艦艇抗爆抗沖擊技術現狀和發展途徑

劉建湖，周心桃，潘建強，王海坤

1中國船舶科學研究中心，江蘇無錫2140822中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

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艦艇抗爆抗沖擊技術現狀和發展途徑

劉建湖1，周心桃2，潘建強1，王海坤1

1中國船舶科學研究中心，江蘇無錫214082
2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

摘要：抗爆抗沖擊能力是艦艇生命力的重要組成部分，直接影響著艦艇戰斗力的發揮，是一項影響全艦（艇）綜合性能發揮的總體能力。與世界先進的艦艇相比，我國艦艇的抗爆抗沖擊能力總體上比較落后，迫切需要全面提高。提高艦艇抗爆抗沖擊能力需要從資源、技術和管理幾個方面共同努力，其中技術提升是非常關鍵的一環，而技術途徑對于技術工作的效率和效益具有很大影響。首先，從技術層面綜述了國內外艦艇抗爆抗沖擊技術和能力的現狀與發展趨勢，然后，分析了制約我國艦艇抗爆抗沖擊水平提升的瓶頸問題，根據工作的輕重緩急程度，給出了提升艦艇抗爆抗沖擊能力的技術途徑建議，可為艦艇抗爆抗沖擊研究、設計與評估工作提供參考。

關鍵詞：艦艇；抗爆抗沖擊；易損性；恢復性；生命力

0　引　言

艦艇生命力的研究一直受到各海軍強國的重視，多年來已投入了大量的人力和物力。艦艇生命力是戰斗力的載體和基礎，戰斗力是生命力保障的根本目標，兩者雖然存在支撐與被支撐的關系，但不存在孰輕孰重的問題，都是艦艇最重要的標志性能力。生命力是戰斗力的基礎和保障，沒有生命力的支撐，戰斗力就變成無皮之裘、無本之木。艦艇生命力主要由3個方面組成：易擊性（含隱蔽性和武器對抗性）、易損性和恢復性。艦艇的易損性和恢復性均屬艦艇抗爆抗沖擊的范疇，因此艦艇抗爆抗沖擊技術是支撐艦艇生命力提升的核心技術。

隨著我國海軍戰略向中、遠海推進，艦艇的抗爆抗沖擊性能亟需提升。為了能夠在提升艦艇抗爆抗沖擊能力的過程中抓住要點、少走彎路、穩步發展，需要掌握艦艇抗爆抗沖擊的現狀，科學分析技術瓶頸和能力差距，提出全面提升艦艇抗爆抗沖擊能力的技術途徑。

1　艦艇抗爆抗沖擊能力的實戰價值

從美國學者Pusey［1］的觀點來看，生命力技術包括23項內容，其中有14項基礎性的工作涉及艦艇結構和設備的抗爆抗沖擊，主要有打擊致命性評估、破壞現象、破壞和失效模式、系統的響應、損傷數據庫、剩余強度、損傷管制和快速修復等。

歷史上的歷次海戰戰例可以說明艦艇抗爆抗沖擊能力對于實戰的價值。在馬島戰爭中，英國的“謝菲爾德”號巡洋艦被一顆“飛魚”導彈擊中便導致沉沒。而第二次世界大戰（簡稱“二戰”）中美國一艘叫做“拉菲”的軍艦，排水量只有3 200 t，在沖繩海戰中被日本的4枚炸彈和5架裝滿炸彈的“神風”飛機擊中，卻并沒有造成致命的傷害，順利返回軍港［2］，顯示出了艦艇抗打擊能力的極端重要性。自20世紀80年代后期以來，美國共有5艘軍艦在波斯灣沖突和“沙漠風暴”行動中遭受到各種不同現代化武器的攻擊，其中“斯塔克”號（FFG31）被反艦導彈擊中，“塞繆爾”號（FFG58型）、“特里波里”號（LPH10）和“普林斯頓”號（CG59）、“科爾”號分別被水雷、魚雷和恐怖小艇擊中（圖1），都沒有造成致命的傷害，顯示出了美國軍艦較強的抗打擊能力。

美國軍艦之所以具有較強的抗打擊能力，與美國自上世紀40年代以來利用在二戰、越南戰爭、海灣戰爭和“沙漠風暴”行動中積累的大量實戰資料和試驗資料，始終不渝地堅持艦艇生命力的研究有著直接的關系。

圖1舷側被炸后的破口Fig.1 The damaged ship hull after struck

二戰以后，為提高海軍裝備的戰斗力和生命力，美、俄、英、德、荷、意等國家投入大量人力、物力和財力，對爆炸與防護技術的各關鍵領域進行了系統性的理論和試驗研究，包括大量常規水中兵器的實船水下爆炸試驗。此外，美國還對二戰繳獲的軸心國的300多艘水面艦船和潛艇進行了“面包師”、“比基尼島”等多次核武器爆炸試驗，以研究核爆炸對艦艇的毀傷效應。長期以來，北大西洋公約組織（NATO）大約每兩年就要進行一次實船聯合水下爆炸試驗。美國每研制一新型艦艇，均會實施大量的各種尺度的模型爆炸試驗，以驗證其抗爆抗沖擊措施的有效性和先進性，最后，其首制艦均須進行系列水下爆炸考核，合格后方能服役，不合格的則必須改進直至達到抗爆抗沖擊要求，并在整個型號內更改固化。該要求己列入美國的國家規范［3］。

