韓廣超, 王 鋒, 趙河明, 張 鋒, 趙歡歡,2

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051; 2 奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司, 安徽蕪湖 241000)

一種新的評(píng)估末敏彈掃描參數(shù)對(duì)目標(biāo)影響模型*

韓廣超1, 王 鋒1, 趙河明1, 張 鋒1, 趙歡歡1,2

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051; 2 奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司, 安徽蕪湖 241000)

為了研究末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)對(duì)目標(biāo)的影響,提出了一種評(píng)估末敏彈掃描參數(shù)對(duì)目標(biāo)影響的模型。建立了穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)影響下的末敏子彈對(duì)目標(biāo)影響模型,并運(yùn)用MATLAB提供的非線性規(guī)劃最優(yōu)化理論進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明:當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 r/s,落速為9 m/s,掃描角為30°,敏感器探測(cè)距離為115～145 m時(shí),末敏子彈最適宜作用目標(biāo)。所提出的研究思路與方法為末敏彈設(shè)計(jì)提供一定的幫助,研究?jī)?nèi)容對(duì)分析末敏彈作戰(zhàn)效能具有一定的指導(dǎo)意義。

穩(wěn)態(tài)掃描;MATLAB;非線性規(guī)劃最優(yōu)化;敏感器

0 引言

末敏彈又稱“敏感器引爆彈藥”[1],其利用先進(jìn)敏感器技術(shù)自主搜索、探測(cè)、識(shí)別目標(biāo)后,引爆彈藥,形成爆炸成型彈丸(explosively formed projectile,EFP),從頂部攻擊裝甲集群目標(biāo)。

穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)是決定子彈藥系統(tǒng)性能與可靠性高低的關(guān)鍵因素,研究末敏彈對(duì)目標(biāo)的作用實(shí)際上就是研究穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)對(duì)目標(biāo)的影響。文獻(xiàn)[2]提出了子母彈射彈散布模型,仿真目標(biāo)毀傷效果,從而確定穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)。文獻(xiàn)[3]建立了末敏彈命中概率預(yù)測(cè)模型,運(yùn)用智能算法對(duì)掃描參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[4-5]均是基于正交試驗(yàn)的靈敏度分析法,確定試驗(yàn)方案,分析了影響末敏彈對(duì)目標(biāo)攻擊效能的穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)。文獻(xiàn)[6]從子彈群落點(diǎn)分布的角度對(duì)穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7-10]通過(guò)建立模型,運(yùn)用算法,對(duì)影響末敏彈效能的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

末敏子彈對(duì)目標(biāo)影響的重要指標(biāo)是掃描時(shí)間、掃描覆蓋面積以及掃描間距[11],而這三項(xiàng)是由穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)決定的,因此文中從穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)著手,建立末敏彈對(duì)裝甲目標(biāo)影響下的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用非線性規(guī)劃最優(yōu)化理論仿真,綜合考慮,最終確定末敏子彈穩(wěn)態(tài)掃描最優(yōu)參數(shù)以及最優(yōu)參數(shù)下的子彈對(duì)目標(biāo)影響。

1 末敏子彈對(duì)目標(biāo)影響因素分析

1.1 末敏子彈工作原理

在穩(wěn)態(tài)掃描階段,子彈體的子彈軸與鉛垂方向成某一角度,通過(guò)摩擦盤導(dǎo)旋作用,主旋轉(zhuǎn)傘帶動(dòng)子彈體同步旋轉(zhuǎn),同時(shí),位于子彈體上的敏感視場(chǎng)在地面以螺旋線的形式由外向內(nèi)開(kāi)始對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別,一旦目標(biāo)被識(shí)別,即刻引爆EFP戰(zhàn)斗部,從頂部攻擊裝甲集群目標(biāo)。

1.2 末敏子彈對(duì)目標(biāo)影響因素分析

掃描間距與穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)之間關(guān)系:

(1)

式中:v為落速;n為轉(zhuǎn)速。

1)轉(zhuǎn)速和掃描角一定時(shí),速度越大,掃描間距越大,敏感器捕捉目標(biāo)幾率減小,子彈對(duì)目標(biāo)影響力降低。

2)轉(zhuǎn)速和落速一定時(shí),掃描角對(duì)子彈作用目標(biāo)起作用,敏感器探測(cè)距離確定時(shí),隨著掃描角增大,掃描間距增大,敏感器捕捉目標(biāo)幾率減小,影響力下降。

