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1、美军船全舰生命力设计概念美军船全舰生命力设计概念2001 年第 1 期国外舰船工程总第 263 期美军船全舰生命力设计概念龚九功摘要垒舰生命力是一门新兴的设计管理学科.美海军海上系统司令部近年来利用这一管理手段,将军船生命力与其他舰船设计学科很好地结合起来,强化军船生命力设计管理,提高军船生命力.关键词垒舰生命力管理设计美海军l 引言现代舰船面临着现代反舰武器的主要威胁.这些武器包括反舰巡航导弹,战术空舰导弹,舰舰导弹,炸弹,炮弹,鱼雷以及水雷等.这些武器的破坏效应分别是:?常规弹头的空射武器外部或内部冲击超压,气浪感应冲击,碎片,火灾,烟气,淹水;?核弹头的空射武器外部气浪超压,气浪感应冲击
2、,热辐射,电磁脉冲,对电子设备的瞬态辐射效应;?核生化弹头的空射武器核生化污染危险;?常规弹头的潜射武器冲击,抖动,穿孔,水棒,进水,火灾和烟气;?核弹头的潜射武器冲击(危及全舰).随着国际上这类武器的进一步应用发展,现代舰船正面对着日益严重的威胁环境.强化军船生命力要求和设计管理,已成为今后新舰研制的一个重要课题.本世纪 8o 年代中期以来,美海军加大了军船生命力政策要求和设计管理力度,提出全舰生命力新概念,加强生命力与军船其他设计性能的综合研究.美国对军船生命力研究历来十分重视,很早就认识到把对付现代威胁武器效应的强化生命力这一特性纳入舰艇设计中的必要性.本世纪 80 年代中期以来,美海军
3、颁布的许多文件和采取的措施构成其军船生命力政策要求.1985 年和 1988 年,美海军检验委员会在其”水面舰船设计工程评审报告”中提出的迈向 2l 世纪更好舰队 20 条工程措旅中,两度把舰船生命力,美国海军舰船通用规范和作战使用可靠性同列为首要的三项基本条件,突出强调舰船生命力问题必须在舰船设计中给予更大的关注.例如,在”阿利?伯克”级(DDG51)新舰研制中,美海军从多方面加强全舰和系统的生命力设计要求.1988 年 l1 月 23 日颁布的美海军作战部长办公室指令文件 OPNAVINST9070.1”美国海军水面舰船生命力政策”明确规定,”生命力是一个具有与舰艇其他固有特性同样重要意义
4、的基本设计要求”.该指令文件还明确说明舰船设计过程中,应当考虑生命力武器效应和作战使用环境,生命力等级和特定舰型设计所要求的等级定义.美国国防部指令文件 DoDINST5OO0.2 明确了国防采办管理政策和顺序.这一文件专门规定生命力问题必须在国防采办委员会所要求的采办过程中的每个阶段点予以处理.在美军任务需求报告书,作战使用需求书文件,系统威胁分析报告,费用与作战使用效能分析,以及试验与鉴定总计划等所需文件中,都明确提出处理与生命力密切相关的作战使用需求,性能参数和确认判据,目标与风险等问题.在美国法典有关章节中,也对有关军用系统确定了实际发射试验与鉴定要求,上述 DoDINST5OO0.2
5、 中也包含此项要求.对所命名的舰船采办项目,要求进行实际发射试验与鉴定来证实舰船生命力要求.通过组成部件和系统级的一系列代用品试验,实船试航,分析和建模,来进行该试验与鉴定.一 1 一一究一甄2001 年第 1 期国外舰船工程总第 263 期1998 年,在”水面战舰作战使用特性详细研究报告”中,美海军高层领导首次把舰船生命力和舰船损伤后作战能力,突出地列为其最重要的三项建议之一,并提出了”作战生命力标准”的建议.其基本点是:假定舰船在作战中被命中,则要求海军必须按照被命中的舰船来考虑研制计划,即舰船必须按照“作战生命力标准”来建造,标准要求是:A 舰船在受到带有 1t 弹头的反舰巡航导弹一次
