装甲车辆易损性的一种定量计算方法*

柳 森，陈 鸿，周智炫，任磊生，黄 洁

(中国空气动力研究与发展中心超高速所，四川绵阳 621000)

0 引言

易损性是指目标在敌对环境杀伤下丧失全部或部分作战功能的可能性。目标在命中条件下的毁伤概率是易损性的定量表征参数。国外易损性研究起步较早，通过试验和实战积累了大量易损性数据，经过多年的发展，形成了比较完整的理论体系，开发了大量功能完善的易损性分析软件。国内易损性研究起步晚，研究偏重于理论研究，同时由于缺少数据支持，在易损性定量分析和通用易损性分析软件方面和国外差距较大。

装甲车辆是一种重要的地面作战装备，在现代战场中具有不可替代的作用。因此，装甲车辆的易损性分析对于指导训练和作战具有重大意义，已经开始引起国内学者的关注，王海福等人[1]总结了国外几种典型装甲车辆易损性分析模型的优缺点，王国辉等[2]开展了主战坦克的易损性分析仿真。文中以某简化坦克目标在脱壳穿甲弹打击下的易损性分析为例，介绍了装甲车辆易损性的一种定量计算方法。

1 基本方法

文中在开展卫星、导弹目标易损性研究[3－6]过程中建立了通用目标易损性分析的基本流程，如图1所示，并开发了相应的目标易损性分析软件(TVAS)。采用上述分析流程开展装甲车辆易损性分析，并利用TVAS软件完成系统毁伤概率计算。

图1 通用目标易损性分析基本流程

根据上述流程，装甲车辆易损性的定量分析可按以下4个步骤进行：

①确定研究对象。研究对象包括目标、武器和交战条件。对于目标，应定义目标的几何结构、材料和部件功能;对于武器，应定义武器的主要毁伤机理和性能参数;交战条件则应包括武器与目标的距离、方位角、俯仰角等。

②故障树分析。根据目标各部件之间的相互关系，按照毁伤等级定义，自上而下找出导致某一毁伤等级发生的所有中间事件和底事件，以及这些事件之间的相互逻辑关系，即可建立对应毁伤等级下的故障树。

③部件毁伤概率计算。根据武器的毁伤机理和目标部件的材料属性，采用工程方法计算在特定交战条件下部件的损伤程度，根据部件损伤程度计算部件的毁伤概率。

④系统毁伤概率计算。根据部件毁伤概率计算结果，按照故障树分析结果进行逻辑运算，获得各个毁伤等级对应的系统毁伤概率。

常见的装甲车辆有坦克、步兵装甲车、装甲式自行火炮。文中将采用上述方法计算某简化坦克在某脱壳穿甲弹打击下的易损性。

2 目标、武器及交战条件

目标为某简化坦克，如图2所示，该坦克包含部件有：外部装甲、炮管、瞄准装置、机载计算机、油箱、发动机、履带、主动轮、引导轮、行动轮，其中行动轮共10个，两侧各5个。坦克内有4名乘员，分别是车长、驾驶员、炮手和装弹手。坦克主体(不包括炮管)长6.7m、宽2.9m、高2.41m，炮管长4.8m。坦克外部装甲为均质刚装甲，其中正面装甲厚13cm，侧面装甲厚5.16cm，背面装甲厚4.5cm。

图2 某简化坦克结构示意图

武器为某脱壳穿甲弹，如图3所示。该弹总长 635mm，重4850g(不包括弹托)，弹身长546mm，弹身平均直径25mm，弹丸材料为铀，弹丸出炮口速度1700m/s，在2000m的距离上对均质钢装甲的侵彻深度为650mm。

定义射击线与坦克正前方的夹角为方位角，射击线与水平面的夹角为俯仰角。交战条件为：在距离坦克2000m地方，采用上述穿甲弹对坦克进行射击，其中俯仰角为 0°，方位角分别取 0°、30°、60°、…、270°等12个角度，即分别在坦克周围12个方向上对坦克进行射击。

图3 某脱壳穿甲弹结构示意图

3 故障树分析

毁伤等级用来描述目标预定功能降低的程度。从机动能力、火力、人员等3个方面考虑，参照文献[7]，文中将坦克的毁伤等级分为：

M级毁伤：装甲车辆丧失移动能力;

F级毁伤：装甲车辆丧失火力;

P级毁伤：装甲车辆乘员伤亡;

MoFoP级毁伤：上述三级毁伤的一种或几种同时发生。

坦克在脱壳穿甲弹打击下可能出现的基本损伤情况为底事件，如表1所示。

表1 底事件表

和坦克的机动性相关的部件有履带、主动轮、诱导轮、行动轮、发动机、油箱、计算机，这些部件任一个损坏都可能导致坦克丧失机动性，此外驾驶员死亡也会导致坦克丧失机动性。因此M级故障树如图4所示。

图4 M级故障树

M级故障树所有底事件均为逻辑“或”关系，即任一个底事件都可能导致顶事件的发生，故M级毁伤的毁伤概率计算式为：

和坦克火力相关的部件有炮管和瞄准器，相关的人员有炮手和装弹手。其中炮管或瞄准器损坏将导致坦克丧失火力。若炮管和瞄准器均未损坏，则只有当炮手和装弹手同时死亡时才会导致坦克丧失火力，因此炮手与装弹手是逻辑“与”的关系。由故障树分析可知F级毁伤概率的计算式为：

