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Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance >

2020 , Vol. 40 >Issue 1: 15 - 18

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.01.003

Study on Shipboard Gun Hit Precision under Non-standard Fire Condition

  • ZHOU Hongjin ,
  • WANG Su ,
  • HUANG Qian ,
  • LAN Guohui
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  • Dalian Naval Academy, Liaoning Dalian 116018, China

Received date: 2018-10-13

  Online published: 2025-05-30

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Abstract

To improve shipboard gun’s hit precision, simulation research is done based on the ballistic equation of shipboard gun, the goal is to analysis effects on hit precision of the ship movements and meteorological parameters such as ship heading, attitude, velocity, sea area pressure, temperature, wind velocity, and determine the key factors. The simulation results show that hit position error overpasses 80 meters due to ship heading or attitude error of 0.5°, 30 meters due to wind velocity error of 1m/s, 20 meters due to pressure relative error of 1%. It can be concluded that the key point to raise the hit precision of shipboard gun is to increase ship heading and attitude, wind velocity and pressure determination accuracy.

Key words： shipboard gun; ballistic; heading; attitude; wind velocity; pressure; hit precision

Cite this article

ZHOU Hongjin , WANG Su , HUANG Qian , LAN Guohui . Study on Shipboard Gun Hit Precision under Non-standard Fire Condition[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2020 , 40(1) : 15 -18 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.01.003

0 引言

舰载火炮是一种重要的武器。舰艇在捕获目标后,需要实时获取舰船运动参数(如航向、姿态、航速)和海区气象要素(如气温、气压、风向、风速等)信息,用于准确解算装订射击诸元(射向、射角等),从而对目标实施精确打击[1-4]。火炮实际射击时,总是难以满足标准射击条件,通常是根据实际测量的舰船运动参数和气象参数,经过射表修正后,解算装订射击诸元,从而提高射击命中精度。另一方面,如果能够研究确定以上要素误差与射击命中精度的关系,发现关键影响要素,并通过各种技术途径提高关键影响要素的测量精度,对于提高火炮射击命中精度也具有显著的价值。
文中根据火炮射击弹道方程,建立实际条件下火炮弹道仿真模型,分析舰船运动参数和气象要素测量误差与火炮射击命中精度的关系,确定影响命中精度的关键要素,并得出提高火炮射击命中精度,在舰船运动参数和海区气象参数测量中应该重点关注和提高的要素。

1 弹道方程

以弹丸离开炮管瞬间位置点为原点O,以弹丸初速方向在地理水平面的投影为射距dq轴,以过O点,垂直于地平面的射线为射高轴hq,按照右手直角坐标确定横向偏距轴zq,建立火炮攻击直角坐标系Odqhqzq,如图1所示。其中:θ0为射角(火炮炮身轴线与地平面的夹角);α0为射向(火炮炮身轴线在水平面的投影与航向线的夹角,也是炮身轴线的舷角)。
图1 火炮射击坐标系
弹丸在飞行过程中主要受到重力和空气阻力,重力加速度为恒定值,记为g,空气阻力与弹丸形状、气温、气压、飞行高度、飞行速度等因素有关,空气阻尼引起的加速度记为J。通过分析弹丸受力,可以建立如下弹丸的弹道方程[5-6]:
d · q ( t ) = v d ( t ) z · q ( t ) = v z ( t ) h · q ( t ) = v h ( t ) v · d ( t ) = - C · H τ ( h q ) · G ( v r τ ) · [ v d ( t ) - w d ] v · z ( t ) = - C · H τ ( h q ) · G ( v r τ ) · [ v z ( t ) - w z ] + k z · b · v d ( t ) · v - 2 ( t ) v · h ( t ) = - C · H τ ( h q ) · G ( v r τ ) · [ v h ( t ) - w h ] - g
式中:dq,zq,hq为弹丸在Odqhqzq坐标系下的坐标位置;vd,vz,vh为弹丸沿dq,zq,hq轴的飞行速度;wd,wz,wh为风速沿dq,zq,hq的分量;C为弹道系数,表示弹丸本身特征对弹丸运动的影响,与弹丸形状、飞行速度和飞行环境有关;Hτ(hq)为虚拟气压函数,表示气压对弹丸运动的影响,与气温、海平面气压有关;G(vrτ)为虚拟阻力函数,表示弹丸相对空气的运动速度对弹头运动的影响,与弹丸相对空气的运动速度有关;kz·b·vd(t)·v-2(t)为偏流加速度,由高速旋转弹丸的陀螺效应引起;kz·b为偏流系数。

v 2 = v d 2 + v z 2 + v h 2 v r 2 = ( v d - w d ) 2 + ( v z - w z ) 2 + ( v h - w h ) 2 v r τ = v r τ 0 / τ

其中:τ为海拔高度hq的绝对气温;τ0为海拔高度为0处的绝对气温。

2 非标准条件下火炮弹道仿真

从火炮弹道方程可以看出,影响火炮射击命中精度的因素主要有:射距、射向、射角、弹道系数、敌我目标指示、海区气温、气压、风向、风速等因素。
其中弹道系数与弹丸自身的结构和空气动力外形有关,对于型号弹,这个参数是已知的[7-8]。敌我目标指示包括我舰和目标运动参数,是实时测量得到的。海区气温、气压、风向、风速等参数需要通过舰载装备测量得到。射距、射向、射角是在以上参数已知的情况下,通过解弹道方程计算得到的。
因此,在目指准确(即已准确搜索定位目标)的条件下,实际射击中,影响火炮命中精度的因素主要是:射向、射角、海区气温、气压、风向、风速等因素。其中,射向与舰船航向直接相关,航向测量误差也将同步引起射向误差;射角与舰船姿态角直接相关,姿态角测量误差也将同步引起射角误差。