3)落速和掃描角確定時(shí),轉(zhuǎn)速越大,掃描間距越小,敏感器掃描目標(biāo)幾率越大,影響力增加。

4)轉(zhuǎn)速、落速以及掃描角均一定時(shí),敏感器探測(cè)距離同樣也會(huì)影響子彈對(duì)目標(biāo)影響力。探測(cè)距離越大,掃描范圍越大,目標(biāo)被覆蓋幾率增加,影響力增加。

5)風(fēng)影響子彈對(duì)目標(biāo)影響力,子彈處于有風(fēng)環(huán)境中,掃描過(guò)程中,會(huì)使子彈偏離目標(biāo)群,風(fēng)速越大,偏離目標(biāo)群越嚴(yán)重,甚至目標(biāo)脫離掃描覆蓋范圍。

2 末敏子彈對(duì)目標(biāo)影響模型分析與建立

穩(wěn)態(tài)掃描階段,掃描角的選擇一般要考慮子彈的搜索視場(chǎng)和目標(biāo)背景的輻射反射規(guī)律等,通常θ取30°,掃描間距Δ根據(jù)敏感器瞬時(shí)視場(chǎng)大小,工程上取值一般為1 m≤Δ≤2 m[12]。

設(shè)子彈穩(wěn)態(tài)掃描初始高度為H,掃描落線上初始掃描角為A0,初始位置與X軸成α,經(jīng)時(shí)間t后,為掃描螺線上的A1點(diǎn),則其坐標(biāo)表示為:

(2)

由式(2)可得出掃描軌跡:

x2+y2=(H-vt)2(tanθ)2

(3)

掃描面積為:

S(t)=π(H-vt)2(tanθ)2

(4)

子彈旋轉(zhuǎn)一周,下落的距離為:

ΔH=v/n

(5)

考慮末敏彈捕獲準(zhǔn)則時(shí),對(duì)目標(biāo)中心區(qū)系數(shù)選用2/3,文中以敏感器掃過(guò)覆蓋面積2/3時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則子彈對(duì)目標(biāo)影響力定義為該面積與掃描間距的比值,即單位掃描間隔下,敏感器掃過(guò)的覆蓋面積的大小,該值越大,目標(biāo)被探測(cè)到的幾率就大,因而子彈對(duì)目標(biāo)的影響力就越大,因此文中所建立的影響力模型為:

(6)

式中a、b、c、d、e、f均為常值。

3 末敏子彈對(duì)目標(biāo)影響仿真分析

a取1 m,b取3 m,c取2 r/s,d取8 r/s,e取5 m/s,f取20 m/s,初始高度H取值范圍70～200 m,利用非線性規(guī)劃最優(yōu)化理論,對(duì)影響力進(jìn)行仿真分析。

3.1 穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)最優(yōu)值分析

根據(jù)表1繪制不同探測(cè)距離下轉(zhuǎn)速落速變化趨勢(shì)如圖2所示,影響力與探測(cè)距離關(guān)系如圖3所示。

H/mn/(r·s-1)v/(m·s-1)Q706.552311.34903253.7754.30567.45753747.7806.593711.42064276.7855.861210.15184840.5905.34799.26285439.3954.91758.517360731004.76058.24556741.61054.86568.42757445.11104.94068.55748183.51154.99178.64598596.81205.02328.700497651255.03838.7266106081305.03978.729114861354.37147.5715123991404.4117.640133471454.4427.6937143301504.4657.7335153471554.48067.7605164001604.48947.7759174871654.49227.7808186101702.88685197671752.88685209591802.8865221861852.8865234481902.92275.0622247451952.88685260772002.8868527444

從圖2中可看出子彈轉(zhuǎn)速與落速隨探測(cè)距離變化走勢(shì)基本一致,在探測(cè)距離為80～110 m之間變化波動(dòng)較大,圖3中可看出該段影響力較小,不易選取;200 m以后均保持不變,轉(zhuǎn)速約為3 r/s,落速約為5 m/s,經(jīng)計(jì)算掃描間距Δ=0.962 5 m,不滿足工程上掃描間距值,而且隨探測(cè)距離增加,雖然掃描覆蓋面積增大,目標(biāo)落入掃描范圍幾率增加,但由于落速和轉(zhuǎn)速較小,導(dǎo)致掃描時(shí)間長(zhǎng),子彈留空時(shí)間長(zhǎng),易被反子彈武器擊毀,因此,本段不可取。探測(cè)距離在115～145 m之間與160～190 m之間,轉(zhuǎn)速落速均變化平穩(wěn),115～145 m之間轉(zhuǎn)速約為5 r/s,落速約為9 m/s,掃描間距Δ=1.039 2 m;160～190 m之間的轉(zhuǎn)速約為4 r/s,落速約為8 m/s,掃描間距為Δ=1.1570 m,根據(jù)圖3在其他參數(shù)一定的前提下,探測(cè)距離與影響力值成正比,考慮末敏彈滯空以及掃描間距和掃描時(shí)間的影響,115～145 m之間的探測(cè)距離較為合適。

