弹药毁伤效能评估技术研究现状与发展趋势

2021-07-05徐豫新蔡子雷欧渊吴巍赵鹏铎乔治军

北京理工大学学报 2021年6期

徐豫新，蔡子雷，欧渊，吴巍，赵鹏铎，乔治军

(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081； 2.北京理工大学重庆创新中心，重庆 401120；3. 32801部队，北京 100082； 4. 63863部队，吉林,白城 137001； 5. 92942部队，北京 100161；6.空军研究院系统工程研究所，北京 101500)

随着武器装备发展进入新的时期，国内武器弹药技术已经从仿俄、仿美逐渐发展为并跑以及部分领域自主创新的领跑，各军兵种武器装备弹药呈突飞猛进的增长，精准作战、精确打击的要求也不断提升. 要满足精准作战、精确打击的新时期作战要求，针对精确打击弹药需要进行毁伤规划，即规划弹药的毁伤模式以及炸点坐标，使弹药恰到好处地发挥作用，对目标产生最佳毁伤效果. 要实现毁伤规划就需要各类战斗机、火力连、营及编群以及舰船对真实目标火力打击的毁伤效能数据，即弹药毁伤效能数据.

弹药毁伤效能评估工作是获得弹药毁伤数据的重要手段，目前主要通过毁伤试验的方法开展，现在的毁伤试验多以性能鉴定试验为主，通过试验获得战斗部威力场以及对靶标的毁伤效应数据或等效目标的毁伤效果数据. 多数情况下都是战斗部静爆条件下数据，即战斗部静爆威力数据，并没有考虑战场环境或实际动态条件. 此外，演习和训练中毁伤试验是近年来加强的，通过试验得到弹药对等效目标毁伤效果数据，但在演习和训练中，因时效性、安全性等原因，测试难度大，实施困难多，许多细节数据获得不了或数据获得不完整，难以很好支撑预测模型建立. 综上，本文中进行弹药毁伤效能评估技术研究现状梳理，并展望未来发展趋势.

1 弹药毁伤效能评估技术体系框架

毁伤评估技术主要用于解决弹药毁伤效能和目标毁伤效果的评价与估量问题，通过方法建立、模型构建、工具开发、手段形成等工作支撑武器弹药的论证、研制和作战运用，是一个具有鲜明实践特点的工程技术研究方向. 传统上毁伤评估主要研究涉及战斗部威力评估、弹药毁伤效能评估和目标毁伤效果评估三个方面；同时，因涉及具体目标，还包括目标易损性分析的研究内容，且该方面的研究十分重要，是上述三个方面的重要基础，如图1所示.

图1 毁伤评估的研究内容Fig.1 Research contents of damage assessment

目标易损性分析是毁伤评估乃至高效毁伤的核心基础问题，目标易损性研究的核心是最佳毁伤模式及毁伤判据的获取，难点在于对真实目标的研究学科交叉性强，非合作目标数据难获取需要大量的试验，该方面深入分析下去主要涉及冲击动力学等基础学科方向，是一个内容丰富、工作量巨大的研究方向，目标易损性研究水平及数据掌握程度在很大程度上制约了毁伤效能评估技术的发展. 因此，目标易损性研究是一个长久基础工作，需要不断积累和深入. 目前，如何借助大数据和人工智能方法促进目标易损性研究的深入化和普适性是一个值得深入研究的方向.

弹药毁伤效能评估是毁伤评估的一个重要组成部分. 弹药毁伤效能评估主要是综合考虑武器弹药性能、目标易损性、作用环境等因素，在对毁伤过程及目标响应进行深入研究的基础上，对武器装备毁伤目标的能力进行表征、评价与估量，对于不同的战斗部，毁伤效能的表征与评估方法不尽相同，主要取决于战斗部对目标的毁伤模式与机理.

