破片式戰(zhàn)斗部對典型相控陣雷達毀傷評估

李超1,李向東1,葛賢坤1,2,喬治軍1,2

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京 210094;2.95856部隊,南京 210028)

摘要:為了評估破片式戰(zhàn)斗部對典型相控陣雷達的毀傷,對某典型相控陣雷達進行了結構和功能分析,建立了破片式戰(zhàn)斗部對相控陣雷達的毀傷評估模型。計算了破片式戰(zhàn)斗部作用下雷達各方向的易損性,結果表明天線陣面一側的毀傷效果最佳。計算了某終點條件下脫靶面上的毀傷概率分布,得到各級別毀傷對應的最佳脫靶方位,可為反輻射導彈總體設計提供參考依據(jù)。

關鍵詞:破片式戰(zhàn)斗部;相控陣雷達;易損性;毀傷評估

收稿日期:2014-05-26

作者簡介:李超(1989- ),男,碩士研究生,研究方向為彈藥或戰(zhàn)斗部毀傷評估及目標易損性。E-mail:hulusibanwu@163.com。

通訊作者:李向東(1969- ),男,教授,研究方向為彈藥或戰(zhàn)斗部毀傷評估及目標易損性。E-mail:lixiangd@mail.njust.edu.cn。

中圖分類號:TJ413.1文獻標識碼:A

AssessmentofFragmentationWarheadDamagingTypicalPhasedArrayRadar

LIChao1,LI Xiang-dong1,GE Xian-kun1,2,QIAOZhi-jun1,2

(SchoolofMechanicalEngineering,NUST,Nanjing210094,China;2.Unit95856ofPLA,Nanjing210028,China)

Abstract:In order to assess the damage of fragmentation warhead against a typical phased array radar,structure and function of a typical phased array radar were analyzed,and a damage assessment model of a fragmentation warhead against the phased array radar was established.The vulnerability of each position of the radar attacked by the fragmentation warhead was calculated.The result shows that the damage is most effective when the radar is hit at the position of antenna array.Under the terminal conditions,damage probability distribution on the miss flat was calculated,and the best miss azimuth of each damage level was found.The result offers reference for conceptual design of an anti-radiation missile.

Keywords:fragmentationwarhead;phasedarrayradar;vulnerability;damageassessment

相控陣雷達是現(xiàn)代導彈武器系統(tǒng)的核心組成部分,影響著信息化條件下現(xiàn)代戰(zhàn)爭的成敗,因此,在激烈的空防對抗中,雷達已成為了重點打擊的對象。

反輻射戰(zhàn)斗部對雷達的毀傷評估一直是國內外研究的熱點。早在1981年美國學者WebsterRD就利用長方體單元對雷達目標進行了描述,建立了反輻射戰(zhàn)斗部與雷達目標的交會模型,用MonteCarlo方法建立了單發(fā)戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生沖擊波和破片對單個雷達目標的聯(lián)合毀傷概率模型,研究了制導偏差與引戰(zhàn)配合對毀傷效能的影響。國內呂勇研究了鎢球破片對相控陣雷達天線的沖擊損傷仿真;李學林分析了鎢球破片殺傷元對相控陣雷達的毀傷機理,計算了不同直徑鎢球破片對相控陣雷達典型易損部件的侵徹特性。但相比飛機、車輛等目標,對雷達的毀傷評估研究還不夠深入。

鑒于此,本文分析了國外某典型相控陣雷達的結構和功能,并建立易損性模型,提出了破片式戰(zhàn)斗部對雷達的毀傷評估方法,研究了破片式戰(zhàn)斗部對相控陣雷達的毀傷,研究成果可為反輻射戰(zhàn)斗部設計、導彈總體設計及相控陣雷達生存力設計提供依據(jù)。

1雷達目標分析

選擇某防空導彈系統(tǒng)多功能相控陣雷達作為目標,如圖1所示。該雷達由方艙和相控陣天線組成,方艙由4個艙體構成,除相控陣天線外,其他設備主要安裝在各艙體內壁上。作戰(zhàn)時相控陣天線與地面呈67.5°夾角。

圖1　相控陣雷達示意圖

1.1　雷達目標功能與毀傷級別

相控陣天線利用發(fā)射的電磁波獲取目標的空間和時間信息,是整個雷達系統(tǒng)與外部空間互相聯(lián)系的出入口。雷達方艙內主要包含雷達武器控制接口裝置、發(fā)射機、接收機、敵我識別組件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和監(jiān)控設備等,主要負責天線和其它導彈武器系統(tǒng)單元之間的信號分析與傳輸。

根據(jù)雷達目標特性和被破片擊中后的損傷方式、程度、目標排除故障以及恢復作戰(zhàn)能力所必須的時間,將雷達的毀傷分成以下3個級別:

