李曉航，張力鋒，張 鵬，冉 迪，王 喬

(1 陸裝駐西安第七軍代室，陜西 西安 710065；2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

戰(zhàn)斗部是導(dǎo)彈、炮彈等武器的直接作戰(zhàn)單元,添加制導(dǎo)部件后將其精確地送到目標(biāo)附近進行引爆,產(chǎn)生破片、沖擊波對目標(biāo)進行毀傷。炮射類彈藥主要有殺爆、侵徹、破甲等類型戰(zhàn)斗部,根據(jù)毀傷目標(biāo)的特點選擇不同的戰(zhàn)斗部。國內(nèi)理論研究和試驗手段多側(cè)重于對武器系統(tǒng)可靠性、制導(dǎo)性能的評定或考核,對毀傷效能量化評估研究有待系統(tǒng)、深入研究,這將直接影響作戰(zhàn)效能在火力運用中的應(yīng)用[1]。

殺傷爆破戰(zhàn)斗部將高能炸藥裝在刻槽的金屬殼體內(nèi),爆炸后形成具有一定質(zhì)量和數(shù)量的高速破片,并產(chǎn)生高速高壓的爆炸沖擊波,對輕型裝甲車輛、火力點、人員、設(shè)備造成貫穿、超壓、沖擊等損傷,達到對目標(biāo)的有效毀傷。近年來,制導(dǎo)彈藥總要求中對戰(zhàn)斗部威力考核的方法逐漸由靜態(tài)指標(biāo)向動態(tài)指標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文主要以輕型裝甲車輛類目標(biāo)作為研究對象,以造成嚴(yán)重毀傷為考核要求,構(gòu)建殺爆戰(zhàn)斗部的動態(tài)毀傷評估體系。

1 國內(nèi)外研究情況

自二戰(zhàn)后歐美等國家陸續(xù)開展一系列的毀傷效能評估研究,包括目標(biāo)易損性分析、戰(zhàn)斗部毀傷分析及毀傷效能評估等內(nèi)容。美國在1964年成立彈藥效能聯(lián)合技術(shù)協(xié)調(diào)小組(JTCG/ME)開展毀傷評估工作,編寫《聯(lián)合彈藥效能手冊》(JMEMs),內(nèi)含武器性能詳細數(shù)據(jù)、毀傷效能評估方法、毀傷效能計算平臺等內(nèi)容,至2012年已更新至V2.1版本[2]。美國從20世界80年代開始開發(fā)毀傷評估可視化仿真平臺,1991年海灣戰(zhàn)爭后成體系的開展對戰(zhàn)斗部威力、目標(biāo)易損性的建模、仿真、測試及數(shù)據(jù)采集工作,科索沃戰(zhàn)爭后美軍將戰(zhàn)斗毀傷評估體系(BDA)作為優(yōu)先發(fā)展項目,并在阿富汗、伊拉克等戰(zhàn)場上收集詳細的毀傷參數(shù)。2008年美國重點研究毀傷效能評估的建模與分析工具,至2013年美國陸軍研究實驗室成功研發(fā)模塊化易損性評估套件MUVES3[3]。經(jīng)過多年積累,美國建立起了一整套毀傷評估的體系,積累了大量的評估模型、評估手冊、仿真平臺及評估手段,研究成果如下表。

表1 美軍毀傷評估成果Table 1 US military damage assessment achievement

此外,俄羅斯、德國、荷蘭、瑞典、法國、英國等國也開展了一系列毀傷效能評估工作。俄羅斯初步構(gòu)建了天基偵察體系,在材料易損性研究方面處于世界先進水平[7];德國開發(fā)出通用易損性模型UniVeMo分析了兩種戰(zhàn)斗部三種毀傷模式隨著炸高及落角變化對輕型裝甲車輛、運兵車、士兵等目標(biāo)的毀傷效能,并對平民的附帶毀傷進行評估[8];荷蘭TNO實驗室開發(fā)的TARVAC在彈目交會條件下對破片進行動態(tài)建模評估戰(zhàn)斗部毀傷效應(yīng)和目標(biāo)易損性[9]。法國開的的Quranos系統(tǒng)、英國開發(fā)的FATool系統(tǒng)、瑞典開發(fā)的AVAL系統(tǒng)都對戰(zhàn)斗部毀傷效能進行分析評估[10]。

