王海峰, 王鵬新, 王 龍, 鄧立杰

(中國白城兵器試驗中心, 吉林白城 137000)

0 引言

武器系統(tǒng)射擊初始條件不同,彈箭飛行歷經(jīng)環(huán)境不同,彈道終點諸元也不同,因此,不同因素、不同偏差條件影響下,不同武器系統(tǒng)彈道性能很難比較。炮兵標準射擊條件就是為了便于武器系統(tǒng)彈道性能比較和射擊使用,而進行一系列的假設規(guī)定。它是炮兵裝備指標論證與性能評估、彈道仿真與射表編制、裝備技術(shù)研究與學術(shù)交流中使用的基本規(guī)范。我軍炮兵標準射擊條件是在20世紀50年代借鑒蘇聯(lián)炮兵標準條件制定的,很長一段時間,為炮兵裝備技術(shù)的發(fā)展與交流,炮兵裝備的研制與使用提供了基準。近些年來,多種增程技術(shù)的成熟應用,偵測、通信與炮控技術(shù)的進步發(fā)展,常規(guī)兵器射程有了很大的突破,射彈高度有了很大的外延,射擊精度有了很大提高,現(xiàn)行標準射擊條件已無法完全適應裝備技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)相關科研單位進行了高原氣象條件研究,給出不同海拔高度對應的參考大氣,也有學者對標準氣象條件存在的問題進行分析、探討,但這些研究探討更多側(cè)重參考大氣與實際大氣一致性難題,沒有關注與現(xiàn)行標準射擊條件的繼承問題,短期內(nèi)無法形成統(tǒng)一的標準指導工程實踐。文中針對這一情況,從射表編擬實際需求出發(fā),系統(tǒng)分析現(xiàn)有炮兵標準射擊條件的不足,并提出具體改進措施。

1 現(xiàn)行炮兵標準射擊條件簡介

目前,我軍炮兵標準射擊條件[1]如下:

1)地球、地形條件

a)地表面為平面,重力加速度g為常量9.80 m/s2;

b)彈著點位于炮口水平面上;

c)炮耳軸成水平且與炮身軸線垂直;

d)科氏加速度為零。

2)彈道條件

a)初速為表定初速或發(fā)動機工作時間、裝藥質(zhì)量、推力大小及方向與設計值吻合;

b)飛行體質(zhì)量為表定值;

c)藥溫為15 ℃;

d)飛行體外形符合定型圖紙規(guī)定;

e)有控彈箭控制系統(tǒng)工作正常,控制策略與設計一致。

3)氣象條件

a)地面(海拔高0 m)標準氣溫為15 ℃,絕對濕度為846 Pa(相對濕度為50%),地面標準虛溫為15.9 ℃(288.9 K),虛溫τ隨高度y變化服從標準定律:

b)地面標準氣壓p0為1 000 hPa,氣壓p隨高度y變化服從大氣鉛垂平衡條件:

c)在彈道所有高度風速為零。

2 現(xiàn)行炮兵標準射擊條件的不足

2.1 標準地球地形條件下的彈道計算存在較大誤差

炮兵標準地球地形條件規(guī)定:地球表面為平面,彈著點在炮口水平面上,重力加速度為9.80 m/s2,方向鉛直向下。而實際地球表面并非平面,重力加速度大小、方向在不同位置也不一樣。因此,在標準地形條件基礎上的彈道計算、射表編擬會存在一定的誤差。

圖1 平面地形假設示意圖

標準地形條件基礎上的彈道計算,氣象數(shù)據(jù)應用存在誤差。標準大氣變化規(guī)律中,溫度、壓強是隨海拔高度變化的,是以大地水準面為基準的,而在標準地形條件下,取炮口處平面直角坐標系中的坐標y近似為彈箭空間位置的海拔高度。這種近似導致彈道計算所用的氣象諸元存在誤差,特別是在有高空風存在的實際氣象條件下,計算實際彈道時,氣象數(shù)據(jù)的這種近似應用會引起大誤差。誤差的大小隨著射程的變化和氣象條件的變化而不同,射程越大,彈道高程誤差越大,誤差累積時間越長,射程誤差越大;風速隨高度的變化越劇烈,應用于彈道計算的氣象數(shù)據(jù)與實際氣象數(shù)據(jù)差距越大,造成的射程誤差越大。表1為某型彈藥氣象高程選取不準確引起的彈道計算誤差仿真結(jié)果。

