舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (1): 169-173    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.01.033   PDF    
舰炮弹药对典型舰船目标毁伤效能研究
陈青华1, 姜月秋1, 艾宁2, 王秋实2, 梁振刚1, 王树山3     
1. 沈阳理工大学, 辽宁 沈阳 110159;
2. 中国船舶工业集团公司系统工程研究院, 北京 100036;
3. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081
摘要: 研究舰炮弹药对典型舰船目标毁伤效能的分析模型及评估方法。建立典型舰船目标功能易损性模型,通过分析舰炮弹药对舰船的毁伤特性,提出可用于计算的重度和中度毁伤判定标准。给出舰炮弹药内爆炸对舱室的毁伤概率计算方法,应用Monte-Carlo方法建立毁伤效能计算模型,编写程序并进行实例计算。结果表明在一定的毁伤等级下,瞄准点设置在中部区域用弹量相对较少,用弹量随落角增大而明显减少,圆概率偏差较大的半穿甲炮弹毁伤舰船所需用弹量偏多,所提出的毁伤效能计算模型具有合理性,可客观、定量评估舰船的毁伤情况,为舰炮弹药对舰船目标的打击方案提供参考。
关键词: 舰炮弹药     易损性     Monte-Carlo     毁伤效能    
Research on Damage Effectiveness of Naval gun ammunition on Typical Ship Target
CHEN Qinghua1, JIANG Yueqiu1, AI Ning2, WANG Qiushi2, WANG Shushan1, LIANG Zhengang3     
1. Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China;
2. Systems Engineering Research Institute, China State Shipbuilding Corporation, Beijing 100036, China;
3. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
Abstract: Research the analysis model and evaluation method of the damage effectiveness of naval gun ammunition to typical ship targets. By analyzing the damage characteristics of naval guns and ammunition to ships, a model of the vulnerability of typical ship targets is established, and criteria for determining severe and moderate damage that can be used for calculation are proposed. According to the damage probability of the semi-armor-piercing projectile to the cabin, the Monte-Carlo method is used to establish a mathematical calculation model of damage efficiency. The program was written and calculations were carried out. The results show that: under a certain damage level, the aiming point is set in the middle area and the amount of ammunition used is relatively small, and the amount of ammunition used decreases exponentially with the increase of the angle of fall, and the deviation of the circular probability is large. The semi-armor-piercing projectile requires a large amount of ammunition to damage ships. The proposed damage efficiency calculation model is reasonable. It can objectively and quantitatively evaluate the damage of ships, and is a plan for naval gun ammunition to attack ship targets. for reference.
Key words: naval gun ammunition     vulnerability     Monte-Carlo     damage effectiveness    
0 引 言

舰炮是舰载武器系统的重要组成部分,承担了舰艇防空反导、对海作战、护卫及收复岛礁、应付突发小规模海上摩擦等多种使命任务[1]。反舰导弹的出现使舰炮逐渐失去海战主力地位,但近年来随着网络信息、机械自动化和新能源等技术领域的突破,舰炮已是雷达、光电与红外指挥一体化的武器系统。近年来,专家学者针对鱼雷和反舰导弹对大型水面舰艇造成的结构毁伤进行了大量的研究工作。熊中运等[2]在对鱼雷在水中爆炸杀伤原理研究的基础上,通过建立典型舰船的毁伤树方法,开展了鱼雷水下爆炸对舰船的毁伤效能评估工作。M.kurki 等[3]对半穿甲弹舱室内爆下毁伤载荷进行了仿真计算,得出了毁伤载荷对舱室结构的毁伤机理。李建广等[4]分析了典型舰船的易损性模型,开发了鱼雷对典型舰船目标的毁伤效能计算软件。邵建军[5]提出一种爆破型鱼雷战斗部毁伤效能评估方法,建立了相应的数学模型,介绍了毁伤指标量化方法及评估步骤。宋成俊等[6]通过舰炮弹药对水面舰艇的有效打击部位进行分析,对舱室内人员和设备损伤程度划分的基础上,提出了适用于半穿甲炮弹对舰船目标的毁伤等级划分。综上所述,舰炮弹药对船体侧舷破口尺度及效果远不如鱼雷和反舰导弹,对舰船结构造成毁伤效果较差,应重点考虑对人员、关键设备或舱室造成的功能系统毁伤,而目前针对舰炮弹药对舰船目标的毁伤评估研究较少。

