地面火炮新型弹药动态毁伤效能研究

吴正龙，冯 勇，赵忠实

（炮兵防空兵学院，合肥 230031）

0 引言

地面火炮弹药近年来发展迅速，但与之不相匹配的是弹药配比、弹种选择、弹药需求量计算、毁伤效果评估等问题研究离“实战化”有不小差距［1-3］，其中一个很重要的原因就是新型弹药实战条件下动态毁伤效能（弹丸动爆条件下的实际毁伤效应）难以准确获得。

毁伤幅员、平均所需命中弹数等是地面炮兵一直以来使用的毁伤概率计算数学模型核心，必不可少的参数［4-5］。这些参数由于理解直观、使用方便，在毁伤指标计算中得到广泛应用，并一直沿用至今。但必须看到，毁伤幅员是对极其复杂的弹目作用过程的极大简化，与实际情况很不符合；且已有的毁伤幅员数据严重不足，仅有几种即将被淘汰的老式火炮的榴弹，在给定爆姿条件下对给定目标（多为T-62、BMД-1 等前苏联已淘汰装备）的数据，且试验时的天气、地形、射击方式等实战条件不明。目前地面炮兵新型弹药毁伤计算，仍经常直接利用基于毁伤幅员和平均所需命中弹数的数学模型，参照榴弹确定新型弹药毁伤幅员，如采用“相当榴弹法”求取子母弹毁伤幅员：先设法确定毁伤幅员，再利用榴弹数学模型计算末敏弹毁伤概率；预制破片弹、增程弹等，甚至直接在普通榴弹毁伤幅员基础上提高一个百分数使用。将复杂的弹目作用过程和结果，简化为“落达必毁伤”的毁伤幅员，势必夸大弹药的毁伤效能。数次效能试验结果也显示，实际毁伤效能与毁伤效能计算结果相差甚大。获得动态毁伤效能的理想方法是实射试验［6-8］，但完全依赖实射试验获得动态毁伤效能并不现实：一是真实目标设置困难，系统设置各类典型目标势必花费巨大；二是即使设置真实目标，地形、气象、炸点位置、爆姿、目标姿态等条件参数也无法准确控制，这直接导致毁伤数据的准确采集难以实现；三是即使进行实射试验，受成本所限试验样本不可能很大，难以从有限样本中得到动态毁伤规律。

事实上对于地面炮兵而言，弹药作为武器系统的核心与灵魂，无论是弹药需求量计算、毁伤效果评估，或是弹种选择、火力打击任务规划，又或是射击方式、火力动态调控、弹药携行与保障等作战问题，要做到精准高效，都需要准确掌握弹药对目标的动态毁伤效能。这些问题既可以看成是毁伤效能研究的出发点，也是最终的落脚点。为实现新型弹药“基于任务的、精准的”作战运用，迫切需要掌握实战条件下新型弹药对典型目标的动态毁伤效能。

1 基于动力学仿真的新型弹药动态毁伤效能评估

综合运用终点效应理论、弹道模拟技术、动力学仿真技术、数据挖掘技术等，构建战斗部、目标及弹目作用过程与效果的可视化模型，研究战斗部为常规杀爆、云爆、破甲等新型弹药动态条件下，对装甲、人员、工事等典型目标的毁伤效果，采用数据挖掘技术得到各类弹药对各类目标的动态毁伤效能，分析不同射击方式对动态毁伤效能的影响，为新型弹药的新型号研发、作战时弹药需求量计算、射击方式优化、毁伤评估等提供模型与系统支撑，其总体思路如图1 所示。

图1 基于动力学仿真的新型弹药动态毁伤效能评估

1.1 可视化目标、弹药模型构建

把目标、弹药看成一个按照一定联接关系组成的具有一定材料属性的多单元结构体，利用有限元分析方法和Multi-Creator 等软件，对目标、弹药各组成部件的几何区域（尺寸、形状等）和物理性质（材料类型、力学特征等）进行定义，得到结构模型。依据联接关系组合，建立三维实体模型，并转化到有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA 中，形成有限元模型。模型能够从外形、结构、材料、力学特征等物理层次上反映目标、弹药特性，能通过设置Gauges 点自动记录相应的动态响应，能以多种粒度和维度以及透视的形式进行直观显示。

