閆雪梅，侯日升

(中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200)

0 引言

戰(zhàn)斗部動態(tài)威力是目前毀傷效能鑒定與評估領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它不僅與戰(zhàn)斗部自身的威力特性(亦或靜態(tài)威力)和目標(biāo)的易損性直接相關(guān),而且與戰(zhàn)斗部、目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)等彈目交匯條件相關(guān),由于彈目交匯條件的隨機(jī)性較強(qiáng),存在試驗(yàn)條件的不可再現(xiàn)性[1],因而難于建立起一種簡單、通用的戰(zhàn)斗部動態(tài)威力試驗(yàn)方法。國內(nèi)外科研人員在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作,常見的做法是以理論分析或數(shù)值仿真方法為主要手段來計(jì)算動態(tài)毀傷效果。如肖鋼等研究了動態(tài)條件下的戰(zhàn)斗部破片殺傷威力和爆炸威力[2],郭銳等研究了預(yù)制破片戰(zhàn)斗部對空中目標(biāo)的動態(tài)毀傷仿真方法[3],苗潤等用數(shù)值仿真的方法研究了炸藥動態(tài)起爆對艦船上下鄰艙結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)[4],Samiee等研究了沖擊波對鋼板結(jié)構(gòu)的毀傷[5],Konokman等以理論分析為主研究了戰(zhàn)斗部破片對飛機(jī)的毀傷效果[6]。除理論研究外,美軍更加重視彈藥的動態(tài)毀傷試驗(yàn),如1947年開展了當(dāng)時(shí)“世界上最大項(xiàng)目”的飛機(jī)毀傷試驗(yàn),試驗(yàn)測試用的1 200架飛機(jī)基本囊括了第二次世界大戰(zhàn)空軍海軍所有類型的飛機(jī)[7]。1984年美國國會通過了實(shí)彈射擊法案,規(guī)定了美軍武器在裝備前必須完成對蘇聯(lián)裝備的動態(tài)毀傷試驗(yàn),該法案至今依然有效。由此可見,彈藥的動態(tài)毀傷試驗(yàn)在美軍武器裝備中占有重要的地位,但其耗資大,不易于組織實(shí)施。

文中給出了一種基于現(xiàn)行靜態(tài)威力試驗(yàn)條件的光學(xué)投影模擬試驗(yàn)新方法,運(yùn)用該方法可以模擬各種彈目交匯狀態(tài)的戰(zhàn)斗部動態(tài)威力,具有操作簡單、方便實(shí)用、可以無限次再現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)條件的特點(diǎn)。

1 模擬試驗(yàn)的總體思路

戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的動態(tài)威力不僅與戰(zhàn)斗部爆炸瞬間的姿態(tài)、彈目距離、彈目交匯角有關(guān),還與具體目標(biāo)特性有關(guān)。受各種隨機(jī)因素的影響,試驗(yàn)條件難以精確控制,戰(zhàn)斗部爆炸瞬間的綜合威力很難用單純試驗(yàn)的方法進(jìn)行測試,基于靜態(tài)威力試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟這一事實(shí),文中充分利用靜態(tài)威力試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了一套基于光學(xué)投影技術(shù)的動態(tài)威力模擬試驗(yàn)方法。該方法以破片對目標(biāo)的毀傷概率為戰(zhàn)斗部動態(tài)威力指標(biāo)。圖1給出了該方法的整體框架,主要由3大功能模塊組成:目標(biāo)易損性分析模塊、光學(xué)投影模塊、破片動態(tài)空間分布模塊。

圖1 模擬系統(tǒng)的整體構(gòu)架框圖Fig.1 Overall framework of simulation system

模擬試驗(yàn)時(shí),首先進(jìn)行目標(biāo)特性分析,將目標(biāo)按照易損性相等的原則劃分為若干區(qū)域,運(yùn)用靜態(tài)威力試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得動態(tài)條件下不同飛散角的破片數(shù)(即破片動態(tài)空間分布),設(shè)置不同彈目交匯條件和彈丸爆炸姿態(tài),用光學(xué)投影系統(tǒng)模擬得到目標(biāo)各個(gè)區(qū)域的有效殺傷破片數(shù),從而求得動態(tài)條件下的戰(zhàn)斗部動態(tài)威力。

2 破片動態(tài)空間分布

戰(zhàn)斗部爆炸后會產(chǎn)生向四周飛散的破片場,其對目標(biāo)的殺傷威力目前常用破碎性試驗(yàn)和球形靶(扇形靶)試驗(yàn)來評估。戰(zhàn)斗部飛行狀態(tài)中爆炸形成的各分散區(qū)域的破片數(shù)稱為動態(tài)破片空間分布,與戰(zhàn)斗部爆炸瞬間的存速和姿態(tài)有關(guān)。破片動態(tài)空間分布模塊的主要功能是將靜態(tài)威力試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動態(tài)條件下的破片空間分布,下面給出具體步驟。