本文提出一种舰炮弹药对典型舰船目标的毁伤效能评估方法。在对舰炮弹药的穿甲能力及典型舰船防护能力分析的基础上,将典型舰船的关键舱室和部件按照功能系统进行划分,建立了功能系统失效的毁伤树,并给出了基于不同系统功能损伤下适用于工程计算的毁伤等级划分标准。建立半穿甲炮弹对舰船目标的毁伤效能计算模型,分析终点弹道参数对典型舰船目标不同毁伤等级所需用弹量的影响规律。

1 舰船功能易损性分析

在现代攻防作战体系中水面舰艇是常见的海上作战平台,大口径舰炮武器是现代海战打击舰艇的主要装备武器,舰炮弹药命中舰船爆炸后,形成冲击波及杀伤破片等毁伤元对舰船造成毁伤。舰船是由各功能、物理特性相互关联的舱室及其内部设备、人员等组成的一个复杂系统,在舰船有限空间内合理地安置舰船中每种类型的舱室,可以更好实现每个设备的功能,最大限度地发挥舰船对海、防空、反潜、警戒、威慑等多任务的能力[7]。对其毁伤事件的分析,可以从搭载舰船重要功能设备的部位开始,以某典型驱逐舰为例展开分析,将关键舱室及部件按功能分为5个系统:武器系统、指挥控制系统、探测与火控系统、动力系统和电力系统,实际体现驱逐舰的三大主要功能:探测感知、指挥通信、交战打击。按照功能系统划分,建立某典型驱逐舰功能系统结构树如图1所示。

图 1 某典型驱逐舰结构树 Fig. 1 Typical destroyer structure tree

舰炮武器系统对舰船目标实施打击时,首先,因其装药量远不如鱼雷和反舰导弹,很难对结构造成严重毁伤,导致舰船发生倾覆或沉没,而舰船的核心舱室如弹药舱、CIC作战指挥中心、垂直发射系统具有较高防护能力,炮弹的穿甲毁伤能力相对较差,难以对这类重点舱室造成有效毁伤。其次,生活区等辅助舱室毁伤对于舰船目标整体作战运动能力影响甚微,分析意义不大。综合考量,本文提出2个毁伤等级[8-9]。重度毁伤:武器系统大部损毁,指挥控制系统受到严重损伤,探测火控系统功能舱室遭到重创,舰船没有进水沉没,但整体作战能力大幅下降;中度毁伤:武器系统、指挥控制系统或探测火控系统受损,目标部分功能受到影响,舰船丧失一部分作战能力但仍能执行部分任务。典型驱逐舰重度毁伤树如图2所示,中度毁伤树如图3所示。

图 2 典型驱逐舰重度毁伤树 Fig. 2 Typical destroyer severely damaged

图 3 典型驱逐舰中度毁伤树 Fig. 3 Moderate damage tree of typical destroyer
2 毁伤效能评估模型 2.1 打击方案

为描述敌舰与弹药的相对位置关系,便于计算舰炮弹药对驱逐舰毁伤效能。以典型驱逐舰为研究对象,建立典型舰船目标的坐标系 $ O - XYZ $ ,设舰船水平竖直方向中心为坐标原点,舰船长度方向指向船头设为 $ OX $ 轴,与 $ OX $ 轴垂直设为 $ OY $ 轴, $ OZ $ 轴与 $ O - XY $ 平面相垂直。根据典型驱逐舰关键舱室分布情况,瞄准点可分别设置于舰船中前部、中部、中后部,对相同毁伤等级下不同的瞄准点所需用弹量进行对比分析,对打击方案的制定具有重要的参考意义,舰船坐标系及瞄点设置情况如图4所示。

图 4 坐标系与瞄点示意图 Fig. 4 Schematic diagram of coordinate system and aiming point
2.2 炸点分布规律

