制导榴弹对典型舰船的毁伤效能研究*

2020-12-23谷鸿平王树山梁振刚吕永柱

火力与指挥控制 2020年10期

谷鸿平，王玉，舒彬，王树山，梁振刚，吕永柱

（1.西安近代化学研究所，西安 710065；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3.北京中恒天威防务科技有限公司，北京 100081；4.沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159）

0 引言

本文提出了制导榴弹对典型舰船目标的毁伤效能研究方法，针对榴弹适用于打击舰船舰面设备的特点，对舰面目标进行结构分析，给出了舰船目标易损性模型及基于舰船舰面设备的毁伤判断标准，建立了计算舰船目标的毁伤效能数学模型，分析了榴弹的落角和圆概率偏差（CEP）对毁伤舰船所需用弹量的影响规律。

1 大口径榴弹作用原理及威力

舰炮弹药采用大口径制导榴弹为研究对象，主要由炸药和金属壳体组成，其结构设计如图1 所示，兼有杀伤人员、毁伤舰面设备等多重作用；装有触发引信，采用接触爆炸起爆方式。在命中舰船目标后，舰炮弹药爆炸，形成破片和冲击波等毁伤元，从而对舰船造成毁伤。

图1 某大口径制导榴弹战斗部结构示意图

榴弹威力多通过威力特征参数进行描述，体现为威力数据集合的形式［6-7］，计算得到榴弹威力表征参数为:榴弹末端落速为325 m/s，破片的平均质量为11 g，破片初速为1 755 m/s，破片飞散角为20°，破片飞散方位角为69°；TNT 当量为10.2 kg，根据TNT 当量可计算在不同位置处的冲击波超压。

2 目标易损性分析

舰船是指能在海洋执行作战任务并带有武器装备的船只，在海战中起着举足轻重的作用。舰船作为人员及设备搭载平台、移动的指挥所兼具探测、侦查、导航、攻击能力，因此，常常成为交战时被重点打击的目标。根据榴弹的作用原理，榴弹适用于打击舰船舰面设备，使其丧失或短暂丧失火力、探测、信号收发等能力，达到作战目的。

舰船是一个搭载了多种装备设备，模块化结构明显的复杂系统。对舰船进行功能与结构分析［8］，确定舰船结构尺寸、舰面设备的系统组成及设备名称、位置、尺寸、材料等信息。舰面设备通常包括两大类，一类为带轻型装甲防护的部分舰面武器如防空火炮等；另一类为不带装甲防护的电子战设备、雷达天线等探测设备和信号收发装置等［9-10］，某舰船三维结构模型如图2 所示。

图2 某舰船三维结构模型

国际公认的舰船目标毁伤划分为4 个毁伤等级，分别为:1）完全毁伤:舰船因发生火灾或沉没，完全丧失生命力；2）重度毁伤:动力、电力、驾驶控制、探测火控或大部分武器系统功能丧失，尚具备不沉性，基本丧失生命力；3）中度毁伤:目标部分功能受到影响，导致系统丧失生命力，但仍具有不沉性，有基本的生命力；4）轻度毁伤:部分功能受到轻微或一定影响，不影响机动作战能力，具有较完全的生命力。由于榴弹威力小且通常用于打击舰面设备，难以造成舰船完全毁伤，轻度毁伤对舰船作战功能影响较小，因此，本文针对舰船目标重度毁伤和中度毁伤展开研究。

一般地，舰船的毁伤可以认为是船体及各个系统的毁伤组合，在功能与结构分析的基础上，确定各功能系统及系统所包含的设备。舰船重度毁伤和中度毁伤的毁伤树应该包括武器系统、指挥控制系统及测控与火控系统，由于各系统中存在功能相同或类似的冗余设备，可近似认为是群目标。结合实战需求，对于群目标来说，可以认为实现武器系统、指挥控制系统、测控与火控系统的某个系统下一定百分比设备数量的毁伤，即可达到理想的作战效果，对上述某一系统下各设备毁伤数量比例超过50 %达到重度毁伤，超过20%达到中度毁伤［11］。

但是，它们发生时并未丧失固有的本性，而依据这个本性，它们在发生之前，依然有不发生的可能性。“既然它各方面之所以具有必然性，是因为有神的知识这个条件，那它本身不具备必然性又有什么关系呢？”神意预知的事物必将发生，“只是其中有些东西是事物必然性的结果，有些东西是行事者努力的结果。”神意预知和自由意志的共融在这里得到完全的确证。