①M級,即任務毀傷,讓發(fā)射臺無法完成既定任務;

②F級,即火力控制毀傷,雷達至少4h無法按照預定程序工作,無法跟蹤目標或無法指示火力發(fā)射,雷達失去預警和控制攔截能力;

③K級,即災難性毀傷,無法修復或修復損傷在經(jīng)濟上不可行。

1.2　雷達目標分析建模

將雷達分為防護結構和要害部件2部分,均由一定厚度的四邊形靶構成。防護結構包括方艙艙體、天線蒙皮、底座和隔板等,防護結構毀傷不影響雷達正常工作,但對破片起阻礙作用,能使其速度降低,對要害部件毀傷能力下降。若破片能穿透要害部件等效靶,認為破片對該部件有毀傷能力。由于不同部件在破片穿透作用下的易損性不同,用易損性系數(shù)ζ表示等效幾何形體中易損部分體積占總體積之比。

根據(jù)雷達毀傷級別,對方艙內和天線上的各要害部件建立等效模型,包括幾何信息、材料信息和易損性系數(shù)。表1為方艙內各要害部件信息。

表1　方艙要害部件信息

相控陣天線陣由按一定規(guī)則排列的大量輻射元組成,輻射元鑲嵌在一定厚度的基板上,在復雜的有源天線陣中設置若干射頻組件冗余單元,就能夠大幅度提高天線陣的任務可靠性。

本文采用天線陣可靠性表決模型,即在輻射元總數(shù)為U的天線陣中,允許天線陣中有U-V個或少于U-V個輻射元失效而不影響天線陣的功能。為了保障天線的超低副瓣性特性,美國首先提出了縮減天線陣中冗余輻射元占整個天線陣輻射元總數(shù)的比例,地面相控陣雷達有源天線中一般設置占總量10%的冗余輻射元,考慮主天線面上各輻射元之間的間隙,取C34～C45的易損性系數(shù)為0.88。

如圖2所示,用12個三角形單元描述主天線陣,每個單元部件的易損性系數(shù)為0.88,其余天線由于饋源較密,不存在冗余,故易損性系數(shù)均設為0.95。

1.3　雷達毀傷樹

根據(jù)對雷達目標各要害部件功能的分析,結合所劃分毀傷級別,建立如圖3所示的各級別毀傷樹。

圖3(c)中相控陣天線K級毀傷AK=C34+C35+C36+C37+C38+C39+C40+C41+C42+C43+C44+C45+C47·C48·C49·C50·C51+C46+C52+C53。以上“+”表示“或”關系,“·”表示“與”關系,例如K級毀傷樹圖中部件C10和C11有一個毀傷,另一部件可作為冗余部件繼續(xù)執(zhí)行相應功能,只有2個部件都毀傷才導致雷達K級毀傷;而部件C28,C29等無冗余,任一部件毀傷都會導致雷達K級毀傷。

圖2　相控陣天線分析

圖3　相控陣天線毀傷樹

2破片式戰(zhàn)斗部對雷達的毀傷評估

采用近炸引信預制破片戰(zhàn)斗部,建立終點處戰(zhàn)斗部對雷達的毀傷評估模型。

2.1　毀傷元和雷達目標空間關系

建立如圖4所示的彈體坐標系,以戰(zhàn)斗部質心為坐標原點Om,Omxm軸沿導彈縱軸向前,Omym軸取在對稱平面內向上,Omzm軸構成右手坐標系。

圖4　毀傷元在彈體坐標系中的描述

如圖4所示,戰(zhàn)斗部靜爆時破片飛散區(qū)間為(φw,φw+1),破片初速為v0,疊加終點速度vc,破片場前傾,此時飛散角變?yōu)?/p>

(1)

破片初速變?yōu)?/p>

(2)

破片運動x距離后的速度為

(3)

式中:ρ為空氣密度;Sa為破片平均迎風面積;mf為破片質量(g);Cx為破片阻力系數(shù),立方體破片取Cx=1.56。

用射線模擬每一枚破片的運動軌跡,每一條射線攜帶該枚破片的參數(shù)信息,包括質量、形狀系數(shù)、初速、阻力系數(shù)。運用BadouelD提出的重心坐標算法計算出破片射跡線與面單元的交點,從而得到命中目標位置。

2.2　破片對雷達部件的毀傷分析

用極限穿透速度表示破片對面等效靶的侵徹能力,破片穿透面等效靶所需的極限速度為

(secβ)1.098

(4)

式中:δ為面等效硬鋁靶厚度(cm),其它材料按強度方法等效為硬鋁材料厚度代入計算;Sf為破片穿靶最大截面積(cm2);β為破片入射角。

考慮面與面之間的遮擋,破片穿過一層面后的剩余速度為

(5)

