基于光學投影技術的戰(zhàn)斗部動態(tài)威力模擬試驗系統(tǒng)

閆雪梅，侯日升

(中國華陰兵器試驗中心，陜西 華陰 714200)

0 引言

戰(zhàn)斗部動態(tài)威力是目前毀傷效能鑒定與評估領域中的一項重要指標。它不僅與戰(zhàn)斗部自身的威力特性(亦或靜態(tài)威力)和目標的易損性直接相關,而且與戰(zhàn)斗部、目標的運動狀態(tài)等彈目交匯條件相關,由于彈目交匯條件的隨機性較強,存在試驗條件的不可再現性[1],因而難于建立起一種簡單、通用的戰(zhàn)斗部動態(tài)威力試驗方法。國內外科研人員在該領域開展了大量的研究工作,常見的做法是以理論分析或數值仿真方法為主要手段來計算動態(tài)毀傷效果。如肖鋼等研究了動態(tài)條件下的戰(zhàn)斗部破片殺傷威力和爆炸威力[2],郭銳等研究了預制破片戰(zhàn)斗部對空中目標的動態(tài)毀傷仿真方法[3],苗潤等用數值仿真的方法研究了炸藥動態(tài)起爆對艦船上下鄰艙結構的毀傷效應[4],Samiee等研究了沖擊波對鋼板結構的毀傷[5],Konokman等以理論分析為主研究了戰(zhàn)斗部破片對飛機的毀傷效果[6]。除理論研究外,美軍更加重視彈藥的動態(tài)毀傷試驗,如1947年開展了當時“世界上最大項目”的飛機毀傷試驗,試驗測試用的1 200架飛機基本囊括了第二次世界大戰(zhàn)空軍海軍所有類型的飛機[7]。1984年美國國會通過了實彈射擊法案,規(guī)定了美軍武器在裝備前必須完成對蘇聯裝備的動態(tài)毀傷試驗,該法案至今依然有效。由此可見,彈藥的動態(tài)毀傷試驗在美軍武器裝備中占有重要的地位,但其耗資大,不易于組織實施。

文中給出了一種基于現行靜態(tài)威力試驗條件的光學投影模擬試驗新方法,運用該方法可以模擬各種彈目交匯狀態(tài)的戰(zhàn)斗部動態(tài)威力,具有操作簡單、方便實用、可以無限次再現實戰(zhàn)條件的特點。

1 模擬試驗的總體思路

戰(zhàn)斗部對目標的動態(tài)威力不僅與戰(zhàn)斗部爆炸瞬間的姿態(tài)、彈目距離、彈目交匯角有關,還與具體目標特性有關。受各種隨機因素的影響,試驗條件難以精確控制,戰(zhàn)斗部爆炸瞬間的綜合威力很難用單純試驗的方法進行測試,基于靜態(tài)威力試驗技術已經非常成熟這一事實,文中充分利用靜態(tài)威力試驗數據,建立了一套基于光學投影技術的動態(tài)威力模擬試驗方法。該方法以破片對目標的毀傷概率為戰(zhàn)斗部動態(tài)威力指標。圖1給出了該方法的整體框架,主要由3大功能模塊組成:目標易損性分析模塊、光學投影模塊、破片動態(tài)空間分布模塊。

圖1 模擬系統(tǒng)的整體構架框圖Fig.1 Overall framework of simulation system

模擬試驗時,首先進行目標特性分析,將目標按照易損性相等的原則劃分為若干區(qū)域,運用靜態(tài)威力試驗數據求得動態(tài)條件下不同飛散角的破片數(即破片動態(tài)空間分布),設置不同彈目交匯條件和彈丸爆炸姿態(tài),用光學投影系統(tǒng)模擬得到目標各個區(qū)域的有效殺傷破片數,從而求得動態(tài)條件下的戰(zhàn)斗部動態(tài)威力。

