高炮武器作战试验技术研究

徐海波，邹建华，汪彩玲

(1.西安交通大学 电子与信息工程学院系统工程研究所，陕西 西安 710049；2.中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001；3.中国远洋航天测量船基地，江苏 江阴 214400)

为满足武器装备“好用、管用、耐用、实用”的总体要求，武器装备的试验鉴定模式应逐步从以考核“战术技术指标”为主向考核“战术技术指标”与评估“作战使用效能”并重转变，积极推进和开展武器装备作战试验。笔者对作战试验的时机选择、指标体系构建、试验剖面、试验方法以及评估方法等关键问题进行研究，并以高炮武器系统为例进行了具体分析，以期为推进开展武器装备作战试验提供参考和借鉴。

1 作战试验设计

1.1 作战试验的时机选择

作战试验是指在武器装备全寿命过程中，为确定武器装备的作战效能和作战适用性，由独立作战试验机构依据武器装备训练与作战任务剖面要求，构建近似于实战的试验环境，运用多种试验方法手段，对武器装备进行外场试验与评估的综合过程[1]。

从推进开展作战试验的角度看，应首先选择对改进武器装备质量最有效和最直接的环节入手，积累实践经验，然后扩展至其他环节，全面开展作战试验。故选择设计定型阶段和生产定型阶段两个环节开展作战试验，如图1所示。两个阶段的作战试验解决不同的问题，设计定型阶段侧重于解决单装级武器装备的作战效能和适用性，生产定型阶段侧重于解决单元级武器装备的作战效能和适用性。

1.2 指标体系构建

作战试验的目的不是评估武器装备是否满足技术规范，而是评估其是否满足实际作战需求。而是否满足实际作战需求是根据试验结果通过特定算法进行评估而得出的，因此需将作战需求转换为一系列指标体系，将其最底层指标作为作战试验的直接考核内容。

一般而言，作战试验的主要指标包括作战效能和作战适用性两部分。

作战效能包括[2]：单项效能(探测目标能力、指挥控制能力、打击能力、机动能力)；系统效能；对抗条件下作战效能。

作战适用性包括：作战环境适用性(自然环境、装备环境、电磁环境、运输环境)；作战使用适用性(安全性、可靠性、可用性、人机结合性)；作战保障适用性(维修保障性、使用保障性、保障资源)。

1.3 作战试验剖面

一般而言，开展作战试验时首先要根据被试武器典型训练任务剖面、作战任务剖面以及战斗编成内各武器装备的战术技术性能确定试验剖面，试验剖面需涵盖行军、集结、待机、开进、展开、射击、撤收、转移等作战要素[3]，围绕试验剖面，设置各种复杂环境，被试武器执行各项作战环节的相关动作、完成相应任务，与作战效能及作战适用性相关的最底层指标参数在试验剖面中的各阶段分别进行测试，以获取的数据为基础对作战效能进行综合评估。

参考要地防空作战及伴随防空作战基本要求，试验任务总行驶里程可确定为160 km，其中60 km为公路，50 km为乡村土路，50 km为越野路，试验剖面如图2所示。

1.4 试验方法

高炮武器作战试验可分为在存放地的作战准备阶段、由存放地至射击地域的战术机动阶段、射击地域及之后的战斗实施阶段。

此外，个别试验项目所需试验条件若在以上各阶段无法或难以满足，则需补充开展部分专门试验。

在作战准备阶段，按照武器配置，在没有空中目标的条件下检测被试武器的主要功能和性能，检测完成各级战斗准备的适用性情况，对指标体系中相关的最底层指标进行静态试验，测试记录各装备位置信息、各装备之间传输的信息、人员操作舒适性、网络系统生成时间、网络系统重组时间、故障及维修情况等，施加电磁环境和不施加电磁环境分别进行，昼夜分别实施。

