1舰艇生命力技术发展动态-舰艇生命力技术发展动态

舰艇生命力技术发展动态浦金云侯岳陈晓洪（海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033）摘要：舰艇生命力舰艇作战能力的重要组成部分之一。本文综述了目前国内外的生命力评估、设计方法，先进的损害管制技术和损管训练方法，总结了目前生命力技术领域已经取得的成绩，并分析了今后的发展方向。关键字：舰艇；生命力；损管；评估；设计；训练中图分类号：U665.12文献标识码：A1引言人类进入二十一世纪以来，世界各国海权利益的争夺越发明显。反舰武器的类型层出不穷，其精度和破坏威力也得到了加强，舰艇生命力受到了很大的威胁。从广义的角度讲，舰艇生命力主要包括抗感性、抗损性和修复性[1]。然而，根据我国研究的实际情况，目前舰艇生命力的研究内容主要是指抗损性，其中包括不沉性、火灾危险性、装备生命力、人员生命力和损管训练。近年来，随着装备战损抢修理论的不断完善，目前对舰艇的修复性研究也越来越多。广义的舰艇修复性也包括损害管制。舰艇生命力的研究领域目前主要包括生命力评估方法研究（包括武器威胁机理研究、灾害蔓延机理研究）、生命力优化设计方法研究、损害管制技术研究（新型损管监控装备及系统的开发）和损管训练方法研究。下面将分别介绍上述各个研究领域的发展动态。2舰艇生命力评估方法2.1不沉性评估方法国内目前对舰艇的不沉性评估进行了大量的研究工作，定义了不沉性要素的计算方法，建立了不沉性综合指标评估模型，并以此对不沉性的损伤等级进行了界定。然而，目前国内在不沉性评估方面，尚有以下几点不足之处。（1）尚未对不沉性概率评估进行深入研究。不沉性概率评估是国际海事组织规定民用船舶使用的一种评估方法[2]。其详细考虑了舱组破损概率的分布情况，是一种较为客观的评估方法。国外海军已近将此方法应用的军用舰艇的不沉性评估。不沉性概率评估对大型舰艇来讲是非常有意义的。因为，大型舰艇甲板层数、横舱壁数和纵舱壁数较多，必须考虑武器攻击点在三维方向的概率分布。（2）尚未考虑人员的主动损管能力。现代舰艇一般配置较多的损管资源，在舰艇遭受攻击后，舰员肯定会进行一系列的抗沉动作（堵漏、排水、支撑和评估）。因此，考虑基于损管的不沉行评估实际上也是对舰艇抗沉能力的评估，也是进行舰艇损管资源优化配置的基础。（3）舰艇的不沉行评估需要考虑进水的全过程。进水过程一般可以分为进水初始、进水蔓延和进水稳定三个阶段[3]。由于进水初始阶段和横向蔓延的中间阶段可能会产比进水稳定阶段更为严重的不沉性损失，因此通过对蔓延阶段的进水特性进行研究，可以更为客观的揭示舰艇的不沉性指标。2.2武器和技术装备的生命力评估方法武器和技术装备的生命力评估方法与舰艇所遭受的武器威胁机理研究密切相关。目前考虑的武器威胁机理主要包括冲击、破片、火球和进水等。（1）目前，舰艇所受到的冲击计算程序还未能与生命力评估计算代码相兼容。所采用的计算方法仍是，先算出典型攻击点的全舰冲击环境，而后进行拟合插值得到任意攻击点的全舰冲击环境。不仅如此，典型攻击点一般只沿船长方向选择。实际上，攻击点距离水平面的高度对冲击环境仍然会造成影响。这是因为水表面会对冲击波造成反射效果。因此，如何客观、高效的获得全舰的冲击环境、如何判断装备的冲击损伤阈值将是武器和技术装备生命力评估中较为关键的一项研究内容。（2）由于目前反舰武器多为穿甲或者半穿甲型，武器将在穿透舰艇壳体后发生爆炸，因此破片对武器和技术装备的损伤计算将显得非常必要。破片场的分布、破片流与装备的交汇计算、破片对装备的损伤概率计算将直接影响到武器和技术装备的生命力评估。不仅如此，对于较为复杂的技术装备系统（例如水消防系统），利用损伤树进行损伤等级的定义已经过于繁琐。在复杂系统建模理论日臻完善的今天，数学中的“图”将是这类系统损伤等级定义的较好的工具。图１和图２给出了从物理模型图到数学模型图的转换。利用图２，再结合人工智能中的搜索理论，很容易判断出阀门、管路和消防泵受损时，整个水消防系统的损伤程度，从而避免了建立损伤树所带来的繁杂的工作。