1.2 弹药爆炸动力学模型构建

把弹药看成一个复杂的结构力学系统，采用有限单元分析方法，根据弹体的材料和力学结构、炸药类型、装填物种类等特征建立弹药模型；利用该模型能够分析弹药爆炸时的质量传递、热交换、应力和变形等过程；通过对时间进行显式积分来求解动力学方程，用以处理弹目交汇问题，如爆炸、碰撞、穿甲等短暂、瞬时的动态事件，从而较为完整地刻画出爆炸后形成的毁伤场。

1.3 弹目作用过程可视化动力学仿真

利用视景仿真平台，在给定爆姿、气象、地形、炸点位置等条件下，加载可视化的目标模型和弹药模型，然后对弹药模型进行触发，弹药模型触发后的爆炸场信息以数字形式存储于仿真平台，并能根据需要进行直观显示。位于爆炸场中的目标模型对爆炸场进行响应，将弹药爆炸后碰撞、穿甲、冲击波、侵彻等相互作用信息存储在目标数字模型中，并能通过云图、等值线、三维流场、动画、二维图表等形式对作用结果可视化显示；结合毁伤判定准则（人员目标采用比动能准则、装甲目标采用MFK 准则等），综合利用目标各部分毁伤数据和目视判别，由弹目作用结果得到目标的毁伤效果，仿真数据存储到毁伤效果数据库中。

1.4 动态毁伤效能评估与验证

通过多次仿真，得到弹种、目标性质及姿态、气象、地形、炸点位置、爆姿等条件参数与目标相应毁伤效果的样本数据，采用估计、回归分析以及神经网络等智能算法对样本数据进行深度挖掘和分析，得到弹种动态毁伤效能，分析不同条件参数对毁伤效能的影响；依据射击误差分布规律，模拟各种新型弹药在营、连、单炮等齐射、急促射、等速射等不同条件下严格符合射击误差表征的炸点，在单发弹丸动态毁伤效能基础上，分析不同射击方式对动态毁伤效能的影响。条件允许时还可结合实弹射击，现场设置典型目标靶并采集毁伤效果数据，对动态毁伤效能进行验证。

2 某型预制破片弹对轻型装甲目标动态毁伤效能分析

破片对装甲车辆的毁伤分为两种类型：一是目标部件遭破片毁伤造成部件功能丧失；二是目标结构遭破坏造成车辆整体性能下降。预制破片弹通过爆炸形成的破片场和冲击波对装甲车辆造成毁伤。破片毁伤方式主要有引燃、引爆和侵彻3 种。引燃作用是破片击穿油箱或输油线路，由此产生的热量引燃油料。引爆作用是破片击穿车内弹药，造成弹药在装甲车内爆炸。侵彻作用主要通过以下几种方式造成毁伤：击穿车辆油箱或输油线路，使燃油无法正常供给；击穿车辆润滑油箱或管路，使机械系统无法正常运转；击中车辆发动机、仪表、操纵、履带等系统，使车辆无法正常操控；击中车内人员，造成杀伤；击中车内通信、电气等设备，使车辆相关功能无法实现。

破片毁伤效能与破片的速度、形状、大小、姿态及密度等因素有关。这些因素与战斗部结构、壳体材料、装药类型和装药量、弹目相对位置、落角等有关。

冲击波对装甲车辆的毁伤主要通过以下几种方式：冲击波直接掀翻车辆，造成毁伤，使车辆失去战斗力；冲击波吹落或毁伤装甲目标外部部件，如天线、履带等；冲击波使装甲目标外装甲弯曲变形，造成裂缝，冲击波从缝中进入装甲车辆内部对车辆部件和人员造成杀伤；冲击波作用于车辆外部时产生冲击和振动，可损坏车内部电台等设备仪器。冲击波毁伤效能与冲击波超压、正压作用时间等参数有关。

2.1 动态毁伤计算

按功能车辆可划分为5 个系统，分别为防护系统、武器系统、推进系统、信息系统、电气系统。根据各系统功能将装甲运输车的毁伤分为5 种功能毁伤，分别是：行驶毁伤（M）、火力毁伤（F）、通信毁伤（X）、载员毁伤（C）和毁灭性毁伤（K），根据各部件的功能隶属关系，建立装甲运输车的毁伤树。采用物理分析和动力学仿真相结合的方法，分别建立预制破片弹冲击波和破片对装甲运输车目标的毁伤计算模型。

