直升機空地導彈對典型裝甲目標毀傷評估方法*

王小強,王 琳,閆振綱,韓振飛

(1 陸軍航空兵學院陸軍航空兵研究所, 北京 101121； 2 西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

0 引言

空地導彈毀傷評估是制定火力作戰計劃和武器作戰使用的依據,也是高效配置打擊資源的基礎。空地導彈對典型裝甲目標毀傷效能評估需綜合考慮作戰目的、戰場環境、武器系統性能、彈藥戰斗部威力、目標易損性等,綜合評定戰斗部對目標功能和結構破壞效果的活動。

目前,關于典型目標防護及需求的研究很多停留在理論分析層面。為了能夠深入研究典型裝甲目標的防護水平,摸清其能力底數,必須在理論分析的基礎上,研究防護等效靶板或模擬目標,進行毀傷效應驗證[1-3]。國外在該領域研究方面,由于高價值彈藥成本巨大,無法獲取大量實彈靶試數據[4],主要通過靜動爆試驗,首先是建立導彈威力模型,然后在虛擬仿真試驗環境中加載各種模型,通過迭代計算,獲得動態毀傷結果,最后結合實彈靶試,修正仿真試驗數據。

在充分借鑒國內外相關研究經驗基礎上[5-7],針對直升機空地導彈對典型裝甲目標毀傷試驗問題,通過靜爆試驗、模擬動爆試驗,研究不同彈藥對典型裝甲內部、外部等關鍵部件的易損性,建立彈藥打擊方式與關鍵部件毀傷之間的對應關系；在此基礎上,采用毀傷樹描述要害部件毀傷與裝甲毀傷的關系,進而確定裝甲毀傷等級。在實彈靶試和仿真模擬的基礎上,建立目標毀傷評價表,表征各關重部件毀傷引起的裝甲目標毀傷程度；最后將各關重部件的毀傷情況與毀傷評估表進行對比,得到目標毀傷等級。

1 典型目標毀傷分析與毀傷等級

目標毀傷評估主要研究目標易損性分析、目標靶等效、目標毀傷等級與判據、目標毀傷機理與評估方法等問題[8-9]。

1.1 目標易損性分析

目標易損性是在沖擊波、破片、金屬射流等毀傷元作用下,目標物理結構被破壞而導致功能受損的敏感程度。不同結構類型的目標在不同毀傷元作用下,其易損性各不相同:工程設施類目標對沖擊波的毀傷較為敏感,裝甲類目標對破片和金屬射流的毀傷較為敏感。

裝甲目標毀傷分為結構性破壞和性能破壞。結構性破壞可通過易損性試驗獲得,性能損壞可通過結構性破壞來表示,如圖1所示。目前常用的裝甲目標毀傷準則是MFK準則。

圖1 典型裝甲目標易損性分析方法

1.2 目標靶等效方法

目標靶等效的目的:一是確定關鍵部件和結構,二是建立目標等效準則。其等效方法是:

1)確定目標外防護、內部關鍵部件及結構、關鍵部件的防護能力參數,例如防護件材料硬度、厚度等。

2)構建目標等效準則。主要以抗侵徹能力、抗沖擊波能力與典型目標相近原則進行等效。

針對要害部件,一是威力等效靶,采用毀傷元穿透毀傷能力等效,包括對駕駛艙、炮塔、炮管、傳動裝置的毀傷；二是后效等效靶,采用剩余射流對油箱和彈藥的引燃引爆能力進行等效。

1.3 典型目標毀傷等級與判據

1)確定目標毀傷等級的方法

步驟1采用自頂向下方法進行目標分解,得到基本毀傷事件,確定關鍵構件。

步驟2根據毀傷元作用方式,計算構件物理毀傷的閾值指標,按照構件對子目標功能的影響關系,轉換為對應條件下的效能值。

步驟3根據目標特點,構造結構函數,采用自底向上方法對各構件及子目標的效能進行綜合,得到目標的功能毀傷量化模型。

2)確定目標毀傷判據的方法

步驟1確定目標的功能和子目標及構件組成結構。

步驟2構建毀傷樹,提取與目標毀傷相關的關鍵子目標、構件。

步驟3采用仿真試驗和工程驗證相結合的方法,獲取不同毀傷元素作用下構件的破壞閾值指標及破壞特征。

步驟4根據子目標的作戰任務,建立基于物理毀傷的效能量化模型,研究基于構件毀傷的子目標效能衰減函數,解決構件物理毀傷與子目標功能喪失間的映射關系。

步驟5根據目標特點和毀傷樹,研究子目標毀傷程度與目標整體效能降低的映射關系,確定毀傷等級。

1.4 空地導彈對裝甲目標毀傷機理與評估方法

當空地導彈命中裝甲目標的任意部位,或在其近距爆炸時,破片流、沖擊振動、沖擊波超壓和噪聲等多種毀傷因素會同時作用在目標上,引起多種毀傷響應,可造成目標部件不同程度的毀傷,毀傷程度取決于裝甲及其部件的易損性閾值。

