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火箭杀爆弹毁伤幅员仿真

归档日期:07-16       文本归类:毁伤要求      文章编辑:爱尚语录

  第 37 卷增刊 22 0 1 6 年 12 月兵 工 学 报ACTA ARMAMENTARIIVol. 37 Suppl. 2Dec. 2016火箭杀爆弹毁伤幅员仿线 ,杨晓红 2(1. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081;2. 63961 部队,北京 100012)摘要:研究不同条件下火箭杀爆弹毁伤幅员的分布形态以及影响规律,基于杀爆弹毁伤效应分析模型,建立火箭杀爆弹毁伤幅员仿真系统。对不同落角、炸高条件下火箭杀爆弹毁伤幅员进行仿真计算,掌握不同落角、炸高条件下火箭杀爆弹毁伤幅员的变化规律。分析结果表明,毁伤幅员与引信启动高度呈非线性变化趋势,大落角情况下毁伤幅...

  第 37 卷增刊 22 0 1 6 年 12 月兵 工 学 报ACTA ARMAMENTARIIVol. 37 Suppl. 2Dec. 2016火箭杀爆弹毁伤幅员仿线 ,杨晓红 2(1. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081;2. 63961 部队,北京 100012)摘要:研究不同条件下火箭杀爆弹毁伤幅员的分布形态以及影响规律,基于杀爆弹毁伤效应分析模型,建立火箭杀爆弹毁伤幅员仿真系统。对不同落角、炸高条件下火箭杀爆弹毁伤幅员进行仿真计算,掌握不同落角、炸高条件下火箭杀爆弹毁伤幅员的变化规律。分析结果表明,毁伤幅员与引信启动高度呈非线性变化趋势,大落角情况下毁伤幅员变化趋势存在极点,小落角情况下毁伤幅员呈非线性减小趋势。研究结果可为火箭杀爆弹的引战系统设计提供参考。关键词:兵器科学与技术;弹药;引战配合;杀爆弹;毁伤幅员中图分类号:TJ410. 2 文献标志码:A文章编号:1000-1093(2016)S2-0159-06Simulation on Damage Area of High Explosive ProjectileLIU Jian-bin 1 ,XU Yu-xin 1* ,GAO Peng 1 ,LI Ke 1 ,YANG Xiao-hong 2(1. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2. Unit 63961 of PLA,Beijing 100012,China)Abstract:The damage area distribution and influence law of high explosive projectile under different con-ditions are studied. Based on the analysis model of damage effects of high explosive projectile,a simula-tion system is established for damage area of high explosive projectile. The damage area is simulated atdifferent impact angles and stand-off distances,and the change rules of damage area of high explosiveprojectile under different impact angle and stand-off distances are mastered. The analysis results showthat the damage area is nonlinearly distributed along the stand-off distances,the varying curve of damagearea has an extreme point with the increase in stand-off distance at large impact angle,and the damagearea is nonlinearly decreased with the increase in stand-off distance at small impact angle. The researchresults can be used as a reference in the design of parameters of fuze and warhead.Key words:ordnance science and technology;ammunition;fuze-warhead coordination;high explosiveprojectile;damage area收稿日期:2016-08-11作者简介:刘建斌(1996),男,硕士研究生。