为计算冲击波对目标毁伤情况，在Solid Works软件中建立装甲运输车三维模型，并且在ANSYS Workbench 仿真平台上进行网格划分，根据实战经验赋予车辆10 m/s 的速度，而后把处理好的装甲车辆模型导入Autodyn 软件。图2 为冲击波毁伤效果仿真图。图3（a）为炸点设在装甲运输车正上方0.5 m、2 m、4 m、8 m 时顶甲受压情况，图3（b）为炸点设在装甲运输车左上方0.5 m、2 m、4 m、8 m 时顶甲受压情况。

图2 冲击波毁伤效果仿真图

图3 设定炸点情况下装甲运输车顶甲压强变化图

为计算破片对目标毁伤，依据破片实际的环状紧密分布，建立弹体坐标系并分别在周向和轴向上赋予破片编号；根据对破片初始位置、速度和飞散角的分析，逐个计算破片运动轨迹，将破片轴向和径向编号遍历求和，得出破片场的轨迹；将破片运动轨迹视为一条射线，判断其与装甲所在平面的相交情况，由此计算出破片与目标交汇情况。对于外部部件，破片贯穿即可对部件造成局部应力集中，影响其机械性能，从而对其造成毁伤，因此，可以用贯穿概率来衡量破片对其毁伤程度；内部部件则需计算出破片在穿甲过程后剩余质量和剩余速度，而后依据破片比动能和不同部件比动能杀伤标准值计算部件的毁伤概率。

计算出破片场对各部件的毁伤概率后，由于各部件的毁伤可引起功能毁伤和毁灭性毁伤。装甲目标的功能毁伤是指某一部件遭受毁伤，该部件所属的功能无法正常完成，此类毁伤仅仅对特定的功能造成毁伤，不会影响车辆的其他功能，例如装甲车履带遭受毁伤，从而导致车辆的行驶功能无法完成，并不会对车辆的通信、火力等功能造成影响；毁灭性毁伤是指某一部件遭受毁伤，除了该部件，整个车辆都会受到毁伤，例如破片引燃装甲车油箱，导致车内着火，整个车辆将会烧毁。分别计算出车辆总体功能毁伤概率和毁灭性毁伤概率，进而得到目标的总体毁伤概率。

2.2 毁伤规律分析

依据以上计算模型，给定战斗部位置、姿态参数（炸点坐标（X，Y，Z）、射向偏差角θ1、战斗部落角θ2），即可计算出预制破片弹动态条件下对装甲车辆的毁伤概率。多次仿真实验并采用回归分析方法，分析射向偏差角、落角、距离偏差量、炸高等因素对毁伤效能的影响，得到预制破片弹对轻型装甲目标毁伤效能随各因素变化的规律，并给出该型预制破片弹作战使用的合理建议。

2.2.1 射向偏差角θ1

统一取炸高Z 为4 000 mm，落角20 °，距离偏差量X 取0。方向偏差量Y 分别取-3 000 mm、0、3 000 mm。射向偏差角在0°到90°之间每隔10°分别取一次值。计算结果如下页图4 所示。

由图4 可知：

图4 毁伤效能随射向偏差角变化关系图

2）当预制破片战斗部落于装甲运输车上方时，其毁伤效能受射向偏差角影响不大；

3）当预制破片战斗部落于装甲运输车两侧时，其毁伤效能受射向偏差角影响较大，射向偏差角越大，毁伤效能越低，当射向偏差角大于50°时，战斗部对装甲车辆不造成任何毁伤。

2.2.2 落角θ2

距离偏差量X、方向偏差量Y、射向偏差角θ1均取0，炸高Z 取4 000 mm，落角θ2在0 °到90 °之间每隔10 °分别取一次值，计算结果如图5 所示。

图5 毁伤效能随落角变化关系图

由图5 可知：预制破片战斗部对毁伤效能受落角影响较大，毁伤效能随落角的增大而急剧减小，当落角大于40 °时，战斗部没有对装甲车辆造成毁伤。

2.2.3 距离偏差量X

方向偏差量Y、射向偏差角θ1均取0，炸高Z 取4 000 mm，落角取20°，距离偏差量X 在-5 000 mm到5 000 mm 之间每隔1 000 mm 分别取一次值，计算结果如图6（a）所示。为更好地探究距离偏差量对毁伤效能的影响，将距离偏差量在-1 500 mm 到2 500 mm 之间每500 mm 取值计算，其结果如图6（b）所示。

