反艦導(dǎo)彈易損性模型分析*

王誠(chéng)成，謝曉方，孫 濤，張龍杰

(海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001)

0 引言

近程反導(dǎo)力量是我軍艦艇面對(duì)敵方導(dǎo)彈攻擊的最后一道屏障，艦炮是近程反導(dǎo)的主力。艦炮彈丸對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈的毀傷效果及毀傷效果評(píng)估是反導(dǎo)關(guān)注的焦點(diǎn)。

以往文獻(xiàn)[1－4]大多以導(dǎo)彈受艦炮彈丸或破片沖擊后不同部位的命中概率為毀傷模型進(jìn)行導(dǎo)彈損傷分析，而對(duì)導(dǎo)彈被命中后不同部位可能的毀傷效果以及各種不同毀傷效果對(duì)導(dǎo)彈總體影響沒(méi)有更深入的研究。文中在其基礎(chǔ)上，研究分析典型導(dǎo)彈目標(biāo)的易損性，針對(duì)典型導(dǎo)彈不同部位受損情況進(jìn)行建模并對(duì)導(dǎo)彈各個(gè)系統(tǒng)受損后的毀傷進(jìn)行定性分析及毀傷等級(jí)劃分，為進(jìn)一步進(jìn)行典型反艦導(dǎo)彈總體易損性分析打下基礎(chǔ)。

1 對(duì)反艦導(dǎo)彈的毀傷機(jī)理

毀傷效果指標(biāo)一般應(yīng)根據(jù)目標(biāo)特性、毀傷機(jī)理，并結(jié)合作戰(zhàn)意圖而選取。

部件的毀傷機(jī)理與作用在部件上的毀傷元有關(guān)，如破片毀傷元的撞擊、侵徹可能使部件功能部分或全部喪失，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，引燃或引爆易燃易爆部件，沖擊波則使目標(biāo)的結(jié)構(gòu)毀傷。

艦炮是近程反導(dǎo)的主力，目前小口徑速射艦炮武器系統(tǒng)(30mm口徑以下)末端反導(dǎo)一般采用直接命中體制，依靠系統(tǒng)的高射速所形成的彈幕擊毀來(lái)襲導(dǎo)彈或使其偏航，從而達(dá)到防御目的[5]。高射速、多彈丸是其毀傷目標(biāo)的重要條件。

2 反艦導(dǎo)彈毀傷模式及易損性模型

2.1 反艦導(dǎo)彈被命中后的毀傷模式

反艦導(dǎo)彈由很多系統(tǒng)構(gòu)成，一般總體上可分為彈體、動(dòng)力裝置、戰(zhàn)斗部系統(tǒng)、導(dǎo)引頭、控制系統(tǒng)和彈上電氣設(shè)備等。一枚導(dǎo)彈要完成既定的戰(zhàn)斗任務(wù)，需要具有尋的、飛行、姿態(tài)控制、終點(diǎn)毀傷等功能，這些功能分別由導(dǎo)彈的各個(gè)部件、系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)完成，任何系統(tǒng)的損傷都可能導(dǎo)致其不能完成預(yù)定任務(wù)。

從導(dǎo)彈功能性失效的角度出發(fā)，導(dǎo)彈可能的毀傷模式主要有[6]:

1)災(zāi)難性毀傷(被打爆);

2)不能引爆戰(zhàn)斗部(成為啞彈);

3)不能準(zhǔn)確的飛向攻擊目標(biāo)(偏航)。

導(dǎo)致這些毀傷模式的機(jī)理非常復(fù)雜，例如，導(dǎo)彈在破片或沖擊波作用下，彈體的局部壓跨、變形、折彎、翼片的折斷、變形等都可能引起氣動(dòng)力的不對(duì)稱而使導(dǎo)彈偏航，導(dǎo)引頭以及控制系統(tǒng)毀傷、燃料泄漏、發(fā)動(dòng)機(jī)失效等也能引起導(dǎo)彈不能準(zhǔn)確飛向攻擊的目標(biāo)。導(dǎo)彈的引信及傳爆序列受到損壞，可能出現(xiàn)啞彈。如果導(dǎo)彈所攜帶的易燃易爆部件(如戰(zhàn)斗部、燃料艙)受到高速破片的撞擊，可能出現(xiàn)燃燒或爆炸現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)彈的解體。

從毀傷部件效果描述性等級(jí)劃分，對(duì)于導(dǎo)彈目標(biāo)毀傷，可定義3個(gè)毀傷等級(jí):

K級(jí)毀傷:導(dǎo)彈遭到打擊后受到的損傷會(huì)導(dǎo)致啞彈或引起爆炸;

A級(jí)毀傷:導(dǎo)彈遭到打擊后其損傷將引起失控、偏航;

