一种高炮拦阻射击新体制

2013-11-09孟留成张相炎

指挥控制与仿真 2013年3期

关键词：射角射弹高炮

孟留成，张相炎

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

拦阻射击体制是对跟踪射击体制的必要补充。传统的平行射向拦阻射击体制与集火拦阻射击体制已不能满足现代机动短停作战中拦阻高速、机动目标的需求，且严重制约着要地防空的炮位设置。因此根据现代防空作战形势，亟需创新射击体制。

本文针对高炮拦阻射击提出了一种新的射击体制，该体制能在目标提前点上下较大范围内布置多发间距均匀的射弹，成倍提高提前点空域的火力密度，同时能保证射弹在提前点空域近似均匀分布。文中详细叙述了射弹布置的方法，并给出了数值计算过程与结果分析。

1 新射击体制引入与对比分析

1．1 典型拦阻射击体制描述

多重命中体制是我国学者杨少宇近年提出的适用于自动高炮、能显著提高高炮防空反导效能的射击体制。其基本思想与大口径火炮的多发同时弹着基本一致。即对于目标航迹上的某一提前点，通过设计一组减装药的射弹，慢弹先发射、快弹后发射，以随动系统赋予不同的射角，达到多发射弹在同一时刻到达同一提前点的效果。可大幅增大提前点处火力密度，提高对目标的毁伤概率。如图1所示，图中粗实线为目标现在点之前的航迹，虚线为预测航迹，喇叭状区域为目标可能的机动范围。

图1 多重命中体制示意

未来空域窗是美国20世纪末提出的概念，是近程防空反导一种重要的火炮射击体制，如图2所示。它将传统集火射击改为分散射击，即将火炮射击诸元分别指向围绕预测目标点四周的一组特定点，以保证射弹的综合散布为一个近似均匀分布区域。该区域以一定概率覆盖目标的可能出现位置，并保证区域内射弹密度足以毁伤目标，可实现有效拦阻目标［1］。

图2 未来空域窗体制示意

结合以上两种射击体制的优点，本文提出一种单炮(单管)实现未来空域窗射弹分布、射击过程不依赖随动系统的射击体制。其表述为:按照射击基准弹弹道与目标航迹计算提前点时空坐标及首发弹提前击发时刻，火控控制随动系统调炮到位，单管按初速从慢到快发射一组射弹。在设计初速序列及外弹道飞行时间差的共同作用下，使射弹在航迹提前点上下按弹道下降量差值近似均匀分布，形成类似于多门高炮在未来空域窗体制下射击的射弹分布，如图3所示。

图3 新体制示意

1．2 三种拦阻射击体制的对比分析

多重命中体制有效降低了随动系统的功率要求和对现役小口径高炮瞄准速度的要求，但仍需对每一发弹单独解算射角，并对每一发弹精确装定，对随动系统短暂射弹间隔时间内的动态响应精度的要求很高，在现有条件下难以实现。而成倍提高在命中点附近的弹丸密度，容易出现弹丸密度饱和的情况而浪费弹药［2］。虽然点射时间依据弹药的减装药设计所达到的水平可适当延长［3］，然而在拦阻射击条件下，初速的降低意味着弹丸飞行时间增加;在应对高机动性空中目标的防空作战中，航迹长时预测的准确性很难保证，弹丸飞行时间必须尽可能减少，而在拦阻距离确定的前提下，只有较高的初速才能保证弹丸飞行时间较少。因而依靠减装药设计延长点射时间的方式应是很有限的。

从未来空域窗体制的概念描述中可以看出其实质为对多炮集火射击体制的改进，目前的文献研究范围基本限于多门分布式火炮对同一个提前点进行射击的情况。如何通过有限的火力单元发射的射弹构造密集且均匀的散布面，以及如何在单次单条目标航迹上构造多个未来空域窗等问题还有待深入研究。文献［4］叙述了几种单炮实现未来空域窗散布的方式，但仅限于概念，目前实现起来均存在一定困难。

新体制实际是单炮(单管)实现未来空域窗散布的一种方式，然而由于其实现过程不依赖随动系统性能、不涉及身管的主动振动控制、不需要改变现有的高炮自动机部件等突出优点，因此，有必要将该体制与未来空域窗体制区别对待。本文将体制暂命名为⎿张⏋体制。