表1 氣象高程使用引起的彈道計算誤差

標準地形條件基礎上的彈道計算,重力加速度的使用存在誤差。但在地球表面為平面基礎上,認為重力加速度g是垂直于炮口水平面向下的平行引力場。而實際上,在球面地形條件下,g近似與彈箭質(zhì)心與地心連線同向,其方向隨彈箭質(zhì)心運動而不斷變化。在地面坐標系中建立彈箭質(zhì)心運動方程,考慮重力加速度的方向變化時,3個方向都存在重力的分量。x、z方向分量gx、gz減小射程,y方向的分量gy小于g,使彈丸飛行時間增長,增大射程。表2為某型彈藥重力方向不準確引起的彈道計算誤差仿真結(jié)果。

表2 重力方向不準確引起的彈道計算誤差

以往認為,常規(guī)武器射程較近,彈道較低,平面、平行引力場假設引起的誤差較小,可以忽略。近些年來軍事科技突飛猛進,一方面各種增程技術(shù)相繼出現(xiàn),常規(guī)武器的射程有了大的突破;另一方面?zhèn)蓽y技術(shù)、火控技術(shù)、炮控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,常規(guī)武器的射擊精度達到了較高的水平。強調(diào)首發(fā)命中、首群覆蓋的現(xiàn)代戰(zhàn)爭對射表精度提出了越來越高的要求,而武器系統(tǒng)射程遠、彈道高、重力作用與氣象影響時間長,使得此標準地形條件下編制的射表存在較大誤差。

2.2 標準氣象高度上限較低

我軍炮兵標準氣象是在1957年借用蘇聯(lián)炮兵標準氣象而形成的,后經(jīng)計量單位統(tǒng)一,沿用至今。自公布以來,作為炮兵裝備彈道性能評估、氣象保障、彈道表制作和射表編制的氣象條件基準,在炮兵裝備研制與使用中發(fā)揮了積極的作用。

現(xiàn)行炮兵標準氣象條件對應高度上限為31 km,31 km以上高度無對應標準氣象模型。隨著彈箭技術(shù)的發(fā)展,一些彈箭的射程越來越遠,對應的最大彈道高也越來越高,如遠程火箭、滑翔增程彈等武器系統(tǒng)彈道高超過31 km。這種情況下,這類超遠程、高空飛行彈箭的彈道設計與計算、射表編制及彈道標準化等諸多方面出現(xiàn)新問題。

3 現(xiàn)行炮兵標準射擊條件的改進

3.1 標準射擊條件應具備的屬性特征

炮兵標準射擊條件是人們根據(jù)行業(yè)需求對客觀世界實際情況的一種假想規(guī)定,作為指導我軍炮兵裝備技術(shù)工作的基礎規(guī)范,具有其基本的屬性特征,無論制定還是修改完善這一標準,都需要保證它具有作為標準條件的最基本屬性特征。

第一是客觀性,標準條件是對客觀世界最核心、最本質(zhì)特征的基本反映,特別是對行業(yè)研究具有本質(zhì)影響的那些因素,必須給以準確的定性描述。第二是近似性,標準條件是概略的、假想的,不可避免其與客觀實際存在差異。判定標準大氣的適用程度,不能只是以某個地區(qū)或某個季節(jié)、某個時期的平均大氣特征對標準氣象偏離的大小作為衡量標準,也不能拘泥于大氣參數(shù)分布的某些細節(jié),必須著眼于它的最重要、最本質(zhì)的特征。第三是通用性,也可以稱之為唯一性,標準條件必須得到行業(yè)公認,是行業(yè)內(nèi)一定時期共同遵守的唯一標準,否則它將失去標準的意義。第四是相容性,行業(yè)內(nèi)不同標準條件之間應相容共存,互為支撐。第五是穩(wěn)定性,標準條件應具有較長的生存期限。某個時期提出的標準條件,是當時歷史條件下人們所擁有的參數(shù)資料、知識的體現(xiàn)。一方面,充實這些資料和知識往往需要較長的一段時間,而另一方面,標準條件修改時,根據(jù)標準條件制定的各種專用表冊、技術(shù)規(guī)定和性能評估結(jié)果也要部分或全部重新制定,這不僅需要做大量的工作,而且不利于保持資料和工作上的連貫性。所以,除非發(fā)現(xiàn)客觀事實與現(xiàn)行模式有重大出入,而且影響標準條件所應發(fā)揮的作用時,一般不宜對標準條件輕易修改。