1)應(yīng)用破碎性試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得靜態(tài)條件下任一距離R處的破片數(shù)n(R):

(1)

式中:E為破片動能;α為速度衰減系數(shù);v0為破片飛散初速;mmax為最大破片質(zhì)量;t(λ)為破片分布的平均概率密度。

2)求得靜態(tài)條件下任一距離R處的破片密度ρ:

(2)

式中:ρ0為R0處的破片分布密度,由球形靶試驗(yàn)獲得。

3)求動態(tài)破片數(shù)

動態(tài)飛散角為:

(3)

破片動態(tài)飛散密度為:

(4)

動態(tài)區(qū)域面積為:

S′1=R2[cosβ′-cos (β′+Δβ′)]·Δφ

(5)

動態(tài)破片數(shù)m′為:

m′=ρ′·S′1

(6)

式中:vc為戰(zhàn)斗部落速;v0為戰(zhàn)斗部靜爆時(shí)的破片初速;β為靜態(tài)飛散角;β′為動態(tài)飛散角;ρ為靜態(tài)破片分布密度。

式(6)即為不同飛散角破片動態(tài)空間分布計(jì)算模型。

3 光學(xué)投影模擬系統(tǒng)

光學(xué)投影模擬系統(tǒng)主要用來模擬不同彈丸爆炸姿態(tài)和不同彈目交匯條件下目標(biāo)各個(gè)劃分區(qū)域的動態(tài)破片數(shù),即動態(tài)條件下目標(biāo)各劃分區(qū)域的有效殺傷破片數(shù)。

3.1 基本組成

光學(xué)投影模塊由目標(biāo)系統(tǒng)和球形投影儀兩部分組成,如圖2所示。

圖2 光學(xué)投影模塊示意圖Fig.2 Optical projection module

目標(biāo)系統(tǒng)主要由目標(biāo)模型、旋轉(zhuǎn)平臺、目標(biāo)控制系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)組成,目標(biāo)模型置于轉(zhuǎn)臺上,通過控制系統(tǒng)使其具備水平和俯仰角度調(diào)節(jié)功能。其主要功能是:按照縮放比例精確模擬目標(biāo)幾何尺寸關(guān)系,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,能夠按照試驗(yàn)需求精確調(diào)整目標(biāo)姿態(tài)和目標(biāo)與點(diǎn)光源之間的幾何關(guān)系。記錄系統(tǒng)主要用來記錄投影目標(biāo)正上方的投影圖像。

球形投影儀是一種用來模擬破片飛散情況的裝置,由投影球和投影控制系統(tǒng)組成。球形投影儀的主要功能是向目標(biāo)模型投射經(jīng)緯網(wǎng)格,對部分網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)識,并在采集到的圖像中辨識網(wǎng)格編號。圖3給出了球形投影儀組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 球形投影儀組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Composition and structure of spherical projector

經(jīng)緯球的主要功能是模擬戰(zhàn)斗部爆炸瞬間破片流的空間分布,可結(jié)合球形靶試驗(yàn)技術(shù)確定;點(diǎn)光源相對運(yùn)動系統(tǒng)包括三維位移平臺和運(yùn)動控制系統(tǒng)兩部分,由運(yùn)動控制系統(tǒng)控制三維位移平臺軸向、左右和高低的精確控制,模擬彈目之間相對運(yùn)動關(guān)系,而運(yùn)動控制系統(tǒng)則利用計(jì)算機(jī)串口輸出X,Y,Z三軸位置控制信號實(shí)現(xiàn)對投影球的三維控制。

3.2 工作原理

假設(shè)戰(zhàn)斗部破片靜態(tài)飛散初速為Vf 0,戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)的飛行速度為Vr,目標(biāo)瞬時(shí)速度為Vt,則破片相對于目標(biāo)的動態(tài)飛散初始速度為:

Vfd=Vr+Vt+Vf 0

(7)

