戰(zhàn)斗部毀傷效能評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曹凌宇 ，劉國慶 ，羅興柏 ，陳思揚(yáng) ，路耀斌

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200）

0 引言

精確打擊、遠(yuǎn)程壓制、高效毀傷是彈藥作戰(zhàn)應(yīng)用中的三大重要技術(shù)指標(biāo)，戰(zhàn)斗部在武器系統(tǒng)完成高效毀傷目標(biāo)或其他作戰(zhàn)任務(wù)中扮演了極其重要的角色，針對不同目標(biāo)，選擇合適的戰(zhàn)斗部，并準(zhǔn)確評估其毀傷效能對提高作戰(zhàn)效果具有重要軍事價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。戰(zhàn)斗部按照對目標(biāo)作用和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求不同分為爆破戰(zhàn)斗部、殺傷戰(zhàn)斗部、穿甲戰(zhàn)斗部、破甲戰(zhàn)斗部等，國內(nèi)不少學(xué)者對戰(zhàn)斗部毀傷理論進(jìn)行分析研究，汪德武［1］曾進(jìn)行過殺爆戰(zhàn)斗部殺傷面積的數(shù)值計(jì)算，姚劍虹［2］、劉軍［3］、黃振貴［4］等曾對不同類型的戰(zhàn)斗部進(jìn)行數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，謝樂平、楊理明［5］對常用戰(zhàn)斗部進(jìn)行建模計(jì)算，并編寫了彈藥設(shè)計(jì)常用的BASIC程序，得出了一些規(guī)律性結(jié)論。上述研究側(cè)重于理論分析，本文以殺爆戰(zhàn)斗部對面目標(biāo)毀傷效能為例進(jìn)行分析，旨在依據(jù)各類型戰(zhàn)斗部毀傷理論，建立毀傷模型，構(gòu)建包含戰(zhàn)斗部物理結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)效能、運(yùn)用方式等特性的戰(zhàn)斗部知識庫，基于此開發(fā)戰(zhàn)斗部毀傷效能評估系統(tǒng)，從而使得戰(zhàn)斗部毀傷評估向簡單化、易操作化發(fā)展，具有較高的軍事價(jià)值。

1 戰(zhàn)斗部毀傷模型建立

1.1 坐標(biāo)模型建立

設(shè)彈丸在高度h處爆炸，相應(yīng)的速度vc，落角為θc，如圖1所示。建立坐標(biāo)系oxyz。令zox與射面重合，并將彈丸的爆炸中心A取在oz軸上，xoy為地面，在其上按一定等分劃成單元小格，小格的面積，用極小坐標(biāo)小格的面積；小格的中心點(diǎn) M 的坐標(biāo)為（x，y）或（ψ，r），它距彈丸中心的距離AM為R，相應(yīng)的破片飛散方位角為φ。

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)彈體結(jié)構(gòu)及裝藥尺寸，將有效殼體內(nèi)外輪廓近似劃分為3段截的組合體進(jìn)行計(jì)算［6-7］，如圖2所示。

圖2 殼體分段模型

1.2.1 破片初速

對于破片初速計(jì)算，幾十年來，國外一直沿用Gurney提出的破片初速計(jì)算公式vp。

1.2.2 破片速度衰減特性

假設(shè)破片運(yùn)動過程中，Cx為常數(shù)，破片初速為vp。可推得破片衰減公式［6］：

1.2.3 破片質(zhì)量分布

對于自然破片質(zhì)量分布，大多采用Mott公式［7］（不適用于預(yù)制破片彈）來描述：

式中，N（mf）表示質(zhì)量大于mf的破片數(shù)；M為殼體圓柱部分總質(zhì)量；，j為維數(shù)；μ為殼體破碎特性參數(shù)，取決于彈體結(jié)構(gòu)、材料以及炸藥性質(zhì)。

1.2.4 破片空間分布規(guī)律

破片飛散密度分布函數(shù)為f（φ），實(shí)踐證明圓柱彈丸f（φ）可近似用正態(tài)分布函數(shù)表征：

動態(tài)情況下破片飛散密度不服從正態(tài)分布了，a（φ，R）由下式確定

式中，vp為破片初速；a（φ，R）為破片飛散密度。

1.2.5 殺傷動能準(zhǔn)則

根據(jù)所遵循的殺傷準(zhǔn)則，計(jì)算各質(zhì)量組破片的殺傷概率 P（k/h）i。

選用殺傷動能Eε=78.4 J準(zhǔn)則時(shí)

1.2.6 殺傷面積計(jì)算

殺傷面積的定義為：

2 基于毀傷模型的系統(tǒng)開發(fā)

利用Lab Windows CVI為仿真平臺，應(yīng)用C語言，完成了戰(zhàn)斗部毀傷效能評估系統(tǒng)開發(fā)。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的登錄，系統(tǒng)的自檢與初始化，武器配置，彈藥配置，目標(biāo)配置以及毀傷分析計(jì)算相關(guān)功能模塊的建立。

2.1 Lab Windows CVI為仿真平臺介紹

虛擬儀器軟件開發(fā)工具Lab Windows CVI（C for Virtual Instrumentation）是 National Instruments公司推出的軟件開發(fā)平臺，可以在多操作系統(tǒng)下運(yùn)行。它是以ANSI C為核心，將C語言平臺與測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來的集成化開發(fā)平臺。簡單的面板設(shè)計(jì)，豐富的空間，后臺C語言的完美支撐，為熟悉C語言的研究人員提供了極大的便利。