根据现有弹药分类和弹药毁伤效能研究方法，构建弹药毁伤效能评估体系框架如图2所示，具体包括基础技术、炸药能量释放与转换评估技术、战斗部威力评价技术、毁伤效应及模型构建技术、目标易损性分析及靶标设计理论与方法、武器弹药毁伤效能评估技术与作战毁伤评估技术7个部分. 其中：

图2 弹药毁伤效能评估技术体系框图Fig.2 Block diagram of ammunition damage effect assessment technology system

① 基础技术部分主要研究毁伤效能评估涉及的毁伤试验测试方法、仿真计算方法以及毁伤效能数据标准化采集、存储和应用等.

② 炸药能量释放与转换评估技术部分主要研究不同类型炸药的能量释放以及在不同环境中的性能评价方法，能够为战斗部威力评估计算提供基础数据.

③ 目标易损性分析及靶标设计理论与方法部分着重于不同种类目标的易损性分析方法，结合目标特性进行靶标等效设计技术研究，使靶标能在毁伤试验中更好地反映真实目标的毁伤情况，并结合目标与靶标等效原理分析出更真实的毁伤效能数据，为战斗部威力评价、毁伤效应研究以及毁伤效能计算等研究提供基础支撑.

④ 战斗部威力评价技术部分对不同种类战斗部的威力场进行表征与评估，并对战斗部威力场计算方法进行研究，得到战斗部威力场模型.

⑤ 毁伤效应及模型构建技术部分进行破片、冲击波等不同毁伤元对靶标的毁伤效应研究，得到毁伤元的毁伤效应模型，结合弹药威力场模型，能够得到不同种类战斗部对其打击目标等效靶的毁伤效应模型.

⑥ 武器弹药毁伤效能评估技术部分研究了不同弹药对不同目标的毁伤效能表征方法，并结合武器弹药威力评价、毁伤效应及模型构建和目标易损性分析及靶标设计理论与方法等的研究成果，针对不同弹药和不同目标，建立实际弹目交会与毁伤过程下的毁伤效能评估方法，用于获得理想条件下弹药毁伤效能数据.

⑦ 作战毁伤评估技术部分则根据理想条件下武器弹药的毁伤效能评估结果开展实战条件下对特定目标的毁伤效果评估以及毁伤规划等研究工作，还包括战场环境下弹药毁伤效能的数据采集、传输、存储等技术.

综上所述，在上述弹药毁伤效能评估体系中，毁伤试验得到弹药威力场和毁伤效应数据，通过数据建立该类战斗部的威力模型和对目标的毁伤效应模型，基于这些模型和目标易损性模型，以及弹药的末端真实弹道和战场环境构建仿真模型，通过仿真计算得到弹药对具体目标的毁伤效能数据，该数据可应用于毁伤规划. 将毁伤规划得到的毁伤方案输入毁伤效能计算模型，计算得到毁伤方案对目标的预期毁伤效果数据，最终应用于目标打击决策支持，如图3所示.

图3 毁伤效能仿真模型建立与数据应用Fig.3 Establishment of damage effect simulation model and data application

2 国内外弹药毁伤效能评估技术研究现状

2.1 国外毁伤效能评估技术研究现状

对于毁伤效能评估，各国的研究思路是相同的，考虑弹药威力与目标部件或系统易损性两方面的因素，以评估弹药对目标的打击程度；即在给定交汇条件下，根据确定毁伤准则(毁伤判据)计算系统层面的单次打击毁伤概率. 各国基于上述研究思路开展了大量研究，形成了丰富的研究成果，并建立了多种模型，如常见的北约成员国杀伤力/易损性评估模型中各功能模块、子功能模块及其流程图如图4所示[1]. 功能模块有：交会模块、易损区域代码、单次打击模型等；子功能模块有：目标模型、弹道发生器等. 这些功能模块和子模块往往也是可独立运用的软件工具. 这种研究思路与上述提出的毁伤效能评估技术体系的研究思路是一致的.

图4 杀伤力/易损性模型及其各功能模块和子模块Fig.4 Killing/vulnerability model and its function modules and sub-modules

另外，早自1991年海湾战争以来，美国国防部(DoD)越来越关注时间敏感目标或机动目标(TCMT)所带来的威胁，针对这类目标，美国采用蒙特卡洛仿真模型、GENEric灵巧间射火力武器系统作战效能仿真(GENESIS)，在单一通用仿真环境下对多套系统、概念和技术进行评估. 首先，假定一种时间敏感目标战场环境，再进行系统描述，进行系统效能模拟，最后得出结论[2].