根據空地導彈的毀傷特性,研究裝甲外部結構和內部設備及人員的易損性和毀傷效應,考慮目標內、外部易損部件的關重性和代表性,構建典型部件三維數字化易損模型[1],如圖2所示。

圖2 典型彈藥對目標毀傷機理與評估方法

2 空地導彈對裝甲目標實戰毀傷試驗方法

空地導彈的實戰化毀傷效能是在分析戰斗部對典型目標毀傷效應和靜爆模型的基礎上,綜合考慮空地導彈在實際使用條件下終點速度和著靶姿態,分析其對目標產生的毀傷效果。

2.1 戰斗部靜爆試驗測試方法

空地導彈在擊穿裝甲目標后,形成質量不等的彈體碎片和裝甲破片,對目標產生不同程度的損傷,毀傷程度與等效裝甲厚度有關。

戰斗部破片空間分布與破片速度測試可參考GJB 3197—1998,試驗后統計破片在不同飛散方向上的分布情況,獲得破片空間分布及速度特性。

沖擊波空間分布試驗可采用電測法、光測法、效應靶方法等。電測法用于獲取戰斗部沖擊波毀傷威力場參數,包括沖擊波作用的強度和范圍、作用時間和空間分布等[10-11]。

2.2 戰斗部靜動爆關聯性

實戰化動爆條件下,彈目交會的牽連速度、姿態等終點參數對動態威力場分布有較大影響。戰斗部爆炸形成的破片、沖擊波與大氣密度、氣壓、溫度、濕度以及地面強度、地形地貌等有關。

戰斗部靜爆和實彈動爆由于多種因素影響,威力場差異較大,利用靜爆結論和威力模型等效模擬動爆效果,會存在較大差別,因此,構建空地導彈的動態威力模型時,還應測試動態爆炸條件下的各種毀傷元威力。

在研究戰斗部動靜威力場分布規律時,一方面收集靜動態毀傷威力試驗數據,獲取戰斗部爆炸沖擊波及破片效應參量,研究戰斗部在一定牽連速度下的威力參量分布規律；另一方面通過數值仿真,對一定飛行速度、一定著靶參數的戰斗部爆炸沖擊波場和破片場進行數值模擬,分析動爆條件下戰斗部動爆沖擊波場、破片場的演化過程以及時空分布特征,得到動態飛行參數對彈藥威力場的影響規律,以此構建實彈動爆威力評估模型。

1)建立沖擊波場分布模型,開展動態模擬試驗,通過電測和效應物采集彈藥威力參數。根據落姿、落點等圖像數據,在靜態三維威力場的基礎上構建動爆威力場,修正靜動爆關聯模型。

2)分析空地導彈終點速度、姿態等對沖擊波場時空分布的影響,建立靜/動爆關聯關系。

3)結合地形地貌參數,建立戰斗部靜/動爆威力關聯性。有關試驗表明,裝填條件一致的戰斗部在不同場地的地表反射壓存在差異,平原、丘陵、山地差異各不相同。

彈丸和靶標處在相對平整的地面上,周圍沒有障礙物阻擋,可在毀傷評估計算中,將地表處理為簡單平面。基于該平面方向矢量,根據彈靶相對方位和距離進行計算。

3 裝甲目標實戰毀傷效能評估方法

3.1 戰斗部毀傷試驗與實戰效能評估

根據靜爆試驗、定點動爆試驗獲取的毀傷威力場數據,構建威力場模型。在動態毀傷試驗中,結合地形地貌、氣候、土質等環境和彈目交會條件,給出動爆威力場分布、大小及演變過程,結合靶標、目標易損性、毀傷判據,得到裝甲目標的毀傷概率與毀傷等級。

3.2 沖擊波毀傷及其判據

1)沖擊波超壓對裝甲的毀傷

沖擊波對裝甲的毀傷表現在:對裝甲內關鍵部件的損傷；掀翻或造成裝甲結構損傷。一是沖擊波從裝甲縫隙進入裝甲內部產生超壓；二是爆炸產生的沖擊波作用到裝甲殼體,產生劇烈震動。