Lab Windows CVI的特點(diǎn)為：1）交互式的程序開發(fā)；2）功能強(qiáng)大的函數(shù)庫；3）靈活的程序調(diào)試手段；4）高效的編程環(huán)境；5）開放式的框架結(jié)構(gòu)；6）集成式的開發(fā)環(huán)境。通過對CVI的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域的分析，結(jié)合實(shí)際需求，采用Lab Windows CVI作為軟件開發(fā)平臺比較合適。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

系統(tǒng)劃分為業(yè)務(wù)層、交互層、支持層、通信層和數(shù)據(jù)層如圖3所示。其中：1）業(yè)務(wù)層提出軟件必須實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)和應(yīng)該具備的能力；2）交互層提供用戶與軟件的直接交互體驗(yàn)；3）支持層為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)和業(yè)務(wù)的支撐；4）通信層負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換管理，保障數(shù)據(jù)及時(shí)安全的在系統(tǒng)間流轉(zhuǎn)傳輸；5）數(shù)據(jù)層對于底層數(shù)據(jù)的封裝存儲管理。

結(jié)合實(shí)際需求，建立簡單的按照功能劃分的項(xiàng)目軟件系統(tǒng)。主要組成部分如圖4所示。

圖3 作戰(zhàn)效能與運(yùn)用模擬系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

圖4 系統(tǒng)主要組成部分

系統(tǒng)的登錄界面是為了方便用戶資料的存儲，以及對用戶的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行保護(hù)；系統(tǒng)的自檢與初始化模塊，是在系統(tǒng)啟動時(shí)對各子系統(tǒng)進(jìn)行初始化，完成整個(gè)系統(tǒng)的自檢；武器配置是存儲調(diào)取用戶所需武器發(fā)射平臺；彈藥配置是存儲調(diào)用符合任務(wù)需要的彈藥；目標(biāo)配置是設(shè)定戰(zhàn)斗部毀傷目標(biāo)；毀傷分析計(jì)算是根據(jù)用戶調(diào)用的武器彈藥及攻擊的目標(biāo)，進(jìn)行毀傷計(jì)算。

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用Lab Windows CVI軟件實(shí)現(xiàn)的戰(zhàn)斗部毀傷效能評估系統(tǒng)開發(fā)，按照試驗(yàn)的要求，具備了系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)的自檢與初始化、武器配置、彈藥配置、目標(biāo)配置以及毀傷分析計(jì)算相關(guān)功能。威力/易損性分析框圖如圖5所示，系統(tǒng)計(jì)算流程如下頁圖6所示，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖5 威力/易損性分析框圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

圖6 系統(tǒng)計(jì)算流程

圖7 計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用開發(fā)的戰(zhàn)斗部毀傷效能評估系統(tǒng)，基于戰(zhàn)斗毀傷模型及算法，對某型殺爆彈在一定初始條件下，對500 m×500 m區(qū)域內(nèi)不同姿態(tài)人員的毀傷面積計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1，圖8所示。

圖8 某型殺爆彈不同炸高對人員毀傷面積折線圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出當(dāng)人員姿態(tài)為跪姿、臥姿、三姿混合時(shí)，初始階段毀傷面積隨炸高的增大而增大，當(dāng)達(dá)到最大值后隨炸高的增大而減小，存在有利炸高。當(dāng)人員為立姿時(shí)炸高越小毀傷面積越大，由于沒有考慮彈丸的長度和地面人員目標(biāo)的高度等因素，破片的飛行距離采用的是炸點(diǎn)距人員目標(biāo)站立地點(diǎn)的地面之間的距離，所以，實(shí)際的變化曲線應(yīng)與其他姿態(tài)情況下的變化曲線相符合。

計(jì)算結(jié)果反映出的規(guī)律與金麗［8］在預(yù)制破片對地面人員目標(biāo)的殺傷威力分析計(jì)算中得出的結(jié)果一致，證明了系統(tǒng)的正確性。

表1 某型殺爆彈不同炸高對一定區(qū)域內(nèi)人員的毀傷面積

4 結(jié)論

基于戰(zhàn)斗部毀傷模型，利用Lab Windows CVI為仿真平臺，應(yīng)用C語言，成功設(shè)計(jì)開發(fā)戰(zhàn)斗部毀傷效能評估系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，評估系統(tǒng)得出的結(jié)果與已有的結(jié)論規(guī)律一致，實(shí)現(xiàn)了在戰(zhàn)斗部毀傷效能評估上的人機(jī)交互，使得戰(zhàn)斗部毀傷評估簡單化、應(yīng)用化發(fā)展。但仍存在戰(zhàn)斗部毀傷模型有待進(jìn)一步優(yōu)化的問題，而且，由于現(xiàn)在戰(zhàn)斗部種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)建包含戰(zhàn)斗部物理結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)效能、運(yùn)用方式等特性的戰(zhàn)斗部知識庫來擴(kuò)充戰(zhàn)斗部毀傷效能評估系統(tǒng)仍然有大量的工作要做。