直升机空地导弹对典型装甲目标毁伤评估方法*

王小强,王 琳,闫振纲,韩振飞

(1 陆军航空兵学院陆军航空兵研究所, 北京 101121； 2 西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

空地导弹毁伤评估是制定火力作战计划和武器作战使用的依据,也是高效配置打击资源的基础。空地导弹对典型装甲目标毁伤效能评估需综合考虑作战目的、战场环境、武器系统性能、弹药战斗部威力、目标易损性等,综合评定战斗部对目标功能和结构破坏效果的活动。

目前,关于典型目标防护及需求的研究很多停留在理论分析层面。为了能够深入研究典型装甲目标的防护水平,摸清其能力底数,必须在理论分析的基础上,研究防护等效靶板或模拟目标,进行毁伤效应验证[1-3]。国外在该领域研究方面,由于高价值弹药成本巨大,无法获取大量实弹靶试数据[4],主要通过静动爆试验,首先是建立导弹威力模型,然后在虚拟仿真试验环境中加载各种模型,通过迭代计算,获得动态毁伤结果,最后结合实弹靶试,修正仿真试验数据。

在充分借鉴国内外相关研究经验基础上[5-7],针对直升机空地导弹对典型装甲目标毁伤试验问题,通过静爆试验、模拟动爆试验,研究不同弹药对典型装甲内部、外部等关键部件的易损性,建立弹药打击方式与关键部件毁伤之间的对应关系；在此基础上,采用毁伤树描述要害部件毁伤与装甲毁伤的关系,进而确定装甲毁伤等级。在实弹靶试和仿真模拟的基础上,建立目标毁伤评价表,表征各关重部件毁伤引起的装甲目标毁伤程度；最后将各关重部件的毁伤情况与毁伤评估表进行对比,得到目标毁伤等级。

1 典型目标毁伤分析与毁伤等级

目标毁伤评估主要研究目标易损性分析、目标靶等效、目标毁伤等级与判据、目标毁伤机理与评估方法等问题[8-9]。

1.1 目标易损性分析

目标易损性是在冲击波、破片、金属射流等毁伤元作用下,目标物理结构被破坏而导致功能受损的敏感程度。不同结构类型的目标在不同毁伤元作用下,其易损性各不相同:工程设施类目标对冲击波的毁伤较为敏感,装甲类目标对破片和金属射流的毁伤较为敏感。

装甲目标毁伤分为结构性破坏和性能破坏。结构性破坏可通过易损性试验获得,性能损坏可通过结构性破坏来表示,如图1所示。目前常用的装甲目标毁伤准则是MFK准则。

图1 典型装甲目标易损性分析方法

1.2 目标靶等效方法

目标靶等效的目的:一是确定关键部件和结构,二是建立目标等效准则。其等效方法是:

1)确定目标外防护、内部关键部件及结构、关键部件的防护能力参数,例如防护件材料硬度、厚度等。

2)构建目标等效准则。主要以抗侵彻能力、抗冲击波能力与典型目标相近原则进行等效。

针对要害部件,一是威力等效靶,采用毁伤元穿透毁伤能力等效,包括对驾驶舱、炮塔、炮管、传动装置的毁伤；二是后效等效靶,采用剩余射流对油箱和弹药的引燃引爆能力进行等效。

1.3 典型目标毁伤等级与判据

1)确定目标毁伤等级的方法

步骤1采用自顶向下方法进行目标分解,得到基本毁伤事件,确定关键构件。

步骤2根据毁伤元作用方式,计算构件物理毁伤的阈值指标,按照构件对子目标功能的影响关系,转换为对应条件下的效能值。

步骤3根据目标特点,构造结构函数,采用自底向上方法对各构件及子目标的效能进行综合,得到目标的功能毁伤量化模型。

2)确定目标毁伤判据的方法

步骤1确定目标的功能和子目标及构件组成结构。

步骤2构建毁伤树,提取与目标毁伤相关的关键子目标、构件。

步骤3采用仿真试验和工程验证相结合的方法,获取不同毁伤元素作用下构件的破坏阈值指标及破坏特征。

步骤4根据子目标的作战任务,建立基于物理毁伤的效能量化模型,研究基于构件毁伤的子目标效能衰减函数,解决构件物理毁伤与子目标功能丧失间的映射关系。

步骤5根据目标特点和毁伤树,研究子目标毁伤程度与目标整体效能降低的映射关系,确定毁伤等级。

1.4 空地导弹对装甲目标毁伤机理与评估方法

当空地导弹命中装甲目标的任意部位,或在其近距爆炸时,破片流、冲击振动、冲击波超压和噪声等多种毁伤因素会同时作用在目标上,引起多种毁伤响应,可造成目标部件不同程度的毁伤,毁伤程度取决于装甲及其部件的易损性阈值。

