均匀设计法在鱼雷尾流自导试验设计中的应用

邓南明, 邓新文



均匀设计法在鱼雷尾流自导试验设计中的应用

邓南明, 邓新文

(中国人民解放军91388部队, 广东 湛江, 524022)

通过对影响鱼雷尾流自导因素的分析, 选取了试验设计因素, 并对鱼雷尾流自导试验各因素水平进行设置, 利用均匀设计的方法进行鱼雷尾流自导试验设计。相对以往设计方案对因素的选取、水平设置及组合主观随意性较大的情况, 采用均匀设计法设计的方案, 其客观合理性与试验点的均匀分散性都得到较大提升。相较于全面试验设计以及正交设计的方法, 可以在不降低试验效果的前提下有效减少试验条次数, 经济效益明显, 可行性高, 易于实施。文中所做研究也可为鱼雷声自导试验设计的优化提供参考。

鱼雷; 均匀设计法; 尾流自导; 试验设计

0 引言

尾流自导作战能力的评估以及条次合格率的考核与鱼雷尾流自导试验设计息息相关。而目前这两项指标的试验, 通常只要求在规定的使用条件范围内进行, 并没有对试验条件进行过多限定, 由此导致试验设计具有一定的主观随意性。试验条件偏向于边界, 则会加大研制方风险, 试验条件过于良好, 又会加大采购方风险。而试验条件主要取决于试验变量(因素)的选取、因素水平的设置及组合。目前, 均匀设计是一种比较成熟的试验设计方法, 通常配合回归分析对试验进行优化, 旨在探究试验结果与试验因素之间的关系, 常用的方式是为了获取最优的工艺条件或者是最优的配方等[1-3], 其核心思想是保证试验点的均匀分散性, 使得每个试验号各因素水平之和大致相同, 达到水平上的均匀, 可以通过少量的试验样本量得到较为有效的试验结论[4]。文章采用均匀设计法, 其目的不在于探索试验结果与各因素之间的关系, 而是利用均匀设计的均匀分散性避免试验条件设置的主观随意性, 使试验条件设置更加客观合理, 同时使用较少的试验条次获取较为有效的试验结论。

1 试验因素选取及水平设置

1.1 试验因素选取

从鱼雷的角度出发, 影响鱼雷尾流自导的因素主要有目标尾流特性、鱼雷入尾流角度与鱼雷入尾流位置。舰船航行, 产生尾流的主要来源可以分为3个: 一是船艏尾流, 由于船艏波浪翻转卷入空气, 形成气泡; 二是湍流边界层尾流, 在船壳两侧, 湍流边界层卷入空气形成尾流; 三是螺旋桨尾流, 螺旋桨的旋转将会在水中形成漩涡, 漩涡的中心便会出现低压区, 溶解在水中的空气便会在低压区冒出来形成气泡。舰船的尾流特性主要跟舰船的线型、长度、宽度、吃水深度、排水量(吨位)、航速、螺旋桨安装位置、螺旋桨的几何参数(包括个数)及工作参数、航行海域的海况有关, 同时由于目前鱼雷尾流自导通常采用的尾流声学特性, 所以舰船的尾流特性还与其所航行海域的盐度与温度有关[5]。

鱼雷尾流自导的攻击对象主要为中大型水面舰船, 因为中大型水面舰船造价昂贵, 各个国家的中大型水面舰船每个系列的数量都较少, 由此导致目标舰船自身特征在船身线型、长度、宽度、螺旋桨安装位置、螺旋桨的几何参数(包括个数)及工作参数等方面各具特点, 数据多样化, 不方便纳入攻击目标的指标要求, 往往选取排水量、吃水深度、航速作为攻击目标的检验要求。除了舰船自身特征外, 海况、温度和盐度等环境因素, 以及鱼雷入尾流的角度、位置等态势也影响鱼雷的尾流自导。所以在进行鱼雷尾流自导试验设计时, 选取的试验因素主要有目标舰船的排水量、吃水深度、航速、海区海况、温度、盐度、鱼雷入尾流角度及位置。

