田佳鑫 趙洪志 張潤(rùn) 陳景 左君

摘 ?要：靶場(chǎng)試驗(yàn)是評(píng)定彈丸性能的重要手段，但由于試驗(yàn)過(guò)程危險(xiǎn)性高、試驗(yàn)成本高，導(dǎo)致兵器類專業(yè)試驗(yàn)教學(xué)中靶場(chǎng)試驗(yàn)不易開(kāi)展。該文以球形靶試驗(yàn)為例，提出一種基于虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)球形靶試驗(yàn)過(guò)程的方法，以國(guó)軍標(biāo)中球形靶試驗(yàn)方法為依據(jù)，梳理球形靶試驗(yàn)理論計(jì)算模型，使用Unity3D、MySQL、3ds MAX和VS2019等軟件，開(kāi)發(fā)球形靶試驗(yàn)虛擬仿真軟件，并以某殺爆彈為例，進(jìn)行演示和驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提方法能夠模擬再現(xiàn)球形靶試驗(yàn)的過(guò)程，場(chǎng)景逼真，為靶場(chǎng)試驗(yàn)或?qū)I(yè)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：球形靶試驗(yàn)；虛擬仿真；Unity3D；彈丸；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）18-0041-04

Abstract： Shooting range experiment is an important means to evaluate the performance of projectile， but it is difficult to carry out shooting range experiment in the experimental teaching of weapon specialty because of its high risk and high cost. Taking the spherical target experiment as an example， this paper puts forward a method to realize the process of spherical target experiment based on virtual simulation technology， and combs the theoretical calculation model of spherical target experiment based on the method of spherical target experiment in national military standard. The virtual simulation software of spherical target experiment is developed by using Unity3D， MySQL， 3ds MAX and VS2019， and a bomb is taken as an example to demonstrate and verify. The results show that the proposed method can simulate and reproduce the process of spherical target experiment， and the scene is lifelike， which can provide reference for shooting range experiment or professional teaching.

Keywords： spherical target experiment; virtual simulation; Unity3D; projectile; software design

靶場(chǎng)試驗(yàn)危險(xiǎn)性較高，兵工類院校大多已停止開(kāi)展此類試驗(yàn)的教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生不能直觀感受彈丸爆炸、破片飛散的過(guò)程，也無(wú)法練習(xí)對(duì)破片速度進(jìn)行測(cè)試。隨著現(xiàn)代軍事及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)十分廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)中，尤其是試驗(yàn)研究方面可以通過(guò)仿真來(lái)達(dá)到相應(yīng)的目的[1-3]。對(duì)于靶場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程仿真，國(guó)內(nèi)外研究者在各個(gè)方面都有具體的研究，比如破片飛散試驗(yàn)、靶板測(cè)試試驗(yàn)、軟件仿真試驗(yàn)等[4-5]。崔瀚等[6]應(yīng)用Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)引擎，建立一套火炮外彈道虛擬視景仿真系統(tǒng)，能在視覺(jué)上更好地表現(xiàn)火炮發(fā)射和彈丸的飛行狀態(tài)，為武器彈藥研發(fā)者提供參考。劉闖等[7]在基于Unity3D平臺(tái)上以扇形靶試驗(yàn)為例開(kāi)發(fā)出殺爆彈靜爆試驗(yàn)系統(tǒng)，在教學(xué)過(guò)程中具有重大應(yīng)用意義。黃巍等[8]基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在Unity平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多管火箭炮虛擬拆裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火箭炮的結(jié)構(gòu)展示、裝配模擬、射擊模擬，降低了試驗(yàn)教學(xué)成本，同時(shí)提高了安全性。

本文依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 3197—98《炮彈試驗(yàn)方法》中的球形靶試驗(yàn)要求，梳理球形靶試驗(yàn)理論計(jì)算模型，使用Unity3D視景軟件、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、3ds MAX建模軟件和VS2019編程軟件，開(kāi)發(fā)了球形靶試驗(yàn)虛擬仿真軟件，操作者可通過(guò)虛擬仿真軟件，體驗(yàn)球形靶試驗(yàn)過(guò)程。