3.2 標準地球地形條件的改進

地表面為平面、平行重力場的地球地形假設與地球?qū)嶋H不符,應改變這一標準條件,而使用更接近實際情況的球面地形條件假設,考慮地球曲率的影響,提高彈道仿真精度和射表編擬質(zhì)量,提高常規(guī)武器的命中概率。同時,也應減少標準修訂的附帶影響和附加工作,盡量繼承原有假設條件,使得標準條件修訂后,基于原標準條件的結(jié)論、成果、做法不發(fā)生或少發(fā)生本質(zhì)變化。基于以上考慮,新標準地球地形條件如下:

a)地球為正球體,球徑取6 371 000 m;

b)重力加速度g為常量9.80 m/s2,指向地心;

c)彈著點位于炮口水平面上;

d)炮耳軸成水平且與炮身軸線垂直;

e)科氏加速度為零。

3.3 標準氣象條件的外延

目前在急需開展高空飛行遠程彈箭研究而又不可能立刻制定出一個十分準確、完全符合我國實際的標準氣象的條件下,可考慮綜合應用當前我軍炮兵標準氣象條件和國際標準氣象條件,在31 km高度以下依然采用目前模型,31 km以上采用國際標準,作為我軍炮兵氣象條件的過渡標準,這樣對于31 km以下彈道仍與原來一樣,以前在這種條件下編制的射表、性能評定的結(jié)果依然有效,而對于彈道高超出31 km武器的彈道計算與分析、射表編制,也有了可以依據(jù)的標準。

國際標準大氣[2]的高度范圍由海平面到84 852位勢米,分子溫度的高度廓線定義為7個相連接的直線段。這些直線段的方程是:

TM=TMb+LMb(H-Hb)

其中:b的值從0到6,分別表示7個依次連接的層次;TMb為某個層次下界的分子溫度;LMb為某個層次中溫度的垂直遞減率;Hb為氣層的底高。分子溫度與高度廓線的梯度值如表3所示。

國際標準氣象分層是按位勢高度進行劃分的,而我軍炮兵標準氣象是按海拔高度(幾何高度)分層的,另外我軍炮兵標準地球地形條件中規(guī)定重力加速度是不隨高度變化的,從符合此條規(guī)定而言,氣象條件的也應按幾何高度分層,位勢高度Hg轉(zhuǎn)換為幾何高度y公式如下:

y=REHg/(RE-Hg)

為保證氣溫隨高度變化的廓線連續(xù),應選擇合適的層高作為兩種標準條件的銜接點。兩種溫度與幾何高度廓線的交點對應幾何高度為24 200 m,對應虛溫為221.5 K。

按上述分析論證,可歸納總結(jié)出新的炮兵標準氣象條件:

a)地面(海拔高0 m)標準氣溫為15 ℃,絕對濕度為846 Pa(相對濕度為50%),地面標準虛溫為15.9 ℃(288.9 K),虛溫隨高度變化服從標準定律:

1)y≤9 300 m,τ=288.9-6.328×10-3y;

2)9 300 m

3)12 000 m

4)24 200 m

5)32 162 m

6)47 350 m

7)51 412 m

8)71 802 m

b)地面標準氣壓p0為1 000 hPa,氣壓隨高度變化服從大氣鉛垂平衡條件:

c)在彈道所有高度風速為零。

4 結(jié)論

文中從炮兵武器裝備發(fā)展的現(xiàn)實需求出發(fā),對我軍現(xiàn)行炮兵標準射擊條件存在不足進行了系統(tǒng)分析,將平面、平行重力場假設改進為球面、中心重力場,結(jié)合國際標準氣象條件,將標準氣象條件外延至86 km。現(xiàn)行炮兵標準射擊條件的改進與完善不僅解決了中遠射程、大彈道高炮兵武器系統(tǒng)彈道仿真和射表編制的需求,而且盡可能的繼承了現(xiàn)行標準條件,使得在原有標準條件下編制的彈道表與射表、制定的規(guī)范、裝備指標的論證與彈道性能評估結(jié)果依然有效,避免了因標準改變帶來的大量附加工作。

標準氣象外延部分是借助于國際標準氣象制定的,并非我國大范圍、長時期實際氣象探測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,未必能夠準確反映我國高空大氣實際,但僅從國內(nèi)射表編制、彈道性能評估、武器裝備的研制與技術(shù)交流而言,這個氣象標準具備標準條件所應具有的一切特征,完全適用于上述工作。隨著不同學科領域間的交叉發(fā)展,國際間武器貿(mào)易與裝備技術(shù)交流的日益增強,不可避免的會出現(xiàn)兩種、甚至更多種大氣標準同時使用帶來的問題,為順應形勢、方便交流、促進發(fā)展,應該盡快使我國的炮兵標準氣象條件與國際通用的標準大氣統(tǒng)一起來。

參考文獻::

[1] 王海峰, 牛大民. 底部排氣彈射表編擬方法: GJB 5413—2005 [S]. 北京: 總裝備部軍標出版發(fā)行部, 2005: 12-13.

[2] 曲延祿. 外彈道氣象學概論 [M]. 北京: 氣象出版社, 1987: 262-269.

[3] 張峰. 標準氣象條件使用中存在的問題 [J]. 彈道學報, 1999, 11(4): 78-81.

[4] 王中原, 韓子鵬, 林獻武. 對建立我國炮兵高空標準氣象條件的分析和建議 [J]. 彈道學報, 2007, 19(1): 9-11.