根据空地导弹的毁伤特性,研究装甲外部结构和内部设备及人员的易损性和毁伤效应,考虑目标内、外部易损部件的关重性和代表性,构建典型部件三维数字化易损模型[1],如图2所示。

图2 典型弹药对目标毁伤机理与评估方法

2 空地导弹对装甲目标实战毁伤试验方法

空地导弹的实战化毁伤效能是在分析战斗部对典型目标毁伤效应和静爆模型的基础上,综合考虑空地导弹在实际使用条件下终点速度和着靶姿态,分析其对目标产生的毁伤效果。

2.1 战斗部静爆试验测试方法

空地导弹在击穿装甲目标后,形成质量不等的弹体碎片和装甲破片,对目标产生不同程度的损伤,毁伤程度与等效装甲厚度有关。

战斗部破片空间分布与破片速度测试可参考GJB 3197—1998,试验后统计破片在不同飞散方向上的分布情况,获得破片空间分布及速度特性。

冲击波空间分布试验可采用电测法、光测法、效应靶方法等。电测法用于获取战斗部冲击波毁伤威力场参数,包括冲击波作用的强度和范围、作用时间和空间分布等[10-11]。

2.2 战斗部静动爆关联性

实战化动爆条件下,弹目交会的牵连速度、姿态等终点参数对动态威力场分布有较大影响。战斗部爆炸形成的破片、冲击波与大气密度、气压、温度、湿度以及地面强度、地形地貌等有关。

战斗部静爆和实弹动爆由于多种因素影响,威力场差异较大,利用静爆结论和威力模型等效模拟动爆效果,会存在较大差别,因此,构建空地导弹的动态威力模型时,还应测试动态爆炸条件下的各种毁伤元威力。

在研究战斗部动静威力场分布规律时,一方面收集静动态毁伤威力试验数据,获取战斗部爆炸冲击波及破片效应参量,研究战斗部在一定牵连速度下的威力参量分布规律；另一方面通过数值仿真,对一定飞行速度、一定着靶参数的战斗部爆炸冲击波场和破片场进行数值模拟,分析动爆条件下战斗部动爆冲击波场、破片场的演化过程以及时空分布特征,得到动态飞行参数对弹药威力场的影响规律,以此构建实弹动爆威力评估模型。

1)建立冲击波场分布模型,开展动态模拟试验,通过电测和效应物采集弹药威力参数。根据落姿、落点等图像数据,在静态三维威力场的基础上构建动爆威力场,修正静动爆关联模型。

2)分析空地导弹终点速度、姿态等对冲击波场时空分布的影响,建立静/动爆关联关系。

3)结合地形地貌参数,建立战斗部静/动爆威力关联性。有关试验表明,装填条件一致的战斗部在不同场地的地表反射压存在差异,平原、丘陵、山地差异各不相同。

弹丸和靶标处在相对平整的地面上,周围没有障碍物阻挡,可在毁伤评估计算中,将地表处理为简单平面。基于该平面方向矢量,根据弹靶相对方位和距离进行计算。

3 装甲目标实战毁伤效能评估方法

3.1 战斗部毁伤试验与实战效能评估

根据静爆试验、定点动爆试验获取的毁伤威力场数据,构建威力场模型。在动态毁伤试验中,结合地形地貌、气候、土质等环境和弹目交会条件,给出动爆威力场分布、大小及演变过程,结合靶标、目标易损性、毁伤判据,得到装甲目标的毁伤概率与毁伤等级。

3.2 冲击波毁伤及其判据

1)冲击波超压对装甲的毁伤

冲击波对装甲的毁伤表现在:对装甲内关键部件的损伤；掀翻或造成装甲结构损伤。一是冲击波从装甲缝隙进入装甲内部产生超压；二是爆炸产生的冲击波作用到装甲壳体,产生剧烈震动。