1 ?軟件設(shè)計(jì)

球形靶試驗(yàn)虛擬仿真軟件包括4個(gè)功能模塊，分別為用戶管理模塊、理論知識(shí)模塊、試驗(yàn)訓(xùn)練模塊和試驗(yàn)考核模塊，如圖1所示。用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)了用戶管理和試驗(yàn)成績(jī)管理；理論知識(shí)模塊實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、步驟及相關(guān)知識(shí)的介紹；試驗(yàn)訓(xùn)練模塊實(shí)現(xiàn)了按照試驗(yàn)操作向?qū)瓿稍囼?yàn)操作；試驗(yàn)考核模塊實(shí)現(xiàn)了用戶單獨(dú)完成試驗(yàn)操作，動(dòng)態(tài)顯示彈丸爆炸、破片飛散過(guò)程及破片著靶數(shù)，并最終給出操作者的試驗(yàn)成績(jī)。

2 ?計(jì)算模型

為了使仿真過(guò)程更具有參考價(jià)值和指導(dǎo)意義，在Unity3D中彈丸爆炸后產(chǎn)生的破片數(shù)量、破片質(zhì)量、破片初速和破片飛散方向角等威力表征參數(shù)都采用常用的理論計(jì)算模型獲得，具體計(jì)算模型如下。

2.1 ?破片數(shù)量計(jì)算模型

式中：N為破片數(shù)量；M為炸藥與彈體金屬的質(zhì)量和，kg；α為炸藥裝填系數(shù)，由炸藥質(zhì)量和彈體金屬的質(zhì)量比值得出。

2.2 ?破片質(zhì)量分布計(jì)算模型

式中：N（m）為質(zhì)量大于等于m的破片數(shù)量；M為彈丸殼體質(zhì)量，kg；λ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對(duì)于薄壁彈體爆炸的過(guò)程符合二維結(jié)果，其值為1/2，對(duì)于厚壁彈體，λ為1/3；a為常數(shù)，當(dāng)λ為1/2時(shí)，a取2，當(dāng)λ為1/3時(shí)，a取6；μ為破片的平均質(zhì)量，kg。

2.3 ?破片初速計(jì)算模型

計(jì)算得到破片的分布率數(shù)據(jù)可作出破片的空間分布曲線，而每個(gè)球帶之前的分布率之和又可以得到飛散特性曲線。

2.6 ?破片存速計(jì)算模型

彈丸爆炸后形成的破片在爆轟產(chǎn)物的作用下獲得初速，不計(jì)重力對(duì)破片的影響，破片在空氣阻力的作用下速度會(huì)出現(xiàn)衰減。破片飛行距離爆點(diǎn)位置x處的速度？淄x被稱為破片存速。

3 ?試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 3197—98《炮彈試驗(yàn)方法》中的球形靶試驗(yàn)要求，可將試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容分為試驗(yàn)準(zhǔn)備、彈丸的安裝、測(cè)速裝置的布置與連線及試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理。

3.1 ?試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備主要包括球形靶、彈丸、測(cè)速裝置和試驗(yàn)場(chǎng)地等的準(zhǔn)備。球形靶是由在自然條件下干燥的三等松木板或強(qiáng)度相當(dāng)?shù)钠渌景逯瞥?，這些木板厚度為25 mm，長(zhǎng)度1 m，高度為3 m，半徑為5 m，共計(jì)15塊，從而構(gòu)成半圓形靶板。

3.2 ?彈丸的安裝

將彈丸豎直放置在爆樁上，使被試彈丸放置后其質(zhì)心距地面的距離為1.5 m。

3.3 ?測(cè)速裝置的布置與連線

在以爆點(diǎn)為圓心的破片的不同飛散方向上確定測(cè)速靶點(diǎn)，各測(cè)速通靶距爆點(diǎn)的距離根據(jù)被測(cè)彈丸的口徑確定，測(cè)速通靶安放完畢后，接線計(jì)時(shí)儀，準(zhǔn)備試驗(yàn)。

