戰斗部毀傷效能評估系統設計與應用

曹凌宇 ，劉國慶 ，羅興柏 ，陳思揚 ，路耀斌

（1.陸軍工程大學石家莊校區，石家莊 050003；2.中國華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200）

0 引言

精確打擊、遠程壓制、高效毀傷是彈藥作戰應用中的三大重要技術指標，戰斗部在武器系統完成高效毀傷目標或其他作戰任務中扮演了極其重要的角色，針對不同目標，選擇合適的戰斗部，并準確評估其毀傷效能對提高作戰效果具有重要軍事價值和現實意義。戰斗部按照對目標作用和戰術技術要求不同分為爆破戰斗部、殺傷戰斗部、穿甲戰斗部、破甲戰斗部等，國內不少學者對戰斗部毀傷理論進行分析研究，汪德武［1］曾進行過殺爆戰斗部殺傷面積的數值計算，姚劍虹［2］、劉軍［3］、黃振貴［4］等曾對不同類型的戰斗部進行數值模擬與試驗研究，謝樂平、楊理明［5］對常用戰斗部進行建模計算，并編寫了彈藥設計常用的BASIC程序，得出了一些規律性結論。上述研究側重于理論分析，本文以殺爆戰斗部對面目標毀傷效能為例進行分析，旨在依據各類型戰斗部毀傷理論，建立毀傷模型，構建包含戰斗部物理結構、作戰效能、運用方式等特性的戰斗部知識庫，基于此開發戰斗部毀傷效能評估系統，從而使得戰斗部毀傷評估向簡單化、易操作化發展，具有較高的軍事價值。

1 戰斗部毀傷模型建立

1.1 坐標模型建立

設彈丸在高度h處爆炸，相應的速度vc，落角為θc，如圖1所示。建立坐標系oxyz。令zox與射面重合，并將彈丸的爆炸中心A取在oz軸上，xoy為地面，在其上按一定等分劃成單元小格，小格的面積，用極小坐標小格的面積；小格的中心點 M 的坐標為（x，y）或（ψ，r），它距彈丸中心的距離AM為R，相應的破片飛散方位角為φ。

1.2 計算模型

根據彈體結構及裝藥尺寸，將有效殼體內外輪廓近似劃分為3段截的組合體進行計算［6-7］，如圖2所示。

圖2 殼體分段模型

1.2.1 破片初速

對于破片初速計算，幾十年來，國外一直沿用Gurney提出的破片初速計算公式vp。

1.2.2 破片速度衰減特性

假設破片運動過程中，Cx為常數，破片初速為vp。可推得破片衰減公式［6］：

1.2.3 破片質量分布

對于自然破片質量分布，大多采用Mott公式［7］（不適用于預制破片彈）來描述：

式中，N（mf）表示質量大于mf的破片數；M為殼體圓柱部分總質量；，j為維數；μ為殼體破碎特性參數，取決于彈體結構、材料以及炸藥性質。

1.2.4 破片空間分布規律

破片飛散密度分布函數為f（φ），實踐證明圓柱彈丸f（φ）可近似用正態分布函數表征：

動態情況下破片飛散密度不服從正態分布了，a（φ，R）由下式確定

式中，vp為破片初速；a（φ，R）為破片飛散密度。

1.2.5 殺傷動能準則

根據所遵循的殺傷準則，計算各質量組破片的殺傷概率 P（k/h）i。

選用殺傷動能Eε=78.4 J準則時

1.2.6 殺傷面積計算

殺傷面積的定義為：

2 基于毀傷模型的系統開發

利用Lab Windows CVI為仿真平臺，應用C語言，完成了戰斗部毀傷效能評估系統開發。實現了系統的登錄，系統的自檢與初始化，武器配置，彈藥配置，目標配置以及毀傷分析計算相關功能模塊的建立。

