā)射影響評估指標體系

指標是指描述評價對象不同特征的量。本文評價對象為彈道導(dǎo)彈核潛艇航渡或作戰(zhàn)的某一海域。建立合理的指標體系是綜合評價的基礎(chǔ),將影響到綜合評價的質(zhì)量。作者分析海洋環(huán)境各影響因素之間,海洋環(huán)境因素與裝備自身戰(zhàn)技性能之間的關(guān)系,建立潛艇水下航行安全性、隱蔽性和導(dǎo)彈發(fā)射安全性的綜合評估指標體系。潛艇航行安全性和隱蔽性指標集可見文獻[7],本文主要介紹導(dǎo)彈發(fā)射安全性指標集的確立。

2.1 導(dǎo)彈出水過程及受力分析

潛射彈道導(dǎo)彈出水過程一般分為三個階段:出筒段、水中段和出水段。在出筒段,導(dǎo)彈在發(fā)射工質(zhì)氣體作用下運動速度不斷增大,由于發(fā)射平臺運動速度的影響,導(dǎo)彈在流體動力、彈筒支反力作用下俯仰姿態(tài)不斷變大;在水中段,導(dǎo)彈軸向速度不斷減小,流體動力的作用使得導(dǎo)彈俯仰姿態(tài)繼續(xù)發(fā)散。空泡的存在改變了導(dǎo)彈表面壓力分布特性,從而對俯仰姿態(tài)的發(fā)散程度造成一定的影響。在出水段,浮力逐漸消失,導(dǎo)彈在自身重力作用下軸向速度急劇減小,受到出入水過程的影響,流體動力、附加質(zhì)量隨導(dǎo)彈出水過程而急劇變化。在復(fù)雜海浪的影響下，導(dǎo)彈出水姿態(tài)變化更加復(fù)雜,呈現(xiàn)較大的離散特征。

導(dǎo)彈的水下彈道由導(dǎo)彈在水下運動時所受外力決定。導(dǎo)彈水下運動的流體動力特征與導(dǎo)彈的水動外形和空泡狀態(tài)密切相關(guān)。水動外形影響水下導(dǎo)彈的流體動力特性,空化現(xiàn)象導(dǎo)致導(dǎo)彈表面產(chǎn)生空泡,改變壓力分布規(guī)律,對導(dǎo)彈的外力分布特性有較大影響。

導(dǎo)彈水下運動過程中,在導(dǎo)彈軸向空間上,根據(jù)是否被空泡覆蓋,可劃分為頭錐沾濕區(qū)、空泡覆蓋區(qū)、空泡末端回射區(qū)及尾部沾濕區(qū),各區(qū)受流體動力如圖1所示。

圖1 水中運動導(dǎo)彈所受流體動力示意圖

在平臺運動速度影響下,導(dǎo)彈頭錐沾濕區(qū)域迎流面壓力高于背流面,在法向存在壓力差,從而產(chǎn)生法向力和力矩,頭錐段受力是導(dǎo)致導(dǎo)彈俯仰姿態(tài)改變的主要因素。頭錐段法向力及力矩與導(dǎo)彈外形、頭錐部相對海水的局部攻角、導(dǎo)彈的運動速度等相關(guān),攻角越小,頭錐段法向力及力矩越小,俯仰角速度改變量小。

空泡覆蓋區(qū)為導(dǎo)彈被空泡包裹的主要區(qū)域,其范圍主要由迎流面空泡長度所決定,柱段空泡區(qū)內(nèi)所受法向合力為零。

空泡末端回射區(qū)是由迎、背流面空泡不對稱性所決定的區(qū)域。攻角不為零時,迎、背流面由于泡長差和空泡末端回射造成的局部高壓,正向壓差較大。附體空泡發(fā)展決定回射壓力作用位置、與質(zhì)心的相對關(guān)系,從而影響導(dǎo)彈法向受力及俯仰力矩。空泡末端過質(zhì)心后,空泡推進速度越快,空泡長度越長,回射區(qū)所引起的法向力力臂越大,俯仰扶正力矩越大,對導(dǎo)彈姿態(tài)越有利。

尾部沾濕區(qū)位于空泡末端與導(dǎo)彈尾部之間,由背流面空泡長度所決定。導(dǎo)彈尾部沾濕區(qū)與水介質(zhì)相對運動從而產(chǎn)生法向力和法向力矩。尾部沾濕區(qū),迎流面壓力系數(shù)高于背流面,使得尾部迎流面壓力大于背流面。