在战术机动阶段，被试武器由存放地出发，按规定行驶路线行军、开进。分别提供模拟高炮武器各类典型战术目标的一个及多个空中靶机，按规定航路条件进入被试武器有效防御空域(停止间、短停间和行进间条件)。被试武器按作战程序组织防御，完成相应操作直至一级战斗准备，并对靶机进行各种方式的火力分配、截获、跟踪以及诸元解算，但不进行射击，对指标体系中相关的最底层指标进行动态试验，测试记录高炮总线数据、雷达及电视视频、靶机坐标、反应时间、各装备位置信息、各装备之间传输的信息、人员操作舒适性、网络系统生成时间、网络系统重组时间、故障及维修情况等，施加电磁环境和不施加电磁环境分别进行，昼夜分别实施。

在战斗实施阶段，被试武器进入射击地域后，分别提供一个及多个空中靶机进入被试武器有效防御空域(停止间、短停间和行进间条件)。被试武器按作战程序组织防御，完成相应操作直至一级战斗准备，并对靶机进行各种方式的火力分配、截获、跟踪、诸元解算，单装级高炮武器按“射-看-射”射击方案对靶机进行射击并转移火力，单元级高炮武器按集火射击方式对靶机进行射击并转移火力，然后转移阵地并进行第2次射击，对指标体系中相关的最底层指标进行射击试验，测试记录遭遇段弹丸坐标、靶机坐标、反应时间、射击间歇时间、火力转移时间、高炮总线数据、雷达及电视视频、各装备位置信息、各装备之间传输的信息、人员操作舒适性、故障及维修情况等，施加电磁环境和不施加电磁环境分别进行，昼夜分别实施。

在以上各阶段试验过程中，若被试武器系统出现故障或问题，则待故障或问题排除和解决后重新开始该阶段试验。

2 评估方法

通过作战试验获取大量现场实测数据后，结合设计定型试验及科研鉴定试验数据可进行3种类型的评估：

一是对指标体系最底层指标直接给出在各种近实战条件下的性能测量值或优、良、中、差的定性结果，可以为武器设计、适用性改进提供技术依据，为武器装备作战运用提供技术参考。如试验过程中操作人员感觉不方便或不合理的环节就是武器改进的方向，而火力转移时间、射击间歇时间等的具体数值则可以为连指挥员执行作战任务时制定射击预案提供重要技术依据。

二是对被试武器的各项单项效能进行评估，给出探测目标效能、打击效能、机动效能等各项单项效能的评估结果，其物理含义为在典型剖面内完成规定具体任务的可能性大小，为一介于0与1之间的数值。如打击效能评估结果若为0.8，则代表被试高炮对其有效作战空域内的来袭目标在能够成功探测的条件下进行一次防空作战时，对来袭目标能够成功拦截的概率为0.8。

三是对被试武器的系统效能进行评估，其物理含义为在典型剖面内完成全部作战任务的可能性大小，为一介于0与1之间的数值。如系统效能评估结果若为0.6，则代表被试高炮在160 km的任务里程内完成行军、开进、射击、转移、再射击，且对来袭目标能够成功拦截的概率为0.6。

单装级的环境适应能力及单元级的技术保障能力等可以利用层次分析法进行评估，层次分析法的优点是简单易行，缺点是无法摆脱主观判断且评估结果没有明确的物理意义，无法回答“掌握装备底数”的问题。

而单装级的打击能力、单元级的协同打击能力等利用美国武器系统效能咨询委员会推荐的ADC方法进行评估较为合理，ADC方法的优点是可以摆脱主观判断且评估结果具有明确的物理意义，可以回答“掌握装备底数”的问题，缺点是构建计算模型有较大难度。

2.1 单装级作战试验打击效能评估

考虑单目标条件下单装级作战试验的打击效能评估问题。

武器状态划分及计算示例参数取值如表1及表2所示。

表1 高炮状态划分

表2 分系统代号及计算参数取值

根据文献[2]对可用性及可信赖性的分析，可得可用性矩阵为

A=[a1a2a3a4]=[AⅠAⅡAⅠ(1-AⅡ) (1-AⅠ)AⅡ(1-AⅠ)(1-AⅡ)]=

[0.980 3 0.009 8 0.009 8 0.000 098]