20世紀80年代，美國海軍為了加強艦艇抗爆抗沖擊技術的研究，充分利用相關方面的資料和信息成立了沖擊與振動信息分析中心［1］。其功能是收集實戰中和科研中有關爆炸、沖擊與振動的信息資料以便向各有關從事生命力研究的單位提供服務，同時建立艦艇生命力數據庫。

同時，在美國的退役航空母艦（簡稱“航母”）中，除少量用作博物館以外，其他幾乎全部作為爆炸試驗的靶船，以驗證新技術和新武器的效果，積累爆炸試驗數據。2005年，“小鷹”級航母“美國”號退役后作為靶船，進行了魚雷、巡航導彈和自殺性小艇等各種武器打擊下的損傷、火災控制等專項試驗（圖2），最終，炸沉于大西洋。

圖2美國航母開展的實船爆炸試驗Fig.2　 Aircraft carriers are tested with explosion in America

2　國外艦艇抗爆抗沖擊技術水平現狀

2.1國外艦艇抗爆抗沖擊的整體水平和趨勢

通過系統性的理論和試驗工作，目前，以美國為代表的西方國家已經形成了比較系統的爆炸與沖擊防護技術體系，并在此基礎上形成了比較完整的艦艇結構/設備抗爆抗沖擊設計和評估標準體系。

美國海軍裝備代表了國際上最高水準，其總體技術水平為：水面艦船能夠承受龍骨沖擊因子為0.66的水下非接觸爆炸攻擊而保持完全戰斗力；潛艇能夠承受殼板沖擊因子為1.32的水下非接觸爆炸攻擊而保持完全戰斗力；航母能夠承受14枚魚雷的水下接觸爆炸而不沉；大型水面艦能承受3枚魚雷的水下接觸爆炸而不沉，承受3枚對艦巡航導彈的攻擊后仍然能保持機動能力。另外，美國航母抗導彈打擊的能力尚無準確的指標數據，但美國航母的一次事故可以說明其抗導彈爆炸的能力。美國“企業”號核動力航母在1969年承受了9枚導彈爆炸的嚴重后果，經過數小時的損傷管制處理，恢復了除飛機起降以外的全部功能。這件事間接說明美國航母抗導彈打擊的能力非常強。

2.2標準規范

自上世紀80年代以來，美國多家海軍研究機構對艦艇的抗爆抗沖擊進行了極其廣泛、深入的研究，將艦艇的整船生命力指標提高到了與戰斗力指標同等重要的地位，從艦艇概念設計時就貫徹到艦艇設計的整個過程中，并就生命力問題建立了很多規范和指導性文件。規范有：MIL-STD-2072，MIL-STD-2072（AS），MIL-STD-1629A，MIL-STD-2089和MIL-STD-2069等。指導性文件有：NAVMAT Instruction 3920.4A，DODINST 5000.2，NAVMAT Instruction 3900.16，OPNAV Instruction 9070.1/9072.2和NAVSEA 0908-LP- 000-3010（REV-1）等。艦艇設備沖擊與振動考核試驗方法有：MIL-S-901D，MIL-STD-810G，MIL-STD-798，MIL-DTL-28840 和MIL-STD- 167A系列等。由于照顧到北約國家之間的差異，北約頒布的有關標準在條款執行的嚴格性方面留了很多操作空間，不如美國的標準嚴格。以德國為代表的西歐國家也十分重視艦艇抗沖擊規范工作，于上世紀80年代制定了BV043/85標準來規范艦艇抗爆抗沖擊試驗和評估工作。英國的標準有英國國防標準軍用品的環境試驗—機械試驗DEF STAN 07-55、沖擊手冊BR3021及英國皇家海軍船用設備設計標準RNBASP1274/76等。

2.3緊跟新型號/結構/設備開展抗爆抗沖擊研究

西方海軍強國經過二戰的技術積累以及戰后70年的研究發展，有關傳統的船型結構和設備的抗爆抗沖擊技術已經相當成熟，但隨著艦艇新型號的研發、新裝備的研制以及新材料的應用，又帶來了一些新的抗爆抗沖擊問題需要加以解決。近期，主要研究的新問題包括：

1）先進的雙層船體（Advanced Double Hull，ADH）概念研究［4］。雙層船體由縱向板梁連接內殼、外殼而成，該結構形式顯著增強了船體抵抗海洋載荷和武器打擊的能力（圖3）。

圖3 ADH結構爆炸試驗［4］Fig.3　 Explosion test of ADH concept［4］

2）玻璃鋼船體結構的抗爆研究［5］。研究內容既包括主船體結構，也包括上層建筑結構（圖4）。

圖4復合材料結構的空爆、沖擊試驗［5］Fig.4　 Blast and shock tests of composite structures［5］

3）玻璃鋼與鋼的混合船體概念［6-7］。圖5所示的試驗研究結果顯示，混合船體將鞭狀響應降低了30%～40%，從而顯著提升了生命力。

圖5鋼與復合材料混合船體的水下爆炸鞭狀響應比較［6-7］Fig.5　 Comparing the whipping responses of a hybrid hull with the steel hull to UNDEX［6-7］

4）艦艇集成模塊桅桿（Integrated Modular Mast，IMM）抗爆抗沖擊［8］。該桅桿結構集成了設備儀表、傳感器和天線等，開展了包括空中爆炸、破片和水下爆炸的損傷研究及沖擊環境分析與防護設計（圖6）。

圖6為RNLN巡邏船設計的集成桅桿［8］Fig.6 IMM for RNLN patrol ship［8］

5）箱型縱桁和雙層艙壁結構抗爆研究。F124型護衛艦上裝有3根首尾相連的縱向箱型梁和6道雙層水密橫艙壁，這種采用箱型梁和雙層水密艙壁的構造使船體結構具備了更好的抗爆能力。