对全部流转土地的农户，在其参加城乡居民社会养老保险时，可选择按城镇居民缴费基数缴费，给予对应的财政补贴；对符合就业条件的劳动力，优先推荐到企业（工场）工作；对达到一定年龄的老龄农民，每月给予50～100元的生活补助金，解决老年农民的后顾之忧。

由图6 可知：

图6 毁伤效能随距离偏差量变化关系图

1）预制破战斗部受距离偏差量影响较大，距离偏差量越小，毁伤效能越高，在近端-2 000 mm 和远端2 500 mm 之外战斗部不会对装甲运输车造成任何毁伤；

2）战斗部毁伤效能随距离偏差量的变化在近端和远端呈现的非对称关系，在距离偏差量绝对值相同情况下，距离近端的战斗部毁伤效能低于远端；

3）战斗部在近端某一位置对装甲运输车造成毁伤，毁伤效能快速上升，在峰值维持一段时间，然后相对缓慢下降。

2.2.4 方向偏差量Y

距离偏差量X、射向偏差角θ1均取0，炸高Z 取4 000 mm，落角取20°，方向偏差量Y 在-4 000 mm到4 000 mm 之间每隔1 000 mm 分别取一次值，计算结果如下页图7 所示。

由图7 可知：预制破片战斗部毁伤效能随方向偏差量绝对值增大而减小，与偏差方向无关，战斗部位于装甲运输车顶部正上方时，毁伤效能最大，负偏差与正偏差对应的毁伤效能基本对称。

图7 毁伤效能随方向偏差量变化关系图

2.2.5 炸高Z

距离偏差量X、射向偏差角θ1均取0，方向偏差量Y 取2 000 mm，落角取20°，炸高Z 在500 mm 到6 000 mm 之间每隔500 mm 分别取一次值，计算结果如图8 所示。

图8 毁伤效能随炸高变化关系图

由图8 可知：破片在较低炸高时，毁伤效能随炸高增大而增大，在4 000 mm 左右存在一个最佳炸高，此时战斗部毁伤效能最大。高于最佳炸高后战斗部毁伤效能随炸高增大而减小，逐渐趋于0.08。

通过对影响毁伤效能的各因素进行计算分析，总结毁伤效能随各因素的变化规律，得出如下结论：

1）在距离偏差量一定的情况下，战斗部毁伤效能随射向偏差角的增大而减小，90°时毁伤效能最小，0°时毁伤效能最大。在正面射击时，应该尽量使射向平行于装甲车辆运动方向，侧面射击时，应该尽量使射向垂直于装甲车辆运动方向。

2）战斗部毁伤效能随落角的增大而减小。在射击时，应当尽可能采用大号装药，使弹道低伸，减小落角。

3）在相同距离偏差量的情况下，战斗部落于目标前端毁伤效能优于后端，即远弹毁伤效能大于近弹。在射击时，用目标远端位置代替目标中心位置确定射击诸元。

4）战斗部毁伤效能随方向偏差量增加而减小。在射击时，应尽量减小方向偏差量。

5）战斗部毁伤效能随炸高增大而增大，当炸高高度达到4 000 mm 时，毁伤效能最大，然后毁伤效能随炸高增大而减小。因此，在对装甲车辆射击时，装配时间引信时应该调节引信至“近高炸”，使其炸高控制在4 000 mm 左右。

3 结论

准确掌握弹药目标的动态毁伤效能，对于弹药需求量计算、弹种选择、火力动态调控、弹药携行等问题的解决至关重要。建立在毁伤幅员、战斗部静爆效应等基础上的模型，很难用于分析近年来发展迅速的地面火炮新型弹药的毁伤效能。提出综合运用终点效应理论、动力学仿真技术、数据挖掘技术等分析新型弹药动态毁伤效能的思想，并应用于某型预制破片弹对轻型装甲目标的毁伤效能计算与影响因素分析，进而给出该型预制破片弹作战使用的合理建议。仿真计算结果表明，提出的方法现实可行。弹药动态毁伤效能影响因素众多，也是目前研究的难点，条件具备时理论计算结果尚需实射验证。