关于我军炮兵标准射击条件修订的探讨

王海峰, 王鹏新, 王 龙, 邓立杰

(中国白城兵器试验中心, 吉林白城 137000)

0 引言

武器系统射击初始条件不同,弹箭飞行历经环境不同,弹道终点诸元也不同,因此,不同因素、不同偏差条件影响下,不同武器系统弹道性能很难比较。炮兵标准射击条件就是为了便于武器系统弹道性能比较和射击使用,而进行一系列的假设规定。它是炮兵装备指标论证与性能评估、弹道仿真与射表编制、装备技术研究与学术交流中使用的基本规范。我军炮兵标准射击条件是在20世纪50年代借鉴苏联炮兵标准条件制定的,很长一段时间,为炮兵装备技术的发展与交流,炮兵装备的研制与使用提供了基准。近些年来,多种增程技术的成熟应用,侦测、通信与炮控技术的进步发展,常规兵器射程有了很大的突破,射弹高度有了很大的外延,射击精度有了很大提高,现行标准射击条件已无法完全适应装备技术的发展。国内相关科研单位进行了高原气象条件研究,给出不同海拔高度对应的参考大气,也有学者对标准气象条件存在的问题进行分析、探讨,但这些研究探讨更多侧重参考大气与实际大气一致性难题,没有关注与现行标准射击条件的继承问题,短期内无法形成统一的标准指导工程实践。文中针对这一情况,从射表编拟实际需求出发,系统分析现有炮兵标准射击条件的不足,并提出具体改进措施。

1 现行炮兵标准射击条件简介

目前,我军炮兵标准射击条件[1]如下:

1)地球、地形条件

a)地表面为平面,重力加速度g为常量9.80 m/s2;

b)弹着点位于炮口水平面上;

c)炮耳轴成水平且与炮身轴线垂直;

d)科氏加速度为零。

2)弹道条件

a)初速为表定初速或发动机工作时间、装药质量、推力大小及方向与设计值吻合;

b)飞行体质量为表定值;

c)药温为15 ℃;

d)飞行体外形符合定型图纸规定;

e)有控弹箭控制系统工作正常,控制策略与设计一致。

3)气象条件

a)地面(海拔高0 m)标准气温为15 ℃,绝对湿度为846 Pa(相对湿度为50%),地面标准虚温为15.9 ℃(288.9 K),虚温τ随高度y变化服从标准定律:

b)地面标准气压p0为1 000 hPa,气压p随高度y变化服从大气铅垂平衡条件:

c)在弹道所有高度风速为零。

2 现行炮兵标准射击条件的不足

2.1 标准地球地形条件下的弹道计算存在较大误差

炮兵标准地球地形条件规定:地球表面为平面,弹着点在炮口水平面上,重力加速度为9.80 m/s2,方向铅直向下。而实际地球表面并非平面,重力加速度大小、方向在不同位置也不一样。因此,在标准地形条件基础上的弹道计算、射表编拟会存在一定的误差。

图1 平面地形假设示意图

标准地形条件基础上的弹道计算,气象数据应用存在误差。标准大气变化规律中,温度、压强是随海拔高度变化的,是以大地水准面为基准的,而在标准地形条件下,取炮口处平面直角坐标系中的坐标y近似为弹箭空间位置的海拔高度。这种近似导致弹道计算所用的气象诸元存在误差,特别是在有高空风存在的实际气象条件下,计算实际弹道时,气象数据的这种近似应用会引起大误差。误差的大小随着射程的变化和气象条件的变化而不同,射程越大,弹道高程误差越大,误差累积时间越长,射程误差越大;风速随高度的变化越剧烈,应用于弹道计算的气象数据与实际气象数据差距越大,造成的射程误差越大。表1为某型弹药气象高程选取不准确引起的弹道计算误差仿真结果。