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始對毀傷評估進行研究,建立了殺爆、破甲、聚能等不同類型戰(zhàn)斗部的威力模型,對坦克、艦船、建筑、人員、生物羊等不同目標(biāo)進行易損性分析,提出了毀傷樹、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種算法進行毀傷評估[11-14]。

綜上所述,美國經(jīng)過多年積累建立起了較為成熟的毀傷評估體系,歐洲各國也開發(fā)出各種毀傷評估系統(tǒng),我國雖在戰(zhàn)斗部威力場建模、目標(biāo)易損性分析、毀傷效能評估方面進行了大量研究,但由于缺少實戰(zhàn)無法積累動態(tài)的毀傷數(shù)據(jù),尚未形成行之有效的毀傷評估體系。

2 毀傷評估體系構(gòu)建

殺爆戰(zhàn)斗部攻擊輕型裝甲目標(biāo)時,首先依靠彈體動能對目標(biāo)造成結(jié)構(gòu)性沖擊破壞,戰(zhàn)斗部引爆后產(chǎn)生大量高速破片形成穿孔,使目標(biāo)局部易損特性發(fā)生突變,在此基礎(chǔ)上部分破片穿透裝甲后對車內(nèi)人員、儀器設(shè)備造成毀傷,沖擊波沿裝甲車表面自爆點向外擴展對車體結(jié)構(gòu)、車內(nèi)設(shè)備、人員進行毀傷。

針對輕型裝甲車輛,殺爆戰(zhàn)斗部毀傷模式主要包括動能毀傷、破片毀傷、沖擊波毀傷等3種模式,動能毀傷主要依靠彈丸自身動能對輕型裝甲車輛的炮塔、發(fā)動機、駕駛艙等部位造成損傷,達到嚴(yán)重破壞程度;破片毀傷依靠戰(zhàn)斗部在輕型裝甲車內(nèi)或車外爆炸產(chǎn)生高速破片對車輛本身造成穿孔,對車內(nèi)設(shè)備、人員造成破壞,可通過在車內(nèi)安放生物羊、模擬設(shè)備來驗證破片的毀傷效果;沖擊毀傷依靠戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的超壓、過載對車內(nèi)設(shè)備、人員造成破壞,可通過在車內(nèi)安裝超壓、過載傳感器來檢測戰(zhàn)斗部爆炸后產(chǎn)生的瞬時超壓及過載。

2.1 動能毀傷準(zhǔn)則

動能毀傷主要依靠彈丸撞擊裝甲目標(biāo)實現(xiàn)毀傷,毀傷準(zhǔn)則主要以極限穿透速度或者極限穿透深度來衡量,采用經(jīng)典的De Marre公式或其修正公式[15]計算:

(1)

其中,h0為穿透深度;vm為彈丸速度;m為彈丸質(zhì)量;d為彈丸直徑;θ為彈丸落角;K為裝甲材料特性系數(shù)。

由于彈丸的命中位置主要由外界發(fā)射環(huán)境和彈上部件性能決定,主要包括為發(fā)射諸元誤差、目標(biāo)測量誤差、氣動力誤差、制導(dǎo)部件工作性能誤差等,誤差源及分布情況如表2所示。通過2 000次蒙特卡洛仿真,可計算出命中不同位置的概率分布情況如圖1所示。

圖1 命中精度及位置Fig.1 Hit accuracy and position

圖2 第一發(fā)彈丸毀傷情況Fig.2 Damage from the first shot

圖3 第二發(fā)彈丸毀傷情況Fig.3 Damage from the second shot

表2 誤差源及分布規(guī)律Table 2 Error source and distribution law

假設(shè)彈丸的CEP為1 m,瞄準(zhǔn)點中心為輕型裝甲車輛的炮塔時,命中距離炮塔不同位置的概率f(R)服從正態(tài)分布N(0,δ),距離輕型裝甲車輛瞄準(zhǔn)點不同位置的裝甲厚度為h(R),可得出動能毀傷概率Pd如下:

(2)

2.2 破片毀傷準(zhǔn)則

破片作為最基本的毀傷元之一,幾乎所有以炸藥為毀傷能源的常規(guī)戰(zhàn)斗部都能產(chǎn)生破片。戰(zhàn)斗部起爆后炸藥會形成爆轟產(chǎn)物來驅(qū)動破片在空氣中運動。由Gumey公式計算破片初速v0為:

(3)

由于空氣阻力作用,破片在空氣中飛行速度vf隨飛行距離增大而衰減,其運動規(guī)律如下:

vf=v0e-ar

(4)