6）模塊化舷側導彈垂直發射系統對艦艇抗爆性能的影響［9］。據稱，這樣的設計可以保護艦艇內部艙室和設備，即使導彈在舷側引爆造成外部結構破壞，也不會影響到內部的結構和設備，同時，也可大幅減小進水體積，從而提高剩余浮力和強度，提高生命力（圖7）。

圖7 DDG-1000驅逐艦及其導彈垂直發射系統［9］Fig.7　 DDG-1000 destroyer and its missile vertical launching system［9］

7）多體船抗爆特性研究［10］。小水線面雙體船、側壁式氣墊船和多體船的爆炸動響應及其損傷特性與傳統的單體船存在很大的差異，因此開展了系統的研究。

8）復合材料混合結構泵噴推進器和舵的抗爆研究［11］。圖8所示為英國“機敏”級潛艇的泵噴推進器。

圖8英國“機敏”級潛艇泵噴推進器［11］Fig.8　 The pump jet propulsor of Astute submarine［11］

2.4技術發展水平和趨勢

到目前為止，美國在艦艇設計過程中使用了基于經驗的工程化設備和系統失效判斷法、毀傷體積法，并基于隨機理論和數值計算評估方法等3種手段進行了抗爆性能評估，在交船（艇）時采用實射試驗和評估方法（Live Fire Test and Evaluation，LFT&E）。實射試驗評估是一個將試驗、工程分析和仿真計算結合在一起進行艦艇生命力評估的有效方法［12］，其目的是在小批量生產之前糾正或彌補通過測試評估所發現的抗爆抗沖擊方面的設計缺陷。實射試驗項目一般包括交付的裝備試驗和替代物試驗。根據試驗結果和部分仿真結果開展裝備的抗爆抗沖擊能力與生命力的評定。

在世界海軍強國的艦艇抗爆抗沖擊技術中，符合性考核仍然以模擬實際沖擊環境的試驗考核為主，以實船試驗、整機試驗、分機試驗和零部件試驗的體系保證艦艇結構與設備的抗爆抗沖擊性能。同時，在試驗的基礎上，結合計算力學的最新成果，開發高性能計算軟件，提升艦艇抗爆抗沖擊的分析和預報水平。代表性的成果是水下爆炸沖擊分析程序（USA）和液固氣瞬態相互作用分析軟件（DYSMAS）。另外，在測量技術上，與艦艇抗爆抗沖擊相關的電測和光學測量的探頭與二次儀表向高精度、高可靠性及強環境適應性方向發展。

2.5技術基礎和能力的發展趨勢

美國等海軍發達國家的艦艇抗爆抗沖擊技術已達到相當高的水平，這與其長期重視基礎性的工作密不可分。美國自二戰以來，對每一艘被攻擊或試驗受損的艦艇均仔細勘驗受損情況，分析損傷得嚴重或不嚴重的原因，提出改進建議，其以這種方式積累了大量的基礎數據并形成了基礎數據庫。同時，在結構動力學、計算力學、動態斷裂力學和多場耦合力學等基礎理論方面也開展了大量工作，支撐著艦艇抗爆抗沖擊力學向前發展。目前的研究熱點有：

1）專為海軍增強的Sierra力學軟件（Navy Enhanced Sierra Mechanics，NESM）。

這是一款專為海軍設計的、基于Sierra計算方式的多場耦合力學分析軟件，與現有的流固耦合分析軟件相比，它具有分布式網格管理、場管理和力學算法等獨特的功能，適用于爆炸產物、周圍介質與結構的相互作用。美國試圖在開發該軟件后部分替代物理實驗，目前，正在進行嚴格的測試與考核。

2）近場動力學（Peridynamics）。

美歐正在努力將近場動力學應用于艦艇抗爆抗沖擊分析之中。近場動力學是一種適于分析不連續變形，尤其是斷裂的一種連續介質力學，它基于空間積分方程描述物質的力學行為，而不是采用通常的微分方程，避免了在處理不連續問題時的奇異性。該方法在研究結構爆炸沖擊斷裂擴展以及結構的失效方面具有良好的應用前景。

3）焊接工藝對沖擊強度的影響。

船用鋼、鋁合金是船（艇）體結構的常用材料，其焊接后的結構，尤其在焊接熱影響區，沖擊強度下降將直接影響這個結構的抗爆抗沖擊性能。美國近期在焊接工藝參數對結構爆炸的影響方面開展了系統的研究，以期獲得優化的焊接參數，提高加工工藝水平。

4）電子元器件抗沖擊計算和試驗模擬。

全艦所有的信息和絕大部分控制活動均由電子元器件承擔，其抗沖擊設計及考核是艦艇抗爆抗沖擊工作的重要組成部分。由于電子元器件和組件多種多樣，新結構和新材料的應用一日千里，故給抗沖擊試驗模擬提出了新的技術需求；另外，其在艦艇上的安裝位置千差萬別，其沖擊載荷的確定也非易事。因此，國際上對于電子元器件抗沖擊計算和試驗模擬持續給予了大量的人力和物力的投入，以滿足艦艇總體抗爆抗沖擊設計研究的要求。