導(dǎo)彈頭型參數(shù)、空化數(shù)和導(dǎo)彈攻角是影響導(dǎo)彈肩空泡形態(tài)的三個主要因素。

綜上,影響導(dǎo)彈水下運動特征的海洋環(huán)境因素和發(fā)射平臺、導(dǎo)彈自身因素的相互關(guān)系可用圖2表示。

圖2 導(dǎo)彈水下運動特征與影響因素相互關(guān)系

2.2 導(dǎo)彈發(fā)射安全性指標集

由于潛射彈道導(dǎo)彈一般為軸對稱體,導(dǎo)彈的水動外形可用導(dǎo)彈的頭型參數(shù)表示。頭型參數(shù)、空化數(shù)和導(dǎo)彈的攻角三者相互獨立,且為定量化指標,可直接作為評估指標。

導(dǎo)彈的初始攻角主要由艇速和出筒速度決定。初始攻角越小,出筒速度越大,相同條件下導(dǎo)彈出水姿態(tài)越穩(wěn)定,而艇速越大,攻角越大,對彈的姿態(tài)和載荷均有不利影響，因而，可將艇速與出筒速度的反正切值來表征初始攻角，作為一項指標值。

發(fā)射深度是影響水下垂直發(fā)射導(dǎo)彈運動特征的主要因素之一。發(fā)射深度越大,導(dǎo)彈在水下運動時間越長,水中段速度衰減量越大,俯仰姿態(tài)也更惡劣。導(dǎo)彈出筒速度越大,其水下運動時間越短,受擾動越小。發(fā)射深度還需考慮發(fā)射海域深度和齊射時導(dǎo)致的潛艇深度變化,由于在潛艇航行安全性中已考慮發(fā)射海域深度,此處不再考慮。發(fā)射深度和出筒速度兩者相關(guān)性強,對導(dǎo)彈出水姿態(tài)的影響相反,可將發(fā)射深度/出筒速度作為評估發(fā)射安全性的指標。

海浪對導(dǎo)彈的受力和運動的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:一方面波浪導(dǎo)致水質(zhì)點的運動,使得導(dǎo)彈各部段相對水流的速度均發(fā)生變化,從而導(dǎo)致導(dǎo)彈攻角和受力的改變;另一方面由于波浪相位的影響,使得導(dǎo)彈在水中段的運動行程相比靜水下發(fā)生變化。因此將海浪的影響分解為兩個方面：一是海浪的有效波高,主要影響軸向速度;二是海浪的傳播方向?qū)︻^錐段受力和對柱段空泡回射區(qū)的影響。當波浪水質(zhì)點運動速度方向與導(dǎo)彈運動速度方向相反,一方面使得頭錐段局部攻角增大,進而導(dǎo)致頭錐段所受俯仰力矩增大;另一方面增大了柱段空泡區(qū)的局部攻角,從而使得迎、背流面空泡長度差增大,空泡回射區(qū)的范圍增大。總體上來看,海浪對俯仰角速度的影響仍呈現(xiàn)逆浪波峰狀態(tài)更為惡劣的趨勢,有效波高越高,導(dǎo)彈發(fā)射越不安全。海浪傳播方向與潛艇航向的夾角為0度時,亦即導(dǎo)彈隨浪發(fā)射時,導(dǎo)彈俯仰角有減小的趨勢;海浪傳播方向與潛艇航向的夾角為180度時,亦即導(dǎo)彈逆浪發(fā)射時,導(dǎo)彈俯仰角有增大的趨勢。由于兩個指標描述的是同一物理量,應(yīng)該綜合為一個指標,根據(jù)它們對導(dǎo)彈出水姿態(tài)的影響,此指標可表示為|180°-夾角|/有效波高。

海流在導(dǎo)彈出水運動的時間尺度內(nèi),其量值和方向在短時間內(nèi)不會發(fā)生較大的變化,因此海水對導(dǎo)彈出水過程的影響等同于在特定方向上增加常值干擾。艇速一般按照相對海流的速度控制,在初始攻角時已經(jīng)考慮,此處不再單獨表示。最后確定的指標如下