2 破片動態(tài)空間分布

戰(zhàn)斗部爆炸后會產生向四周飛散的破片場,其對目標的殺傷威力目前常用破碎性試驗和球形靶(扇形靶)試驗來評估。戰(zhàn)斗部飛行狀態(tài)中爆炸形成的各分散區(qū)域的破片數稱為動態(tài)破片空間分布,與戰(zhàn)斗部爆炸瞬間的存速和姿態(tài)有關。破片動態(tài)空間分布模塊的主要功能是將靜態(tài)威力試驗數據轉換成動態(tài)條件下的破片空間分布,下面給出具體步驟。

1)應用破碎性試驗數據求得靜態(tài)條件下任一距離R處的破片數n(R):

(1)

式中:E為破片動能;α為速度衰減系數;v0為破片飛散初速;mmax為最大破片質量;t(λ)為破片分布的平均概率密度。

2)求得靜態(tài)條件下任一距離R處的破片密度ρ:

(2)

式中:ρ0為R0處的破片分布密度,由球形靶試驗獲得。

3)求動態(tài)破片數

動態(tài)飛散角為:

(3)

破片動態(tài)飛散密度為:

(4)

動態(tài)區(qū)域面積為:

S′1=R2[cosβ′-cos (β′+Δβ′)]·Δφ

(5)

動態(tài)破片數m′為:

m′=ρ′·S′1

(6)

式中:vc為戰(zhàn)斗部落速;v0為戰(zhàn)斗部靜爆時的破片初速;β為靜態(tài)飛散角;β′為動態(tài)飛散角;ρ為靜態(tài)破片分布密度。

式(6)即為不同飛散角破片動態(tài)空間分布計算模型。

3 光學投影模擬系統(tǒng)

光學投影模擬系統(tǒng)主要用來模擬不同彈丸爆炸姿態(tài)和不同彈目交匯條件下目標各個劃分區(qū)域的動態(tài)破片數,即動態(tài)條件下目標各劃分區(qū)域的有效殺傷破片數。

3.1 基本組成

光學投影模塊由目標系統(tǒng)和球形投影儀兩部分組成,如圖2所示。

圖2 光學投影模塊示意圖Fig.2 Optical projection module

目標系統(tǒng)主要由目標模型、旋轉平臺、目標控制系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)組成,目標模型置于轉臺上,通過控制系統(tǒng)使其具備水平和俯仰角度調節(jié)功能。其主要功能是:按照縮放比例精確模擬目標幾何尺寸關系,實現目標的旋轉運動,能夠按照試驗需求精確調整目標姿態(tài)和目標與點光源之間的幾何關系。記錄系統(tǒng)主要用來記錄投影目標正上方的投影圖像。

球形投影儀是一種用來模擬破片飛散情況的裝置,由投影球和投影控制系統(tǒng)組成。球形投影儀的主要功能是向目標模型投射經緯網格,對部分網格進行標識,并在采集到的圖像中辨識網格編號。圖3給出了球形投影儀組成結構示意圖。

圖3 球形投影儀組成結構示意圖Fig.3 Composition and structure of spherical projector

經緯球的主要功能是模擬戰(zhàn)斗部爆炸瞬間破片流的空間分布,可結合球形靶試驗技術確定;點光源相對運動系統(tǒng)包括三維位移平臺和運動控制系統(tǒng)兩部分,由運動控制系統(tǒng)控制三維位移平臺軸向、左右和高低的精確控制,模擬彈目之間相對運動關系,而運動控制系統(tǒng)則利用計算機串口輸出X,Y,Z三軸位置控制信號實現對投影球的三維控制。

3.2 工作原理

假設戰(zhàn)斗部破片靜態(tài)飛散初速為Vf 0,戰(zhàn)斗部爆炸時的飛行速度為Vr,目標瞬時速度為Vt,則破片相對于目標的動態(tài)飛散初始速度為:

Vfd=Vr+Vt+Vf 0

(7)

投影球使用透明材質的玻璃球,球面畫有經緯線網格,用球的軸線表示戰(zhàn)斗部的軸線,在球的中心放置一個點光源,點光源將經緯線網格投射到目標模型上,射出的光線模擬破片的飛散軌跡[2]。用控制系統(tǒng)控制點光源的移動來模擬戰(zhàn)斗部的運動速度,必要時也可以模擬目標的運動速度。當已知經緯網格中的每一個小格中的平均破片數及投影到目標某個部位上的小格數,就可以確定出對于給定的爆炸點位置擊中該部位的平均破片數。顯然,投影球中點光源的相對移動必須要正確表征戰(zhàn)斗部動態(tài)爆炸瞬間破片與目標的交匯關系,是整個模擬系統(tǒng)設計的核心及關鍵。

以投影球半徑代表破片靜態(tài)飛散初速Vf 0,當點光源處于球心時,模擬投影為戰(zhàn)斗部靜爆時的破片飛散狀況。當戰(zhàn)斗部與目標存在相對運動時(即Vr+Vt),移動點光源,移動距離與運動速度成比例,其尺度系數與半徑代表破片飛散全程平均速度的系數一致,移動方向與相對運動方向相反。

3.3 目標區(qū)域投影面積的計算

由于投影球的經緯網格代表了不同的動態(tài)破片數,為了確定命中目標不同部位的破片數,需要知道目標不同部位覆蓋的不同經緯網格的數量,由此網格數可求得投影面積。要確定目標不同部位覆蓋的網格數,需要首先記錄目標網格投影圖像,然后采用圖像處理像素計算方法得到網格數。

3.4 計算毀傷概率

將目標按易損性相等原則劃分為k個區(qū)域并假設事件“破片對各區(qū)域的殺傷”相互獨立[8-12],則用式(8)可求得動態(tài)條件下戰(zhàn)斗部對目標的毀傷概率。

(8)

4 應用實例

以預制破片彈對輕型裝甲車輛的毀傷試驗為例,詳細介紹該套模擬系統(tǒng)的應用方法。

4.1 目標結構分析

分析輕型裝甲車輛結構特性,其結構參數見表1。

表1 輕型裝甲車輛各部分防護裝甲結構參數Table 1 Structure paramenters of protective armor for each part of a light armored vehicle

4.2 目標區(qū)域劃分

根據目標易損性相等原則,結合輕型裝甲車輛結構及功能特性,將其劃分為8個不同的區(qū)域:區(qū)域1,駕駛區(qū);區(qū)域2,發(fā)動機系統(tǒng);區(qū)域3,火炮高低機;區(qū)域4,火控觀瞄系統(tǒng);區(qū)域5,乘員艙;區(qū)域6,通信系統(tǒng);區(qū)域7,油箱; 區(qū)域8,彈藥艙。

因條件限制,模擬試驗不考慮區(qū)域7、區(qū)域8。

4.3 破片對目標的侵徹

戰(zhàn)斗部對輕型裝甲目標的毀傷是依靠破片毀傷內部部件來實現的。由于輕型裝甲目標具有一定的裝甲防護能力,因此破片只有在貫穿防護層的前提下才可能達到毀傷內部部件的目的[6]。對于給定的破片,其能否貫穿防護裝甲層以及貫穿后的剩余能量主要取決于裝甲的材料和厚度等因素。不僅不同的輕型裝甲目標的裝甲防護結構不同,而且一種裝甲目標上不同的部位其防護特性也有差異。因此,對具體的目標需進行裝甲防護特性分析,通常是進行破片穿甲威力試驗[7]。表2給出了破片穿甲威力試驗結果。