冲击波对装甲的毁伤程度决定于超压作用过程,相关毁伤依据有超压准则、冲量准则和超压-冲量准则。通常,冲击波对装甲的毁伤能力较小。对于乘员的毁伤影响较大。

2)冲击波超压对人员的毁伤

冲击波对人员毁伤影响较大，具体数据见表1,由此可以分析空地导弹对装甲内部人员的毁伤程度。

表1 冲击波超压对人员的毁伤程度

目前,冲击波评估模型主要有Bowen曲线、Stuhmiller模型和Axelsson的胸壁运动速度模型,这些模型是基于动物实验获得的,Bowen和Stuhmiller模型主要涉及肺损伤,Axelsson模型则关注所有的易损伤器官。装甲车辆内乘员受到冲击波超压作用后,对耳膜、含气脏器损伤比较明显。

3.3 破片毁伤及其判据

破片的杀伤效应主要是依靠破片这种杀伤元件,对有生目标、建筑物和设备等目标,以高速度撞击、击穿甚至在目标内产生引燃和引爆的杀伤破坏作用。爆炸装置爆炸后,冲击波和破片是直接毁伤形式,由于冲击波的衰减速度相对较快,因此在某一距离上破片的速度将赶超冲击波阵面,并以较快的速度向前运行,从杀伤范围上看,破片的杀伤范围要明显超过冲击波的杀伤范围[2]。

破片对人的毁伤取决于破片的速度、质量、形状、结构、飞散方向等。破片对设备的毁伤最为典型的是导弹击穿装甲后,靶后二次破片对装甲内关键部件的杀伤作用。破片的比动能准则是以单位迎风面积上的破片动能来衡量破片对目标的毁伤情况。由于破片的不规则和不稳定性,采用比动能来确定破片对目标的毁伤更为准确。

质量较大的破片可以造成装甲内部件的中度或者严重损坏。如果破片命中关键部件的重要部位,即使是小质量的破片,也会引起比较大的破坏作用。破片的数量和质量都影响弹药的杀伤威力。

4 基于静动爆毁伤效能虚拟试验测试

4.1 空地导弹威力虚拟仿真方法

空地导弹战斗部威力虚拟仿真方法是:首先通过静爆试验获取威力数据,并对数据进行分析；然后对威力仿真模型进行修正,再利用修正后的模型进行动爆试验条件下模拟验证；最后比对试验数据和计算结果,获取动爆威力仿真模型。

动爆威力仿真模型还需考虑大气环境参量、地面强度、地形结构尺寸、温湿度、海拔等复杂战场环境要素。同时,空地导弹的终点姿态、引信的作用机制和地表介质的软硬程度对冲击波超压的威力也产生很大影响。

4.2 空地导弹动爆条件下冲击波场研究

研究实战化条件下空地导弹战斗部冲击波场的方法是:

1)通过静爆试验,采集威力数据,研究导弹姿态、地表土质、地形等因素对冲击波超压分布的影响。

2)建立冲击波超压场工程计算模型,利用试验测试数据修正模型参数。

3)结合实弹动爆数据,利用实测的弹道终点数据,代入工程计算模型得到超压值,与实测的超压数据进行比对。

4)通过多轮、多种工况下的比对和校验,结合环境要素,优化模型参数,获得实战化条件下空地导弹战斗部冲击波场模型。

4.3 空地导弹动爆条件下破片场研究

实战化条件下,影响战斗部破片毁伤效果的主要因素有:导弹终点姿态和终点速度矢量；破片速度空间分布、形状和质量分布、空间分布特性；受着靶姿态和牵连速度影响的导弹破片的速度空间分布；导弹和靶标的相对位置和地形条件等。

5 结束语

空地导弹对装甲目标的毁伤效果与着靶姿态、动爆威力场、地形条件等因素有关。由于装甲结构的特点,对于每种毁伤因素,装甲的响应机理不同,所呈现的毁伤模式也不同。动爆条件下空地导弹威力场与静爆威力场有明显差异,因此实战化毁伤评估方法是一个基于先验结论,结合实弹动爆测试数据,对静动爆模型不断迭代修正的过程。文中提出直升机空地导弹对典型装甲目标实战化毁伤评估方法,可推广至其它类型空地导弹,并为制定火力计划和武器作战运用的提供参考依据。