其中:a為破片衰減系數(shù)[16];r為破片運動距離。破片飛行后產(chǎn)生的動能E為:

(5)

其中mf為破片質(zhì)量。破片質(zhì)量大于m時的破片數(shù)量用Mott公式描述為:

(6)

其中:μ為破片常數(shù);ms為戰(zhàn)斗部殼體質(zhì)量。滿足質(zhì)量要求的有效破片密度為:

(7)

其中φ為破片飛散角。

破片對人員有效殺傷的殺傷能量Er一般為78～98 J,結(jié)合破片速度可計算出對人員殺傷破片的有效質(zhì)量mr,再根據(jù)有效破片密度公式計算破片對人員有效毀傷概率Pr為[17]:

Pr(r)=1-e-ε(r)S

(8)

其中S為人員易損面積,一般取值為0.75 m2。

破片對于裝甲車輛的毀傷一般采用線性分布概率,當(dāng)破片比動能大于4.5×108時,可造成有效毀傷,破片比動能Ef計算公式為:

(9)

其中:h為目標(biāo)面厚度;A為破片平均迎風(fēng)面積;mc為對裝甲車輛有效殺傷的破片質(zhì)量,再根據(jù)有效破片密度公式計算破片對輕型裝甲車輛目標(biāo)的有效毀傷概率Pc為[18]:

(10)

2.3 沖擊波毀傷準(zhǔn)則

爆炸沖擊波對目標(biāo)毀傷較為復(fù)雜,它主要取決于沖擊波超壓峰值,沖擊波的毀傷準(zhǔn)則通常使用超壓準(zhǔn)則的0-1 分布毀傷律模型,即:

(11)

其中:ΔP為沖擊波超壓峰值;P0為超壓毀傷判據(jù)。我國國防工程設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的峰值超壓設(shè)計計算公式為[16]:

(12)

2.4 過載毀傷準(zhǔn)則

車內(nèi)設(shè)備及人員承受的過載超出承受范圍時,會對車內(nèi)設(shè)備造成損壞,人員造成殺傷。與沖擊波毀傷原理類似,戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊力作用于設(shè)備及人體表面造成過載毀傷,過載毀傷準(zhǔn)則也可采用0-1分布毀傷律模型,即:

(13)

其中:n為過載;n0為設(shè)備或人體能承受的過載,過載可按式(14)計算:

(14)

其中,Sz為設(shè)備或人體接觸面積;mz為設(shè)備或人體質(zhì)量;g為重力加速度。

2.5 毀傷評估體系

根據(jù)國際GJB8934-2017《裝甲裝備戰(zhàn)場毀傷等級評定》中以裝備毀傷程度及搶修的難易程度將裝甲裝備戰(zhàn)場毀傷等級分為輕度毀傷、中度毀傷、重度毀傷和報廢4個等級。文中將殺爆戰(zhàn)斗部4種毀傷模式以毀傷概率及毀傷部位作為劃分依據(jù)將毀傷等級分為輕度毀傷及嚴(yán)重毀傷,提出針對輕型裝甲車輛的綜合毀傷評估體系。

殺爆戰(zhàn)斗部對輕型裝甲車輛及車內(nèi)設(shè)備、人員的毀傷模式包括動能、破片、超壓及過載,要達到對輕型裝甲車輛的嚴(yán)重毀傷,可以依靠彈丸動能對發(fā)動機、炮塔等車輛關(guān)鍵部件造成結(jié)構(gòu)損傷,使其不可維修或維修時間超過可接受范圍;依靠破片對觀瞄裝置、火控系統(tǒng)等車內(nèi)設(shè)備及人員造成傷害,使其較長時間失去作戰(zhàn)能力;依靠瞬時超壓或過載對車內(nèi)無線電、計算機等設(shè)備或人員造成毀傷,達到對目標(biāo)的嚴(yán)重毀傷。

基于殺爆戰(zhàn)斗部動能、破片、超壓及過載的毀傷模式構(gòu)建其對輕型裝甲車輛的綜合毀傷評估準(zhǔn)則如表3所示。

表3 綜合毀傷評估Table 3 Comprehensive damage assessment

2.6 評估方法

在武器系統(tǒng)研制的不同階段,對毀傷評估的關(guān)注點不同,從試驗場地條件限制及測試成本出發(fā)重點針對動能、破片、超壓、過載不同毀傷模式中的某一種及兩種進行重點評估,需要從某種單一毀傷情況來綜合判斷毀傷情況。

