EFP战斗部穿甲威力对末敏弹作战效能影响分析

郑斌; 尚勇; 程丽丽; 魏琳; 李蓓蓓

doi:10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.04.011

弹箭与制导学报 >

2022 , Vol. 42 >Issue 4: 57 - 61

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.04.011

EFP战斗部穿甲威力对末敏弹作战效能影响分析

郑斌 ¹ ,
尚勇 ¹ ,
程丽丽 ¹ ,
魏琳 ¹ ,
李蓓蓓 ²

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¹ 西安现代控制技术研究所,西安 710065
² 32381部队,北京 100072

郑斌(1968—),男,陕西西安人,研究员,硕士,研究方向:灵巧弹药系统总体。

收稿日期: 2022-02-23

网络出版日期: 2025-05-29

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Impact Analysis of Armor Piercing Power of EFP on Operational Efficiency of Terminal Sensitive Projectile

ZHENG Bin ¹ ,
SHANG Yong ¹ ,
CHENG Lili ¹ ,
WEI Lin ¹ ,
LI Beibei ²

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¹ Xi’an Modern Control Technology Research Institute, Xi’an 710065, China
² No.32381 Unit, Beijing 100072, China

Received date: 2022-02-23

Online published: 2025-05-29

Fold

摘要

为了合理提出EFP战斗部穿甲威力的技术指标,首先通过对国内外典型主战坦克结构尺寸和顶部装甲特性进行分析,建立以功能和装甲厚度划分区域的主战坦克顶部毁伤区域模型,然后采用蒙特卡洛法模拟末敏弹射击过程,统计末敏弹命中目标各区域的概率,最后分析EFP战斗部穿甲威力对末敏弹作战效能的影响。结果表明,EFP穿深在80~130 mm变化时,对末敏弹作战效能影响较小。

关键词： EFP战斗部; 穿甲威力; 作战效能; 末敏弹

本文引用格式

郑斌 , 尚勇 , 程丽丽 , 魏琳 , 李蓓蓓 . EFP战斗部穿甲威力对末敏弹作战效能影响分析[J]. 弹箭与制导学报, 2022 , 42(4) : 57 -61 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.04.011

Abstract

In order to reasonably put forward the technical index of armor-piercing power of EFP, this paper first analyzed the structure size and top armor characteristics of typical main battle tanks at home and abroad, a model of the damage area on the top of the main battle tank divided by function and armor thickness was established, and then the Monte Carlo method was used to simulate the firing process of the terminal sensitive projectile. The probability of the target area hit by the terminal sensitive projectile was counted. Finally, the influence of penetration power of EFP on the operational effectiveness of terminal-sensitive projectile was analyzed. The results show that EFP penetration depth has little influence on the operational effectiveness of terminal-sensitive projectile when the penetration depth varies from 80 mm to 130 mm.

Key words： EFP; armor-piercing power; operational effectiveness; terminal-sensitive projectile

0 引言

末敏弹打击的主要目标类型是坦克、自行火炮、步兵战车及装甲运输车等地面装甲车辆。末敏弹属于攻顶弹药,采用EFP战斗部技术攻击装甲车辆的顶部装甲来实现对目标的毁伤^[1-2]。EFP战斗部穿甲威力小无法对目标实现有效毁伤,穿甲威力大将对设计、制造带来一系列的困难,甚至无法实现。因此合理提出EFP战斗部穿甲威力的技术指标具有重要的实际意义。

殷希梅等^[3]通过总结国内外现役末敏弹装备,对末敏弹关键技术进行了分析,得到了当前EFP战斗部常见的技术指标。武天宇等^[4]对EFP战斗部毁伤效应进行了研究,得到了EFP侵彻深度的变化规律。谢文等^[5]研究了末敏弹射击效能,建立了射击效能计算模型。刘文举等^[6]建立了命中与毁伤目标模型,考虑了命中装甲目标不同区域后的毁伤效果。然而目前探讨EFP战斗部穿甲威力、末敏弹作战效能之间关系的研究相对较少。

针对EFP战斗部穿甲威力、末敏弹作战效能之间关系的问题,建立顶部毁伤区域模型和命中率模型,进行了仿真计算,并对不同EFP战斗部穿深对毁伤概率的影响进行了分析。

1 目标特性分析

主要对相对防护较强、装甲较厚的主战坦克^[7]进行目标特性分析,建立用于末敏弹效能^[8]评估的主战坦克顶部毁伤区域模型。着重对德国豹2,美国M1系列、苏联T-72、T-80,日本90式和中国99式坦克主战坦克的结构尺寸特征和装甲厚度进行分析。