1.2 试验因素的范围

1.3 试验水平设置

鱼雷试验的因素水平通常难以像配方优化试验那样量化设置, 但是可以采用分等级设置。结合工程实践及试验因素范围, 对各试验因素水平设置如下。

海水温度: 3个水平, 水平1为低温, 水平2为中温, 水平3为高温。当试验条件允许, 能分别在渤海、东海与南海开展试验时, 低温为渤海的冬季、中温为东海的春季或者秋季、高温为南海的夏季; 若试验条件不允许, 只能在某固定海区试验时, 则低温为该海域的冬季, 中温为该海域的春季或者秋季, 高温为该海域的夏季。

海水盐度: 3个水平, 水平1为低盐(河口附近), 水平2为中盐(近岸), 水平3为高盐(远海)。

入尾流角度: 3个水平, 水平1为垂直, 水平2为尾追(取边界值为最小角度), 水平3为迎击(取边界值为最大角度)。

鱼雷尾流自导试验因素选取及水平设置如表1所示。

表1 试验因素选取与水平设置

2 试验设计

2.1 一般条件试验设计

表2 均匀设计的一般条件试验方案

表3 一般条件实航试验方案

实航试验安排: 1) 高海况下鱼雷尾流自导迎击入尾流前部攻击中高速大型水面舰试验; 2) 低海况下鱼雷尾流自导尾追入尾流前部攻击低速浅吃水大型水面舰试验; 3) 高海况下鱼雷尾流自导垂直入尾流后部攻击中高速浅吃水大型水面舰试验; 4) 低海况下鱼雷尾流自导迎击入尾流后部攻击低速中型水面舰试验; 5) 高海况下鱼雷尾流自导尾追入尾流中部攻击中高速中型水面舰试验; 6) 低海况下鱼雷尾流自导垂直入尾流中部攻击低速浅吃水中型水面舰试验。

一般条件试验适用于在试验经费充足, 试验条次数约束较少的情况下使用, 可以用于作战试验中鱼雷尾流自导试验的设计, 评估该型鱼雷尾流自导的作战能力, 以及性能试验中鱼雷尾流自导条次合格率考核的试验设计, 其试验结论代表鱼雷尾流自导作战能力或者条次合格率的一般水平。

2.2 下边界条件试验设计

表4 均匀设计的下边界条件试验方案

表5 下边界条件实航试验方案

实航试验具体安排: 1) 高海况下鱼雷尾流自导尾追入尾流前部攻击低速浅吃水中型水面舰试验; 2) 高海况下鱼雷尾流自导尾追入尾流后部攻击低速浅吃水中型水面舰试验; 3) 高海况下鱼雷尾流自导迎击入尾流后部攻击低速浅吃水中型水面舰试验; 4) 高海况下鱼雷尾流自导迎击入尾流前部攻击低速浅吃水中型水面舰试验。

下边界条件试验, 可以充分验证鱼雷尾流自导在下边界条件上的一般表现, 得出的结论可以说明鱼雷尾流自导性能在有效工作范围内的最低水平。适合在试验经费受限, 条次数受约束, 但是试验标准严格的性能试验任务中使用, 验证鱼雷尾流自导条次合格率的最低可达水平。

3 结束语

从影响鱼雷尾流自导的因素出发, 采用均匀设计的方法进行鱼雷尾流自导试验设计, 有效的避免了试验条件设置的主观随意性, 而且得到的试验方案能够通过较少的试验条次获得客观有效的试验结论, 经济效益好, 技术可行性高。试验因素中温度与盐度影响较小, 用于科学研究或者仿真试验可以采用考虑温度与盐度的试验方案, 在性能试验或者作战试验的实航试验中, 考虑经济效益可采用不考虑温度与盐度的实航试验方案。均匀设计法不仅能用于鱼雷尾流自导试验设计的优化, 还能应用于被动声自导以及主动声自导试验设计的优化, 下一步将就此继续展开研究。

[1] 郑赟韬, 池元成, 陈阳. 基于均匀设计的粒子群优化在减压器优化设计中的应用[J]. 航空动力学报, 2012, 27(4): 882-889.

Zheng Yun-tao, Chi Yuan-cheng, Chen Yang. Particle Swarm Optimization of Pressure Reducing Regulator Based on Uniform Design[J]. Journal of Aerospace Power, 2012, 27(4): 882-889.