时至今日，美国毁伤效能评估研究中涉及的战斗部威力和生存力(主要为易损性)建模、仿真、测试、数据采集工作均成体系的进行研究. 在科索沃战争后美军将战斗毁伤评估(battle damage assessment，BDA)体系作为优先发展项目[2]，这个类似于上述所述的战场目标毁伤效果评估，并组织实施了多项计划，但战斗毁伤评估并不是工业部门关注的重点，是美国军方所关注的，如：美国从2008年开始重视从目标捕获到毁伤效能评估各个方面的建模与分析工具研究，2013年4月美国陆军研究实验室完成灵巧武器“端对端”性能模型开发工作，5月份移交给美国陆军武器研发与工程中心系统工程处开始应用.

通过分析已有文献可见,美国毁伤效能评估工作具有以下的技术特点：

① 所需数据获取、共享和通用性.

从已有资料来看，美国目前毁伤效能评估研究所需数据除部分仿真数据可以通过模型、算法生成外，主要通过大量试验获取. 数据共享有利于减少试验次数，节约资源，美国还试图从北约盟国搜寻在类似研究中积累数据，以减少本国试验；同时，从战场上收集毁伤(判据、准则以及效果)数据是美国毁伤效能评估研究另一大特色，也是其它国家难以比拟的. 为了收集毁伤数据，美国建立了一些收集毁伤数据的培训中心，并以此为依据建立了陆军战斗毁伤数据分析中心，管理获取的毁伤数据，能够为毁伤效能评估提供足够数据支撑.

此外，美国国防部认为，不能试图在试验与评估之后对数据进行规范以实现标准化和通用性，而应当在规划试验与评估工作时就应当予以考虑. 数据单位不同则很难进行整合. 通过试验与评估数据库以规范方式录入所有数据和参数，有利于简化测试工作，有效发挥测试作用.

② 毁伤效能评估体系化、系列化产品.

在美国毁伤效能评估成果体系中[3]，《联合弹药效能手册》是这些产品的核心，内容涵盖武器及武器系统物理特征和性能详细数据等. 根据2002年公布的资料，《联合弹药效能手册》光盘集成产品包括5个部分(各一张CD-ROM光盘)，分别是联合对空作战效能-空中压制2.0(J-ACE-AS 2.0)，联合对空作战效能-防空1.0(J-ACE-AD 1.0)，联合弹药效能模型/飞机生存力武器运用工程系统2.2.1(JAWS 2.2.1)，联合弹药效能手册-武器效能系统2.0(JWES 2.0)以及特种作战目标易损性与武器运用工程手册2.0.

2007年，弹药效能联合技术协调小组发布了DVD版联合弹药效能武器运用工程系统(JWS v1.2)，集成了空对地和地对地武器效能评估相关工具，内含新增/更新战斗部数据、投放/打击精度数据，近280种新增目标的易损性数据，以及新版建筑物分析模块(其中包括小直径炸弹、制导多管火箭系统等新/老弹药装备). 同时，该小组又推出CD-ROM版联合对空作战效能-空中压制3.2.1，与老版相比，新版增加了F-22飞行性能数据和一些新型空空导弹、防空导弹性能模型. 2012年，《联合弹药效能手册》已更新至v2.1版.

美国还建立了大量相关的评估模型、建模软件、内嵌程序和针对性强的数据库. 目前，美国最新毁伤效能评估系统如表1所示[4-6].

此外，以荷兰、瑞典、德国等为代表的欧洲国家也非常重视毁伤效能评估的研究工作，发展自己的毁伤效能评估技术，研究成果多样，虽在体系化程度和水平不如美国、俄罗斯，但也各有特色，适应本国的国防发展.