5）試驗和測量能力。

目前，美國進行實船爆炸試驗時各類參數的實時測試通道達到了2 000多個；在設備沖擊試驗考核方面，建立了涵蓋潛艇和水面艦船的完整體系，水面艦船安裝設備的考核重量達到181 t，潛艇設備的考核重量達到300 t。在測量技術方面，形成了完整的爆炸壓力、應變和加速度的電測與光測系統，基本滿足了艦艇抗爆抗沖擊技術的發展需求。目前，正在大力開展3D-DIC動態位移場測量、動態數字散斑法、超高速光纖應變測量和高速多普勒速度測量等技術的研究，以進一步提高強爆炸嚴酷環境條件下結構動響應的測量。

2.6艦艇抗沖擊技術活動與組織

作為世界上最強的軍事大國，美國非常重視水下爆炸與防護技術的研究工作。自1947年以來，共進行了85屆沖擊與振動學術交流會，現在每年舉辦一次，參會的有來自美國本土、歐洲、亞洲和大洋洲的人員，進行超過200篇論文的交流。另外，每年還開辦5場以上的專題培訓，以普及基本概念、抗沖擊設計和試驗考核等專業知識為主，提升行業的整體認識水平和技術。目前，這項工作由美國沖擊與振動交流中心（Shock and vibration exchange）負責運作，該中心掛靠在專門從事艦艇抗爆抗沖擊試驗研究、不隸屬于軍方的高沖擊測試實驗室（High Test Laboratory，HTL）。另外，美國水面武器研究中心的水下爆炸研究分部（Underwater explosion research division）也是重要的研究力量之一，一直在持續開展水下爆炸高效毀傷機理、水中艦艇目標易損性及毀傷評估、試驗方法、測量評估標準等的研究。在該分部的統籌協調和技術推動下，完成了水下爆炸與防護技術理論體系工作，完成了航母、核潛艇、大型驅逐艦的所有海上實船爆炸試驗，建立了系統、全面的艦船易損性數據庫，有力地推動了美國海軍裝備的創新發展。同時，美國麻省理工學院、加州大學伯克利分校、伊利諾伊大學香檳分校、密西根安娜堡大學、西北大學、羅德島大學和海軍研究生院等高校也均在從事艦艇抗爆抗沖擊的研究工作［13-14］。美國海軍作戰部長是艦艇抗爆抗沖擊的責任人，艦艇特性和改進委員會是艦艇抗爆抗沖擊工作的執行與支撐機構。

英國、澳大利亞、俄羅斯、德國、印度、加拿大、韓國、意大利和荷蘭等國家均建有專門的艦艇抗爆抗沖擊研究機構，負責水下爆炸技術發展規劃、重大基礎試驗研究設施建設、專用測試技術研究、應用技術研究、設計和試驗驗收標準的制定以及重大試驗研究項目的實施［15-16］。

3　國內現狀以及與國際先進水平的差距分析

我國艦艇的抗爆抗沖擊能力與國際先進水平有著較大差距，主要表現在艦艇的總體抗爆抗沖擊水平比較低。在抗非接觸爆炸方面，設備的抗沖擊能力良莠不齊，整體抗爆能力不清，尤其在潛艇方面；在抗空中和水下接觸爆炸方面，開展的研究更少，技術比較落后。

3.1國內現狀

我國艦艇抗爆抗沖擊技術研究起步晚、累計投入少，跟蹤多、創新少，應用多、基礎少，計算多、試驗少，導致我國艦艇抗爆抗沖擊性能與西方軍事強國相比差距較大。雖然通過幾十年的追趕，目前我國艦艇抗爆抗沖擊能力已有一定的提升，但仍處于整體落后的局面。

以水面艦船抗爆性能為例，2007年，對一艘退役艦進行了實船水下爆炸試驗，該艦的抗爆水平具有一定的代表性。試驗表明，該艦在龍骨沖擊因子很小時即出現輕微破壞、管道斷裂漏水、照明燈熄滅；當龍骨沖擊因子適當加大后，即出現中等程度破壞，自動操舵系統和導航電子設備部分失效，通海閥漏水，配電板漏電起火；當龍骨沖擊因子較大時，出現了較嚴重的破壞，動力設備的減振元器件大量破壞、通海閥嚴重破壞、推進軸卡死、全艦失電。而美國和歐洲均要求全艦在龍骨沖擊因子為0.66時尚能確保執行全部作戰任務。因此，我國水面艦船抗爆的工程總體水平估計與美歐上世紀60年代相當，部分單項技術達到美歐上世紀90年代水平。但由于整體上全艦（艇）抗爆的系統性和均衡性較差，不同設備的抗沖擊能力良莠不齊：新研設備雖然提高了抗沖擊標準，選用設備仍然保持較低的抗沖擊能力，從而導致艦艇整體抗爆性能不高。此外，我國潛艇從未進行過實艇水下爆炸試驗，整體的抗爆抗沖擊能力更不見底。而美國潛艇的抗爆要求比水面艦更高，估計差距更大。

3.2基礎和能力差距

艦艇抗爆抗沖擊技術體系應當包含技術基礎、應用技術、試驗與評估技術、工程開發和驗收評估等方面。目前，我國在艦艇抗爆抗沖擊的基礎研究方面，能全面跟蹤國際上先進的爆轟理論、沖擊波理論、流固耦合理論、材料動態本構關系和結構彈塑性理論的研究進展，全面掌握了國際動態。在跟蹤國外先進理論的基礎上，已經具備在基礎理論領域自我創新的能力，目前已發展了三維水彈性理論、沖擊波在自由面和底部傳播的非線性理論、炸藥能量輸出結構控制理論、聲學雙重漸近方法、朱—王—唐本構關系等一批具有創新性的理論，與國外先進水平的差距相對較小。但在理論方法的集成形成商用化計算軟件方面差距卻非常大，廣泛使用的商用軟件都是國外的，缺乏自己的基礎計算平臺，制約了在計算方法和技術上的進一步發展。在艦艇抗爆抗沖擊試驗方面，已擁有了一系列的試驗研究和考核設備，如各型沖擊機、浮動沖擊平臺等，但試驗考核能力還不如國外。我國艦艇裝艦設備的試驗考核能力只能做到50 t重的設備，美國已達到300 t，并且各家單位的試驗考核的沖擊烈度也不一致。另外，雖然設備的抗沖擊計算都在開展，但計算結果的可靠性也不夠，從而極大地制約了我國艦艇抗爆抗沖擊水平的提升。

