防空导弹发射车易损性建模与毁伤仿真评估

2024-01-04宋明昌尹世庄谭诗翰

兵器装备工程学报 2023年12期

陈磊,石全,宋明昌,尹世庄,谭诗翰

(陆军工程大学石家庄校区, 石家庄 050003)

0 引言

易损性是指在作战过程中,装备被敌方发现、锁定并受到敌方武器攻击后损伤的难易程度[1-2]。易损性评估是武器装备生存能力研究的重要组成部分,也是对武器装备进行战损评估的重要依据。防空导弹发射车是目前防空武器的重要组成部分,其功能和结构复杂,含有大量的电子元器件和电子线路。加强防空导弹发射车易损性的研究有助于提高其作战生存能力,对加快防空导弹武器系统的研制与改进等具有重要的推动作用[3]。目前,进行易损性研究最可靠的手段是进行毁伤试验,但是其经费消耗很大且安全风险很高,对于现役装备而言,进行真实装备的毁伤试验非常困难[4]。因此,本文中主要采用计算机模拟的方法进行某型防空导弹发射车的易损性建模与仿真,以此来分析防空导弹发射车的易损性,进而为装备战场生存能力改进提供参考和依据。

1 目标特性分析

1.1 发射车功能与结构分析

防空导弹发射车主要由承载车、上装和配套保障设备3大部分组成。上装主要由导弹发射车电器设备舱、发射架、油机电站、电源、液压系统、通信设备等组成。承载车包括发动机、传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统、电气系统和驾驶室等。配套保障设备主要包括随车备件及工具、篷布等。

发射车主要用于贮存、运输、起竖和发射导弹。在行军状态下,根据武器系统的统一指挥,通过自行行军,完成筒弹转场机动运输;进入发射阵地后,通过自动控制方式进行快速高精度展开;在作战状态下,根据火控系统的指令和信息,自动完成对筒弹的加电管理、发射准备、预装参数装订、导弹发射。

发射车任务阶段包括战前准备阶段、战斗准备阶段和作战任务实施阶段。

1) 战前准备阶段。战前准备阶段完成载车调平,设备加电自检,定位定向以及发射架起竖。

2) 战斗准备阶段。战斗准备阶段完成与指控系统建链,状态上报,筒弹解锁,筒弹加电以及状态检查。

3) 作战任务实施阶段。作战任务实施阶段的任务主要是根据指控系统的指令,发控设备完成导弹参数装订以及导弹发射控制。

发射车任务剖面图如图1所示。

图1 发射车任务剖面

1.2 关键部件的分析与确定

对目标进行关键结构和部件分析是易损性分析中的重要步骤和内容。关键件的辨识方法通常有损伤模式及影响分析方法(damage mode effect analysis,DMEA)及其改进方法(damage mode effect and criticality analysis,DMECA)等[5]。在发射车执行任务过程中,所有损伤模式对发射任务执行的影响主要表现在以下几个方面:① 发射车功能严重丧失,任务失败;② 发射车功能丧失,任务推迟;③ 发射车某一部分功能丧失,影响某一独立功能;④ 辅助功能分系统故障,发射任务仍可执行。

导致以上影响的功能项目主要有:载车无法调平;发射架起竖失败;无法测量车身指向;关键分系统无法供电;发射控制计算机死机;无法与指控系统进行无线及有线通信;导弹无法弹射出筒;导弹飞行控制失效;指令制导失效;导弹推进系统失效;导弹战斗部失效。

借鉴国内批产型号在设计、定型与批产中的DMEA分析经验,采用硬件分析法进行发射车的DMEA分析。最终确定该型发射车的部分关键部件如表1所示。

表1 关键部件列表

1.3 发射车毁伤树分析

毁伤树分析是指对装备在战场上所造成种种损伤的各种因素进行分析,画出逻辑框图,从而确定装备损伤事件及相互之间的逻辑关系[6-7]。发射车功能毁伤是由关键部件毁伤导致的,部件毁伤与装备毁伤之间的关系通常采用毁伤树图形式描述,图2为发射车的导弹发射性能下降或丧失的毁伤树图(局部)。通过图2毁伤树,可进行由部件向装备整体的毁伤关联性分析。