式中：a1为高炮开始工作时处于状态1的概率；a2为处于状态2的概率；a3为处于状态3的概率；a4为处于状态4的概率；AⅠ为高炮开始工作时火力系统处于正常状态的概率；AⅡ为火控系统处于正常状态的概率。

可信赖性矩阵为

式中：dij(i,j=1,2,3,4)为高炮开始工作时处于状态i，在执行任务(8 h)后，由状态i转移至状态j的概率；假定高炮在执行任务期间(8 h)故障无法修复，则其中TⅠ=TⅡ=MTBF。

根据文献[4]对着发射击高炮系统拦截概率的分析，求解状态1及状态2时高炮武器采用榴弹对目标射击的拦截概率。

如图3所示，选取炮口位置O为火炮或火炮阵地所在位置，并把它作为坐标原点，过O点的水平面选作坐标平面[4]。设一发弹丸离开炮口瞬间目标的现在位置为M，提前位置为Mq。此时，弹丸的绝对运动矢径用rp表示，目标运动矢径用rm表示，弹丸相对运动矢径用rxd表示，则在任一时刻，有

rxd=rp-rm

(1)

记Vp为弹丸的绝对速度矢量，Vm为目标的速度矢量，Vxd为弹丸的相对速度矢量。有

Vxd=Vp-Vm

(2)

设目标的三向面积：SB为水平截面面积；SS为纵截面面积；SF为横截面面积。求取在提前点Mq处，目标沿相对弹道方向在平面Q(过Mq点且垂直于炮目连线OMq的平面)上的投影面积。

设在Mq点，目标的倾斜角为λ，航路角为q，绝对弹道倾斜角为θ，目标高低角为εq。以Mq点为原点作一直角坐标系Mq-xyz，其中x轴沿水平距离的延长方向，正向朝远；z轴沿高度方向，正向朝上；y轴垂直于坐标平面Mq-xz，正向与目标航向同侧。坐标平面Mq-xy即为过Mq点的水平面。从与地面火炮相联系的该绝对坐标系看，相对弹道在目标位置的速度矢量Vxd应位于提前位置Mq上。设Vxdn=(s1,s2,s3)为与Vxd同向的单位矢量，其中s1,s2,s3为方向余弦。Vp就是弹丸在Mq点的存速矢量，Vm是目标在Mq点的速度矢量。在此坐标系中，弹丸速度矢量(即绝对弹道方向)为

Vp=(Vpcosθ,0,Vpsinθ)

(3)

可得目标各向面积沿相对弹道方向在平面Q上的投影面积。水平截面的投影面积为

(4)

其中

Wpm=|Vpcos(εq-θ)+Vm(cosλcosqcosεq- sinλsinεq)|

同理，可得纵截面的投影面积S2和横截面的投影面积S3分别为

(5)

(6)

(7)

第i次射击对目标的毁歼概率为[4]

(8)

共i次射击对目标的拦截概率为

P=1-(1-Pk1)(1-Pk2)…(1-Pki)

(9)

式中，i为试验时高炮武器能够对目标实施射击的次数。

假定高炮可对目标实施5次射击，点射长度40发，对应提前点距离分别为4、3、2.5、2、1.5 km，相关参数按表3所示取值，则根据式(4)～(8)，可得表4所示计算结果。

表4中，P1ki(1)(i=1,2,…,5)为高炮处于状态1条件下，第i次射击1发弹时的毁歼概率；P1ki(40)为高炮处于状态1条件下，第i次射击40发弹时的毁歼概率；P2ki(1)(i=1,2,…,5)为高炮处于状态2条件下，第i次射击1发弹时的毁歼概率；P2ki(40)为高炮处于状态2条件下，第i次射击40发弹时的毁歼概率。