3.3經驗和創新的差距

我國的海軍艦艇沒有經歷過大規模的海戰，爆炸試驗也開展得不多，因此經驗和數據積累與海軍強國相比差距很大。國內雖然具備了進行理論創新的能力和理論基礎，但是創新的面還比較窄，大多數的基礎理論還是沿用國外的理論成果，理論創新的深度和廣度與先進國家相比有較大的差距。

3.4技術普及和培訓差距

我國艦艇抗爆抗沖擊技術體系的基礎比較薄弱，在組織上缺乏責任人和執行機構，對艦艇抗爆抗沖擊工作的長期性和艱巨性認識不足，科研經費投入有限，并且由于沒有共享的信息平臺，低水平重復的研究工作也很多，導致資源的浪費。另很多從業人員并未經過系統的學習和培訓，對艦艇抗爆抗沖擊技術的一些基本概念并不清晰，致使有限經費的使用效率大打折扣。

3.5技術開發和工程應用差距

我國在新型綠色環保試驗技術、新船型技術抗爆問題、新型裝備（如各種先進推進設備）的抗沖擊問題、新型抗爆防護結構（如箱型梁、雙層船體雙層艙壁）的研究與設計、一體化集成上層建筑研究與設計及新型抗爆材料的研究等方面，與國外存在著較大差距。在工程應用方面，由于研究成果的有效性沒有經過嚴格的試驗考核和評估，很多技術在產品上得不到應用。

4　艦艇抗爆抗沖擊技術的結構分析

4.1艦艇抗爆抗沖擊技術的構成

1）艦艇抗爆抗沖擊總體技術。

該技術用于從總體上提出艦艇抗爆抗沖擊要求、指標分配方案，為總體設計和評估提供方法、工具和基礎數據，包括艦艇抗爆抗沖擊指標論證、分配與評估技術、總體布置優化和冗余設計技術、損傷管制技術、抗爆分艙設計技術、其他總體性能的兼容與權衡設計技術以及新技術應用的費效評估技術。

2）艦艇爆炸載荷預報技術。

該技術為艦艇在核/常規武器水下爆炸和空中爆炸以及常規武器艙內爆炸攻擊下爆炸載荷的確定提供預報方法、工具和基礎數據，包括核武器水下/空中爆炸沖擊波預報技術、核武器水下爆炸引起的水波預報技術、常規武器水下爆炸氣泡載荷預報技術、瞬態流固耦合分析技術、沖擊波在結構表面的繞射技術、沖擊波在實際海洋環境下的傳播分析技術、爆炸載荷試驗和測量技術等。

3）結構抗爆防護技術。

該技術為艦艇結構的抗爆強化、提高結構抗爆防護效率提供方法、工具和基礎數據，包括結構爆炸損傷評估技術、防護結構構型/設計與評估技術、典型結構爆炸沖擊破壞模式和判據研究、艙室防護結構設計技術、結構爆炸動力學試驗與測量技術等。

4）艦艇設備和人員抗沖擊技術。

為強化艦艇設備（包括管路）的抗沖擊能力，提高對設備和人員的沖擊防護能力提供方法、工具和基礎數據，包括設備抗沖擊設計與評估技術、設備沖擊防護技術、設備沖擊環境預報和控制技術、人員沖擊損傷模式和判據、沖擊防護元器件技術、設備沖擊考核試驗與測量技術等。

4.2技術的輸入

艦艇抗爆抗沖擊技術發展的動力在于提升艦艇在高水平實戰對抗條件下的生命力需求，艦艇新船型、新裝備的產品升級換代不斷對艦艇抗爆抗沖擊技術提出新的需求；同時，材料學、力學、測量技術和計算機技術等基礎學科的發展，以及新材料、新結構的應用為本技術的發展提供了科學基礎。

4.3技術的輸出

艦艇抗爆抗沖擊技術的輸出是建立艦艇抗爆抗沖擊技術體系和能力，包括設計方法、設計判據、評估方法、試驗和考核方法、基礎數據和數據庫；應用這些技術和能力解決實際工程問題，在開發出高抗爆抗沖擊能力的艦艇產品的同時進一步提出提高技術及裝備水平的基礎問題，以滿足不斷增長的實戰對性能的需求。艦艇抗爆抗沖擊技術的輸入輸出結構如圖9所示。

圖9艦艇抗爆抗沖擊技術的輸入輸出結構Fig.9　 The makeup of input and output of naval ships anti-explosion and shock technology

5　瓶頸分析

5.1結構接觸爆炸防護設計與評估

艦艇無論是被空中還是水中兵器攻擊下的接觸爆炸損傷，其結構的損傷機理均十分復雜，不僅涉及到爆炸的損傷效應評估，還涉及到如何應用結構、空間及質量等資源，使接觸爆炸產生的破壞效應降低到最小。我國在這方面的技術非常薄弱，迫切需要發展艦艇在空中和水下接觸爆炸作用下的防護結構設計與評估技術。制約結構抗接觸爆炸防護設計與評估的關鍵技術體現在：高強載荷測量技術、多層次爆炸載荷耗散技術和多模式結構毀傷分析技術、結構爆炸損傷判據等。