[2] 刘靖, 刘石, 姜凡, 等. 基于均匀设计及非线性偏最小二乘法的非闭合电极ECT传感器参数优化设计[J]. 高技术通讯, 2008, 18(1): 59-64.

Liu Jing, Liu Shi, Jiang Fan, et al. Parameter Optimization of Unclosed Electrode Sensor of Electrical Cpacitance Tomography Based on Uniform Design and NPLS[J]. High Technology Letters, 2008, 18(1): 59-64.

[3] 张小平, 刘艳华, 张小蒙, 等. 泡沫轻质材料试验研究的均匀设计方法及配方优化[J]. 岩土力学, 2004, 25(8): 1323-1326.

Zhang Xiao-ping, Liu Yan-hua, Zhang Xiao-meng, et al. Uniform Design Method and Mix Proportion Optimization for Experimental Research on Foam Lightweight Material[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(8): 1323-1326.

[4] 张国秋, 王文璇. 均匀试验设计方法应用综述[J]. 数理统计与管理, 2013, 32(1): 89-99.

Zhang Guo-qiu, Wang Wen-xuan. A Citation Review on the Uniform Experimental Design[J]. Journal of Applied Statistics and Management, 2013, 32(1): 89-99.

[5] 朱邦元. 水面舰艇对抗尾流自导鱼雷的措施及尾流自导鱼雷的对策[J]. 鱼雷技术, 2007, 15(5): 11-13.

Zhu Bang-yuan. Countermeasure and Counter-Counterm easure between Surface Ship and Wake Homing Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 11-13.

[6] 卞元庆. 舰船尾流特性及鱼雷尾流自导作用距离的评估[J]. 鱼雷技术, 1999, 7(4): 9-11.

[7] 汪二照, 孔军. 尾流自导鱼雷双雷二次转角齐射[J].指挥控制与仿真, 2009, 6(3): 53-57.

Wang Er-zhao, Kong Jun. Two Turns Salvo of Two Wake Homing Torpedoes[J]. Command Control & Simulation, 2009, 6(3): 53-57.

[8] 朱文振, 叶豪杰, 王昊. 尾流自导鱼雷齐射反舰试验方案设计[J]. 鱼雷技术, 2016, 24(2): 150-153.

Zhu Wen-zhen, Ye Hao-jie, Wang Hao. Design of Anti-ship Salvo Test Scheme for Wake Homing Torpedoes[J]. Topedo Technology, 2016, 24(2): 150-153.

[9] 刘云南, 陈战旗, 张鲁. Matlab工具箱在导弹试验设计中的应用[J]. 弹箭与制导学报, 2007, 27(5): 91-93.

Liu Yun-nan, Chen Zhan-qi, Zhang Lu. Appliance of Toolbox in Matlab to Experiment Design of Missile[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2007, 27(5): 91- 93.

[10] 刘永才. 均匀设计及其应用[J]. 战术导弹技术, 2002(1): 58-61.

(责任编辑: 许 妍)

Application of Uniform Design Method to Design of Torpedo’s Wake Homing Test

DENG Nan-ming, DENG Xin-wen

(91388thUnit, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

The factors influencing torpedo wake homing are analyzed to select the test design factors, the level of each factor of torpedo wake homing test is set up, and the design of torpedo wake homing test is carried out by the uniform design method. Compared with the previous design schemes with subjective randomness in selection of factors, level setting and combination, the uniform design method is more objective and rational, so the uniform dispersion of test points is greatly improved.Also, the uniform design method can significantly reduce, the test samples without reducing test effect compared with the comprehensive test design and the orthogonal design method, hence obvious economic benefit, high feasibility, and easy implementation can be achieved. This research may provide a reference for the design optimization of torpedo acoustic homing test.

torpedo; uniform design method; wake homing; test design

邓南明(1985-), 男, 工程师, 主要从事水中兵器试验研究.

TJ630.6; O212.6

A

2096-3920(2018)02-0180-05

邓南明, 邓新文. 均匀设计法在鱼雷尾流自导试验设计中的应用[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(2): 180-184.

2017-11-27;

2018-03-07.

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.013