3 毁伤效能评估模型

3.1 打击方案的确定

建立舰船目标坐标系OXYZ，坐标原点位于舰船水平竖直方向中心，OX 轴沿舰船长度方向指向船头，OY 轴垂直于OX 轴，向上为正，OZ 为垂直于OXY 平面，向外为正。设置单瞄点及双瞄点两种瞄点方案，单瞄点以舰船的几何中心M11点为瞄准点；双瞄点为分别在舰船长度方向1/4 处M21点和3/4处M22点设置瞄点，舰船坐标系及瞄点设置方案如图3 所示。

图3 坐标系与瞄点示意图

3.2 大口径榴弹落点坐标

采用蒙特卡洛方法，通过人为方法产生符合制导和引信启动规律的随机数来模拟炸点坐标，产生一次仿真结果，按照大数定律统计计算得到大量模拟仿真结果，从而得到分布规律。

产生一对在［0，1］区间满足均匀分布的随机数，按式（1）构成一对标准正态分布随机数，即:

其中，x 和y 为服从二维标准正态分布的随机数，r1和r2为［0，1］区间的均匀随机数。

认为榴弹的落点坐标服从以瞄点（μ1，μ2）为中心的二维正态分布，榴弹的实际落点坐标为（Mx，My），可通过式（2）计算获得:

式中，CEP 为战斗部的圆概率偏差。

在此基础上，利用坐标转换方法［12］，将得到的落点坐标转换到舰船目标坐标系中，其中，α 为落角（末端弹道线与水平面的夹角），β 为方位角（末端弹道线在水平面的投影与OX 轴正方向的夹角），转换矩阵如式（3）所示。

3.3 舰船舰面设备的毁伤效能

舰船是一个典型的面目标，在典型打击方向下舰船的投影面如图4 所示，将舰船侧面划分为Ⅰ到Ⅶ7 个区域，认为同一个区域的设备高度相同，黑实线即表示设备最大高度。当制导榴弹来袭，判断榴弹与哪个区域哪个位置相交，若交于某区域的黑色线内，则认为命中舰船的榴弹立即起爆；若交于某区域的黑色线外，则计算弹道线与黑线所在水平面的交点；若交点在船的水平边界内，则榴弹在此交点起爆；否则认为此榴弹没有命中舰船。

图4 舰船典型的侧面投影区域划分

用蒙特卡洛方法对榴弹打击舰船舰面设备的毁伤概率进行统计试验，确定设备毁伤与整个舰船毁伤的逻辑关系。舰船目标被榴弹命中后，冲击波和破片对各设备的毁伤判据可参见文献［6，10，13］，当样本数量足够大时，根据各毁伤等级下设备的毁伤判据，得到每次抽样设备的毁伤概率为Pji，则设备单发毁伤概率Pj近似为:

不考虑毁伤累积的情况下，n 发弹药命中舰面某设备，设备的毁伤概率Psi（n）为:

结合重度和中度毁伤的毁伤比例k，某系统的毁伤概率为:

式中，M 为某系统中的设备总数，N 为某毁伤等级下需毁伤的设备数，N*为自然数，Pxc（n）（i≥N）为命中n发弹药后，某系统中毁伤的设备数不少于N 的概率。

各系统毁伤与舰船整体毁伤的逻辑关系为“与”关系或者为“或”关系，当为“或”关系时，舰船目标的毁伤概率为:

当为“与”关系时，舰船目标的毁伤概率为:

式中，c 为舰船舰面设备包含的系统数量。

结合需要毁伤舰船目标的毁伤概率，得到在某毁伤等级下毁伤舰船目标所需用弹量。

4 计算结果与分析

采用某大口径制导榴弹，进行单瞄点打击，得到在不同毁伤等级下，不同精度的榴弹毁伤舰面设备所需用弹量与落角关系，关系曲线如图5～图6 所示。

从图中可以看出，用弹量随落角的增大呈指数形式下降。当落角较小时，重度毁伤和中度毁伤的用弹量差异较大；随着落角的增大，两个毁伤等级的用弹量差异逐渐变小。重度毁伤与中度毁伤的用弹量在CEP 为30 m 时用弹量较小，原因在于当CEP 增大时，命中舰面的榴弹数量在减少，单发炮弹对舰面设备的毁伤概率降低，因此，用弹量增加；而且随着CEP 的增大，重度毁伤与中度毁伤在相同落角处的用弹量数量也变大。