5.2結構抗導彈穿透設計與評估

由于艦船水上部分的重量受到嚴格限制，現代艦船要使用傳統的厚裝甲來防護對艦導彈的穿透在重量上是難以承受的。而大型水面艦船的關鍵艙室又必須要具備對導彈的防護能力，一旦導彈在關鍵艙室爆炸，后果不堪設想。因此，必須尋找新的防護方式，綜合利用結構的不均勻性和空間來實現對導彈穿透的防護。這項技術涉及到多種結構動力學和運動學的理論，以及多結構參數對防護效果的影響規律等難題，而國內對于這項工作的研究還基本空白，是大型艦船重要艙室防護設計的關鍵問題。

5.3軸系抗沖擊設計與評估

軸系是艦艇動力系統的重要組成部分，軸系的沖擊安全性直接關系到艦艇動力系統的可靠性和安全性，是艦艇生命力的重要組成部分。國內在一系列實船水下爆炸試驗中，多次出現爆炸距離較遠、大部分設備工作正常，而推進軸系卡死的現象，使艦艇無法機動，導致艦艇基本喪失戰斗力。由于軸系難以實現沖擊載荷的隔離和防護，成為艦艇抗爆安全性的薄弱環節，必須引起足夠的重視而予以提高。軸系抗沖擊問題極其復雜，涉及到多點沖擊輸入環境、滑動軸承沖擊特性、軸系—軸承—支撐結構彈塑性耦合響應、沖擊破壞判據、軸系—軸承座—艙壁—設備基座之間的強度和剛度匹配性設計等多項關鍵技術難點，國內在軸系的抗沖擊設計方法、設計驗證和裝艦前的試驗考核等方面還缺乏有效的手段，導致軸系抗沖擊技術水平不高。

5.4結構抗艙內爆炸設計與評估

導彈穿透舷側外板后在艦艇艙內爆炸，會產生沖擊波、破片和準靜態壓力等多種載荷，造成艦艇的大面積嚴重破壞，是艦艇艙室結構抗爆設計的一個關鍵問題。但目前對于這方面的研究很少，尤其是對于艙內爆炸載荷以及艙室結構的破壞模式、抗爆結構強化等方面的研究還鮮有高水平、可靠的創新性成果可供應用，嚴重影響艦艇抗艙內爆炸水平的提高。

5.5重大設備抗爆抗沖擊設計與評估

艦艇上的重大設備一般是與動力和武器相關的大型設備，如核動力裝置、燃氣輪機、導彈發射裝置、艦炮和大型雷達等，這些設備均是體現艦艇生命力和戰斗力的核心設備，一旦失效就會產生極大的影響。而這些設備的結構以及在爆炸沖擊條件下的損傷機理均十分復雜，在缺乏可靠的整機試驗考核和實船試驗驗證的基礎上，完成可靠的抗爆抗沖擊性能設計和評估非常困難，需要通過深入地研究沖擊載荷在安裝基礎、機腳、零部件之間的傳遞特性，形成經過試驗驗證的零部件沖擊載荷和沖擊響應計算方法，結合關鍵零部件的沖擊試驗，在缺乏整機試驗條件時，形成重型設備抗沖擊設計與評估方法。

5.6人員沖擊損傷閾值和防護

人員是艦艇執行任務的主體和靈魂，人員損傷預報和防護方法對于保持艦艇戰斗力至關重要。我國在人員沖擊防護研究方面雖然積累了不少經驗與試驗數據，但不完整、不全面，如國家軍用標準《水面艦艇沖擊對站姿人體作用安全限值》也局限于垂向沖擊情況，沒有坐姿和臥姿的數據。在沖擊損傷機理和閾值方面，對顱腦、脊柱、胸腹、神經、內臟器官和各類關節損傷的研究均未達到實用化的程度，導致我國艦員在實際戰斗條件下的損傷閾值不清，引起艦員在沖擊損傷后的戰斗力的評估缺乏可靠的依據。另外，在三維復合沖擊載荷作用下，人體的耐受性、在由爆炸引起的強聲波和次聲波作用下的耐受性方面的研究需要深入。

5.7艦艇結構在爆炸作用下的沖擊響應特征

艦載設備的沖擊環境是抗沖擊設計、試驗和評估的載荷輸入，是進行全艦抗爆抗沖擊性能的基礎數據。而艦艇結構在爆炸作用下的響應特征以及與設備的相互作用特性是決定裝艦設備沖擊環境的基礎。我國艦艇設備抗沖擊設計和考核的沖擊環境數據主要來自于國外的資料。由于沒有完全掌握艦艇在水下爆炸、空中爆炸和艙內爆炸條件下的結構響應及其傳遞時域和頻域特征，不了解艦艇設備的重量、頻率和阻尼對船體結構的反作用量化規律，導致既對國外的數據和計算方法存在諸多疑問，又無法自己建立起科學依據充分、整體協調一致、符合我國國情的艦艇設備抗沖擊設計和考核的沖擊環境要求，嚴重制約了我國艦艇設備抗沖擊能力的根本提高。