式中:vb為破片與該面的遭遇速度(m/s)。

剩余速度繼續(xù)衰減,再與下一層面遭遇,當遭遇要害部件面時,若遭遇速度大于該部件面的極限穿透速度,認為該破片為有效破片,否則為無效破片。由穿透第i個部件所有面的有效破片數(shù)n計算該部件的毀傷概率:

Pi=1-e-ζn

(6)

式中:ζ為部件的易損性系數(shù)。

2.3　雷達目標毀傷分析

相控陣雷達目標的毀傷是由關鍵部件的毀傷引起的,關鍵部件毀傷與目標各級別毀傷之間的關系由毀傷樹給出。則目標毀傷概率為

(7)

式中:N為非冗余部件個數(shù),Por,i為各非冗余部件毀傷概率;M1,M2,…,Mk分別為各冗余部件組的冗余部件個數(shù);Pand,j為各冗余部件組里部件的毀傷概率。

3雷達毀傷評估算例

為了研究破片式戰(zhàn)斗部對相控陣雷達的毀傷,本文用2個典型算例從不同角度進行評估。選擇某反輻射導彈戰(zhàn)斗部,該戰(zhàn)斗部有4.8mm×4.8mm×4.8mm鋼制立方體預制破片20 000個,單個破片質量為0.85g,破片靜態(tài)飛散區(qū)間為(52°,94°),破片在該區(qū)間內均勻分布,靜爆時的破片初速為1 839m/s。

建立如圖5所示相對坐標系,以目標中心作為原點Or,導彈相對速度矢量vr為Orxr正向,Oryr取在垂直平面內,Orzr取在水平面內,建立右手坐標系Orxryrzr,q為脫靶量,θ為脫靶方位。

3.1　雷達不同方位的易損性

為了研究雷達不同方位的易損特性,將戰(zhàn)斗部豎直靜爆,在xr=-3m的平面上劃分網(wǎng)格單元,分別計算雷達此平面的毀傷概率分布。

圖6為雷達K級毀傷概率分布,可以看出雷達天線陣面最脆弱,易損性最高。戰(zhàn)斗部在雷達的4個斜角方向靜爆時,毀傷效果非常差,因為破片跡線與部件面交會時的入射角較大,大部分破片不能穿透外層防護,有些即使穿透外層防護,由于剩余速度較小,不能繼續(xù)穿透部件面,對K級要害部件不構成毀傷。

圖5　脫靶面上的毀傷概率分析

圖6　K級毀傷概率

隨著破片速度的衰減,當入射速度接近極限穿透速度時,大量破片開始無法穿透;而當破片數(shù)較少時,破片數(shù)對部件的毀傷概率值影響較大,因此毀傷概率在邊界處分布很密,概率值從0.9到0.1衰減很快。

3.2　雷達脫靶平面上毀傷概率分布

為了研究某實戰(zhàn)狀態(tài)下破片式戰(zhàn)斗部迎天線陣面打擊雷達時對雷達的毀傷,需要找到一定終點條件下對應的最佳炸點位置,從而為導彈總體設計提供依據(jù)。設戰(zhàn)斗部終點速度vc=680m/s,俯仰角為-45°,偏航角為0°,炸點與脫靶平面yrOrzr的距離為4m(即xr=-4m)。不同級別下脫靶面上的毀傷概率分布如圖7所示。

由圖7可知:在105°、185°和355°脫靶方位最易造成雷達M級和K級毀傷;30°和150°脫靶方位最易造成雷達F級毀傷。

圖7　脫靶面上的毀傷概率分布

θ在270°周圍,即炸點位于天線陣面一側,當q較小時,如圖8(a)所示,由于彈軸與天線陣面之間的夾角α較大,破片在天線陣面上的入射角度較大,所需極限穿透速度很大,因此毀傷效果很差;當q變大時,如圖8(b)所示,破片無法擊中天線陣面,沒有讓天線陣面的易損特性得以發(fā)揮。因此,此脫靶方位上的各級別毀傷效果都很差。

圖8　θ在270°周圍毀傷分析

4結論

本文針對某典型相控陣雷達分析了其結構和功能,建立了其目標易損性模型;提出了破片毀傷元對雷達部件的毀傷準則,建立了破片式戰(zhàn)斗部對雷達的毀傷評估模型。根據(jù)以上2種典型毀傷概率算例,得出如下結論:

①破片在雷達相控陣天線陣面一側有效作用距離最遠,天線陣面為最易損部件;

②導彈迎天線陣面打擊時,105°、185°和355°脫靶方位最易造成雷達M級和K級毀傷;30°和150°脫靶方位最易造成雷達F級毀傷;

③導彈迎天線陣面打擊,脫靶量超過8 m時,破片無法擊中天線陣面,天線陣面的易損性無法得以發(fā)揮,各級別毀傷效果均很差。

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