動能毀傷是毀傷模式中可直觀觀測評估的一類,當(dāng)觀察到命中動力系統(tǒng)、炮管、駕駛艙等關(guān)鍵部位且造成結(jié)構(gòu)性損傷時可直接判斷對目標(biāo)造成了嚴(yán)重毀傷。破片、超壓及過載對人員及車內(nèi)設(shè)備的毀傷情況可選擇一種毀傷模式重點評估,當(dāng)車內(nèi)關(guān)鍵儀器或人員所在位置有效破片數(shù)量超過5片時,或車內(nèi)關(guān)鍵儀器或人員所在位置超壓超過0.05 MPa,或車內(nèi)關(guān)鍵儀器或人員所在位置過載超過500g,3個條件滿足一個均可判定對目標(biāo)造成嚴(yán)重毀傷。

3 毀傷評估試驗驗證

為驗證綜合毀傷評估準(zhǔn)則的實用性及準(zhǔn)確性,通過對輕型裝甲車輛防護特性開展目標(biāo)易損性分析,設(shè)計出等效靶標(biāo),制定測試方案,開展實彈射擊試驗,觀察等效靶標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)、破片分布,測試等效靶標(biāo)內(nèi)部生物、超壓、過載毀傷情況,對毀傷等級進行評估分析。

3.1 目標(biāo)易損性分析

輕型裝甲車輛目標(biāo)是指相對于重型主戰(zhàn)坦克而言裝甲防護能力相對較弱的所有具有裝甲防護能力的地面戰(zhàn)場上的各種車輛的總稱,步兵戰(zhàn)車和裝甲輸送車是輕型裝甲車輛家族中較為重要的兩種車型,它們在結(jié)構(gòu)等方面大體相同,其主要不同之處在于火力配備和防護能力等方面存在一定的差異,由于在戰(zhàn)場上步兵戰(zhàn)車的戰(zhàn)斗位置比輸送車更靠前方,因而裝甲稍厚,防護能力更強,在火力配備上,步兵戰(zhàn)車通常也強于裝甲輸送車。

文中將以步戰(zhàn)車為典型目標(biāo)開展輕型裝甲目標(biāo)易損性研究和目標(biāo)等效模型的構(gòu)建。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析,維修時間超過30 min對步戰(zhàn)車可達到嚴(yán)重毀傷的效果,使其失去作戰(zhàn)能力。步戰(zhàn)車維修時間超過30 min的主要部件包括:發(fā)動機、傳動箱、起動電機、變速箱、消防控制系統(tǒng)、炮塔。

基于目標(biāo)結(jié)構(gòu)、毀傷等級和毀傷樹分析,考慮步戰(zhàn)車內(nèi)、外部易損部件對應(yīng)的毀傷等級權(quán)重和維修時間,選定步戰(zhàn)車炮塔、火控計算機及人員等為目標(biāo)關(guān)鍵部件。實現(xiàn)“使輕型裝甲車輛目標(biāo)嚴(yán)重損傷”指標(biāo)對應(yīng)的毀傷條件為:炮塔毀傷、火控系統(tǒng)毀傷、觀瞄系統(tǒng)毀傷。

3.2 靶標(biāo)等效設(shè)計

毀傷目標(biāo)為輕型裝甲車輛,對其外形進行適當(dāng)簡化,免去車輛底盤和傳動系統(tǒng),炮塔連接采用真實狀態(tài),保留炮塔結(jié)構(gòu)和連接,保留觀瞄儀器安裝位置,免去炮管等設(shè)備,建立模擬靶標(biāo),模擬靶標(biāo)防護情況如表5所示。

表5 等效靶標(biāo)防護情況Table 5 Protection characteristics of the equivalent target

3.3 測試方案設(shè)計

針對殺爆戰(zhàn)斗部存在動能、破片、超壓、過載等毀傷模式,設(shè)計測試方案要點如下:

1)結(jié)構(gòu)毀傷測試:分別選擇炮塔、車身為瞄準(zhǔn)點,彈丸命中后觀察車輛的結(jié)構(gòu)損傷情況。

2)生物毀傷測試:在目標(biāo)駕駛員和車長位置各放一只生物羊。生物羊的放置高度與駕駛員和車長工作狀態(tài)一致。在駕駛艙和炮塔處分別放置試驗小白鼠,測試破片、超壓、過載對生物的影響。

