0 引言
前向增强杀伤榴弹比普通榴弹多了一个前向预制破片杀伤区域,对于该类型装备的毁伤效能评估不能直接套用典型榴弹毁伤效能评估方法。为此,针对前向增强杀伤榴弹打击轻型装甲车辆,提出了一种能够更加真实反映前向增强杀伤榴弹毁伤效能的评估方法。
对轻型装甲车辆毁伤等级进行了划分,提出了破片对轻型装甲车辆的毁伤判据,给出了穿透、引燃、引爆标准;对前向增强杀伤榴弹威力场进行了分析,在考虑弹药终点速度对破片威力影响的基础上,提出了前向增强杀伤榴弹威力场理论模型;对前向增强杀伤榴弹打击轻型装甲车辆的弹目交会过程进行了分析,提出了基于射击线法的前向增强杀伤榴弹毁伤效能计算方法。为前向增强杀伤榴弹打击轻型装甲车辆提供技术支撑。
1 轻型装甲车辆毁伤特性研究
1.1 毁伤等级划分
基于功能的毁伤等级划分方法,对轻型装甲车辆毁伤等级进行划分。根据轻型装甲车辆的主要战术任务,体现在功能上主要是运动功能以及火力打击能力。基于上述分析,将车辆目标整体功能的毁伤划分为轻、中、重三个等级,具体毁伤等级划分如表1所示。
表1 毁伤等级划分Table 1 Damage levels classification |
| Serial number | Damage grade | Functional damage | Damage criterion |
|---|---|---|---|
| 1 | Light damage | Partial functions decline | Satisfy any condition: bearing wheel damage; Machine gun damage; Oil tank leakage; One people disabled. |
| 2 | Moderate damage | Gross functional loss | Satisfy any condition: Engine damage; Drive wheel damaged; Main gun damaged; Two people disabled. |
| 3 | Severe damage | Fully functional lose | Satisfy any condition: Vehicle disassembly; Ammunition explosion; Fuel tank explosion; Three people disabled. |
1.2 毁伤判据
针对破片战斗部毁伤轻型装甲车辆,选用破片杀伤标准。破片对装甲车辆的毁伤以破片贯穿目标为前提,即具有一定速度或能量的破片对目标产生一定厚度的穿深或穿透,即对装甲车辆造成了毁伤。针对不同的内部部件或乘员,毁伤标准的选择可以考虑部件自身的特性,如击穿要害部件造成机械损伤、引燃油箱造成起火、引爆弹药舱造成爆炸破坏、杀伤乘员等。
1)穿透毁伤
vc= (sec )
式中,e—靶板厚度,A—破片平均入射面积,ms—破片质量,θ—破片入射方向与目标法线之间的夹角,c1、α1、β1、γ1—材料常数。
当破片速度超过了弹道极限,即可以将目标穿透,并认为对装甲或部件造成了毁伤。单枚破片对装甲或部件的毁伤概率:
Pk1/h1=
式中,ξ—多方向下易损面积比例平均值,Pk1/h1—破片对装甲或部件的毁伤概率。
2)引燃毁伤
Pk2/h2=
式中,i—破片比冲量,Pk2/h2—破片对油箱引燃概率。
3)引爆毁伤
d=Icr
通过对该式修正,得到动能毁伤元引爆高能炸药的临界起爆速度公式为
vcr= (1+ )
式中,vcr—破片撞击速度,d—破片直径,长方形破片为各边长平均值,Icr—与炸药性能相关的常数,ρe—炸药密度,ρp—破片密度。单枚破片毁伤概率为
Pk3/h3=
式中,Pk3/h3—破片对弹药引爆概率。
4)杀伤乘员
Ek= mf
式中,Ek为破片能量,mf为破片质量,vf为破片速度。单枚破片对人员目标杀伤概率为
Pk4/h4=
式中,Pk4/h4—破片对人员目标杀伤概率。
2 前向增强杀伤榴弹破片威力场
前向增强杀伤榴弹采用预制前向杀伤元技术,除圆柱部布有周向杀伤元外,在头弧部布置有前向杀伤元和前侧杀伤元,以此增强其前向杀伤能力。前向增强杀伤榴弹破片威力场理论模型如下所示:
1)破片质量分布
周向杀伤元数量记为N0,前向杀伤元数量记为N1,前侧杀伤元数量记为N2,通过Mott分布律计算得到周向杀伤元总数N0为
N0=
式中,M—战斗部壳体质量,δ0—弹药壳体壁厚,d0—弹药壳体内径,K—炸药种类决定的常数,单位为kg1/2/m3/2。
2)破片空间分布
前向杀伤元主要分布在弹丸飞行方向上,前侧杀伤元和周向杀伤元破片飞散角可由夏皮罗公式给出:
δ=arctan cos
式中,δ为所计算破片微元的飞散方向与该处壳体法线的夹角,α为起爆点与壳体上该点的连线与壳体之间的夹角,v0为破片初速,D为爆轰波传播速度。