投影球使用透明材質(zhì)的玻璃球,球面畫有經(jīng)緯線網(wǎng)格,用球的軸線表示戰(zhàn)斗部的軸線,在球的中心放置一個(gè)點(diǎn)光源,點(diǎn)光源將經(jīng)緯線網(wǎng)格投射到目標(biāo)模型上,射出的光線模擬破片的飛散軌跡[2]。用控制系統(tǒng)控制點(diǎn)光源的移動來模擬戰(zhàn)斗部的運(yùn)動速度,必要時(shí)也可以模擬目標(biāo)的運(yùn)動速度。當(dāng)已知經(jīng)緯網(wǎng)格中的每一個(gè)小格中的平均破片數(shù)及投影到目標(biāo)某個(gè)部位上的小格數(shù),就可以確定出對于給定的爆炸點(diǎn)位置擊中該部位的平均破片數(shù)。顯然,投影球中點(diǎn)光源的相對移動必須要正確表征戰(zhàn)斗部動態(tài)爆炸瞬間破片與目標(biāo)的交匯關(guān)系,是整個(gè)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心及關(guān)鍵。

以投影球半徑代表破片靜態(tài)飛散初速Vf 0,當(dāng)點(diǎn)光源處于球心時(shí),模擬投影為戰(zhàn)斗部靜爆時(shí)的破片飛散狀況。當(dāng)戰(zhàn)斗部與目標(biāo)存在相對運(yùn)動時(shí)(即Vr+Vt),移動點(diǎn)光源,移動距離與運(yùn)動速度成比例,其尺度系數(shù)與半徑代表破片飛散全程平均速度的系數(shù)一致,移動方向與相對運(yùn)動方向相反。

3.3 目標(biāo)區(qū)域投影面積的計(jì)算

由于投影球的經(jīng)緯網(wǎng)格代表了不同的動態(tài)破片數(shù),為了確定命中目標(biāo)不同部位的破片數(shù),需要知道目標(biāo)不同部位覆蓋的不同經(jīng)緯網(wǎng)格的數(shù)量,由此網(wǎng)格數(shù)可求得投影面積。要確定目標(biāo)不同部位覆蓋的網(wǎng)格數(shù),需要首先記錄目標(biāo)網(wǎng)格投影圖像,然后采用圖像處理像素計(jì)算方法得到網(wǎng)格數(shù)。

3.4 計(jì)算毀傷概率

將目標(biāo)按易損性相等原則劃分為k個(gè)區(qū)域并假設(shè)事件“破片對各區(qū)域的殺傷”相互獨(dú)立[8-12],則用式(8)可求得動態(tài)條件下戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷概率。

(8)

4 應(yīng)用實(shí)例

以預(yù)制破片彈對輕型裝甲車輛的毀傷試驗(yàn)為例,詳細(xì)介紹該套模擬系統(tǒng)的應(yīng)用方法。

4.1 目標(biāo)結(jié)構(gòu)分析

分析輕型裝甲車輛結(jié)構(gòu)特性,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 輕型裝甲車輛各部分防護(hù)裝甲結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure paramenters of protective armor for each part of a light armored vehicle

4.2 目標(biāo)區(qū)域劃分

根據(jù)目標(biāo)易損性相等原則,結(jié)合輕型裝甲車輛結(jié)構(gòu)及功能特性,將其劃分為8個(gè)不同的區(qū)域:區(qū)域1,駕駛區(qū);區(qū)域2,發(fā)動機(jī)系統(tǒng);區(qū)域3,火炮高低機(jī);區(qū)域4,火控觀瞄系統(tǒng);區(qū)域5,乘員艙;區(qū)域6,通信系統(tǒng);區(qū)域7,油箱; 區(qū)域8,彈藥艙。

因條件限制,模擬試驗(yàn)不考慮區(qū)域7、區(qū)域8。

4.3 破片對目標(biāo)的侵徹

戰(zhàn)斗部對輕型裝甲目標(biāo)的毀傷是依靠破片毀傷內(nèi)部部件來實(shí)現(xiàn)的。由于輕型裝甲目標(biāo)具有一定的裝甲防護(hù)能力,因此破片只有在貫穿防護(hù)層的前提下才可能達(dá)到毀傷內(nèi)部部件的目的[6]。對于給定的破片,其能否貫穿防護(hù)裝甲層以及貫穿后的剩余能量主要取決于裝甲的材料和厚度等因素。不僅不同的輕型裝甲目標(biāo)的裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)不同,而且一種裝甲目標(biāo)上不同的部位其防護(hù)特性也有差異。因此,對具體的目標(biāo)需進(jìn)行裝甲防護(hù)特性分析,通常是進(jìn)行破片穿甲威力試驗(yàn)[7]。表2給出了破片穿甲威力試驗(yàn)結(jié)果。

結(jié)合球形靶試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算某一飛散角區(qū)域破片穿透率,計(jì)算戰(zhàn)斗部不同飛散角對不同厚度裝甲鋼穿透率,見表3。

表2 破片穿甲威力試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test result of fragment armor piercing power