5.8艦面系統抗沖擊設計與評估

艦面電子信息系統是艦艇的“眼睛”，暴露在外部，加上其功能的特殊性，在作戰時扮演著極其重要的角色，因此戰時也必將成為對方攻擊的首選目標，一旦失效，將嚴重影響戰斗力。艦艇的艦面電子系統由雷達、天線等構成，其結構均力求質輕而強度高，大多柔度較大，極易與艦艇結構的低階模態耦合而造成損傷。它們不但會受到安裝基礎的沖擊載荷，還會受到空中爆炸沖擊波和飛片載荷，破壞機理復雜。但我國在艦面系統防護方面所開展的工作甚少，對其在戰時的敵方攻擊損傷模式、損傷規律均不清楚，損傷評估方法也未建立起來，可能會嚴重影響其戰時功能的發揮，需要加大研究力度。

5.9潛艇實艇抗沖擊試驗技術

潛艇抗爆抗沖擊水平的提升必須依靠潛艇實船沖擊試驗，不實施實艇水下爆炸試驗，潛艇的生命力難以有實質性的提高。和水面艦船爆炸試驗相比，潛艇水下爆炸試驗的難度要大很多，在潛艇抗沖擊能力評估、有波浪和海流條件下實施潛艇的水下可靠定位、藥包可靠定位、試驗后可靠回收、意外情況處理等方面均需要有力的技術支撐，而我國在這方面既沒有基礎，又沒有開展實質性的深入研究，致使我國長期以來不具備技術能力實施潛艇的水下爆炸試驗，嚴重制約我國潛艇抗爆技術水平的提高。

6　全面提高艦艇抗爆抗沖擊能力的技術途徑建議

6.1摸清家底，補齊“短板”

我國艦艇抗爆抗沖擊性能提高最緊迫的問題不是技術落后，而是家底不清，不清楚主戰及輔助艦艇的整體以及各系統和設備的抗爆抗沖擊能力，給部隊的備戰和損傷管制以及功能恢復造成了很大的不確定度和困難。近年來的幾次實船水下非接觸爆炸試驗表明，我國裝艦設備的抗沖擊能力良莠不齊，一些對執行使命任務非常關鍵的抗沖擊A類設備的抗沖擊能力也非常差，會導致艦艇過早喪失機動能力和戰斗能力。究其原因，是在我國艦艇發展的過程中，早期主要以解決產品的有無為目標，對抗沖擊性能重視不夠。因此，目前艦艇上的很多設備既沒有經過沖擊試驗考核，也沒有通過嚴格的計算考核。因此建議：

1）梳理出裝艦（艇）設備中尚未按標準沖擊試驗考核過的抗沖擊A類和B類設備清單，在相關的型號研制中安排專項補充試驗，掌握實際情況，摸清設備，尤其是減振元器件、浮筏系統、雷達天線和超過一定重量的重型設備等的抗沖擊能力。對不滿足抗沖擊要求的設備，安排抗沖擊強化和改進抗沖擊防護的工作，盡快滿足抗沖擊標準，補齊設備抗沖擊“短板”。

2）由于我國潛艇尚未開展過實艇水下爆炸試驗，整艇的抗爆能力完全不清，而抗沖擊薄弱環節對潛艇的戰斗力具有重大影響。因此，需利用退役潛艇開展潛艇水下爆炸試驗，通過對試驗結果的分析和評估，發現薄弱環節；通過與現役潛艇技術狀態的比對，摸清現役潛艇系統級的抗沖擊能力，提出改進措施，實施現役潛艇抗沖擊改進計劃，全面提升潛艇抗爆抗沖擊能力，同時帶動潛艇實艇抗沖擊試驗技術的發展。

3）由于我國水面艦船抵抗對艦導彈攻擊的能力基本不清楚，迫切需要利用退役水面艦船開展對艦導彈攻擊損傷的科學研究試驗，以及由攻擊引起的火災控制和損傷修復試驗，其性質類似于美國的“美國”號航母的爆炸試驗，以評估水面艦船在對艦導彈攻擊下的損傷模式和損傷程度，發現艦艇的抗穿甲、抗艙內爆炸薄弱環節，驗證計算模型，提出改進措施和新型抗爆結構，以應用于新研艦艇。

6.2搭建平臺、夯實基礎

艦艇抗爆抗沖擊是一項技術性很強的工作，涉及面廣、理論深、技術含量高，需要高水平的基礎研究、技術研發和工程開發團隊的協同努力、共同促進、共同提高，需要一個集技術開發、技術交流和培訓、數據收集和共享、技術驗證和評定于一身的公共平臺。建立服務于全行業的艦艇抗爆抗沖擊技術中心，具體功能包括：

1）擁有較為齊全的水下爆炸、空中爆炸、艙內爆炸和海上爆炸試驗設施及開放式的重點實驗室，重點開展前瞻性、基礎性研究和重大技術的研究，關注近場動力學、塞拉力學等前沿結構沖擊動力學的研究進展，建立具有自主知識產權的、由大型數據庫支撐的綜合性艦艇抗爆抗沖擊計算、分析和評估軟件系統，夯實技術基礎，推動技術發展。

2）承擔培訓責任，每年面向行業定期培訓艦艇抗爆抗沖擊的基礎理論、應用技術并介紹最新進展和技術動態，提升業內人員的技術水平。

3）負責艦艇抗爆抗沖擊信息的收集、分析和共享，建立服務于全行業的艦艇抗爆抗沖擊數據庫，包括試驗模型、試驗數據、理論模型和計算方法等。

4）具備新技術、新產品進行客觀公正的評估/評定的試驗測試能力和理論分析能力。

6.3重點突破、全面推廣

經過50多年的發展，我國已經具備了一定的艦艇結構和設備的抗爆抗沖擊設計、計算和試驗能力，能夠在重點型號產品的研制中實現抗爆抗沖擊性能的跨越式提升。擬在水面艦船和潛艇中各選擇一型重點型號，將其抗爆抗沖擊指標作為重要的硬指標考核，從方案設計階段就把提升其抗爆抗沖擊能力作為重點目標之一。通過頂層設計、平衡迭代、綜合評估，不斷應用新思路和新技術，不斷消除短板，尤其是核動力系統、主推進系統、操船系統和艦面系統等，實現抗爆抗沖擊能力的跨越式提升。同時積累應用經驗，完善應用技術，向其他型號推廣，全面提升裝備的抗爆抗沖擊水平。