图2 发射车毁伤树模型(局部)

2 易损性等效模型构建

2.1 材料等效模型构建

由于真实物体的材料结构复杂,为便于进行仿真和模型构建,通常将目标部件材料等效成某一标准金属材料(例如Q235钢、硬铝合金、45钢等)。本文中主要采用强度与密度准则进行材料等效,等效公式为

(1)

式(1)中:hm和hs分别表示等效靶板和原靶板的厚度;σm和σs分别表示等效靶板和原靶板的屈服强度[8]。

为尽量减小等效误差,以材料性能尽可能相近为原则,结合专家经验,列出防空导弹部分基本项目的等效材料,如表2所示。

表2 防空导弹发射车部分基本项目等效材料信息

2.2 等效三维几何模型构建

本研究中主要依靠实验室开发的装备战损仿真平台进行几何模型构建,建模流程示意图如图3所示,基本步骤可描述如下:

1) 根据防空导弹装备结构建立装备系统—分系统—基本项目的结构树模型,其中,基本项目包括关重部件和惰性部件,惰性部件只考虑其对关重部件的保护作用,无需考虑功能毁伤;

2) 根据基本项目几何特点将基本项目分解为一个或若干个基本元素;

3) 将基本元素描述为基本几何元素的组合,基本几何元素之间的关系主要采用布尔运算(并、交、差)来描述。基本几何元素主要包括:长方体、球、正圆柱、直三棱柱、正圆台、椭圆台等;

4) 建立装备的三维坐标系,并根据防空导弹设计图给出每个基本几何元素的几何描述(顶点坐标、法向量、高、半径等);

5) 建立防空导弹几何描述数据库系统,完成上述数据的输入、输出、存储等基本管理。

图3 防空导弹发射车建模流程示意图

3 空地弹药杀伤效应模型

攻击防空导弹装备的弹药通常为空地导弹,此类型战斗部主要通过产生大量自然破片和预制破片来杀伤目标,对于防空导弹发射车而言,可采用穿透函数、引燃函数和引爆函数来判断弹药是否对关重件造成毁伤。

3.1 穿透准则[9]

对于单枚破片而言,其对装备的杀伤概率与破片的比动能有关,经验公式可表示为

(2)

式(2)中:P表示单枚破片对装备的杀伤概率,Es表示破片在单位厚度单位面积的比动能。

3.2 引燃准则[11]

对于燃油箱等易燃类部件而言,通常采用引燃函数来判断部件是否能够引燃、引爆部件。单枚破片击穿油箱等效靶板后的引燃概率为

式(3)中:i为单位着靶面积上的破片动量;mf为破片的质量;vf为破片的速度;AS为破片的着靶面积。

3.3 引爆准则[12]

破片入射后,破片是否能够引爆筒弹,引爆概率可描述为:

(4)

式(4)中:Ui为破片引爆参数;ρt为壳体材料密度;hz为壳体等效硬铝厚度;ρd为炸药装药密度;m为破片质量;δ为破片形状系数;vb为破片撞击速度。

4 弹目交汇处理

在弹目交汇处理中,依托课题组开发的战损仿真平台来模拟弹目交汇过程,装备战斗损伤模拟平台的结构如图4所示,主要由4个主要模块组成,每个模块又分别包含各自不同的组成部分[13]:

图4 战斗损伤仿真平台整体结构

1) 威胁信息模型:根据弹药的不同型号、终点弹道数据,建立破片侵彻威胁效能数据库,从而能够指定需要的模型和方法,以此建立和输出弹药破片的效能描述,输出结果可直接供分析人员使用或直接输出到损伤模拟模型当中;