B級(jí)毀傷:導(dǎo)彈遭到打擊后損傷不足以影響預(yù)定任務(wù)。

2.2 反艦導(dǎo)彈易損性模型

反艦導(dǎo)彈易損性主要與以下幾個(gè)主要因素有關(guān):導(dǎo)彈本身各個(gè)系統(tǒng)部件的材料屬性、艦炮彈丸基本屬性、導(dǎo)彈速度、艦炮彈丸速度、艦炮彈丸與導(dǎo)彈交匯時(shí)的入射角以及艦炮命中導(dǎo)彈各個(gè)系統(tǒng)部件的概率分布等。現(xiàn)將反艦導(dǎo)彈易損性以函數(shù)形式描述:

式中:Fi為反艦導(dǎo)彈受艦炮彈丸沖擊時(shí)的動(dòng)態(tài)易損性函數(shù);cbi為導(dǎo)彈各個(gè)系統(tǒng)部件的材料基本屬性，包括材料密度、泊松比、楊氏模量等參數(shù);cpi為艦炮彈丸的材料屬性、質(zhì)量、直徑等參數(shù);v1為導(dǎo)彈在與艦炮彈丸交匯時(shí)的瞬時(shí)速度;v2為艦炮在與導(dǎo)彈交匯時(shí)的瞬時(shí)速度;θ為艦炮彈丸與導(dǎo)彈交匯時(shí)的入射角;pi為艦炮命中導(dǎo)彈各個(gè)系統(tǒng)部件的概率，它是導(dǎo)彈與艦炮距離d以及導(dǎo)彈各個(gè)系統(tǒng)部件體積V的函數(shù)，在后期仿真中，可用蒙特卡洛方法計(jì)算出在艦炮彈幕范圍內(nèi)導(dǎo)彈各個(gè)艙段的著彈情況。

根據(jù)i值的不同，分別定義導(dǎo)彈各個(gè)分系統(tǒng)的易損性函數(shù):

i=1，表示導(dǎo)彈殼體的易損性函數(shù)。

i=2，表示導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)的易損性函數(shù)。

i=3，表示導(dǎo)彈燃油系統(tǒng)的易損性函數(shù)。

i=4，表示導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的易損性函數(shù)。

i=5，表示導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的易損性函數(shù)。

i=6，表示導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部系統(tǒng)的易損性函數(shù)。

在對(duì)導(dǎo)彈與艦炮彈丸交匯瞬間的毀傷模型的建模計(jì)算中，在以上函數(shù)參量已知的條件下，可通過(guò)仿真得出在不同命中概率、不同入射角及相對(duì)速度情況下導(dǎo)彈不同部件與艦炮彈丸交匯瞬間的毀傷情況，艦炮彈丸對(duì)導(dǎo)彈不同部件的侵徹與破壞情況可以通過(guò)有限元模型近似得出。

3 導(dǎo)彈各系統(tǒng)毀傷分析及等級(jí)劃分

某型反艦導(dǎo)彈彈身從前到后，分為整流罩艙、戰(zhàn)斗部艙、燃油艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙4個(gè)艙室。根據(jù)某型導(dǎo)彈各個(gè)主要組成艙段內(nèi)部系統(tǒng)的基本構(gòu)成及功能，結(jié)合典型導(dǎo)彈被命中后的各種不同毀傷模式及易損性函數(shù)描述，對(duì)導(dǎo)彈各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行毀傷等級(jí)劃分。

3.1 反艦導(dǎo)彈殼體毀傷分析

導(dǎo)彈殼體易損性函數(shù)表示形式為:

根據(jù)反艦導(dǎo)彈受到艦炮彈丸沖擊后彈體受損情況，殼體按受損傷程度，可劃分為3個(gè)毀傷等級(jí):

①Q(mào)0:導(dǎo)彈殼體無(wú)損傷;

②Q1:導(dǎo)彈蒙皮未擊穿，殼體輕微受損;

③Q2:導(dǎo)彈蒙皮被擊穿，殼體嚴(yán)重受損。

3.2 推進(jìn)系統(tǒng)毀傷分析

推進(jìn)系統(tǒng)位于導(dǎo)彈尾部的發(fā)動(dòng)機(jī)艙。某型導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)由下列部件組成:

助推器:固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

主發(fā)動(dòng)機(jī):沖壓式空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

液壓舵系統(tǒng):由主發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪提供動(dòng)力帶動(dòng)往復(fù)式柱塞泵為液壓式舵機(jī)提供液壓動(dòng)力。

推進(jìn)系統(tǒng)易損性函數(shù)表示形式為:

反艦導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)受到艦炮襲擊后，按損傷程度，可劃分為3個(gè)毀傷等級(jí):

①T0:推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)損傷;

②T1:推進(jìn)系統(tǒng)輕微受損，導(dǎo)彈推力下降，加速能力減弱;