6、命中后,必须能够继续战斗;B 舰船在受到反舰巡航导弹两次命中或其底龙骨受到一具鱼雷命中后,必须能够生存;C 生命力设计必须使舰船能卸空其弹药舱供其他用途支配.这一标准进一步向设计者明确界定了舰船被命中后必须保持的作战使用能力水准,并向决策者和武器效能评估者提供了可供比较分析的基准.本世纪 90 年代以来,新舰研制都强化了作战生命力要求.1993 年,在 LPD17 型新两栖战舰研制中,美海军作战使用需求书顶层文件(国内常译为“最高需求书”)提出了该型舰应能承受水雷,反舰巡航导弹和鱼雷威胁的生命力要求.1997 年,美海军在 DD21 型薪型对陆攻击驱逐舰方案论证中,首次在其作战使用需求书顶层文
7、件中,提出了舰损伤和丧失作战能力后生命力要求,规定了将舰作战易损度同威胁武器类型和舰命中后剩余任务能力水准联系起来的性能要求.总之,美海军十余年来大大增强了舰船生命力要求,且目前正在扩大应用到包括潜艇在内的所有海军舰船.最近,俄罗斯北方舰队 245OOt 巨型核潜艇”库尔斯克”号突然沉没海底,再一次突显增强舰船生命力在舰船研制中的极端重要性和迫切性.2 舰船生命力要素及其等级美海军作战部长办公室指令文件 OPNAVINST9070.1”美国海军水面舰船生命力政策”,明确规定了水面舰船生命力政策和设计职责,并按照舰种类别把舰船生命力要求分为三个等级.I 级是最低生命力等级,适用于各类支援舰,水一
8、2 一雷战舰艇,巡逻舰艇或辅助舰艇.这一等级代表了在交战战斗群最接近的区域内,预期的最不严重的威胁环境.除了固有的耐波适航任务外,只要求最低限度的舰船设计能力.级是中等级生命力要求,适用于护卫舰,两栖战舰艇和随同战斗群编队航行的补给舰.级舰船包括了 I 级要求加上受到武器攻击后持续作战使用能力.级是最高生命力等级要求,适用于航空母舰和战斗群编队中的水面战舰.这一等级是对作战战斗群所设定的最严重的威胁环境.级舰船必须符合级舰船要求,并具有处理因反舰巡航导弹,鱼雷,水雷攻击而产生的舰性能降级效应的能力.对于潜艇,尚无类似的海军指令文件.该指令文件针对每个生命力防护等级确定了所需舰船能力类型,例如主
9、系统冗余度和保障系统冗余度,集中防护系统,改善的结构完整性和分舱,弹片防护,特征信号减小,常规和核弹头爆炸气浪防护,抗核辐射和抗冲击,损管和消防能力,以及对付反舰威胁武器的直接命中.在评估分析生命力要求时,舰船生命力历来被定义为:”舰船及舰载系统在实现所指定任务的能力来遭到损害的情况下,避免和承受武器效应环境作用的能力.在实际工程研bI 中,舰船生命力被表述成三个要素的乘积,即易命中度,易损度,修复度.易命中度是指舰船在执行任务时,不能避免损伤和被命中概率的程度.舰船在遭遇威胁时的易命中度,取决于运行状态,威胁及舰自身三个要素.舰可被探测的特征信号,所用的干扰武器,任务执行能力和自防御武器,都
10、是与舰自身有关的重要因素.易损度是指舰船不能承受一次或多次命中造成的损伤程度,以及在受到威胁武器命中时易遭严重损伤或丧失的程度.诸如舰船主尺度,分舱,结构,详细设计,抗冲击,要害性组成部件的隔开和冗余度之类舰船设计性能,都会影响易损度.修复度是指舰船及其舰员防止丧失和在受到一枚或多枚威胁武器的命中后,恢复执行任务所必需功能的能力.修复能力是与舰固有的损管能力,舰载损管设备定额供应量(数量和种类)以及舰员训练2001 年第 1 期国外舰船工程总第 263 朝与能力有关.这一度量表述了舰员为确保舰船在破损状态下执行其使命任务而对受损系统进行再组合和修复的能力.易命中度,易损度和修复度三者合一,能更
11、准确,更完整地描述舰船生命力要求.设计要求并命名为全舰生命力.1991 年,为了实施全舰生命力方法,美海军海上系统司令部舰船生命力小组改组,使全舰生命力设计与生命力技术进步保持同步.3 全舰生命力概念 4 舰船设计过程中的全舰生命力设计全舰生命力是美海军海上系统司令部目前正在用于将生命力综合到舰船设计中的一项综合工程研制管理新概念.全舰生命力除了其他的工程研制分析方法外,还包含了系统和并行工程原理,以便平衡互相矛盾的需求和实现全舰层次上的生命力.全舰生命力用于将生命力强化要素综合到舰船设计项目和现代化改装工作中,有助于加强研发计划制定和保障改进舰队生命力训练.将全舰生命力纳入舰船设计中的基本原