表3 拦截概率计算参数取值

表4 单装级毁歼概率计算结果

将表4中P1ki(40)及P2ki(40)的计算结果分别代入式(9)，可分别得到高炮处于状态1、状态2条件下的拦截概率为P1=10.73%，P2=2.85%。

当高炮处于状态3、状态4条件下时，此时火力系统处于故障状态，无法正常发射，因此这时的拦截概率均为0。

根据文献[4]对高炮能力矩阵的分析，将高炮各种状态下的拦截概率作为能力矩阵的元素，则可得其能力矩阵为

C=[0.107 3 0.028 5 0 0]T

则有单装级打击效能E为[2]

E=ADC=0.091 9

其物理意义为：1门高炮对其有效作战空域内的1个来袭目标在能够成功探测的条件下进行1次防空作战时，对来袭目标能够成功拦截的概率为9.19%。

2.2 单元级作战试验打击效能评估

以2门高炮组成的作战单元为例，单目标条件下作战单元状态划分如下表5所示。

表5 作战单元状态划分

可用性及可信赖性以表2数据为基础进行计算，此时单门炮的火力系统与火控系统按串联组合看待，则可用性矩阵为

A=[0.961 2 0.019 2 0.019 2 0.003 8]

可信赖性矩阵为

假定射击时两门高炮之间的距离小于50 m，由此引起的误差可忽略，则采用与单装级打击效能相同的计算条件和方法，可得表6所示计算结果。

表6 单元级毁歼概率计算结果

表6中，P1#ki(40)(i=1,2,…,5)为作战单元中的1#炮处于正常状态条件下，第i次射击40发弹时的毁歼概率；P2#ki(40)(i=1,2,…,5)为作战单元中的2#炮处于正常状态条件下，第i次射击40发弹时的毁歼概率。

将表6中P1#ki(40)及P2#ki(40)的计算结果分别代入式(9)，并利用概率和公式，可分别得到作战单元处于状态1、状态2、状态3条件下的拦截概率分别为P1=20.31%，P2=10.73%，P3=10.73%。

当作战单元处于状态4条件下时，此时1#炮、2#炮均处于故障状态，无法正常发射，因此这时的拦截概率均为0。

将作战单元各种状态下的拦截概率作为能力矩阵的元素，则可得其能力矩阵为

C=[0.203 1 0.107 3 0.107 3 0]T

则有单元级协同打击效能E为

E=ADC=0.171 3

其物理意义为：由2门高炮组成的作战单元对其有效作战空域内的1个来袭目标在能够成功探测的条件下进行1次防空作战时，对来袭目标能够成功拦截的概率为17.13%。

可见，考虑作战单元在实际运用时的作战过程及可用性和可信赖性后，其协同打击效能要低于每门高炮性能理想值的概率和，本例中其相对下降幅度为15.7%，同时又高于1门高炮的单装级打击效能，其相对提高幅度为86.4%。

对于近炸和空炸射击的情况，需在对射击误差进行针对性分析的基础上，利用坐标毁歼定律计算拦截概率[4]。对于多目标的情况，其能力矩阵还要考虑服务概率的计算问题，需将目标流特征用泊松过程刻划[5]。

3 结束语

武器装备作战试验是一项复杂的系统工程，多学科交叉应用特点明显，目前的试验技术水平与作战试验的要求还有一定差距，需在本文基础上，针对构建完备的指标体系、不同目标攻击航路下拦截能力的试验评估方法、不同易毁性目标毁伤效果试验测试方法等问题继续进行详尽深入的研究，以便加快推进开展作战试验。

References)

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[3]钟明范,刘强林.防空兵作战典型战例介绍[M].桂林:蓝天出版社,2008:354-356. ZHONG Mingfan,LIU Qianglin. Corps of air defense an introduction to typical cases[M]. Guilin: Lantian Press,2008:354-356. (in Chinese)

[4]肖元星,张冠杰.地面防空武器系统效费分析[M]. 北京:国防工业出版社,2006:155-205. XIAO Yuanxing,ZHANG Guanjie. Effectiveness-cost ana-lysis on land-based air defense weapon system[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2006:155-205. (in Chinese)

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