表1 气象高程使用引起的弹道计算误差

标准地形条件基础上的弹道计算,重力加速度的使用存在误差。但在地球表面为平面基础上,认为重力加速度g是垂直于炮口水平面向下的平行引力场。而实际上,在球面地形条件下,g近似与弹箭质心与地心连线同向,其方向随弹箭质心运动而不断变化。在地面坐标系中建立弹箭质心运动方程,考虑重力加速度的方向变化时,3个方向都存在重力的分量。x、z方向分量gx、gz减小射程,y方向的分量gy小于g,使弹丸飞行时间增长,增大射程。表2为某型弹药重力方向不准确引起的弹道计算误差仿真结果。

表2 重力方向不准确引起的弹道计算误差

以往认为,常规武器射程较近,弹道较低,平面、平行引力场假设引起的误差较小,可以忽略。近些年来军事科技突飞猛进,一方面各种增程技术相继出现,常规武器的射程有了大的突破;另一方面侦测技术、火控技术、炮控技术的不断完善和发展,常规武器的射击精度达到了较高的水平。强调首发命中、首群覆盖的现代战争对射表精度提出了越来越高的要求,而武器系统射程远、弹道高、重力作用与气象影响时间长,使得此标准地形条件下编制的射表存在较大误差。

2.2 标准气象高度上限较低

我军炮兵标准气象是在1957年借用苏联炮兵标准气象而形成的,后经计量单位统一,沿用至今。自公布以来,作为炮兵装备弹道性能评估、气象保障、弹道表制作和射表编制的气象条件基准,在炮兵装备研制与使用中发挥了积极的作用。

现行炮兵标准气象条件对应高度上限为31 km,31 km以上高度无对应标准气象模型。随着弹箭技术的发展,一些弹箭的射程越来越远,对应的最大弹道高也越来越高,如远程火箭、滑翔增程弹等武器系统弹道高超过31 km。这种情况下,这类超远程、高空飞行弹箭的弹道设计与计算、射表编制及弹道标准化等诸多方面出现新问题。

3 现行炮兵标准射击条件的改进

3.1 标准射击条件应具备的属性特征

炮兵标准射击条件是人们根据行业需求对客观世界实际情况的一种假想规定,作为指导我军炮兵装备技术工作的基础规范,具有其基本的属性特征,无论制定还是修改完善这一标准,都需要保证它具有作为标准条件的最基本属性特征。

第一是客观性,标准条件是对客观世界最核心、最本质特征的基本反映,特别是对行业研究具有本质影响的那些因素,必须给以准确的定性描述。第二是近似性,标准条件是概略的、假想的,不可避免其与客观实际存在差异。判定标准大气的适用程度,不能只是以某个地区或某个季节、某个时期的平均大气特征对标准气象偏离的大小作为衡量标准,也不能拘泥于大气参数分布的某些细节,必须着眼于它的最重要、最本质的特征。第三是通用性,也可以称之为唯一性,标准条件必须得到行业公认,是行业内一定时期共同遵守的唯一标准,否则它将失去标准的意义。第四是相容性,行业内不同标准条件之间应相容共存,互为支撑。第五是稳定性,标准条件应具有较长的生存期限。某个时期提出的标准条件,是当时历史条件下人们所拥有的参数资料、知识的体现。一方面,充实这些资料和知识往往需要较长的一段时间,而另一方面,标准条件修改时,根据标准条件制定的各种专用表册、技术规定和性能评估结果也要部分或全部重新制定,这不仅需要做大量的工作,而且不利于保持资料和工作上的连贯性。所以,除非发现客观事实与现行模式有重大出入,而且影响标准条件所应发挥的作用时,一般不宜对标准条件轻易修改。

3.2 标准地球地形条件的改进

地表面为平面、平行重力场的地球地形假设与地球实际不符,应改变这一标准条件,而使用更接近实际情况的球面地形条件假设,考虑地球曲率的影响,提高弹道仿真精度和射表编拟质量,提高常规武器的命中概率。同时,也应减少标准修订的附带影响和附加工作,尽量继承原有假设条件,使得标准条件修订后,基于原标准条件的结论、成果、做法不发生或少发生本质变化。基于以上考虑,新标准地球地形条件如下:

a)地球为正球体,球径取6 371 000 m;

b)重力加速度g为常量9.80 m/s2,指向地心;

c)弹着点位于炮口水平面上;