12、因是,确保生命力功能不被分割和在舰船设计初期阶段就确定生命力设计特性.因此,应用全舰生命力概念将能保证在制定防护措施时.使易命中度,易损度和修复度各要素能更好地互相平衡.这还包括影响生命力的其他设计要素,例如结构,稳性,重量,布置和机械系统等.全舰生命力还提供了将生命力设计特性与所需性能目标和费用的技术性和项目性问题相协调和综合的一种机制.美海军在 1982 年就提出了生命力审查小组综合概念,并在英阿马岛海战期间的 1983,1984 年问实施了这一概念.后来在 FFG7 级护卫舰上进行了多系统工程分析,以改善该舰的生命力.1987 年,由这一系统方法发展出水面战舰生命力原则并获得批准.海湾战
13、争期间”斯塔克”号舰发生的偶然性事故和作战损伤.显示了更新生命力政策,生命力设计过程,设计改进和舰员训练的迫切要求.上述指令文件”美国海军舰船生命力政策”的颁布,就是为了要求在美水面舰船设计中,应把生命力诸多因素都综合进去.该文件建立了舰船设计人员应考虑和包括全舰系统在内的最高需求书要求(顶层要求),即”预期美国海军舰船执行攻击任务,遭受战斗损伤和能够生存.因此,由作战系统和要害性的船机电部件组成的全舰必须足够坚固,以承受所指定的威胁等级”.据此.美海军制定了全舰生命力多年来,美舰船设计过程一直使用一种成功舰艇设计的多系统或并行工程方法.全舰生命力工程同样也是在一个多系统工程框架内实施,使得与
14、生命力有关的工程设计工作及时有效并行进行.全舰生命力概念在舰船设计过程所有阶段都应用到,且用来充分保障舰船采办项目的概念设计,可行性设计,初步设计,及合同与详细设计等工作.全舰生命力工程的关键目标是在舰船设计的初始阶段就纳入生命力特性.从而使生命力诸要素与其他舰船系统更有效地综合起来.这就要求提高舰船生命力的设计决策水平.全舰生命力是以下列方式和下列目标保障舰船设计各阶段:概念研究与可行性设计阶段?提出总体生命力方法以及使用合适技术的特定系统设计,因此早期启动是必要的;?根据设计威胁和作战使用需求,确定全舰生命力要求;?制定总体生命力设计概念;?建立生命力综合小组;?研究开发审查和优先顺序确定
15、;?生命力军事价值评估.初步与合同设计阶段?展开交互式生命力设计过程;?综合全舰生命力设计要求和技术输入;?确定和解决界面问题;?确定设计备选方案;?比较权衡研究;?设计审查;-生命力评估;?保证一个平衡的设计;?确定合同需求.详细设计与建造阶段一3 一2001 年第 1 期国外舰船工程总第 263 期?保持全舰生命力基线;?评估和验证全舰生命力特性和能力 i?安排计划并进行全舰生命力试验和试航;?必要时建立特定的生命力工作小组.5 全舰生命力方法和惯例特定的舰船设计应用全舰生命力系统工程概念.需要采取一系列谨慎的措施,才能实施所需层次上的管理监督和关键的工程研制工作.下列各种全舰生命力研究工
16、作和方法,在一定程度上是根据所设计的舰型,程序需要和设计阶段而变的.组织监督?建立生命力综合小组;?指定全舰生命力工程师;?确定与生命力有关的保障要求.报告,分析,工具和重要成果?制定设计威胁工作表;?制定生命力设计准则;?审查生命力设计原则是否适用;?生命力军用价值评估 i?舰船易损度评估;?制订生命力评估报告;?绘制生命力规格书和图纸;?安排计划并进行舰船试航和试验.图 1 美海军全舰生命力设计过程在全舰生命力设计研究中,生命力综合小组负有重要使命和职责.通过生命力综合小组对全舰生命力设计过程实施成功的贯彻和监督.生命力综合小组召集可以进行系统工程分析的讨论会,会上对舰船生命力的所有要素,问题和目标进行审查,权衡比较,修正,实施和编成文件.全舰生命力综合小组的主要任务是:4?保证针对发展中的威胁,在设计过程初期就考虑生命力措施;?考虑生命力审查小组生命力设计原则,发展中的生命力技术,并评估是否适合于纳入规格书和图纸中去;?协调,综合和平衡生命力输入数据,保证每项输入(作为设计一部分)的完整性,可行性,有效性92001 年第 l 期国外舰船