不仅如此，使用“图”进行建模，不仅可以判定复杂系统的损伤程度，还可以考虑人员的重构对复杂系统生命力的影响。B1B2B3P1F1F2F7F3F4F5F6F8F9F10S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10Q1Q2Q3C1C2C3C4C5C6C7D1D2D3D4C1C2C3C4C7C5C6F1F2F3F4F5F6D1D2D3D4F7F8F9图1消防系统物理模型图图2消防系统数学模型图2.3火灾危险性的评估方法根据国外的文献报道和国内的研究现状，将事件树与火灾动力学理论相结合是目前进行火灾危险性评估最实际的方法。这是因为火灾的产生、发展和蔓延过程是分阶段的，舰员采取的消防措施也是与之相对应的，我们只有对事件进行分段建模，才能客观的评估舰艇火灾的危险性。下图３描述了火灾危险性评估的过程。燃起被发现消除发展成小火未被发现发展成小火熄灭火灾被限制或消除发展成大火大火被限制大火未被限制被发现火灾被限制和消除发展成大火大火被限制大火未被限制未被发现......图３火灾危险性评估通过上图，我们可以提取出逻辑判决式以确定火灾在各个阶段的出现概率。以燃烧发展到小火为例，其逻辑判决式如下所示：)]()[()()(000phBpBppiittttttttS其中pt是火灾发展时间，0t是发现时间，Bt是系统起动开启时间，hi是所需灭火器的供给强度（升/米２秒），pi是灭火器实际供给强度。其中pt、hi可以通过火灾的模拟计算和经验公式获得；0t、Bt一般认为是一个具有某均值的随机变量；pi与舰艇的实际布置情况有关。通过图３和逻辑判决式，我们可以最终算出火灾的蔓延体积，并以此作为火灾危险性的评估指标。然而，目前舰艇火灾的模拟理论还不够成熟，很多数据难以精确量化，这正是阻碍舰艇火灾危险性评估的重要原因。在实际操作中，我们可以将舰艇舱室按其性质进行分类，针对不同种类的舱室研究其特殊的仿真方法。舰艇舱室按其火灾危险性大小，一般可以分成下述几类：弹药库和轻燃油舱、蓄电池室、机舱、住舱、货舱、操纵室、工作舱。2.4全舰生命力评估方法全舰生命力评估是一项非常复杂的工作。在以往的生命力评估工作中，一般认为全舰生命力构成是各个分系统生命力构成的线性叠加。然而，舰艇是一个复杂系统，其各个分系统之间是相互关联的。例如：舰艇倾差过大将导致螺旋桨不能正常工作；电力系统的损伤将会引起武器系统的失效；不沉性的丧失（舰艇沉没）将导致所有武器和技术装备系统的失效；用水扑灭火灾时将使舰艇的不沉性受到影响等等。因此，如何定义全舰生命力构成并对其进行评估是目前一项亟待解决的问题。3舰艇生命力设计方法舰艇生命力评估的最终目的是指导舰艇生命力的设计。舰艇生命力设计的内容主要包括判断设计方案能否被接受、进行设计方案的选取和设计方案的优化。3.1舰艇生命力定量设计要求舰艇生命力定量设计要求的确定是判断设计方案能否被接受的基础。目前，国内主要研究的是舰艇生命力定性的设计要求。美国在生命力设计要求研究方面，主要经历了三个阶段。阶段1是“水面战舰作战使用特性详细研究”(SOCS)的制定，阶段2是美海军作战部长办公室OPNAV9070.1指令文件的制定，阶段3是战斗特性为基础的易损性需求（OOVR）的制定。“OOVR”已经具备了较好的可操作性。它以作战需求文件为基础，给出了设计准则、设计指导文件和特定的需求文件。OOVR作为一个高水平的需求限制，包括了约束阈值和约束目标，保证了设计时的宽松性。其制定方法包括绝对描述法、概率描述法和综合描述法。下表1是OOVR的一个示例[4][5]。表1OOVR示例威胁武器XX攻击武器XX攻击次数准则最低限值目标值舰艇沉没的概率低于（AorB）AB(BA)保持反空主要任务的概率高于（CorD）C/M3/一次攻击D/M3/一次攻击（DC）保持机动主要功能的概率高于（EorF）E/M3/一次攻击F/M3/一次攻击（FE）美军DD21战斗需求文件的制定，是OOVR或者类似OOVR应用的一个典型范例。