2 数学描述

在确定射角下连续射击N发射弹，对应于初始时刻等时间间隔(近似)的N组外弹道方程。需要达到的射弹分布要求可暂定为N发射弹同时到达射面内一定的水平距离(暂不考虑偏流及气象条件、弹道条件修正)。由于射角固定，因而可变的外弹道起始条件只有弹道系数及弹丸初速。考虑到弹丸生产的标准化，弹径(受内弹道约束)与弹形等弹丸固有的特征量不宜改变，故而此处将初速选为设计变量。而对于一次点射各发弹初速不同引起的弹道系数(最佳符合弹道系数［5］)的差异，可在具体工程实施时根据外弹道试验数据，在初速序列设计计算时将 c代以c(v0n，θ0j)，其中v0n、θ0j分别为弹序为n的弹丸的初速及第j个支撑点［6］对应射角。事实上，弹形系数i在各个马赫数处均近似相等［7］，因而弹道系数因马赫数变化而改变的相对百分比也应很小。由于本文仅限于说明新体制的可行性，且最大初速与最小初速相差较小(约110m/s，见下文)，暂未考虑初速变化对弹道系数的影响。

问题可提炼为:在射击条件及弹道条件约束下，通过改变一组射弹的初速，使该组射弹在一定距离上形成特定的分布态势。该问题本质上属于组合优化问题，可根据现有高炮的实际条件及简化的射弹分布要求，将以上寻优问题具体化为低维搜索问题。

设射角为θ0，设计基准弹初速为V0N，射弹间隔时间T。采用以时间t为自变量的自然坐标系下弹丸质心运动微分方程组，则一次N发点射射弹的外弹道方程组群为［6］:

其中每发弹的外弹道起始时刻由射弹间隔时间T及射弹序数n决定。而初速需要根据设计基准弹的弹道及射弹分布要求，通过一维搜索得到。由于先发射射弹发射提前的时间已知(精确数值须实测)且要求其与基准弹同时到达，实际在积分弹道方程时，可先算好基准弹的飞行时间，则先发射的射弹飞行时间即为基准弹时间加上提前时间，在此基础上在搜索计算时可将积分的起始时刻取为0时刻。

3 计算结果与分析

本文选取某25mm高射炮为例，其射速为600发/min，发射榴弹最大初速1050m/s。按一组点射7发射弹，取射角30°、基准弹到达3000m斜距处作为基准，要求其他射弹同时到达射面内相同水平距离，设计初速序列，并给出竖直方向的射弹分布数值。

表1中对应每个弹序有两个初速，其中第一个值为根据基准弹弹道及分布要求，按一维搜索方法取得的。第二个值为考虑弹药生产实际情况后的取整值。由表1可以看出，在同时到达相同水平距离的情况下，竖直方向的射弹间隔平均只有3m～4m(相当于射角相差1mil)，远小于密集度战技指标(高低 ×方位 =5．0mil×4．5mil)及该型高炮200m立靶密集度试验结果(高低 × 方位≈3．0mil×2．5mil)［8］。图 4 中给出了七发点射射弹的平面弹道计算结果及放大后的射弹分布情况。

图4 一次7发点射平面弹道

表1 榴弹计算结果

一组射弹先后以同样的方向角与射角发射，最后由于初速差值同时到达提前点空域。在水平方向上，整个过程中后发射射弹均在依次追逐先发射射弹。而在竖直方向上，先发射的射弹的竖直位置起初领先，而后由于弹道下降量比后发射射弹大而处于后发射射弹下方。中间存在一些部分射弹等高的 y-t交汇点(4．4s附近)。如图5所示。

图6为一组射弹的平面弹道的两个维度加上时间维度的三维效果，图中曲线簇对应于射角30°的情况。以上所有图中的五角星均表示同时到达预定位置的射弹。对于其他典型射角及拦阻斜距离弹丸汇聚情况，本文也做了大量计算，限于篇幅，未能详述。

图5 一次7发点射弹丸行程(y/x/s)－时间(t)曲线

图6 射弹x－y－t空间汇聚图

在实际射击时，需要将射击基准变为初速中等的射弹(图4中标号为D)，即在计算命中提前点时采用初速序列的中间值，使点射射弹均布于提前点上下。一次点射的射弹数可根据目标机动范围及服务概率、毁伤概率最大化等因素决定，使射弹综合散布能覆盖固定翼飞机、巡航导弹等目标的大概率机动范围，在确保一次点射对一个目标的有效毁伤的前提下尽量减少服务时间。拦阻斜距离的确定需要考虑战术需求、高炮发射能力、弹药毁伤机理等影响因素，以最大限度发挥单炮或高射综合体的作战效能。