基于光学投影技术的战斗部动态威力模拟试验系统

闫雪梅，侯日升

(中国华阴兵器试验中心，陕西 华阴 714200)

0 引言

战斗部动态威力是目前毁伤效能鉴定与评估领域中的一项重要指标。它不仅与战斗部自身的威力特性(亦或静态威力)和目标的易损性直接相关,而且与战斗部、目标的运动状态等弹目交汇条件相关,由于弹目交汇条件的随机性较强,存在试验条件的不可再现性[1],因而难于建立起一种简单、通用的战斗部动态威力试验方法。国内外科研人员在该领域开展了大量的研究工作,常见的做法是以理论分析或数值仿真方法为主要手段来计算动态毁伤效果。如肖钢等研究了动态条件下的战斗部破片杀伤威力和爆炸威力[2],郭锐等研究了预制破片战斗部对空中目标的动态毁伤仿真方法[3],苗润等用数值仿真的方法研究了炸药动态起爆对舰船上下邻舱结构的毁伤效应[4],Samiee等研究了冲击波对钢板结构的毁伤[5],Konokman等以理论分析为主研究了战斗部破片对飞机的毁伤效果[6]。除理论研究外,美军更加重视弹药的动态毁伤试验,如1947年开展了当时“世界上最大项目”的飞机毁伤试验,试验测试用的1 200架飞机基本囊括了第二次世界大战空军海军所有类型的飞机[7]。1984年美国国会通过了实弹射击法案,规定了美军武器在装备前必须完成对苏联装备的动态毁伤试验,该法案至今依然有效。由此可见,弹药的动态毁伤试验在美军武器装备中占有重要的地位,但其耗资大,不易于组织实施。

文中给出了一种基于现行静态威力试验条件的光学投影模拟试验新方法,运用该方法可以模拟各种弹目交汇状态的战斗部动态威力,具有操作简单、方便实用、可以无限次再现实战条件的特点。

1 模拟试验的总体思路

战斗部对目标的动态威力不仅与战斗部爆炸瞬间的姿态、弹目距离、弹目交汇角有关,还与具体目标特性有关。受各种随机因素的影响,试验条件难以精确控制,战斗部爆炸瞬间的综合威力很难用单纯试验的方法进行测试,基于静态威力试验技术已经非常成熟这一事实,文中充分利用静态威力试验数据,建立了一套基于光学投影技术的动态威力模拟试验方法。该方法以破片对目标的毁伤概率为战斗部动态威力指标。图1给出了该方法的整体框架,主要由3大功能模块组成:目标易损性分析模块、光学投影模块、破片动态空间分布模块。

图1 模拟系统的整体构架框图Fig.1 Overall framework of simulation system

模拟试验时,首先进行目标特性分析,将目标按照易损性相等的原则划分为若干区域,运用静态威力试验数据求得动态条件下不同飞散角的破片数(即破片动态空间分布),设置不同弹目交汇条件和弹丸爆炸姿态,用光学投影系统模拟得到目标各个区域的有效杀伤破片数,从而求得动态条件下的战斗部动态威力。

2 破片动态空间分布

战斗部爆炸后会产生向四周飞散的破片场,其对目标的杀伤威力目前常用破碎性试验和球形靶(扇形靶)试验来评估。战斗部飞行状态中爆炸形成的各分散区域的破片数称为动态破片空间分布,与战斗部爆炸瞬间的存速和姿态有关。破片动态空间分布模块的主要功能是将静态威力试验数据转换成动态条件下的破片空间分布,下面给出具体步骤。

1)应用破碎性试验数据求得静态条件下任一距离R处的破片数n(R):

(1)

式中:E为破片动能;α为速度衰减系数;v0为破片飞散初速;mmax为最大破片质量;t(λ)为破片分布的平均概率密度。

2)求得静态条件下任一距离R处的破片密度ρ:

(2)

式中:ρ0为R0处的破片分布密度,由球形靶试验获得。

3)求动态破片数

动态飞散角为:

(3)

破片动态飞散密度为:

(4)

动态区域面积为:

S′1=R2[cosβ′-cos (β′+Δβ′)]·Δφ

(5)

动态破片数m′为:

m′=ρ′·S′1

(6)