2.1 弹道误差仿真模型

火炮弹道方程是一个多元微分方程,由于其初值问题已经得到了圆满地解决,所以在已知弹头初速v0、射向α0、射角θ0的条件下,全弹道上的任何状态均可由递推法求解完成。然而在实际的火炮射击中,弹道方程求解问题不属初值问题,而是两点边值问题,即:已知弹头初速v0,命中点Mq坐标的条件下,如何求得其余状态参数,特别是射向α0与射角θ0的问题[9-10]。两点边值问题直到今天也没有找到一个可以一次成功的解法。一般使用试探法,又称试射法,即经多次试射,找出一个非常靠近命中点的弹道所相应的射角与射向。
基于以上实际情况,文中采用递推法,仿真分析射向、射角误差和舰船运动参数误差、海区气象要素误差对命中精度的影响,记射击参数条件为:

I= H , α , β , v S , F , p , v W

式中:H、α、β、vS、F、p、vW分别为舰船航向、纵摇、横摇、航速、海区气温、气压、风速。
假设火炮射击时,舰船航向、航速、姿态、海区气象参数等测量准确,射击诸元解算准确,根据弹道方程,递推得到火炮飞行30 s后的弹着点坐标,也即火炮命中点坐标,记为:
T(I0= H 0 , α 0 , β 0 , v S 0 , F 0 , p 0 , v W 0)=(x0,y0,z0)
火炮实际射击时,舰船相关参数总是存在测量误差,记为:

δI= δ H 0 , δ α 0 , δ β 0 , δ v S 0 , δ F 0 , δ p 0 , δ v W 0

记实际条件下,火炮命中点坐标为:

T(I1=I0+δI)=(x1,y1,z1)

则实际条件下,火炮射击命中误差记为:
C E P = ( x 1 - x 0 , y 1 - y 0 , z 1 - z 0 ) = ( x 1 - x 0 ) 2 + ( y 1 - y 0 ) 2 + ( z 1 - z 0 ) 2
根据式(6)建立火炮射击弹道误差仿真模型,如图2所示。
图2 火炮射击弹道误差仿真模型

2.2 各项参数测量误差与弹着点误差

仿真条件:射速980 m/s,射向左舷60°,射角30°,弹道系数0.6,偏流系数0,海拔0的标准气压为101 325 Pa,海平面气压101 325 Pa,海平面气温20℃,射向风1 m/s,侧风1 m/s,垂风0 m/s,航速20 kn,航向90°。仿真持续时间30 s。以30 s处的弹着点为基准,分析弹着点误差。
如图3(a)、图3(b)分别为舰船航向测量误差3°、0.5°时的弹道误差,如图4(a)、图4(b)分别为舰船姿态测量误差0.5°、0.1°时的弹道误差,如图5(a)、图5(b)分别为航速测量误差1 kn、2 kn时的弹道误差,如图6(a)、图6(b)分别为风速测量误差1 m/s、2 m/s时的弹道误差,如图7(a)、图7(b)分别为气温测量误差3 ℃、10 ℃时的弹道误差,如图8(a)、图8(b)为气压测量误差为1%、2%时的弹道误差。
图3 航向误差与弹道误差
图4 姿态误差与弹道误差
图5 航速误差与弹道误差
图6 风速误差与弹道误差
图7 气温误差与弹道误差
图8 气压误差与弹道误差
图3~图8表明:航向、姿态、航速、风速、气温、气压等各种要素对火炮射击的弹着点精度均有影响。下面分析各要素的定量影响。

2.3 仿真结果分析

各种参数误差对火炮射击命中精度的影响仿真结果如表1所示。
表1 各种参数测量误差对火炮命中精度的影响
序号 射击诸元及误差 弹着点误差/m
1 航向误差/(°) 3.0 483.6
0.5 80.6
2 姿态误差/(°) 0.5 80.9
0.1 16.1
3 航速误差/kn 1 4.28
2 8.56
4 风速误差/(m/s) 1 32.8
2 65.8
5 气温误差/℃ 3 0.47
10 1.53
6 气压误差/% 1 20.7
2 40.3
从表1可以看出:0.5°的航向或姿态误差可以造成超过80 m的弹着点误差,如果目标为驱护舰,则足以影响火炮射击命中与否。1 m/s的风速误差将造成超过30 m的弹着点误差,如果目标为驱护舰,影响相对较小。10℃的气温测量误差对弹着点的影响不足2 m,可以忽略不计,说明气温测量误差对弹着点的影响很小。1%的气压测量误差将引起弹着点误差超过20 m,如果目标为驱护舰,则影响相对较小。另外,其它误差不变的情况下,随着各项参数测量误差线性增加,弹着点误差也线性增加。

3 结论

火炮射击中,为了提高命中精度,在测量得到舰船运动参数和海区气象参数后,通常是根据射表,比对标准射击条件,进行相应的射击诸元修正。文中从提高信息源测量精度方面,分析研究舰船运动参数和海区气象参数测量误差对命中精度的影响,仿真结果表明:航向、姿态、风速和气压测量误差对火炮射击命中精度影响较大,特别是航向和姿态测量误差,影响尤甚,甚至影响火炮射击命中与否。气温、航速测量误差对火炮射击命中精度的影响较小,可以忽略不计。
基于以上研究结果,从提高信息源测量精度方面提高火炮命中精度时,应该重点提高舰船航向、姿态、海区风速、气压的测量精度。具体来说,舰载平台罗经、气象仪必须具有足够的测量精度,否则对火炮射击命中精度将造成较大的影响,乃至不能命中目标。

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