沖擊波對裝甲的毀傷程度決定于超壓作用過程,相關毀傷依據有超壓準則、沖量準則和超壓-沖量準則。通常,沖擊波對裝甲的毀傷能力較小。對于乘員的毀傷影響較大。

2)沖擊波超壓對人員的毀傷

沖擊波對人員毀傷影響較大，具體數據見表1,由此可以分析空地導彈對裝甲內部人員的毀傷程度。

表1 沖擊波超壓對人員的毀傷程度

目前,沖擊波評估模型主要有Bowen曲線、Stuhmiller模型和Axelsson的胸壁運動速度模型,這些模型是基于動物實驗獲得的,Bowen和Stuhmiller模型主要涉及肺損傷,Axelsson模型則關注所有的易損傷器官。裝甲車輛內乘員受到沖擊波超壓作用后,對耳膜、含氣臟器損傷比較明顯。

3.3 破片毀傷及其判據

破片的殺傷效應主要是依靠破片這種殺傷元件,對有生目標、建筑物和設備等目標,以高速度撞擊、擊穿甚至在目標內產生引燃和引爆的殺傷破壞作用。爆炸裝置爆炸后,沖擊波和破片是直接毀傷形式,由于沖擊波的衰減速度相對較快,因此在某一距離上破片的速度將趕超沖擊波陣面,并以較快的速度向前運行,從殺傷范圍上看,破片的殺傷范圍要明顯超過沖擊波的殺傷范圍[2]。

破片對人的毀傷取決于破片的速度、質量、形狀、結構、飛散方向等。破片對設備的毀傷最為典型的是導彈擊穿裝甲后,靶后二次破片對裝甲內關鍵部件的殺傷作用。破片的比動能準則是以單位迎風面積上的破片動能來衡量破片對目標的毀傷情況。由于破片的不規則和不穩定性,采用比動能來確定破片對目標的毀傷更為準確。

質量較大的破片可以造成裝甲內部件的中度或者嚴重損壞。如果破片命中關鍵部件的重要部位,即使是小質量的破片,也會引起比較大的破壞作用。破片的數量和質量都影響彈藥的殺傷威力。

4 基于靜動爆毀傷效能虛擬試驗測試

4.1 空地導彈威力虛擬仿真方法

空地導彈戰斗部威力虛擬仿真方法是:首先通過靜爆試驗獲取威力數據,并對數據進行分析；然后對威力仿真模型進行修正,再利用修正后的模型進行動爆試驗條件下模擬驗證；最后比對試驗數據和計算結果,獲取動爆威力仿真模型。

動爆威力仿真模型還需考慮大氣環境參量、地面強度、地形結構尺寸、溫濕度、海拔等復雜戰場環境要素。同時,空地導彈的終點姿態、引信的作用機制和地表介質的軟硬程度對沖擊波超壓的威力也產生很大影響。

4.2 空地導彈動爆條件下沖擊波場研究

研究實戰化條件下空地導彈戰斗部沖擊波場的方法是:

1)通過靜爆試驗,采集威力數據,研究導彈姿態、地表土質、地形等因素對沖擊波超壓分布的影響。

2)建立沖擊波超壓場工程計算模型,利用試驗測試數據修正模型參數。

3)結合實彈動爆數據,利用實測的彈道終點數據,代入工程計算模型得到超壓值,與實測的超壓數據進行比對。

4)通過多輪、多種工況下的比對和校驗,結合環境要素,優化模型參數,獲得實戰化條件下空地導彈戰斗部沖擊波場模型。

4.3 空地導彈動爆條件下破片場研究

實戰化條件下,影響戰斗部破片毀傷效果的主要因素有:導彈終點姿態和終點速度矢量；破片速度空間分布、形狀和質量分布、空間分布特性；受著靶姿態和牽連速度影響的導彈破片的速度空間分布；導彈和靶標的相對位置和地形條件等。

5 結束語

空地導彈對裝甲目標的毀傷效果與著靶姿態、動爆威力場、地形條件等因素有關。由于裝甲結構的特點,對于每種毀傷因素,裝甲的響應機理不同,所呈現的毀傷模式也不同。動爆條件下空地導彈威力場與靜爆威力場有明顯差異,因此實戰化毀傷評估方法是一個基于先驗結論,結合實彈動爆測試數據,對靜動爆模型不斷迭代修正的過程。文中提出直升機空地導彈對典型裝甲目標實戰化毀傷評估方法,可推廣至其它類型空地導彈,并為制定火力計劃和武器作戰運用的提供參考依據。