式中:vc为战斗部落速;v0为战斗部静爆时的破片初速;β为静态飞散角;β′为动态飞散角;ρ为静态破片分布密度。

式(6)即为不同飞散角破片动态空间分布计算模型。

3 光学投影模拟系统

光学投影模拟系统主要用来模拟不同弹丸爆炸姿态和不同弹目交汇条件下目标各个划分区域的动态破片数,即动态条件下目标各划分区域的有效杀伤破片数。

3.1 基本组成

光学投影模块由目标系统和球形投影仪两部分组成,如图2所示。

图2 光学投影模块示意图Fig.2 Optical projection module

目标系统主要由目标模型、旋转平台、目标控制系统和记录系统组成,目标模型置于转台上,通过控制系统使其具备水平和俯仰角度调节功能。其主要功能是:按照缩放比例精确模拟目标几何尺寸关系,实现目标的旋转运动,能够按照试验需求精确调整目标姿态和目标与点光源之间的几何关系。记录系统主要用来记录投影目标正上方的投影图像。

球形投影仪是一种用来模拟破片飞散情况的装置,由投影球和投影控制系统组成。球形投影仪的主要功能是向目标模型投射经纬网格,对部分网格进行标识,并在采集到的图像中辨识网格编号。图3给出了球形投影仪组成结构示意图。

图3 球形投影仪组成结构示意图Fig.3 Composition and structure of spherical projector

经纬球的主要功能是模拟战斗部爆炸瞬间破片流的空间分布,可结合球形靶试验技术确定;点光源相对运动系统包括三维位移平台和运动控制系统两部分,由运动控制系统控制三维位移平台轴向、左右和高低的精确控制,模拟弹目之间相对运动关系,而运动控制系统则利用计算机串口输出X,Y,Z三轴位置控制信号实现对投影球的三维控制。

3.2 工作原理

假设战斗部破片静态飞散初速为Vf 0,战斗部爆炸时的飞行速度为Vr,目标瞬时速度为Vt,则破片相对于目标的动态飞散初始速度为:

Vfd=Vr+Vt+Vf 0

(7)

投影球使用透明材质的玻璃球,球面画有经纬线网格,用球的轴线表示战斗部的轴线,在球的中心放置一个点光源,点光源将经纬线网格投射到目标模型上,射出的光线模拟破片的飞散轨迹[2]。用控制系统控制点光源的移动来模拟战斗部的运动速度,必要时也可以模拟目标的运动速度。当已知经纬网格中的每一个小格中的平均破片数及投影到目标某个部位上的小格数,就可以确定出对于给定的爆炸点位置击中该部位的平均破片数。显然,投影球中点光源的相对移动必须要正确表征战斗部动态爆炸瞬间破片与目标的交汇关系,是整个模拟系统设计的核心及关键。

以投影球半径代表破片静态飞散初速Vf 0,当点光源处于球心时,模拟投影为战斗部静爆时的破片飞散状况。当战斗部与目标存在相对运动时(即Vr+Vt),移动点光源,移动距离与运动速度成比例,其尺度系数与半径代表破片飞散全程平均速度的系数一致,移动方向与相对运动方向相反。

3.3 目标区域投影面积的计算

由于投影球的经纬网格代表了不同的动态破片数,为了确定命中目标不同部位的破片数,需要知道目标不同部位覆盖的不同经纬网格的数量,由此网格数可求得投影面积。要确定目标不同部位覆盖的网格数,需要首先记录目标网格投影图像,然后采用图像处理像素计算方法得到网格数。

3.4 计算毁伤概率

将目标按易损性相等原则划分为k个区域并假设事件“破片对各区域的杀伤”相互独立[8-12],则用式(8)可求得动态条件下战斗部对目标的毁伤概率。

(8)

4 应用实例

以预制破片弹对轻型装甲车辆的毁伤试验为例,详细介绍该套模拟系统的应用方法。

4.1 目标结构分析

分析轻型装甲车辆结构特性,其结构参数见表1。

表1 轻型装甲车辆各部分防护装甲结构参数Table 1 Structure paramenters of protective armor for each part of a light armored vehicle

4.2 目标区域划分

根据目标易损性相等原则,结合轻型装甲车辆结构及功能特性,将其划分为8个不同的区域:区域1,驾驶区;区域2,发动机系统;区域3,火炮高低机;区域4,火控观瞄系统;区域5,乘员舱;区域6,通信系统;区域7,油箱; 区域8,弹药舱。