6.4成果共享、保護創新

艦艇抗爆抗沖擊技術的進步，需要源源不斷的創新性成果。創新性研究成果的取得均花費了巨大的人力和物力，來之不易，應該盡快以標準的方式推廣應用，通過全行業共享來發揮最大的軍事效益。從另一個方面看，創新成果只有得到保護，才是尊重創新性勞動，才會有更多的人投入到創新性工作中，才會有更多的創新型成果出現。應杜絕抄襲和剽竊，拒絕對科研成果的強搶豪奪。建議建立嚴格的全行業艦艇抗爆抗沖擊成果檢測鑒定制度和登記制度，所有研究成果需先經過檢測和評估，得到客觀的性能指標認定后再進行登記，將成果所使用的原理、方法和效果均登錄在數據庫內，供業內相關人員查閱和參考，推動技術的發展。

6.5統一標準、嚴格考核

我國的艦艇抗爆抗沖擊標準長期以來比較混亂，艦艇本身沒有嚴格的抗爆抗沖擊標準，導致艦艇上安裝的設備系統執行的抗沖擊標準五花八門：有艦艇設備的標準，有電子產品的標準，有航空的標準，有航天的標準，也有核動力的標準等。這些標準都有抗沖擊指標，但指標的嚴酷度差別甚大，極易產生“短板”效應。同時，我國艦艇設備的抗沖擊要求也存在很大的漏洞，抗沖擊試驗標準只有沖擊試驗機及試驗方法，沒有對沖擊機所模擬的環境條件提要求的標準，導致沖擊機的環境差異較大，即使設備通過了沖擊試驗，其抗沖擊性能差異也很大。近年來，業內有參考BV043標準，提出了不同于GJB150的試驗方法，兩個標準之間在制定標準的思路、計算方法、沖擊環境施加位置和沖擊合格性判據等方面的差異性尚沒有經過評定，但已經在型號產品中應用，給型號產品的抗沖擊評定的尺度造成了不利影響。由此反映出抗爆抗沖擊標準應用的混亂情況。因此，需要統一的標準有：

1）艦艇抗爆抗沖擊要求；

2）艦艇設備抗沖擊試驗考核方法；

3）艦艇設備抗沖擊設計準則；

4）艦艇設備沖擊考核試驗裝置要求和檢測方法；

5）艦艇設備抗沖擊性能計算評定方法等。

同時，艦艇抗爆抗沖擊的標準從產品的行政線和技術線都要制定嚴格的制度以保證其實施。

7　結　語

通過對國內、外艦艇抗爆抗沖擊技術基礎、技術發展和工程能力的現狀與發展趨勢的分析，對比了我國艦艇抗爆抗沖擊技術和裝備與國際先進水平的差距，從該技術的結構體系上分析了我國的主要瓶頸技術，從而提出了全面提高艦艇抗爆抗沖擊技術水平的6點建議，可以作為推動艦艇抗爆抗沖擊技術發展規劃和決策的參考。

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The state analysis and technical development routes for the anti-explosion and shock technology of naval ships

LIU Jianhu1，ZHOU Xintao2，PAN Jianqiang1，WANG Haikun1

1 China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China
2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China

Abstract：The Anti-Explosion and Shock Capability (AESC) of naval ships or submarines is a primary in?dex that influences the comprehensive marine performance and is an important prerequisite of the surviv?ability, which can directly affect the performance of combat effectiveness. The AESC of naval ships or sub?marines of our country is poorer than that of the developed countries and needs immediate and overall en?hancement. The task involves resource assignment, technological development, and management measure?ment, where the technology is the key, and the technical routine is of vital significance. In this paper, some viewpoints are proposed on the technical routine of enhancing the AESC of naval ships or submarines. First, the status and the tendency of the AESC of inner and abroad naval ships and submarines are re?viewed from the aspect of technology. Next, the key problems hindering the AESC enhancement are ana?lyzed. Finally, certain proposals are presented for the technical routine of enhancing the AESC according to the works with different importance and emergency. In brief, the proposals serve as good references for the research, design, and assessment of enhancing the AESC of naval ships and submarines.

Key words：naval ship；Anti-Explosion and Shock Capability（AESC）；vulnerability；recoverability；survivability

作者簡介：劉建湖（通信作者），男，1963年生，博士，研究員。研究方向：艦船抗爆抗沖擊。E-mail：liujh@cssrc.com.cn周心桃，女，1969年生，碩士，高級工程師。研究方向：艦船結構設計。E-mail：pzxt@2911.net

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2015 - 06 - 13網絡出版時間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U674.7+0

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.007

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.018.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：劉建湖，周心桃，潘建強，等.艦艇抗爆抗沖擊技術現狀和發展途徑［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：46-56，71. LIU Jianhu，ZHOU Xintao，PAN Jianqiang，et al. The state analysis and technical development routes for the anti-ex?plosion and shock technology of naval ships［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：46-56，71.