2.1 Lab Windows CVI為仿真平臺介紹

虛擬儀器軟件開發工具Lab Windows CVI（C for Virtual Instrumentation）是 National Instruments公司推出的軟件開發平臺，可以在多操作系統下運行。它是以ANSI C為核心，將C語言平臺與測控專業工具有機結合起來的集成化開發平臺。簡單的面板設計，豐富的空間，后臺C語言的完美支撐，為熟悉C語言的研究人員提供了極大的便利。

Lab Windows CVI的特點為：1）交互式的程序開發；2）功能強大的函數庫；3）靈活的程序調試手段；4）高效的編程環境；5）開放式的框架結構；6）集成式的開發環境。通過對CVI的特點及應用領域的分析，結合實際需求，采用Lab Windows CVI作為軟件開發平臺比較合適。

2.2 系統架構與功能模塊

系統劃分為業務層、交互層、支持層、通信層和數據層如圖3所示。其中：1）業務層提出軟件必須實現的業務和應該具備的能力；2）交互層提供用戶與軟件的直接交互體驗；3）支持層為系統的實現提供技術和業務的支撐；4）通信層負責進行數據交換管理，保障數據及時安全的在系統間流轉傳輸；5）數據層對于底層數據的封裝存儲管理。

結合實際需求，建立簡單的按照功能劃分的項目軟件系統。主要組成部分如圖4所示。

圖3 作戰效能與運用模擬系統技術架構

圖4 系統主要組成部分

系統的登錄界面是為了方便用戶資料的存儲，以及對用戶的數據資料進行保護；系統的自檢與初始化模塊，是在系統啟動時對各子系統進行初始化，完成整個系統的自檢；武器配置是存儲調取用戶所需武器發射平臺；彈藥配置是存儲調用符合任務需要的彈藥；目標配置是設定戰斗部毀傷目標；毀傷分析計算是根據用戶調用的武器彈藥及攻擊的目標，進行毀傷計算。

2.3 系統功能實現

應用Lab Windows CVI軟件實現的戰斗部毀傷效能評估系統開發，按照試驗的要求，具備了系統登錄、系統的自檢與初始化、武器配置、彈藥配置、目標配置以及毀傷分析計算相關功能。威力/易損性分析框圖如圖5所示，系統計算流程如下頁圖6所示，計算結果如圖7所示。

圖5 威力/易損性分析框圖

3 系統應用

圖6 系統計算流程

圖7 計算結果

運用開發的戰斗部毀傷效能評估系統，基于戰斗毀傷模型及算法，對某型殺爆彈在一定初始條件下，對500 m×500 m區域內不同姿態人員的毀傷面積計算，計算結果如表1，圖8所示。

圖8 某型殺爆彈不同炸高對人員毀傷面積折線圖

從計算結果可以看出當人員姿態為跪姿、臥姿、三姿混合時，初始階段毀傷面積隨炸高的增大而增大，當達到最大值后隨炸高的增大而減小，存在有利炸高。當人員為立姿時炸高越小毀傷面積越大，由于沒有考慮彈丸的長度和地面人員目標的高度等因素，破片的飛行距離采用的是炸點距人員目標站立地點的地面之間的距離，所以，實際的變化曲線應與其他姿態情況下的變化曲線相符合。

計算結果反映出的規律與金麗［8］在預制破片對地面人員目標的殺傷威力分析計算中得出的結果一致，證明了系統的正確性。

表1 某型殺爆彈不同炸高對一定區域內人員的毀傷面積

4 結論

基于戰斗部毀傷模型，利用Lab Windows CVI為仿真平臺，應用C語言，成功設計開發戰斗部毀傷效能評估系統，經計算驗證，評估系統得出的結果與已有的結論規律一致，實現了在戰斗部毀傷效能評估上的人機交互，使得戰斗部毀傷評估簡單化、應用化發展。但仍存在戰斗部毀傷模型有待進一步優化的問題，而且，由于現在戰斗部種類多、結構復雜，構建包含戰斗部物理結構、作戰效能、運用方式等特性的戰斗部知識庫來擴充戰斗部毀傷效能評估系統仍然有大量的工作要做。