2) 装备信息模型:作为战斗损伤仿真平台中最复杂的一个模型,集中了装备的各类数据,包括装备结构、功能、材料特性、几何特性、机械特性等,能够提供诸如装备目标坐标系转换、装备材料强度等效变换和装备材料厚度等效变换等各方面的服务;

3) 环境信息模型:完成对装备所处战场条件下地理、气象等多方面环境因素的描述,包括环境因素的控制方法和修正计算方法等;

4) 损伤模拟模型:根据选择的威胁模型、装备模型和战场环境模型,模拟威胁对装备的损伤作用过程,并将得到的模拟结果进行汇总,输出装备的物理损伤状态信息。

模拟过程主要由以下4个方面组成:① 模拟破片的攻击过程;② 模拟装备基本几何元素的毁伤;③ 模拟装备基本单元(部件)的毁伤;④ 模拟装备整体的毁伤。

通过定义不同的坐标系统(包括地面坐标系、装备坐标系和投影坐标系),并根据设定的弹药型号、弹道终点作用参数和弹药、装备的具体坐标,完成以上4个不同的损伤模拟过程,就可以实现装备在特定状态下遭受破片式弹药攻击的损伤模拟过程,并输出装备的受损部件,以及相应的损伤概率等,弹药和装备之间的相对关系如图5所示。图5中,θ1表示水平角,θ2表示高低角,R表示脱靶距离,H表示炸高。破片对装备的毁伤模拟过程如图6所示。通过模拟可以获得元素、单元和装备被破片的侵彻次数、穿透次数和侵彻深度等损伤情况。

图5 弹目相对关系

5 仿真算例分析

以某型巡航导弹攻击地面某型地空导弹发射车为例,采用易损性等效模型对防空导弹发射车进行易损性建模,并基于空地弹药杀伤效用模型和弹目交汇处理模型进行仿真评估。对该型弹药的破片进行抽样仿真,得到破片的质量分布和水平角分布如图7、图8所示。对该型导弹发射车进行50次毁伤仿真,仿真结果如图9所示。通过仿真可以获得装备整体及各部件的损伤程度和损伤模式等信息。

为进一步研究弹目相对参数对该型装备毁伤的影响,采用正交试验设计方法[14-15]对弹丸速度、脱靶距离及弹丸俯仰角对毁伤的影响情况进行分析。将装备受破片打击次数作为装备毁伤程度的量化指标,各因素的水平设置如表3所示,试验设计方案及仿真结果如表4所示。

图6 损伤模拟过程示意图

图7 战斗部破片质量分布

图8 战斗部破片水平角分布

图9 仿真结果示意图

表3 影响因素水平

表4 正交试验方案

(5)

(6)

式(5)中:yij为第j因素第i水平破片打击次数之和,Nij为第j因素第i水平的试验次数。

表5 毁伤程度极差分析表

由表5可知,各个因素对装备毁伤程度的影响从大到小排列依次为:脱靶距离R>水平角θ1>高低角θ2>弹丸速度V。为进一步分析脱靶距离和水平角对装备毁伤程度的影响,继续进行毁伤仿真,得到如图10所示的毁伤规律。

图10 各因素对毁伤程度影响规律

图10结果表明,在弹丸与发射车的交汇过程中,脱靶量越小,弹丸入射角越小(水平角越大),发射车被毁伤程度越高。随着脱靶距离的增大,一方面发射车毁伤程度呈指数级下降,另一方面弹药入射角对装备毁伤程度的影响也急剧减小。

通过仿真算例分析不难发现,运用本文易损性等效模型、空地弹药杀伤效用模型和弹目交汇处理模型对装备毁伤进行仿真评估,可以有效地脱离装备毁伤试验对实装、陪侍装备和环境的约束,极大提高毁伤试验效率,降低成本,提升安全性,评估模型设计合理,实验数据可靠,结论可信,为靶场目标毁伤评估计算提供了一种科学的计算方法,也为与考核近炸弹丸对地目标作战效能评估计算提供了新思路。