③T2:推進(jìn)系統(tǒng)嚴(yán)重受損，導(dǎo)彈無(wú)推力作用。

由于本課題所研究的是近程反導(dǎo)問(wèn)題，而助推器在導(dǎo)彈發(fā)射前期就自行脫落，故在此推進(jìn)系統(tǒng)易損性函數(shù)中的參量cb2不包含助推器的材料屬性。

根據(jù)上文對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的介紹，如果主發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室被彈丸侵徹并出現(xiàn)缺口，此時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生的高溫、高壓、高速噴氣會(huì)直接從侵徹部位沖出，認(rèn)為此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將被打爆，推進(jìn)系統(tǒng)損傷等級(jí)為T3;如果渦輪機(jī)組和燃油泵等受到彈丸有效侵徹，則認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)嚴(yán)重受損，推進(jìn)系統(tǒng)損傷等級(jí)為T2;如果發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、進(jìn)氣道、點(diǎn)火裝置、氮?dú)庠鰤合到y(tǒng)等部位受到彈丸有效沖擊，則認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)輕微受損，推進(jìn)系統(tǒng)損傷等級(jí)為T1。在進(jìn)行系統(tǒng)毀傷分析仿真時(shí)，需要針對(duì)具體侵徹部位詳細(xì)建模分析。

3.3 燃油系統(tǒng)毀傷分析

燃油系統(tǒng)用于連續(xù)不斷地向燃油泵提供燃油，并在燃油泵回油動(dòng)力作用下對(duì)燃油的供給進(jìn)行增壓。由于燃油艙是反艦導(dǎo)彈進(jìn)行巡航飛行、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確打擊的動(dòng)力能源，摧毀其燃油艙是實(shí)現(xiàn)對(duì)反艦導(dǎo)彈有效攔截的重要手段之一。

燃油系統(tǒng)易損性函數(shù)表示形式為:

燃油系統(tǒng)受到艦炮襲擊后，按損傷程度，可劃分為3個(gè)毀傷等級(jí):

①R0:燃油系統(tǒng)無(wú)損傷;

②R1:油箱殼體輕微受損，油箱漏油，導(dǎo)彈續(xù)航能力減弱;

③R2:油箱殼體嚴(yán)重受損，燃油箱體被擊穿并引爆。

燃油系統(tǒng)的毀傷是建立在艦炮彈丸命中導(dǎo)彈燃油艙并成功穿透導(dǎo)彈殼體的基礎(chǔ)之上的，其毀傷效果分析需要對(duì)侵徹導(dǎo)彈殼體之后的彈丸及燃油系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)仿真結(jié)果判定毀傷等級(jí)。

3.4 控制系統(tǒng)毀傷分析

控制系統(tǒng)對(duì)于導(dǎo)彈能否正確收發(fā)指令、順利完成預(yù)定戰(zhàn)斗任務(wù)有著至關(guān)重要的作用。由于控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，其受損后對(duì)導(dǎo)彈的影響有多種可能性，但大體上可歸于以下幾種。

1)無(wú)法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)舵機(jī)組的控制信號(hào);

2)無(wú)法穩(wěn)定和控制導(dǎo)彈在飛行中的姿態(tài)角;

3)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)彈飛行時(shí)的真實(shí)高度和高度的變化速度;

4)無(wú)法控制導(dǎo)彈的偏轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)易損性函數(shù)表示形式為:

反艦導(dǎo)彈控制系統(tǒng)受到艦炮襲擊后，按損傷程度，可劃分為3個(gè)毀傷等級(jí):

①C0:控制系統(tǒng)無(wú)損傷;

②C1:控制系統(tǒng)輕微受損，數(shù)據(jù)采集及指令傳達(dá)精度誤差變大，舵面無(wú)法準(zhǔn)確偏轉(zhuǎn);

③C2:控制系統(tǒng)嚴(yán)重受損，數(shù)據(jù)采集及指令傳達(dá)失效，導(dǎo)彈失去控制。

3.5 導(dǎo)引系統(tǒng)毀傷分析

導(dǎo)引系統(tǒng)易損性函數(shù)表示形式為:

反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引系統(tǒng)受到艦炮攔截后，按損傷程度，可劃分為3個(gè)毀傷等級(jí):

①D0:導(dǎo)引系統(tǒng)無(wú)損傷;

②D1:導(dǎo)引系統(tǒng)輕微受損，高度及角度等數(shù)據(jù)采集收發(fā)誤差變大;