3.2 優(yōu)化條件下的各參數(shù)值與影響力值的關(guān)系

上一小節(jié)中,確定轉(zhuǎn)速、落速一定范圍內(nèi)的最優(yōu)值為轉(zhuǎn)速5 r/s,落速為9 m/s,探測(cè)距離最佳范圍115～145 m。以下是各參數(shù)值與影響力值的關(guān)系。

從圖4、圖5、圖6中可以看出影響力與落速成反比,與探測(cè)距離及轉(zhuǎn)速成正比。落速越快,影響力值越小,影響子彈對(duì)目標(biāo)作用,轉(zhuǎn)速越高,影響力值越大,探測(cè)距離越大,影響力值越大,該仿真結(jié)果與1.2節(jié)中的分析結(jié)果一致。

3.3 風(fēng)對(duì)末敏子彈影響力的影響

圖7、圖8、圖9(紅色代表目標(biāo))對(duì)比分析可知:當(dāng)末敏子彈處于無(wú)風(fēng)作用下時(shí),目標(biāo)均位于探測(cè)器掃描覆蓋面內(nèi),影響力值最大,當(dāng)vx=vz=2 m/s時(shí),如圖8所示,目標(biāo)也均處于探測(cè)器掃描覆蓋范圍內(nèi),但相對(duì)無(wú)風(fēng)情況下,其影響力降低;圖9中在vx=2 m/s,vz=2.5 m/s,有一部分目標(biāo)脫離探測(cè)器掃描范圍,如果風(fēng)速更大的話,所有目標(biāo)均會(huì)脫離掃描范圍,這時(shí)末敏彈就對(duì)目標(biāo)失去了作用。該仿真結(jié)果也與1.2節(jié)中的定性分析較為一致。

4 結(jié)論

文中從末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描階段的轉(zhuǎn)速、落速、掃描角以及敏感器的探測(cè)距離等參數(shù)角度出發(fā),建立了末敏子彈對(duì)目標(biāo)影響作用的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用非線性規(guī)劃最優(yōu)化理論仿真,確定了最佳穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)及其影響力,仿真結(jié)果與定性分析相一致,證明了所建立的模型的正確性。通過(guò)文中所建立的模型,可以確定某一轉(zhuǎn)速范圍、落速范圍以及探測(cè)距離范圍下的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)以及子彈對(duì)目標(biāo)的影響力值,文中的研究?jī)?nèi)容對(duì)分析末敏彈的作戰(zhàn)效能具有一定的指導(dǎo)意義,同時(shí),文中所提出的研究方法、思路和分析方法也為末敏彈的整體設(shè)計(jì)提供了一定幫助,具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

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ANewModelofAssessingtheInfluenceofTerminal-sensitivityProjectileSteadyStateParametersAgainstTargets

HAN Guangchao1, WANG Feng1, ZHAO Heming1, ZHANG Feng1, ZHAO Huanhuan1,2

(1 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2 Chery New Energy Automotive Technology Co. Ltd, Anhui Wuhu 241000, China)

In order to study how Terminal-sensitivity Projectile (TSP) steady state scanning parameters affected targets, a model of assessing the influence of TSP scanning parameters against targets was proposed in the paper. The influence model of submunitions against targets was established, which was in the influence of steady state scanning parameters, and the simulation was carried out by non-linear programming optimization theory provided by MATLAB. The simulation results show that:under the circumstances of the scanning angle is 30° and sensor detection is 115～145 m, when the speed is 5 r/s and off-speed is 9 m/s, the submunition is against targets at best. research ideas and methods provide some help of TSP design, and research contents have certain significance for TSP operational effectiveness.

stead state scanning; MATLAB; non-linear programming optimization; sensor

TJ410.1;TP391.9

A

2016-03-21

國(guó)防科工局技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目資助

韓廣超(1989-),男,山東濟(jì)寧人,碩士研究生,研究方向:智能彈藥。