战斗部毁伤效能评估系统设计与应用

曹凌宇 ，刘国庆 ，罗兴柏 ，陈思扬 ，路耀斌

（1.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003；2.中国华阴兵器试验中心，陕西 华阴 714200）

0 引言

精确打击、远程压制、高效毁伤是弹药作战应用中的三大重要技术指标，战斗部在武器系统完成高效毁伤目标或其他作战任务中扮演了极其重要的角色，针对不同目标，选择合适的战斗部，并准确评估其毁伤效能对提高作战效果具有重要军事价值和现实意义。战斗部按照对目标作用和战术技术要求不同分为爆破战斗部、杀伤战斗部、穿甲战斗部、破甲战斗部等，国内不少学者对战斗部毁伤理论进行分析研究，汪德武［1］曾进行过杀爆战斗部杀伤面积的数值计算，姚剑虹［2］、刘军［3］、黄振贵［4］等曾对不同类型的战斗部进行数值模拟与试验研究，谢乐平、杨理明［5］对常用战斗部进行建模计算，并编写了弹药设计常用的BASIC程序，得出了一些规律性结论。上述研究侧重于理论分析，本文以杀爆战斗部对面目标毁伤效能为例进行分析，旨在依据各类型战斗部毁伤理论，建立毁伤模型，构建包含战斗部物理结构、作战效能、运用方式等特性的战斗部知识库，基于此开发战斗部毁伤效能评估系统，从而使得战斗部毁伤评估向简单化、易操作化发展，具有较高的军事价值。

1 战斗部毁伤模型建立

1.1 坐标模型建立

设弹丸在高度h处爆炸，相应的速度vc，落角为θc，如图1所示。建立坐标系oxyz。令zox与射面重合，并将弹丸的爆炸中心A取在oz轴上，xoy为地面，在其上按一定等分划成单元小格，小格的面积，用极小坐标小格的面积；小格的中心点 M 的坐标为（x，y）或（ψ，r），它距弹丸中心的距离AM为R，相应的破片飞散方位角为φ。

1.2 计算模型

根据弹体结构及装药尺寸，将有效壳体内外轮廓近似划分为3段截的组合体进行计算［6-7］，如图2所示。

图2 壳体分段模型

1.2.1 破片初速

对于破片初速计算，几十年来，国外一直沿用Gurney提出的破片初速计算公式vp。

1.2.2 破片速度衰减特性

假设破片运动过程中，Cx为常数，破片初速为vp。可推得破片衰减公式［6］：

1.2.3 破片质量分布

对于自然破片质量分布，大多采用Mott公式［7］（不适用于预制破片弹）来描述：

式中，N（mf）表示质量大于mf的破片数；M为壳体圆柱部分总质量；，j为维数；μ为壳体破碎特性参数，取决于弹体结构、材料以及炸药性质。

1.2.4 破片空间分布规律

破片飞散密度分布函数为f（φ），实践证明圆柱弹丸f（φ）可近似用正态分布函数表征：

动态情况下破片飞散密度不服从正态分布了，a（φ，R）由下式确定

式中，vp为破片初速；a（φ，R）为破片飞散密度。

1.2.5 杀伤动能准则

根据所遵循的杀伤准则，计算各质量组破片的杀伤概率 P（k/h）i。

选用杀伤动能Eε=78.4 J准则时

1.2.6 杀伤面积计算

杀伤面积的定义为：

2 基于毁伤模型的系统开发

利用Lab Windows CVI为仿真平台，应用C语言，完成了战斗部毁伤效能评估系统开发。实现了系统的登录，系统的自检与初始化，武器配置，弹药配置，目标配置以及毁伤分析计算相关功能模块的建立。

2.1 Lab Windows CVI为仿真平台介绍

虚拟仪器软件开发工具Lab Windows CVI（C for Virtual Instrumentation）是 National Instruments公司推出的软件开发平台，可以在多操作系统下运行。它是以ANSI C为核心，将C语言平台与测控专业工具有机结合起来的集成化开发平台。简单的面板设计，丰富的空间，后台C语言的完美支撑，为熟悉C语言的研究人员提供了极大的便利。

Lab Windows CVI的特点为：1）交互式的程序开发；2）功能强大的函数库；3）灵活的程序调试手段；4）高效的编程环境；5）开放式的框架结构；6）集成式的开发环境。通过对CVI的特点及应用领域的分析，结合实际需求，采用Lab Windows CVI作为软件开发平台比较合适。

2.2 系统架构与功能模块

系统划分为业务层、交互层、支持层、通信层和数据层如图3所示。其中：1）业务层提出软件必须实现的业务和应该具备的能力；2）交互层提供用户与软件的直接交互体验；3）支持层为系统的实现提供技术和业务的支撑；4）通信层负责进行数据交换管理，保障数据及时安全的在系统间流转传输；5）数据层对于底层数据的封装存储管理。

结合实际需求，建立简单的按照功能划分的项目软件系统。主要组成部分如图4所示。

图3 作战效能与运用模拟系统技术架构

图4 系统主要组成部分

系统的登录界面是为了方便用户资料的存储，以及对用户的数据资料进行保护；系统的自检与初始化模块，是在系统启动时对各子系统进行初始化，完成整个系统的自检；武器配置是存储调取用户所需武器发射平台；弹药配置是存储调用符合任务需要的弹药；目标配置是设定战斗部毁伤目标；毁伤分析计算是根据用户调用的武器弹药及攻击的目标，进行毁伤计算。

2.3 系统功能实现

应用Lab Windows CVI软件实现的战斗部毁伤效能评估系统开发，按照试验的要求，具备了系统登录、系统的自检与初始化、武器配置、弹药配置、目标配置以及毁伤分析计算相关功能。威力/易损性分析框图如图5所示，系统计算流程如下页图6所示，计算结果如图7所示。

图5 威力/易损性分析框图

3 系统应用

图6 系统计算流程

图7 计算结果

运用开发的战斗部毁伤效能评估系统，基于战斗毁伤模型及算法，对某型杀爆弹在一定初始条件下，对500 m×500 m区域内不同姿态人员的毁伤面积计算，计算结果如表1，图8所示。

图8 某型杀爆弹不同炸高对人员毁伤面积折线图

从计算结果可以看出当人员姿态为跪姿、卧姿、三姿混合时，初始阶段毁伤面积随炸高的增大而增大，当达到最大值后随炸高的增大而减小，存在有利炸高。当人员为立姿时炸高越小毁伤面积越大，由于没有考虑弹丸的长度和地面人员目标的高度等因素，破片的飞行距离采用的是炸点距人员目标站立地点的地面之间的距离，所以，实际的变化曲线应与其他姿态情况下的变化曲线相符合。

计算结果反映出的规律与金丽［8］在预制破片对地面人员目标的杀伤威力分析计算中得出的结果一致，证明了系统的正确性。

表1 某型杀爆弹不同炸高对一定区域内人员的毁伤面积

4 结论

基于战斗部毁伤模型，利用Lab Windows CVI为仿真平台，应用C语言，成功设计开发战斗部毁伤效能评估系统，经计算验证，评估系统得出的结果与已有的结论规律一致，实现了在战斗部毁伤效能评估上的人机交互，使得战斗部毁伤评估简单化、应用化发展。但仍存在战斗部毁伤模型有待进一步优化的问题，而且，由于现在战斗部种类多、结构复杂，构建包含战斗部物理结构、作战效能、运用方式等特性的战斗部知识库来扩充战斗部毁伤效能评估系统仍然有大量的工作要做。