E-mail:jianbinin@ qq. com;徐豫新(1982),男,讲师,博士。E-mail:xuyuxin@ bit. edu. cn0 引言火箭弹是一种威力大、射程远的弹药,与导弹武器相比,其价格相对低廉,受到各国重视。因此,各国发展的远程制导火箭弹,以期实现基于效果的精确作战。远程制导火箭弹强调基于效果的精确作战,作战打击模式不同于无控或简控火箭弹。在战场环境下,火箭弹对真实目标实战毁伤能力的可靠鉴定以及客观的量化描述尚无经验可借鉴。这一问题的解决需要以火箭弹实战毁伤效果量化评估为基础、以作战运用试验为手段进行。现阶段,国内火箭杀爆弹研制过程中,主要以单个火箭弹的性能试验 兵 工 学 报 第 37 卷为主体进行,特别是引战系统,一般采用静爆进行战斗部威力测试,无法掌握(落角、落速、炸高以及射击方向等)实战条件对目标毁伤幅员的影响;静爆威力大,实战威力不足的案例屡见不鲜。但是,长期以来火箭弹实战射击火力毁伤能力鉴定试验因费用昂贵而难以实施,基本处于空白。伴随着计算机仿真技术的发展,使火箭弹实战射击火力毁伤能力分析成为可能。因此,开展火箭弹实战射击火力毁伤能力仿真技术研究,建立相应的仿真平台,对火箭弹实战毁伤区域进行仿真计算,掌握相关规律,可用于指导装备指标论证与研制过程中的技术攻关,并服务于后续的作战运用研究。因此,相关研究有着重要的现实意义。很多学者对火箭杀爆弹动爆威力场和毁伤幅员进行了相关的研究。Qian 等 [1 -2] 和钱立新等[1 -3] 采用一种新型的破片威力描述方法射击迹线仿真理论对再入式大面积杀爆战斗部威力进行模型描述并给出了仿线] 在运动去耦假设下建立杀爆弹破片运动模型,推导解析公式,得到破片飞散最大距离。侯建强等[5] 通过对战斗部动爆破片运动的分析、建模与仿真,分析了动爆破片飞散和运动特性,提出了利用雷达进行动爆测试的技术手段。褚庆国等[6] 进行了杀爆弹近距爆炸对坦克毁伤的试验,试验结果表明杀爆弹足以造成坦克轻度或中度毁伤,基于此建立杀爆弹杀伤模型,求解不同条件下单弹对不同部件的毁伤情况。但是,上述研究对杀爆弹带有落角、落速对目标区域毁伤幅员的影响规律关注较少。本文在已有研究基础上立足于实战条件下杀爆弹毁伤威力精确评估的军事需求,服务于作战指挥和引战系统设计,将计算机可视化仿真技术应用于实战条件下火箭杀爆弹的毁伤幅员分析,开展火箭杀爆弹实战毁伤幅员仿真与应用技术研究,建立火箭杀爆弹实战毁伤幅员仿真平台,掌握不同落角、炸高对火箭杀爆弹毁伤幅员的影响规律。1 杀爆弹毁伤幅员分析方法1. 1 毁伤幅员定义度量弹药对目标破坏性的最简单情况是弹药直接命中目标,而且一旦命中,目标就被摧毁。在这种情况下,单发弹药毁伤目标的概率恰恰就是弹药命中一定面积的概率,此面积可称毁伤幅员(或杀伤面积)。杀爆弹爆炸产生破片场和冲击波场作用于目标。因此,在多数情况下,杀爆弹不必命中目标就可摧毁目标。若以 (x,y)表示微元面积内(x,y)处目标的密度,P(x,y)表示对微元面积上某一目标的杀伤概率(或称为毁伤律),则杀伤目标的期望值 E t 可由下式给出:E t = --(x,y)P(x,y)dxdy, (1)就均匀分布目标而言,(x,y)为常数,因而有A L =E t= --P(x,y)dxdy, (2)式中:E t / 具有面积的量纲,为毁伤幅员,记作 A L .(2)式即为毁伤幅员的定义式。1. 2 毁伤幅员计算流程由上述毁伤幅员定义可知,毁伤幅员与战斗部威力场和目标毁伤律有关。因此,对毁伤幅员的计算,首先应通过理论分析建立火箭杀爆弹威力场模型,获得破片和冲击波毁伤元时空分布;其次根据战场环境建立目标区域模型,对目标区域进行微元划分;最后根据试验确定目标的毁伤律,结合实战弹目交会(落角、落速、方位)条件,求解破片、冲击波毁伤元与目标区域微元交会,得到杀爆弹的毁伤幅员。具体计算流程如图 1 所示。图 1 杀爆弹毁伤幅员计算流程图由图 1 可知,在实战条件下,单发火箭杀爆弹打击敌方目标的毁伤幅员是战斗部威力场与目标区域(目标易损性、目标区域面积等)的耦合结果。耦合区域的大小与弹药末端弹道和引信起爆高度有关,可由(3)式表示: DA = f( w,a,Eb,F ),(3)式中: DA 为毁伤幅员; w 为战斗部威力场; a 为目标区域; Eb 为弹药末端弹道; F 为引信起爆高度。2 实战毁伤幅员仿线 仿真系统总体架构基于前述火箭杀爆弹实战毁伤幅员计算流程,0 6 1 增刊 2火箭杀爆弹毁伤幅员仿真结合炮兵实际作战需求,在 Windows 操作系统下使用 C + + 编程语言开发实战毁伤幅员仿真系统。用C + + 编程语言开发系统中间计算层,用 Qt 开发界面层,用 OpenSceneGraph(OSG)开发三维显示模块,各层之间通过数据进行连接,保证了良好的计算效率和平台通用性。系统的架构如图 2 所示。图 2 仿线 仿真系统底层算法实现因仿真系统是独立开发的,需补充较多基础计算函数,以支撑数据层算法实现。底层算法函数库包括数学计算支撑工程、网格支撑工程、文件扩展工程、单位制支撑工程等。