破片飞散的最大和最小δ之差与破片静态飞散角φ相对应,考虑到弹丸的末端终点状态,弹丸在动态下的飞散角为
φ'=arctan
式中,φ'为动态条件下的飞散角,φ为静态条件下的破片飞散角,v0为破片初速,vc为弹丸终点速度。
3)破片速度
周向杀伤元破片初速v0可以直接通过古尼公式求解,前向杀伤元和前侧杀伤元破片初速相对于周向杀伤元低一些,可由古尼公式推导得出:
vi= = ,i=1,2
式中,vi是前向杀伤元和前侧杀伤元破片初速, 为古尼常数,β为装药质量比,β=W/M,W为装药质量,M为形成破片的壳体质量。
考虑到弹药终点速度对破片的影响,破片的初速可表示为
vdi= ,i=0,1,2
式中,vdi为破片最终初速速度,vc为弹丸的终点速度;φ'为破片动态飞散角。
vx=vdiexp
式中,vdi为破片初速,ρ为空气密度,M为破片质量,CD为破片阻力系数,球形破片取0.97,圆柱破片取1.17,规则矩形和菱形破片取1.24,不规则矩形和菱形取1.5;K为破片形状系数。
3 对轻型装甲车辆毁伤效能计算
3.1 弹目交会分析
根据前向杀伤榴弹近炸引信的作用规律,理论上位于装甲车辆距离r左右时,引信引爆战斗部。因此,计算破片对装甲车辆的毁伤概率时,取破片产生的位置距离装甲车辆目标为r。假设射击不到装甲车辆的破片视为无效破片,则前向增强杀伤榴弹近炸形成的破片近视为发散锥形体。前向杀伤榴弹打击装甲车辆示意图如图1所示。
假设前向增强杀伤榴弹周向杀伤元和前侧杀伤元均匀分布在球冠上,对于破片有效作用区域,其边界角由φ1和φ2定义,破片形成的圆锥体立体角Ω可表示为
Ω=2π(cosφ1-cosφ2)
该立体角Ω对应的球冠面积为
AS=Ωr2=2πr2(cosφ1-cosφ2)
式中,φ1和φ2是相对于战斗部轴线的破片飞散区域角度边界,r是弹药起爆点到装甲车辆的距离。
前向增强杀伤榴弹采用直射射击方式,引信装定近炸作用模式,对轻型装甲车辆进行打击。根据前向杀伤榴弹近炸引信的作用规律,位于装甲车辆距离r引爆战斗部时,前向杀伤元全部能覆盖装甲车辆目标,另破片飞散角包含90%有效破片,则能覆盖目标的破片区域中的破片总数为
N=N1+ ×Ap
式中,N为能覆盖目标的破片区域中的破片总数,φ'是动态条件下的飞散角,Ap是装甲车辆呈现面积。
3.2 射击线法计算破片毁伤概率
采用射击线法,对破片毁伤概率进行计算。破片射击线是包括破片质量、破片初始速度、破片初始位置和破片打击方向的用来模拟破片弹道的轨迹模型。当破片的速度大于装甲钢的极限穿透速度,则破片穿透装甲钢,并以剩余速度向下一部件运动;若剩余速度大于部件的极限穿透速度,则破片穿透该部件,速度及质量再次衰减。重复该过程,直到破片无法穿出某个组件或破片穿透目标整体。同时,考虑破片穿透过程中对油箱的引燃、弹药舱的引爆、人员的杀伤等毁伤模式,计算目标整体毁伤概率。
具体计算过程中,首先对轻型装甲车辆呈现面进行网格划分,划分成网格面元1,2,3,…,n,如图2所示,用整个网格面去覆盖轻型装甲车辆。在获取轻型装甲车辆整体目标几何模型的情况下,对于任一枚沿着射击线飞行的破片,已知破片击中装甲车辆的部位及入射方向,便可获知破片穿透装甲车辆内部的部件、油箱、弹药舱、乘员等情况,从而能够建立各射击线与该射击线上组件或乘员的对应关系。那么,在确定破片击中部位和入射方向的情况下,便可获取装甲车辆内部部件、油箱、弹药舱、乘员等毁伤情况。然后,对每一条射击线进行累积杀伤概率计算,并计算网格单元的易损面积。目标易损面积则包含了所有射击线产生的易损面积总和。
基于幸存者法则,对于任一条射击线j上的所有H个组件或乘员,累积毁伤概率Pk/sj可以写成
式中,Pk/sj是射击线j的毁伤概率,Pki/hi为射击线上某一部件或乘员的毁伤概率。
那么,该射击线打击目标面元产生的易损面积Av-cellj通过下式计算得到
Av-cellj=Pk/sj×Ap-cell
式中,Ap-cell是包含在网格单元内的目标面积。
然后,N个破片的射击线对目标的易损面积Av可以通过下式求得
式中,N是能覆盖目标的破片区域中的破片总数。最后,目标毁伤概率PK通过下式计算得到
PK=
式中,AP是目标在射击方向的呈现面积。
4 计算与分析
5 结论
对前向增强杀伤榴弹打击轻型装甲车辆毁伤效能评估方法进行了研究。基于功能的毁伤等级划分方法,对轻型装甲车辆毁伤等级进行了划分。根据破片杀伤标准,针对装甲车辆不同内部部件或乘员,提出了破片对轻型装甲车辆毁伤准则。针对前向增强杀伤榴弹威力特性,在考虑弹药终点速度影响的情况下,构建了前向增强杀伤榴弹威力场理论模型。根据前向杀伤榴弹近炸引信的作用规律,研究了前向增强杀伤榴弹打击轻型装甲车辆的弹目交会过程,提出了基于射击线法的毁伤效能评估方法。最后,基于构建的理论方法和计算模型,对前向增强杀伤榴弹打击轻型装甲车辆毁伤效能进行了计算。结果表明,在前向增强杀伤榴弹打击下,轻型装甲车辆底盘系统和车身被大量破片击中,车辆目标整体产生轻度毁伤。