根據(jù)上述確定的指標集,建立潛艇航行安全性的評估指標體系,如圖3所示。

圖3 導(dǎo)彈發(fā)射安全性評估指標體系

2.3 導(dǎo)彈發(fā)射安全性指標權(quán)重分析

頭型影響導(dǎo)彈水下流體動力特性、初生空化數(shù)和空泡形態(tài),對導(dǎo)彈水下運動姿態(tài)的穩(wěn)定性有較大影響。隨著潛射技術(shù)研究的深入,世界主流潛射彈道導(dǎo)彈均采用了鈍頭體外形以利于導(dǎo)彈水中運動姿態(tài)的穩(wěn)定,從該角度來看,頭型對發(fā)射安全性的影響變小,頭型參數(shù)在評估體系中的權(quán)重不宜過大(10%)。

空化數(shù)對導(dǎo)彈肩空泡的形態(tài)和發(fā)展過程有顯著影響。對于常見的出筒速度和發(fā)射深度,空化數(shù)越小,導(dǎo)彈表面越易空化,空泡尺度越大,空泡回射流壓力峰值越大,導(dǎo)彈水動力特征參數(shù)變化越明顯。自然空化情況下,隨著空化數(shù)的降低,空化區(qū)域非定常特性越明顯,引起的壓力波動越劇烈,彈體姿態(tài)越不可控;通氣空化情況下,通過對自然空泡補氣,可有效增加泡內(nèi)壓力,降低空化數(shù),提高空化的穩(wěn)定性，降低空泡潰滅壓力,實現(xiàn)對彈道的精確控制?？栈瘮?shù)在評估體系中的權(quán)重應(yīng)占相當比重(20%)。

初始攻角對導(dǎo)彈水下運動時所受外力影響顯著,其在評估體系中的權(quán)重應(yīng)占較大比重(25%)。

發(fā)射深度和出筒速度影響導(dǎo)彈水下運動時間和水動力大小,從而對導(dǎo)彈水下彈道和水載荷產(chǎn)生重大影響。發(fā)射深度/出筒速度在評估體系中的權(quán)重應(yīng)占相當比重(20%)。

海浪的隨機性使得其對導(dǎo)彈出水的影響較大,加之空泡潰滅的影響,指標|180°-夾角|/有效波高在評估體系中的權(quán)重應(yīng)占較大比重(25%)。

3 綜合評估數(shù)學建模關(guān)鍵問題

在評價指標體系的基礎(chǔ)上,影響被評系統(tǒng)綜合評估結(jié)果的因素有所選取的評估模型、評估指標的權(quán)重值、一致化指標類型的方法和無量綱化指標的方法。

指標一般分為極大型、居中型、區(qū)間型和極小型四類。如指標|180度-夾角|/有效波高為極大型指標,取值越大越好;指標初始攻角為極小型指標,取值越小越好。評估前要對指標進行一致化處理和無量綱化處理。

指標權(quán)重的確定有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩大類,本文指標權(quán)重分析即為主觀賦權(quán)法,也可根據(jù)導(dǎo)彈發(fā)射試驗數(shù)據(jù),進行各因素相關(guān)性分析,采用客觀賦權(quán)法。此外，還應(yīng)考慮超標權(quán)的確定問題,如當海浪超過5級時,即便其他指標在標準值范圍內(nèi),導(dǎo)彈發(fā)射亦是不安全的。主動排氣空泡技術(shù)也用于對導(dǎo)彈附體空泡的控制,其導(dǎo)彈頭型和充氣方式異于主動通氣空泡技術(shù),在采用不同技術(shù)時,導(dǎo)彈頭型參數(shù)指標權(quán)重的確定應(yīng)分別考慮。

評估模型解決將多個評價指標值合成為一個總體性的綜合評估值的問題,應(yīng)根據(jù)評估指標特性選擇合適的評估方法。

4 結(jié)束語

海洋環(huán)境因素與潛射彈道導(dǎo)彈武器系統(tǒng)自身因素之間是相互影響的,在建立評估指標體系時必須綜合考慮海洋環(huán)境和潛射彈道導(dǎo)彈武器系統(tǒng)之間以及各影響因素之間的關(guān)系。同時,評估指標的選取,應(yīng)遵循與系統(tǒng)目標一致、全面性、易量化、獨立性以及可比性等原則。

本文從發(fā)射平臺的水下航行安全性、隱蔽性、導(dǎo)彈發(fā)射的安全性三個方面出發(fā),建立了潛射彈道導(dǎo)彈海洋環(huán)境影響評估指標體系,著重分析了導(dǎo)彈發(fā)射安全性指標集及各指標權(quán)重,并指出應(yīng)用數(shù)學方法對其進行綜合評估時應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。