3.4 ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

根據(jù)每發(fā)彈丸的爆炸結(jié)果，編制一份球形靶上不同區(qū)域著靶破片數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表，并依據(jù)國(guó)軍標(biāo)獲得破片飛散規(guī)律。

4 ?試驗(yàn)場(chǎng)景三維建模

三維模型是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，采用3ds MAX軟件構(gòu)建試驗(yàn)場(chǎng)景所需模型并進(jìn)行效果渲染，包括試驗(yàn)場(chǎng)地模型、靶板、靶架、測(cè)試彈丸、爆樁、測(cè)速通斷靶、導(dǎo)線和測(cè)試儀器等，并導(dǎo)入到Unity3D中，部分模型效果如圖2所示。

5 ?軟件實(shí)現(xiàn)

球形靶試驗(yàn)虛擬仿真軟件采用VS2019、Unity3D、MySQL和3ds MAX等軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶和軟件的交互，用戶進(jìn)入虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景中，根據(jù)場(chǎng)景中的指導(dǎo)性文字開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)操作，最終完成球形靶虛擬仿真試驗(yàn)。

5.1 ?球形靶試驗(yàn)虛擬仿真軟件主界面

操作者輸入正確用戶名、密碼后就能夠進(jìn)入軟件主界面，如圖3所示。該界面下包括試驗(yàn)簡(jiǎn)介、理論知識(shí)、試驗(yàn)訓(xùn)練和試驗(yàn)考核4個(gè)模塊。

5.2 ?理論知識(shí)操作界面

該界面包括試驗(yàn)?zāi)康?、操作步驟、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)準(zhǔn)備等操作，詳細(xì)介紹了球形靶試驗(yàn)過(guò)程中所需掌握的知識(shí)，如圖4所示。

5.3 ?試驗(yàn)訓(xùn)練操作界面

試驗(yàn)訓(xùn)練和試驗(yàn)考核都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)球形靶試驗(yàn)的操作，試驗(yàn)訓(xùn)練具有試驗(yàn)過(guò)程文字性指導(dǎo)操作功能，試驗(yàn)考核由操作者獨(dú)立完成。以試驗(yàn)訓(xùn)練為例進(jìn)行球形靶試驗(yàn)仿真過(guò)程操作介紹，進(jìn)入試驗(yàn)訓(xùn)練后，根據(jù)操作指導(dǎo)進(jìn)行試驗(yàn)，彈丸起爆并顯示破片飛散過(guò)程及破片著靶過(guò)程，如圖5所示，測(cè)試設(shè)備顯示測(cè)得破片初速，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每塊靶板上的破片數(shù)量，如圖6所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的破片著靶數(shù)量，參照國(guó)軍標(biāo)可獲得破片空間分布和破片飛散曲線，為靶場(chǎng)試驗(yàn)或?qū)I(yè)教學(xué)提供參考。

6 ?結(jié)論

依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 3197—98《炮彈試驗(yàn)方法》中的球形靶試驗(yàn)要求，基于Unity3D平臺(tái)，應(yīng)用典型經(jīng)驗(yàn)公式模型，結(jié)合球形靶試驗(yàn)開(kāi)展的實(shí)際情況，建立了球形靶試驗(yàn)的虛擬場(chǎng)景，完成了試驗(yàn)過(guò)程的虛擬仿真，使操作者了解試驗(yàn)過(guò)程和步驟，動(dòng)態(tài)展示了球形靶試驗(yàn)中破片飛散與著靶過(guò)程，并統(tǒng)計(jì)每塊靶板上的破片數(shù)量，為獲得彈丸爆炸后的破片飛散規(guī)律提供參考。

球形靶試驗(yàn)虛擬仿真軟件解決了高校此類試驗(yàn)教學(xué)無(wú)法開(kāi)展的問(wèn)題，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，輔助課堂教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，保證試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，方便實(shí)現(xiàn)資源共享。

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