1) 德国豹2主战坦克

德国豹2坦克是联邦德国20世纪70年代研制的主战坦克,车体长7.7 m,车宽3.7 m,车体首上和炮塔前部均采用间隙复合装甲,车体前端呈尖角形状,防护能力相当于700~850 mm均质装甲;炮塔外轮廓低矮,防弹性能好,待发弹位于炮塔尾舱,用气密隔板与战斗舱隔离。炮塔顶部装甲厚度为40 mm,车体尾部发动机区域装甲厚度为20 mm,德国豹2坦克三视图如图1所示。

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图1 德国豹2坦克三视图

2) 美国M1A1主战坦克及改进型

美国M1A1主战坦克属于战后的第3代坦克,车体长7.9 m,车宽3.7 m,车体前部和炮塔采用了贫铀装甲,防破甲弹能力相当于均质装甲的3~5倍。该坦克现已成为美陆军的主力坦克,美国M1A2是M1A1改进型坦克,车体长7.9 m,车宽3.6 m,车体和炮塔的装甲厚度相当于600 mm和700 mm的均质装甲。

3) 俄罗斯T-72坦克

T-72坦克为苏联研制的第3代主战坦克,车体长6.4 m,车宽3.4 m,车体首上装甲采用复合装甲,共3层,外层为80 mm厚的钢质装甲,中间层位为104 mm厚的玻璃纤维,内层为20 mm厚的钢甲,为大倾角构形,相当于500~600 mm的均质装甲防护能力;车体顶部装甲10 mm厚的钢板。炮塔为铸造件,各部位厚度不等,炮塔正面位置最厚,顶部装甲厚度为45 mm。

4) 日本90式主战坦克

日本90式主战坦克,车体长7.5 m,车宽3.4 m,车体和炮塔前部采用复合装甲,其它部位采用了间隙装甲,炮塔内部有防火板间隔,有三防装置,炮塔前的复合装甲厚度550 mm,该坦克没有对付顶部攻击的特殊装甲防护。

5) 中国99式主战坦克

99式坦克是目前我军研制的最新型的第4代主战坦克,车体长7.6 m,车宽3.5 m,炮塔采用焊接结构,防护能力相当于700 mm均质装甲,车体正面和侧面采用复合装甲,并加装了新的楔形双防反应附加装甲,防护能力相当于600 mm均质装甲,车体和炮塔顶部装甲厚度为30 mm。

2 主战坦克顶部毁伤区域模型

综合上述典型主战坦克结构尺寸和装甲特性数据,按照功能和装甲厚度划分主战坦克顶部区域,统计各区域装甲厚度如表1所示。

表1 典型主战坦克各区域装甲厚度

主战坦克顶部分区	装甲厚度/mm
主战坦克顶部分区	德国豹2	美国M1	苏联T-72、T-80	日本90	中国99式	统计值
炮塔正面	700~850	700	400	550	700	400~850
首上	580	600	500~600	550	600	500~600
炮塔左侧顶上	60	-	90~120	75	60	60~120
炮塔右侧顶上	60	-	90~120	75	60	60~120
炮塔尾部	60	-	-	50	60	50~60
炮塔顶部	40	50	45	-	30	30~50
车体尾部发动机部位	20	25	25	50	45	25~50
车体顶部	10	50	10	-	30	10~50
左侧履带	-	-	10	-	-	10
右侧履带	-	-	10	-	-	10

由表1可知,主战坦克炮塔正面和首上装甲最厚且采用复合装甲,防护能力最强;炮塔两侧一般加装模块装甲,防护能力较强;炮塔顶部和尾部,车体顶部和尾部及两侧履带为坦克装甲最薄弱部位。

根据EFP战斗部威力指标及其技术水平,可得出:

1)炮塔顶部和尾部,车体顶部和尾部及两侧履带钢板厚度小于60 mm,EFP战斗部可穿透;

2)炮塔正面和首上抗穿甲厚度大于400 mm,EFP战斗部无法穿透;

3)炮塔两侧钢板厚度60~120 mm之间,EFP存在一定的概率能被穿透。

若EFP战斗部穿深在80~130 mm之间,只是对炮塔两侧区域的毁伤效果有影响。影响程度用毁伤概率表征,因为毁伤概率与命中率密切相关,因此首先用计算机仿真计算命中率,然后再分析EFP战斗部穿甲威力对末敏弹作战效能的影响^[9-10]。

建立以功能和装甲厚度划分区域的主战坦克顶部毁伤区域模型,采用蒙特卡洛法模拟末敏弹射击过程,统计末敏弹命中目标各区域的概率^[11]。

主战坦克主要尺寸为:

1)车体:7.5 m×3.5 m;