任何一个乘员死亡都会导致坦克发生P级毁伤，由故障树分析可知P级毁伤概率计算式为：

MoFoP级毁伤是上述三种毁伤的综合，故MoFoP级毁伤概率计算式为：

4 部件毁伤概率计算

部件毁伤概率是指部件失去原有功能的概率。部件毁伤概率不仅与部件属性有关，如电子部件与结构部件，还与其遭受的威胁机理有关，如侵彻损伤和冲击损伤等。穿甲弹对目标的破坏主要为侵彻作用和高温作用来完成。为简化分析，文中仅考虑了侵彻破坏作用，未考虑侵彻过程中的高温对坦克部件和乘员的危害。采取的部件毁伤概率计算公式为：

式中：P击穿为侵彻深度与部件在射线方向上的厚度之比，P击穿失效为部件被击穿后失效的概率。

侵彻深度一般采用经验侵彻公式进行计算。在文中的分析中，采用THOR方程[8]计算弹丸的侵彻过程。按照弹丸的运动方向逐个计算弹丸穿过某一部件后的剩余速度和剩余质量，直至弹丸剩余速度为零或剩余质量为零。实际上，弹丸在运动过程中可能会出现破碎和偏转等现象。这些现象均会对计算结果产生一定的影响。我部基于超高速撞击试验和数值仿真结果初步建立了典型撞击状态下毁伤元破碎和偏转统计学模型，在后续工作中将继续完善该模型。

文中采用的部件击穿失效概率如表2所示。人员的死亡概率与弹丸或破片质量、尺寸、形状、速度、击中位置等因素有关。文中只考虑了击中位置的影响，若头部被击中则认为死亡概率为1，若躯干被击中则认为死亡概率为0.8，若四肢被击中则认为死亡概率为0.5。

表2 部件击穿失效概率

5 系统毁伤概率计算及结果分析

文中采用平行射线扫描法[9]进行系统毁伤概率计算。平行射线扫描法是指根据给定的射击方向，将目标投影到与射击线垂直平面，在投影面内均匀划分网格，每个网格内随机分布一条射击线，用射击线模拟单个弹丸的运动轨迹，根据被弹丸击中的部件毁伤情况，计算该网格对应的系统毁伤概率。采用2.5cm×2.5cm大小的网格进行平行射线扫描。在每个扫描网格内随机产生一条射击线，分析射击线击中的部件并根据故障树计算对应的系统毁伤概率。图5是方位角为90°时对应的各个毁伤等级下的系统毁伤概率云图。

图5 方位角90°，俯仰角0°时的毁伤云图

为便于比较装甲车辆在不同打击方向下的易损性，通常还采用易损面积法来定义毁伤概率。即：

其中：PK为基于毁伤面积的系统毁伤概率;LA为毁伤面积;PA为暴露面积;ΔX为扫描网格长度，ΔY为扫描网格宽度;PK(i，j)为对应网格上的系统毁伤概率。

图6为坦克在12个打击方向上的毁伤概率曲线(基于易损面积)。从图6中可看出，坦克正面(0°) 和 背 面(180°)的 M 级毁伤概率要略高于坦克 侧 面 (90°、270°)的M级毁伤概率，这是因为履带在正面和背面的暴露面积要高于侧面，而侧面暴露面积较大的行动轮的击中失效概率较低。同样，由于炮管及瞄准系统侧面的暴露面积高于正面及背面，因此坦克侧面的F级毁伤概率要高于坦克正面和背面的F级毁伤概率。坦克的P级毁伤概率在背面最高而在正面和侧面均较低，这主要是因为正面装甲、侧面装甲均比背面装甲厚。由于文中对坦克的部件进行了简化，真实坦克在脱壳穿甲弹打击下的毁伤概率云图及毁伤概率曲线可能和文中有较大的差异。

图6 系统毁伤概率曲线

6 结论

文中介绍了装甲车辆易损性的一种定量分析方法，该方法适用于装甲车辆的快速易损性评估。采用该方法对某简化坦克目标在脱壳穿甲弹打击下的易损性进行了计算，获得了该坦克目标在给定打击条件下的各项易损性指标，为开展装甲车辆易损性分析提供了参考。

[1]王海福，李向荣，刘志雄，等.装甲车辆易损性建模及应用分析[J].弹箭与制导学报，2002，22(1)：67－70.

[2]王国辉，李向荣，孙正民.主战坦克目标易损性分析与毁伤评估仿真[J].弹箭与制导学报，2009，29(6)：274－277.

[3]周智炫，黄洁，任磊生，等.动能反导拦截中的目标易损性分析[C]∥2010年总装备部科技委年会，2010.

[4]黄洁，周智炫，任磊生，等.射线跟踪法及其在目标易损性分析上的应用[C]//第十一届弹药战斗部学术交流会，2009：119－125.

[5]周智炫，任磊生，李毅，等.TBM子母弹头的直接碰撞毁伤评估[C]∥第十一届弹药战斗部学术交流会，2009：126－131.

[6]柳森，周智炫，黄洁.钻地武器打击下的深层硬目标易损性分析方法研究[C]∥全国反深层/多层坚固目标高效毁伤技术研讨会，2010.

[7]A comparison of air and land vulnerability/lethality assessment tools used within，RTO-TR-AVT-127[R].2006.

[8]Zook J A，Silsby G F.Terminal ballistics test and analysis guidelines for the penetration mechanics branch，AD2A246922[R].Ballistics Research Laboratory Aberdeen Proving Ground，1992.

[9]王海福，李向荣，刘志雄，等.基于瞄准网格射击线易损性仿真方法[J].弹箭与制导学报，2002，22(2)：72－75.