因条件限制,模拟试验不考虑区域7、区域8。

4.3 破片对目标的侵彻

战斗部对轻型装甲目标的毁伤是依靠破片毁伤内部部件来实现的。由于轻型装甲目标具有一定的装甲防护能力,因此破片只有在贯穿防护层的前提下才可能达到毁伤内部部件的目的[6]。对于给定的破片,其能否贯穿防护装甲层以及贯穿后的剩余能量主要取决于装甲的材料和厚度等因素。不仅不同的轻型装甲目标的装甲防护结构不同,而且一种装甲目标上不同的部位其防护特性也有差异。因此,对具体的目标需进行装甲防护特性分析,通常是进行破片穿甲威力试验[7]。表2给出了破片穿甲威力试验结果。

结合球形靶试验结果可计算某一飞散角区域破片穿透率,计算战斗部不同飞散角对不同厚度装甲钢穿透率,见表3。

表2 破片穿甲威力试验结果Table 2 Test result of fragment armor piercing power

表3 不同飞散角的破片穿透率Table 3 Fragment penetration rate at different scattering angles fragment

4.4 破片对目标的毁伤

计算破片对不同目标区域的毁伤概率,结果见表4。

表4 单个破片对各区域的毁伤概率Table 4 Damage probability of single fragment to each area

4.5 毁伤效能模拟计算

模拟条件为:战斗部爆炸时速度为328 m/s,落角为60°,炸点位于装甲车辆中轴线左侧1 m,距地面高度为4.5 m,爆炸点到装甲车中心点地面投影点所在直线距离为6.5 m,爆炸点到装甲车中心点地面投影点直线距离为8 m。

为了确定命中各功能分区的破片数,需要知道各功能分区在投影图中覆盖各单个投影区的个数。各功能区分别处于3个高度,采用标准网格背板等效高度分层投影的方法分别计算各功能区覆盖各单个投影区的个数,结果见表5。

表5 各功能区覆盖投影区数量Table 5 Number of projrction areas covered by each functional area

得到各功能区覆盖各个投影区的个数后,要计算各功能区的毁伤概率,需要知道各功能区的有效杀伤破片数,这可由静态威力试验数据求得。表6为弹体爆炸时不同飞散角破片初速分布,表7为由球形靶试验获得的项目编号1～7的破片静态空间分布,由式(3)～式(6)可求得项目编号1～7的破片动态空间分布,见表8。

表6 破片初速分布Table 6 Fragment initial velocity distribution

表7 破片静态空间分布Table 7 Fragment static spatial distribution

表8 破片动态空间分布Table 8 Fragment dynamic spatial distribution

至此求得各目标单元有效杀伤破片数,见表9。

表9 各目标单元破片数Table 9 Fragment number of each target unit

应用毁伤概率模型式(8)可求得个目标区域及总目标的毁伤概率,结果见表10,总毁伤概率为0.704 6。

表10 毁伤概率计算结果Table 10 Damage probability calculation result

4.6 试验结果验证

为了验证模拟系统试验结果的正确性,以战斗部对雷达天线的静态毁伤概率为例。该型战斗部系装填有钢珠的杀爆战斗部,主要用以杀伤人员及轻型装甲目标、雷达等半硬目标。

根据目标易损性相等的原则,将雷达天线划分为3个区域A1,A2,A3,如图4所示,在弹目距离8 m的条件下进行静态模拟试验,模拟试验结果见表11。

静态威力试验结果为0.967,与模拟试验结果0.978 8基本吻合,模拟试验结果可信。

图4 雷达目标区域示意图Fig.4 Radar target area schematic diagram

表11 模拟试验结果Table 11 Analog test result

5 结束语

应用光学投影模拟技术模拟弹目交汇状态,结合战斗部静态威力的破碎性和球形靶试验数据,建立了一种杀伤战斗部对目标的动态毁伤试验、评估方法。以战斗部对雷达的静态毁伤为例验证了该方法的正确性,并通过预制破片弹对轻型装甲车辆的动态模拟试验,验证了该方法的可用性,实现了不同弹目交汇条件下战斗部对目标杀伤威力的评估。这种方法具有直观、简单、方便的特点,克服了动态毁伤试验消耗大、精度低的不足,便于在工程中推广和应用。其缺点是对光学投影球的制作精度要求较高,但制作成功后,可重复使用。