③D2:導(dǎo)引系統(tǒng)嚴(yán)重受損，導(dǎo)彈雷達(dá)失效，導(dǎo)彈失去目標(biāo)。

需要注意的是，當(dāng)導(dǎo)彈在距離目標(biāo)很近時(shí)，末制導(dǎo)雷達(dá)會(huì)發(fā)出最后一個(gè)指令送引信，引信取消最后一級(jí)保險(xiǎn)，此后雷達(dá)不再繼續(xù)作用，故而當(dāng)此后導(dǎo)引系統(tǒng)被艦炮彈丸命中后，即使導(dǎo)引頭被破壞，毀傷等級(jí)為D2，也認(rèn)為該毀傷對(duì)導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)無(wú)影響，在導(dǎo)彈總體毀傷等級(jí)評(píng)估中不起主導(dǎo)作用。

3.6 戰(zhàn)斗部系統(tǒng)毀傷分析

導(dǎo)彈是戰(zhàn)斗部的載體，其根本目的就是將戰(zhàn)斗部帶到預(yù)定目標(biāo)處，引爆戰(zhàn)斗部。戰(zhàn)斗部系統(tǒng)位于導(dǎo)彈中前段的戰(zhàn)斗部艙。戰(zhàn)斗部系統(tǒng)易損性函數(shù)表示形式為:

導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部系統(tǒng)被艦炮擊中，按受損傷程度，可劃分為3個(gè)毀傷等級(jí):

①W0:戰(zhàn)斗部系統(tǒng)無(wú)毀傷;

②W1:戰(zhàn)斗部不能可靠引爆;

③W2:戰(zhàn)斗部系統(tǒng)被引爆。

如果彈丸無(wú)法侵徹進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體，則認(rèn)為戰(zhàn)斗部系統(tǒng)無(wú)毀傷，毀傷等級(jí)為W0;如果傳感器、傳爆管、引信等被彈丸有效毀傷，則可能無(wú)法引爆戰(zhàn)斗部，導(dǎo)致啞彈，損傷等級(jí)為W1;如果戰(zhàn)斗部裝藥被引爆，則毀傷等級(jí)為W2;在進(jìn)行系統(tǒng)毀傷分析仿真時(shí)，需要針對(duì)彈丸侵徹進(jìn)殼體的具體部位詳細(xì)建模分析。

需要特別指出的是，戰(zhàn)斗部在何種毀傷條件下能夠被引爆，這里涉及的因素有很多，引爆的條件也非常復(fù)雜，彈丸的侵徹所造成的物理毀傷只是其中一種。為了能夠使結(jié)論更加有真實(shí)性、實(shí)效性，需要實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐。

3.7 毀傷樹分析

根據(jù)上文對(duì)反艦導(dǎo)彈整體及各系統(tǒng)易損性的模型分析及毀傷等級(jí)劃分，總結(jié)出反艦導(dǎo)彈總體及各系統(tǒng)毀傷等級(jí)樹狀圖(如圖1所示)，各字母代表的系統(tǒng)毀傷等級(jí)在前文已有描述。

圖1 導(dǎo)彈總體及各系統(tǒng)毀傷等級(jí)樹狀圖

從邏輯上看，各個(gè)系統(tǒng)毀傷之間為并聯(lián)關(guān)系，各系統(tǒng)與殼體毀傷之間為串聯(lián)關(guān)系。對(duì)反艦導(dǎo)彈進(jìn)行易損性分析時(shí)，首先需要研究的是艦炮對(duì)導(dǎo)彈殼體的毀傷。假設(shè)彈丸雖然命中導(dǎo)彈，但是無(wú)法對(duì)導(dǎo)彈蒙皮造成有效毀傷，那么也無(wú)需進(jìn)行其它系統(tǒng)的毀傷分析，也就是說(shuō)，導(dǎo)彈殼體毀傷分析是其它系統(tǒng)毀傷分析的必要條件。各系統(tǒng)毀傷效果對(duì)于導(dǎo)彈總體毀傷效果產(chǎn)生直接影響。不同部位系統(tǒng)同時(shí)受到毀傷時(shí)，等級(jí)高的毀傷對(duì)導(dǎo)彈整體毀傷判定起主導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

反艦導(dǎo)彈總體毀傷分析建立在對(duì)導(dǎo)彈各個(gè)系統(tǒng)毀傷效果分析的基礎(chǔ)之上，其易損性數(shù)據(jù)是隨著導(dǎo)彈飛行環(huán)境、飛行姿態(tài)等動(dòng)態(tài)變化的。導(dǎo)彈各系統(tǒng)毀傷分析是一項(xiàng)復(fù)雜的專業(yè)基礎(chǔ)性工作，其研究對(duì)于攻防雙方都有著十分重要的意義。文中通過(guò)對(duì)導(dǎo)彈及各系統(tǒng)易損性函數(shù)模型與毀傷結(jié)果等級(jí)等的分析，為有效評(píng)價(jià)反艦導(dǎo)彈的易損性提供了理論參考，也為進(jìn)一步的仿真分析打下基礎(chǔ)。

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