d)炮耳轴成水平且与炮身轴线垂直;

e)科氏加速度为零。

3.3 标准气象条件的外延

目前在急需开展高空飞行远程弹箭研究而又不可能立刻制定出一个十分准确、完全符合我国实际的标准气象的条件下,可考虑综合应用当前我军炮兵标准气象条件和国际标准气象条件,在31 km高度以下依然采用目前模型,31 km以上采用国际标准,作为我军炮兵气象条件的过渡标准,这样对于31 km以下弹道仍与原来一样,以前在这种条件下编制的射表、性能评定的结果依然有效,而对于弹道高超出31 km武器的弹道计算与分析、射表编制,也有了可以依据的标准。

国际标准大气[2]的高度范围由海平面到84 852位势米,分子温度的高度廓线定义为7个相连接的直线段。这些直线段的方程是:

TM=TMb+LMb(H-Hb)

其中:b的值从0到6,分别表示7个依次连接的层次;TMb为某个层次下界的分子温度;LMb为某个层次中温度的垂直递减率;Hb为气层的底高。分子温度与高度廓线的梯度值如表3所示。

国际标准气象分层是按位势高度进行划分的,而我军炮兵标准气象是按海拔高度(几何高度)分层的,另外我军炮兵标准地球地形条件中规定重力加速度是不随高度变化的,从符合此条规定而言,气象条件的也应按几何高度分层,位势高度Hg转换为几何高度y公式如下:

y=REHg/(RE-Hg)

为保证气温随高度变化的廓线连续,应选择合适的层高作为两种标准条件的衔接点。两种温度与几何高度廓线的交点对应几何高度为24 200 m,对应虚温为221.5 K。

按上述分析论证,可归纳总结出新的炮兵标准气象条件:

a)地面(海拔高0 m)标准气温为15 ℃,绝对湿度为846 Pa(相对湿度为50%),地面标准虚温为15.9 ℃(288.9 K),虚温随高度变化服从标准定律:

1)y≤9 300 m,τ=288.9-6.328×10-3y;

2)9 300 m

3)12 000 m

4)24 200 m

5)32 162 m

6)47 350 m

7)51 412 m

8)71 802 m

b)地面标准气压p0为1 000 hPa,气压随高度变化服从大气铅垂平衡条件:

c)在弹道所有高度风速为零。

4 结论

文中从炮兵武器装备发展的现实需求出发,对我军现行炮兵标准射击条件存在不足进行了系统分析,将平面、平行重力场假设改进为球面、中心重力场,结合国际标准气象条件,将标准气象条件外延至86 km。现行炮兵标准射击条件的改进与完善不仅解决了中远射程、大弹道高炮兵武器系统弹道仿真和射表编制的需求,而且尽可能的继承了现行标准条件,使得在原有标准条件下编制的弹道表与射表、制定的规范、装备指标的论证与弹道性能评估结果依然有效,避免了因标准改变带来的大量附加工作。

标准气象外延部分是借助于国际标准气象制定的,并非我国大范围、长时期实际气象探测数据的统计,未必能够准确反映我国高空大气实际,但仅从国内射表编制、弹道性能评估、武器装备的研制与技术交流而言,这个气象标准具备标准条件所应具有的一切特征,完全适用于上述工作。随着不同学科领域间的交叉发展,国际间武器贸易与装备技术交流的日益增强,不可避免的会出现两种、甚至更多种大气标准同时使用带来的问题,为顺应形势、方便交流、促进发展,应该尽快使我国的炮兵标准气象条件与国际通用的标准大气统一起来。

参考文献::

[1] 王海峰, 牛大民. 底部排气弹射表编拟方法: GJB 5413—2005 [S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2005: 12-13.

[2] 曲延禄. 外弹道气象学概论 [M]. 北京: 气象出版社, 1987: 262-269.

[3] 张峰. 标准气象条件使用中存在的问题 [J]. 弹道学报, 1999, 11(4): 78-81.

[4] 王中原, 韩子鹏, 林献武. 对建立我国炮兵高空标准气象条件的分析和建议 [J]. 弹道学报, 2007, 19(1): 9-11.