表3 不同飛散角的破片穿透率Table 3 Fragment penetration rate at different scattering angles fragment

4.4 破片對目標(biāo)的毀傷

計(jì)算破片對不同目標(biāo)區(qū)域的毀傷概率,結(jié)果見表4。

表4 單個(gè)破片對各區(qū)域的毀傷概率Table 4 Damage probability of single fragment to each area

4.5 毀傷效能模擬計(jì)算

模擬條件為:戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)速度為328 m/s,落角為60°,炸點(diǎn)位于裝甲車輛中軸線左側(cè)1 m,距地面高度為4.5 m,爆炸點(diǎn)到裝甲車中心點(diǎn)地面投影點(diǎn)所在直線距離為6.5 m,爆炸點(diǎn)到裝甲車中心點(diǎn)地面投影點(diǎn)直線距離為8 m。

為了確定命中各功能分區(qū)的破片數(shù),需要知道各功能分區(qū)在投影圖中覆蓋各單個(gè)投影區(qū)的個(gè)數(shù)。各功能區(qū)分別處于3個(gè)高度,采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格背板等效高度分層投影的方法分別計(jì)算各功能區(qū)覆蓋各單個(gè)投影區(qū)的個(gè)數(shù),結(jié)果見表5。

表5 各功能區(qū)覆蓋投影區(qū)數(shù)量Table 5 Number of projrction areas covered by each functional area

得到各功能區(qū)覆蓋各個(gè)投影區(qū)的個(gè)數(shù)后,要計(jì)算各功能區(qū)的毀傷概率,需要知道各功能區(qū)的有效殺傷破片數(shù),這可由靜態(tài)威力試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得。表6為彈體爆炸時(shí)不同飛散角破片初速分布,表7為由球形靶試驗(yàn)獲得的項(xiàng)目編號1～7的破片靜態(tài)空間分布,由式(3)～式(6)可求得項(xiàng)目編號1～7的破片動態(tài)空間分布,見表8。

表6 破片初速分布Table 6 Fragment initial velocity distribution

表7 破片靜態(tài)空間分布Table 7 Fragment static spatial distribution

表8 破片動態(tài)空間分布Table 8 Fragment dynamic spatial distribution

至此求得各目標(biāo)單元有效殺傷破片數(shù),見表9。

表9 各目標(biāo)單元破片數(shù)Table 9 Fragment number of each target unit

應(yīng)用毀傷概率模型式(8)可求得個(gè)目標(biāo)區(qū)域及總目標(biāo)的毀傷概率,結(jié)果見表10,總毀傷概率為0.704 6。

表10 毀傷概率計(jì)算結(jié)果Table 10 Damage probability calculation result

4.6 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的正確性,以戰(zhàn)斗部對雷達(dá)天線的靜態(tài)毀傷概率為例。該型戰(zhàn)斗部系裝填有鋼珠的殺爆戰(zhàn)斗部,主要用以殺傷人員及輕型裝甲目標(biāo)、雷達(dá)等半硬目標(biāo)。

根據(jù)目標(biāo)易損性相等的原則,將雷達(dá)天線劃分為3個(gè)區(qū)域A1,A2,A3,如圖4所示,在彈目距離8 m的條件下進(jìn)行靜態(tài)模擬試驗(yàn),模擬試驗(yàn)結(jié)果見表11。

靜態(tài)威力試驗(yàn)結(jié)果為0.967,與模擬試驗(yàn)結(jié)果0.978 8基本吻合,模擬試驗(yàn)結(jié)果可信。

圖4 雷達(dá)目標(biāo)區(qū)域示意圖Fig.4 Radar target area schematic diagram

表11 模擬試驗(yàn)結(jié)果Table 11 Analog test result

5 結(jié)束語

應(yīng)用光學(xué)投影模擬技術(shù)模擬彈目交匯狀態(tài),結(jié)合戰(zhàn)斗部靜態(tài)威力的破碎性和球形靶試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了一種殺傷戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的動態(tài)毀傷試驗(yàn)、評估方法。以戰(zhàn)斗部對雷達(dá)的靜態(tài)毀傷為例驗(yàn)證了該方法的正確性,并通過預(yù)制破片彈對輕型裝甲車輛的動態(tài)模擬試驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的可用性,實(shí)現(xiàn)了不同彈目交匯條件下戰(zhàn)斗部對目標(biāo)殺傷威力的評估。這種方法具有直觀、簡單、方便的特點(diǎn),克服了動態(tài)毀傷試驗(yàn)消耗大、精度低的不足,便于在工程中推廣和應(yīng)用。其缺點(diǎn)是對光學(xué)投影球的制作精度要求較高,但制作成功后,可重復(fù)使用。