3)破片測試:在車內(nèi)放置模擬的儀器設(shè)備,彈丸命中后觀察車輛及車內(nèi)模擬儀器設(shè)備的破片分布情況。

4)超壓測試:在車內(nèi)無線電、計算機等設(shè)備及人員所在處安裝壁面式超壓傳感器,測試車內(nèi)不同位置超壓情況。

5)過載測試:在車內(nèi)儀器設(shè)備、人員所在的位置布設(shè)過載傳感器,測試車內(nèi)不同位置的過載。

3.4 毀傷試驗驗證

采用自行榴彈炮發(fā)射兩發(fā)彈丸射擊模擬靶標(biāo),一發(fā)命中駕駛艙側(cè)面裝甲,一發(fā)命中炮塔側(cè)面。毀傷效果如下:

1)結(jié)構(gòu)及破片毀傷情況:第一發(fā)彈丸命中位置為模擬目標(biāo)駕駛艙側(cè)面裝甲,該處為6 mm裝甲鋼,造成約50 cm×40 cm的開孔,駕駛艙蓋飛出。第二發(fā)彈丸命中位置為炮塔側(cè)面,該處為20 mm裝甲鋼,戰(zhàn)斗部爆炸位置距彈著點約400 mm,,炮塔與車體連接破壞,炮塔命中位置變形區(qū)域約Φ160 mm,有大量破片穿孔,車體內(nèi)部支撐梁等結(jié)構(gòu)脫落、變形。

2)生物毀傷情況:第一發(fā)彈丸命中后對駕駛位大鼠布造成毀滅性損傷,個體間無法辨認,生物羊右后肢造成一處長度約3 cm深至肌肉層的破片傷。第二發(fā)彈丸命中后山羊胸腔有一處直徑約為5 cm的破片貫穿傷,腹腔右側(cè)有一處3 cm破片傷貫穿傷。

3)超壓情況:當(dāng)超壓達到0.049 MPa時,無線電設(shè)備會遭到破壞;當(dāng)超壓達到0.05～0.1 MPa,可對人員造成嚴(yán)重毀傷;當(dāng)超壓超過0.1 MPa時,可造成人員極嚴(yán)重損傷。兩發(fā)彈丸對模擬目標(biāo)內(nèi)部造成的超壓均超過0.05 MPa,可對車內(nèi)人員和設(shè)備造成損傷及破壞。

4)沖擊過載情況:當(dāng)沖擊過載達到523g以上時,會對電機組、計算機設(shè)備嚴(yán)重破壞,造成人員內(nèi)臟嚴(yán)重損傷。兩發(fā)彈丸對模擬目標(biāo)內(nèi)部造成的沖擊過載均遠大于1 000g,車內(nèi)沖擊過載較大,在該過載環(huán)境下,極易造成車內(nèi)設(shè)備及人員損傷。

4 毀傷效果評估

當(dāng)彈丸命中炮塔時,會對炮塔與車體連接造成破壞,炮塔脫落,炮塔模擬儀器功能喪失,沖擊波和破片可對有生力量造成致命毀傷,沖擊振動可造成車內(nèi)焊接件脫落、儀器連接松動,達到嚴(yán)重毀傷效果。

當(dāng)彈丸命中命中炮塔以外區(qū)域時,會造成車體結(jié)構(gòu)局部破壞,可爆破穿透6 mm裝甲鋼,破孔附近的沖擊波和破片可對有生力量和儀器設(shè)備造成致命毀傷,沖擊振動可造成車內(nèi)焊接件脫落、儀器連接松動,達到嚴(yán)重毀傷效果。

5 結(jié)束語

文中以“殺爆戰(zhàn)斗部對輕型裝甲車輛目標(biāo)造成嚴(yán)重毀傷”這一毀傷等級要求為導(dǎo)向,分析殺爆戰(zhàn)斗部的毀傷模式,構(gòu)建出綜合毀傷評估體系,選取步戰(zhàn)車作為輕型裝甲車輛的代表,進行了目標(biāo)易損性分析,根據(jù)防護特性設(shè)計出模擬目標(biāo),提出測試方案并進行試驗驗證,從結(jié)構(gòu)損傷、破片損傷、生物毀傷、沖擊、超壓等方面對殺爆戰(zhàn)斗部的動態(tài)威力毀傷情況進行了評估分析。