2)炮塔顶部:3.2 m×2.4 m;

3)履带宽:0.6 m;

4)首上区域:1.4 m×2.3 m;

5)车体尾部发动机部位:1.8 m×2.3 m。

主战坦克顶部毁伤区域模型如图2所示。

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图2 主战坦克顶部毁伤区域模型示意图

图中绿色部分为EFP可穿透区域,红色部分为EFP不能穿透区域,黄色部分为EFP介于穿透和穿不透之间的区域。

3 主战坦克顶部各区域命中率仿真计算

建立末敏弹母弹运动模型,末敏子弹减速减旋运动模型、稳态扫描运动模型^[12]、捕获目标模型、命中目标模型,并考虑各作用环节的参数误差,采用蒙特卡洛法模拟射击过程,逐发判断子弹EFP是否命中目标及命中目标区域,统计得出末敏弹对目标顶部各区域的命中率。

3.1 末敏子弹扫描运动模型

末敏子弹扫描轨迹方程是在扫描坐标系下得出的,当末敏子弹进入稳态扫描后,子弹以稳定的落速、转速和扫描角运动,敏感轴与水平面的交点(即扫描点)的轨迹如图3所示。

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图3 末敏子弹与水平面的交点轨迹

图中V_z为子弹匀速下落速度,ω_z为子弹绕铅直轴匀速旋转的转速,θ_z为子弹弹轴与铅直轴的夹角(即扫描角),O₁为起始扫描中心在水平面上的投影,H_z为子弹起始扫描高度,R_z为子弹最大扫描半径,L_z为子弹最大作用距离。

末敏子弹敏感轴与威力轴在扫描坐标系内的位置关系如图4所示。

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图4 敏感轴与威力轴在扫描坐标系内的位置关系

末敏子弹敏感轴扫描轨迹的极坐标表示为:

(1)

ρ m = (H z - V z · t) · t a n θ z, m θ m = 2 π ω z t + φ 0 + δ g

式中:ρ_m为敏感轴在O₁-x₁z₁平面的投影长;θ_z_,m为子弹敏感轴与铅直轴的夹角;θ_m为末敏子弹扫描时敏感轴在O₁-x₁z₁平面的投影与O₁x₁轴的夹角;φ₀为末敏子弹起始扫描时威力轴在O₁-x₁z₁平面的投影与O₁x₁轴的夹角;δ_g为动态补偿角在地面的投影角。

末敏子弹威力轴扫描轨迹的极坐标为:

(2)

ρ w = (H z - V z · t) · t a n θ z, w θ w = 2 π ω z t + φ 0

式中:ρ_w为威力轴在O₁-x₁z₁平面的投影长;θ_z_,w为子弹威力轴与铅直轴的夹角;θ_w为末敏子弹扫描时威力轴在O₁-x₁z₁平面的投影与O₁x₁轴的夹角。

动态补偿角沿扫描圆锥母线设置θ_z_,m=θ_z_,w=θ_z,其中:

(3)

θ_z=θ₀+Asin (2πft+α₀)

式中:θ₀为扫描角的期望值;A为摆动幅值;f为摆动频率;α₀为扫描角的初始相位。

在扫描坐标系中,敏感轴的直角坐标方程为:

(4)

x 1 = ρ m c o s θ m z 1 = ρ m s i n θ m

威力轴的直角坐标方程为:

(5)

x 1 = ρ w c o s θ w z 1 = ρ w s i n θ w

3.2 弹目交会和目标识别模型

设定位系数为e,目标识别区域为G_e,则

(6)

G_e= $(x, z) | x | < a 2 · e ⋂ | z | < b 2 · e$

式中:a,b分别为目标区的长和宽,当敏感轴的扫描轨迹(x,z)进入目标识别区G_e时,则认为弹目发生交会。

假设敏感器识别目标的概率为P,抽取[0,1]区间内均匀分布的随机数η,当弹目发生交会时:

若h<P,认为末敏子弹已识别目标;

若h>P,认为末敏子弹未识别目标。

3.3 命中目标模型

末敏子弹捕获目标后,设进入目标识别区的时刻为t₁,扫出目标识别区的时刻为t₂,则理想瞄准点的时刻t=(t₁+t₂)/2。考虑切向定位精度、EFP飞行时间和EFP密集度后即可模拟出末敏子弹命中点坐标,判断目标是否被命中。设末敏子弹命中点坐标为(x_h,z_h),目标命中区域为G_h,在这里G_h是取目标全部面积的区域。满足(x_h,z_h)∈G_h,则末敏子弹命中目标,否则末敏子弹没有命中目标。目标分目标静止和运动两种情况:

1)目标尺寸:7.0 m(长)×3.5 m(宽)×1.5 m(高);

2)子弹参数:可靠性为0.92,落速为16 m/s;转速为6.5 rad/s;扫描角为30°;识别概率为0.9;密集度E_y×E_z:0.2 m×0.2 m。

末敏弹命中主战坦克顶部各区域的概率计算结果如表2所示。

表2 目标各区域的命中概率

目标区域		命中概率P_i
目标区域		静止目标	运动目标 (行驶速度 15 m/s)
EFP可穿透区域 (钢板厚度小于60 mm)	炮塔顶部	0.332	0.258
	车体尾部发动机	0.135	0.145
	车体顶部	0.045	0.042
	左侧履带	0.085	0.072
	右侧履带	0.076	0.056
	炮塔尾部	0.023	0.018
	命中率	0.696	0.591
EFP不能穿透区域(钢板厚度大于400 mm)	首上	0.098	0.055
	炮塔前上顶部	0.035	0.035
	命中率	0.133	0.086
介于穿透与穿不透之间区域(钢板厚度60~120 mm)	炮塔左侧顶上	0.017	0.013
	炮塔右侧顶上	0.019	0.013
	命中率	0.036	0.026
总命中率		0.865	0.707

4 EFP穿甲威力对作战效能影响分析

假定末敏弹对装甲目标命中并穿透,目标即毁伤,则末敏子弹的毁伤概率为:

(7)

P s = ∑ i = 1 10 (P i, m × P i, c)

式中:P_s为毁伤概率;P_i_,m为命中概率;P_i_,c为穿透概率。

根据EFP战斗部威力指标及其技术水平,分析得出末敏弹对坦克各区域的穿透概率P_i_,c:

1)EFP战斗部可穿透区域,穿透概率为1;

2)EFP不能穿透区域,穿透概率为0;

3)EFP介于穿透与穿不透之间区域(炮塔两侧钢板),能否穿透是存在一定概率的。

若EFP不能穿透炮塔两侧区域,穿透概率为0,则对静止目标或运动目标,毁伤概率分别为0.696,0.591;若EFP能穿透炮塔两侧区域,穿透概率为1,则对静止目标或运动目标,毁伤概率分别为0.732,0.617。

因此,EFP能否穿透炮塔两侧区域,末敏弹的毁伤概率相差4%左右。

分析当EFP穿深在80~130 mm时,能否穿透炮塔两侧区域,对末敏弹的毁伤概率影响。

不考虑弹着角等因素,假设EFP穿深大于120 mm,能够穿透炮塔两侧区域,穿透概率为1;EFP穿深在100~120 mm,穿透炮塔两侧区域的概率为0.5;EFP穿深小于100 mm,则不能穿透炮塔两侧区域,穿透概率为0,则仿真计算得出:

1)EFP垂直穿深在120~130 mm时,对静止或运动的单目标,毁伤概率分别为0.732,0.617;

2)EFP垂直穿深在100~120 mm时,对静止的或运动的单目标,毁伤概率分别为0.714,0.604;

3)EFP垂直穿深在80~100 mm时,对静止的或运动的单目标,毁伤概率分别为0.696,0.591。

EFP穿深与毁伤概率的关系如图5所示。

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图5 EFP穿深与毁伤概率的关系图

由以上分析并结合图5可知,EFP穿深在80~130 mm变化时,虽然毁伤概率会随着EFP穿深增加有所提高,但是提高程度很小,无论对静止目标还是运动目标其毁伤概率的变化范围均在4%以内。

5 结论

通过研究得出以下结果:EFP穿深在80~130 mm变化时,对装甲目标(静止、运动)毁伤概率的变化范围均在4%以内。该研究结果表明,EFP穿深在80~130 mm变化时,对末敏弹作战效能影响很小。文中研究揭示了EFP战斗部穿甲威力和末敏弹作战效能之间的规律,可为末敏弹EFP战斗部的论证、设计提供参考依据。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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0 引言

1 目标特性分析

图1 德国豹2坦克三视图

2 主战坦克顶部毁伤区域模型

表1 典型主战坦克各区域装甲厚度

图2 主战坦克顶部毁伤区域模型示意图

3 主战坦克顶部各区域命中率仿真计算

3.1 末敏子弹扫描运动模型

图3 末敏子弹与水平面的交点轨迹

图4 敏感轴与威力轴在扫描坐标系内的位置关系

3.2 弹目交会和目标识别模型

3.3 命中目标模型

表2 目标各区域的命中概率

4 EFP穿甲威力对作战效能影响分析

图5 EFP穿深与毁伤概率的关系图

5 结论

参考文献