荷兰TNO试验室对破片弹道采用射线跟踪的方法描述战斗部破片威力场，通过破片威力场数学模型描述、动态威力场表征与数字化建模，在充分考虑实战弹道/弹目交会姿态及环境因素情况下，实现了在物理毁伤层面评估导弹战斗部毁伤效应和目标防护能力，如图5所示[7-8].

图5 荷兰TNO试验室的软件工具Fig.5 Software tools for TNO laboratory in Netherlands

瑞典的LIBRA等杀伤效能评估系统，ITT公司AES机构研制的PEELS大气层内外毁伤效能评估软件，尤其是AVAL软件可进行三军通用的易损性分析[8-9].

图6 瑞典AES机构的AVAL软件工具Fig.6 AVAL software tools for AES in Sweden

德国IABG公司发展了UniVeMo通用软件[1]，有如下特点：①获得连贯性基础数据能用于任务和武器规划；②能对武器和目标进行比较分析；③数据、算法及方法均经过检验和验证，确保能够获得符合实际的结果；④由BAAINBw德国采办局控制的数据管理系统提供高质量信息. UniVeMo模型的结构、方法、功能等都可以与其他北约成员国开发的易损性/杀伤力模型相比较，其功能框图如图7所示.

图7 UniVeMo的工作流程图Fig.7 Work flow chart of UniVeMo

2.2 国内毁伤效能评估技术研究现状

国内在该方面的研究较国外起步较晚，大致始于20世纪80年代，但在最近几年随着人们重视程度提高，在该方面的研究得到飞速发展. 国内各相关研究所及高校都对该项技术进行了一定研究，并取得了一些成果.

航天二院张志鸿[10]结合防空导弹的引战配合研究开展了战斗部实战威力理论模型推导；北京理工大学蒋浩征、蔡汉文等教授所指导博士生赵文杰等[11]、余文力等[12]、翟晓丽等[13]开展了破片战斗部对空中目标、地面目标的毁伤能力研究；王树山教授所指导的研究生龚苹等[14]、马晓飞等[15-16]以及郭华等[17]开展了杀爆战斗部对雷达阵地，导电粉末、碳纤维战斗部对电力系统，超空泡射弹对鱼雷目标，破片战斗部对反坦克导弹目标、杆条战斗部对弹道导弹目标的毁伤效应研究；中国工程物理研究所的钱立新等[18]、刘彤等[19]、杨云斌等[20]在九五期间完成的“防空战斗部威力评定方法研究”，对战斗部威力评定建立了基于射击迹线(SHOT-LINE)的高精度破片战斗部威力评估模型，为开展高精度目标毁伤评估研究奠定了基础；南京理工大学李向东教授所指导的研究生张高峰等[21]、司凯等[22]开展了典型坦克在破甲弹作用下的易损性评估以及破片式战斗部对飞机类目标毁伤评估方法研究；中北大学王志军教授所指导的硕士生尹建平等[23]、吴国东等[24]、徐豫新[25]分别开展了智能雷对装甲目标，子母战斗部对大型水面目标，破片战斗部对战斗机类目标的杀伤概率计算研究；装甲兵工程学院兵器工程系的李向荣等[26]采用有限元离散法提出一种的弹目交会计算模型,建立了以概率形式表示的破片打击下部件毁伤准则；北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的王宏宇等[27]应用毁伤评估理论与方法，搭建了可用于侵彻战斗部对混凝土建筑目标的毁伤评估系统. 其中包含适用于混凝土建筑物毁伤评估的目标模型抽象数据格式架构，并给出了将此架构与建筑三维模型相关联的方法；海军工程大学的刘国强等[28]提出基于以反舰导弹为例，针对空袭目标低空突袭的特点，建立了炮光集成武器系统的效能评估模型和BP神经网络预测模型；中国华阴兵器试验中心的邱从礼等[29]提出了一种基于射击条件下毁伤幅员的压制火炮火力毁伤概率计算方法.

根据已有文献情况，国内也积累了部分毁伤效能评估技术成果，一些先进的智能算法也开始应用于效能评估，但研究尚未成体系，面向实战少，没有进行毁伤效能数据的积累，难以支撑作战中的准确、快速毁伤规划.