結合球形靶試驗結果可計算某一飛散角區(qū)域破片穿透率,計算戰(zhàn)斗部不同飛散角對不同厚度裝甲鋼穿透率,見表3。

表2 破片穿甲威力試驗結果Table 2 Test result of fragment armor piercing power

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

4.4 破片對目標的毀傷

計算破片對不同目標區(qū)域的毀傷概率,結果見表4。

表4 單個破片對各區(qū)域的毀傷概率Table 4 Damage probability of single fragment to each area

4.5 毀傷效能模擬計算

模擬條件為:戰(zhàn)斗部爆炸時速度為328 m/s,落角為60°,炸點位于裝甲車輛中軸線左側1 m,距地面高度為4.5 m,爆炸點到裝甲車中心點地面投影點所在直線距離為6.5 m,爆炸點到裝甲車中心點地面投影點直線距離為8 m。

為了確定命中各功能分區(qū)的破片數,需要知道各功能分區(qū)在投影圖中覆蓋各單個投影區(qū)的個數。各功能區(qū)分別處于3個高度,采用標準網格背板等效高度分層投影的方法分別計算各功能區(qū)覆蓋各單個投影區(qū)的個數,結果見表5。

表5 各功能區(qū)覆蓋投影區(qū)數量Table 5 Number of projrction areas covered by each functional area

得到各功能區(qū)覆蓋各個投影區(qū)的個數后,要計算各功能區(qū)的毀傷概率,需要知道各功能區(qū)的有效殺傷破片數,這可由靜態(tài)威力試驗數據求得。表6為彈體爆炸時不同飛散角破片初速分布,表7為由球形靶試驗獲得的項目編號1～7的破片靜態(tài)空間分布,由式(3)～式(6)可求得項目編號1～7的破片動態(tài)空間分布,見表8。

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

表7 破片靜態(tài)空間分布Table 7 Fragment static spatial distribution

表8 破片動態(tài)空間分布Table 8 Fragment dynamic spatial distribution

至此求得各目標單元有效殺傷破片數,見表9。

表9 各目標單元破片數Table 9 Fragment number of each target unit

應用毀傷概率模型式(8)可求得個目標區(qū)域及總目標的毀傷概率,結果見表10,總毀傷概率為0.704 6。

表10 毀傷概率計算結果Table 10 Damage probability calculation result

4.6 試驗結果驗證

為了驗證模擬系統(tǒng)試驗結果的正確性,以戰(zhàn)斗部對雷達天線的靜態(tài)毀傷概率為例。該型戰(zhàn)斗部系裝填有鋼珠的殺爆戰(zhàn)斗部,主要用以殺傷人員及輕型裝甲目標、雷達等半硬目標。

根據目標易損性相等的原則,將雷達天線劃分為3個區(qū)域A1,A2,A3,如圖4所示,在彈目距離8 m的條件下進行靜態(tài)模擬試驗,模擬試驗結果見表11。

靜態(tài)威力試驗結果為0.967,與模擬試驗結果0.978 8基本吻合,模擬試驗結果可信。

圖4 雷達目標區(qū)域示意圖Fig.4 Radar target area schematic diagram

表11 模擬試驗結果Table 11 Analog test result

5 結束語

應用光學投影模擬技術模擬彈目交匯狀態(tài),結合戰(zhàn)斗部靜態(tài)威力的破碎性和球形靶試驗數據,建立了一種殺傷戰(zhàn)斗部對目標的動態(tài)毀傷試驗、評估方法。以戰(zhàn)斗部對雷達的靜態(tài)毀傷為例驗證了該方法的正確性,并通過預制破片彈對輕型裝甲車輛的動態(tài)模擬試驗,驗證了該方法的可用性,實現了不同彈目交匯條件下戰(zhàn)斗部對目標殺傷威力的評估。這種方法具有直觀、簡單、方便的特點,克服了動態(tài)毀傷試驗消耗大、精度低的不足,便于在工程中推廣和應用。其缺點是對光學投影球的制作精度要求較高,但制作成功后,可重復使用。