3.2舰艇生命力优化设计目前，从国外的报道情况来看，对舰艇生命力优化设计研究最多的是破损稳性的优化设计。上个世纪末，希腊学者Evangelos研究了军船生命力的优化设计方法，并针对驱逐舰的优化进行了应用研究[6]。优化设计方法的变量包括水密隔舱的数量、水密隔舱所在位置、主机及辅助设备安装的位置、双层底的位置，其优化目标包括最大的稳性指标、最大的机动概率等。目前，我国也已经开始着手研究舰艇生命力的优化设计问题。针对全舰及其重要系统，建立了设计全过程的生命力优化设计流程。4损害管制技术舰艇生命力是通过损害管制装备或者系统保障的，因此损害管制技术研究是舰艇生命力的重要研究方向之一。美国海军为提高舰艇损管能力先后启动了两个大型的项目计划：通过损管自动化减少人员编制计划（DC-ARM）和先进损害管制技术计划（ADC）。DC-ARM是既减少人员需求，又缩短对灾害的响应时间的传感、决策、控制。其初步目标是将未来舰艇的损管人员需求减少50%以上。该项目目标是一个由传感器与执行器组成的，集成的自动系统，用于探测、分析和恢复灾害状态。先进损管技术（ADC）项目是对DC-ARM项目的完善与发展。其目的是开发自动损管技术，包括抑爆和自动损管/稳性评估技术。国内的损害管制技术研究起步较晚，火灾探测器、消防系统、抗沉设备、智能损管等方面的研究均落后于国外。下面主要介绍一下专项损管技术的发展动态。4.1火灾探测设备和消防技术1火灾探测设备90年代初，国内的火灾探测器还主要是触点式感温探测器，其核心是温度开关，感光、感烟探测器都很少。目前火灾探测器的发展方向是基于烟、温、光、湿、气多信号的信息融合探测和大空间激光、图象探测，这些探测设备不仅具有较低的误报警率，还可以缩短探测时间。国内已经开始研究这些新型的火灾探测设备，但是在基础研究领域,例如在烟雾特征、算法、气体传感、测试设备等方面，力量相对薄弱。2消防技术在舰艇消防技术方面，目前最有研究前景的是细水雾消防系统。细水雾消防系统已经在国外海军舰艇上得到应用。同时，极细水雾消防系统（可以灭电器火灾）和水基的舱室抑爆系统也在开发之中。由于介质的安全性，水基消防系统已经成为国外海军消防系统的主要发展方向。由于化学气体灭火系统的高效性，卤代烷灭火系统的替代产品也在研制之中。4.2不沉性探测和抗沉设备1不沉性探测舰艇不沉性探测除了包括传统的舰艇姿态（吃水、倾角和倾差）探测设备外，还包括稳性和舱室进水的探测。对于稳性的监测，目前国内研究和应用较少。可以在舰艇姿态探测、自由液面水位探测、风速、风向等探测的基础上，动态显示舰艇的静、动稳度曲线，给出动稳度裕度值，为大风浪状态下舰艇生命力的失事评估提供数据[7]。舰艇的破损进水报警与液位传感是比较成熟的技术。美国、德国和日本等国家都有相关的设备，主要是电容压力式的液位传感器。舱室进水探测报警设备国内也有不少厂家生产，主要是民船的货舱进水报警设备。其主要传感部件与控制部件大多采用进口原件。自主研发的比较少。2抗沉设备在以前的研究工作中，抗沉设备主要是指堵漏、排水设备等。但是，舰艇不沉性的保证除了可以使用减少进水量的方法之外，还可以使用增加排水体积的方法。增加排水体积的方法在过去是不可能的。但是,随着柔性气囊制造水平的提高,在必要时,增加船体的辅助浮力就可能变为现实[8]。柔性气囊是用钢丝做承力夹层、由橡胶制成的密闭性胶袋。当险情出现后,将气囊捆绑于舰船相应位置,再用空气压缩机往气囊中快速充入空气,使其体积迅速膨胀,产生浮力,以弥补舰船损失的部分浮力,以期达到消除下沉,使舰船上浮;至少可减缓下沉,为其它营救措施的进行争取宝贵的时间。通过柔性气囊技术，不仅可以减少丧失的储备浮力，还可以通过将柔性气囊悬挂于适当位置，消除倾斜、增加动稳性储备。对于舱室的浸排水系统，主要的发展方向是系统的智能化动态重构。通过对系统自身状态与损伤情况的诊断，通过系统的智能部件对系统进行重新调整，以保持系统的连续有效性。相关的智能部位产品已经问世，如带管路压