3 毁伤效能评估技术未来发展趋势

分析国内外毁伤效能评估技术研究现状，结合未来作战的需要及技术发展的特点，可以预测未来毁伤效能评估技术具有如下的发展趋势.

① 毁伤效能评估技术的适用范围将拓展到新作战场景、新武器、新目标.

低附带、无附带的城区作战行动正逐渐成为现代和未来战争的主要形式之一，毁伤效能评估工作也需要从原来对传统武器和目标的相互作用进行评估，拓展为对新型城区作战武器、城区建筑物及其内部隐藏的有生力量等新目标毁伤效能进行评估，另外还要评估其对平民和无辜人员的附带毁伤效果，并可将该指标加入弹药的毁伤效能，形成新的指标体系. 与此同时，定向能武器、非致命或低致命武器、效应可调弹药等应用新型毁伤机理的武器正逐步在战场上投入使用，而目标也更多地采用新型主、被动防护系统等防护措施，且目标成体系化发展. 如何击点摊体，实现打得巧，是对武器系统提出的新的技术要求. 因此，毁伤效能评估工作需要紧紧跟随这一新变化，更准确有效地预测和评估新型武器和目标的相互作用.

② 精确打击弹药毁伤规划牵引评估技术将向多功能、全时域、定量化方向发展.

精确打击弹药可以做到指哪打哪，结合现代战争时效性要求，对毁伤规划提出了更高的要求. 各类演习为仿真评估系统的发展提供了大量的试验数据，建设具备更强的开放性、可扩展性和互通性，加入战场信息的仿真评估系统，并与作战部队指挥自动化系统互连互通，使指挥员或指挥机关对目标毁伤情况进行多功能、全时域的毁伤规划成为可能[25]. 随着计算机智能技术的发展及系统分析理论、模糊工程、灰色系统理论和技术的广泛应用以及毁伤模型的发展和成熟，以计算机为基础的自动毁伤策略制定将成为评估人员的基本辅助工具，降低人为因素造成的毁伤效能评估结果不准确性，使目标打击方法定量化发展. 此外，未来战争转瞬即逝，部队非常需要战略、战术和命令的快速修改模型，只有充足的细节模拟才能够接近实时地修改命令、计划和军事训练，这就需要有一个多系统或超系统的规划、新的输入参数、输出性能衡量标准和评估新的超系统的功能关系，这就必然牵引评估技术将向多功能、全时域、定量化方向发展.

③ 毁伤效能评估技术将与计算机仿真技术紧密结合.

从各国的毁伤效能评估成果可以看出，毁伤效能评估技术已经不仅仅是对已有毁伤试验数据的总结与研究，而是在已有试验数据的基础上，建立战斗部的威力模型和对目标毁伤效应模型，结合目标易损性模型、弹药的末端弹道参数和战场环境，得到弹药对目标的毁伤效能仿真模型. 依靠毁伤效能仿真模型，得到比仅进行毁伤试验结果更多的毁伤效能数据和目标毁伤效果数据，能够更好地用于毁伤规划和目标打击决策支持. 因此，毁伤效能评估技术与计算机仿真技术紧密结合是毁伤效能评估技术的一大发展趋势.

④ 未来的毁伤效能评估技术将与数据技术深入融合.

以美国为例，可清楚发现：毁伤效能评估的准确性是以毁伤效应数据掌握程度为基础，未来随着测试手段发展，能够获取更丰富和更有价值的数据. 比如为了掌握不同类型弹药战斗部对不同类型靶体的毁伤判据，目前需要掌握弹药战斗部与目标介质相互作用过程中战斗部的动能以及炸药爆炸能量转换成目标材料与结构的弹塑性变形与破坏. 未来，可通过已有的大量试验,结合仿真数据进行分析和外推，掌握未进行过试验的各类战斗部对目标的毁伤效应，使得毁伤效能评估研究更为精细，结果更真实准确，从而推动毁伤评估工作迈向更高的台阶.