各工程内部按照功能划分为若干类,各类中包括若干实现类功能的计算函数。各工程间通过动态库方式定义接口互相调用,具体划分如图 3 所示。文件扩展工程包括 CSV 文件解析和数据类型转换两个功能类。CSV 文件是系统读入数据的方式之一,采用解析 CSV 文件的方法可实现数据自主定义和数据加密,提高系统稳定性和安全性。网格支撑工程是目标区域建模和弹目交会分析的核心算法。2. 3 仿真系统目标区域微元划分方法目标区域微元划分是仿真系统重要的模块之一,对仿真系统弹目交会分析和毁伤幅员计算有重要支撑作用。目标区域微元划分思想为参数化建模方法,即目标区域平面由若干点构成,点线面均由数学方法计算得到坐标和表达式。从(1)式和(2)式图 3 仿真系统底层算法函数计算毁伤幅员的方法中可以看出毁伤幅员计算本质上是有限元的思想。因此,对目标区域微元划分是毁伤幅员计算的核心。目前自主开发的仿真软件在网格划分方面大多数是基于现有程序和软件生成网格,因无源代码无法与仿真系统进行对接。因此,需要独立开发四边形网格划分方法,以支撑面向实战的仿真系统,提高其稳定性、安全性和完整性。目标区域网格划分主要基于底层算法中的网格支撑工程实现,能够完成空间内任意平面上凸四边形的四边形网格划分。划分完成后可输出网格信息、所有网格节点坐标、网格数量等,以及直线或射线与网格单元相交函数等,支撑应用层算法对火箭杀爆弹实战毁伤幅员分析。矩形目标区域建模示意图如图 4 所示,矩形目标区域划分流程图如图 5所示。3 毁伤幅员形状和变化规律采用建立的仿真系统,对不同炸高下实战毁伤1 6 1 兵 工 学 报 第 37 卷图 4 矩形目标区域建模示意图图 5 矩形目标区域建模流程图幅员进行仿真计算。不同引信启动高度条件下毁伤幅员变化曲线 可见,毁伤幅员与引信启动高度呈非线性变化趋势,大落角情况下毁伤幅员变化趋势存在极点,小落角情况下毁伤幅员呈非线 m 的引信启动高度,毁伤幅员有先增大后减小的趋势。随引信启动高度增大,毁伤幅员逐渐减小,分析毁伤幅员与引信启动高度在前一区间内存在极点。由图 6(a)可见,破片数量 5000 ~10 000 枚情况下毁伤幅员变化趋势一致。因此确定大落角情况下毁伤幅员与引信启动高度之间的变化规律与预制破片数量变化无关。在落角50情况下,毁伤幅员随引信启动高度增大迅速减小,破片数量较大时减小趋势接近直线时毁伤幅员在地面上的仿线 中可以看出,在大落角条件下,随引信启动高度增加,火箭弹体斜下方毁伤幅员形图 680和 50落角下人员类目标毁伤幅员与引信启动高度变化曲线状无明显变化,破片分布密度减小。然而,反方向毁伤幅员面积明显减小。如图 7(a)所示,在 10 m 引信启动高度,反方向大面积区域被有效破片命中造成毁伤,毁伤幅员区域分布较集中。如图 7(b)所示,在 20 m 引信启动高度,反方向只有小部分区域被有效破片命中且分散分布,破片分布带因引信启动高度增加被扩大,故毁伤幅员比 10 m 引信启动高度时的有所增加。如图 7(c)所示,在 30 m 引信启动高度,反方向无有效破片命中,破片带被进一步扩大,由偏心椭圆分布接近于月牙形分布,毁伤幅员减小。在大落角条件下在不同引信启动高度毁伤幅员变化主要由破片飞散距离引起。在 10 m 引信启动高度火箭弹体斜下方反方向存在大量达到毁伤判据的破片,大面积区域被毁伤。随引信启动高度增加,破片飞散距离增大,破片在空气中运动速度衰减,与目标交会时未达到毁伤判据。因此,在 30 m 引信启动高度毁伤幅员主要分布在火箭弹体斜下方,反方向已无被毁伤区域,毁伤幅员形状逐渐接近于月牙形分布。图 8 为落角 50时毁伤幅员在地面上的仿线 中可以看出,在小落角条件下,破片基本分布在火箭弹斜下方一侧,随引信启动高度增加破片带长度减小,同时火箭弹斜下方破片2 6 1 增刊 2火箭杀爆弹毁伤幅员仿真分布密度显著减小,毁伤幅员减小。图 7 落角为 80情况下人员类目标毁伤幅员地面分布示意图通过上述分析可见:1)引信启动高度对毁伤幅员形状和面积大小影响较大。在大落角情况下存在固定引信启动高度满足毁伤幅员最大原则,在小落角情况下毁伤幅员随引信启动高度增大而减小且速率较快。2)火箭弹斜下方区域破片分布密度随引信启动高度增大而减小。3)引信启动高度对毁伤区域在目标区域内形状分布有较大影响。在大落角情况下,随引信启动高度增加毁伤区域形状分布由偏心椭圆分布逐渐变图 8 落角为 50情况下人员类目标毁伤幅员地面分布示意图为月牙形分布。4 结论本文建立了杀爆弹实战毁伤幅员仿真系统(Rock-ies V1.0),对不同落角、炸高下毁伤幅员进行了仿真计算和分析。分析了不同落角、炸高下毁伤幅员变化趋势,得到结论如下:在大落角情况下存在固定启动高度满足毁伤幅员最大原则,在小落角情况下毁伤幅员随引信启动高度增大而减小且速率较快,相关研究成果可为杀爆弹引战系统设计提供支撑。3 6 1 兵 工 学 报 第 37 卷参考文献(References)[1] Qian L X,Lin T,Zhang S Q,et al. 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