应用Monte-Carlo方法计算弹药战斗部的毁伤概率,首先需要生成符合命中精度和引信启动规律的随机数。具体做法为,在[0,1]区间产生一对满足均匀分布的随机数,标准正态分布随机数可由式(1)构造生成。

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {x = \sqrt { - 2\ln {r_1}} \cdot \cos \left( {2{\text π} {r_2}} \right)},\\ {y = \sqrt { - 2\ln {r_1}} \cdot \sin \left( {2{\text π} {r_2}} \right)}。\end{array}} \right. $ (1)

式中:xy为服从二维标准正态分布的随机数;r1r2为[0,1]区间的均匀随机数。

本文假定实际落点的坐标服从以瞄点(u1,u2)为中心的二维正态分布,则炸点坐标(Mx,My)可通过式(2)计算获得。

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{M_x} = {\mu _1} + x \cdot CEP/1.1774} ,\\ {{M_y} = {\mu _2} + y \cdot CEP/1.1774} 。\end{array}} \right. $ (2)

式中,CEP为战斗部的圆概率偏差。

2.3 舱室毁伤概率计算方法

本文以大口径半穿甲炮弹为研究对象,战斗部主要由炸药和金属壳体组成,兼有杀伤人员、损毁舱室内设备等多重作用。在命中舰船目标后,半穿甲炮弹在舱室内爆炸形成破片和冲击波等毁伤元,根据理论公式求解出破片和冲击波超压在舱内的分布规律[10-11]。首先对典型舱室的人员和设备所在水平面进行离散化处理,划分单元网格,确定每个单元网格的坐标。根据炸点位置坐标,求解出破片、冲击波载荷的分布规律,得到每个单元网格的超压峰值、有效破片密度,结合人员和设备的毁伤判据,破片、冲击波对单元网格的毁伤概率计算方法为“或”的关系,计算出每个单元网格的毁伤概率。对单元网格的毁伤概率加权统计,计算出各舱室的毁伤概率。

2.4 毁伤效能计算模型

半穿甲弹是对舰船目标攻击的主要弹种,一般为具有侵彻和爆破杀伤综合作用的战斗部,半穿甲战斗部侵入舰船舱室如航控中心,触发延时引信,战斗部主装药爆炸,由于各舱室间的的密封性较好,爆炸冲击波后效作用显著,对舱室内的人员和设备造成毁伤,使舰船丧失部分作战和使用功能。毁伤效能是舰炮武器系统对目标毁伤能力与毁伤效果的量度,考虑一定弹药落点偏差前提下战斗部对目标的毁伤能力,主要取决于弹药毁伤威力、命中特性(弹药精度、落速、落角)、引信启动规律和目标防护性能,在毁伤效能评估中,“单发毁伤概率”和“期望毁伤概率的用弹量”是目前主流的战斗部毁伤效能定量表征指标[12]。针对舰炮弹药打击舰船舱室造成对舰船系统功能的损伤,提出了计算毁伤效能的数学模型,可应用于舰船目标的毁伤效能计算。

图 5 毁伤概率计算方法示意图 Fig. 5 Schematic diagram of calculation method

1)由瞄点和弹药精度,通过Monte-Carlo方法抽样得到在制导平面内的相对瞄准点坐标;

2)通过坐标转换法,将相对瞄准点坐标转换到舰船目标坐标系,结合弹丸来袭方向和落角确定一条随机弹道方程。

3)根据随机弹道方程与易损性模型进行弹目交会计算,获得弹着点坐标,结合舱室分布图确定弹药的命中舱室,根据延时引信启动规律确定炸点坐标,依据坐标杀伤概率模型确定舱室毁伤概率。

4)用Monte-Carlo方法开展半穿甲弹打击舰船舱室的毁伤概率进行统计试验,根据毁伤树确定舱室毁伤与整个舰船毁伤的逻辑关系。设共抽取S个字样,累计各子样的Monte-Carlo统计数据,得到子样毁伤概率的期望估值,每个舱室的平均单发毁伤概率的Monte-Carlo估值为:

$ {P_{i{\text{a}}}} = \sum\limits_{i = 1}^S {{P_i}} /s,$ (3)

式中,为每次抽样造成的第i个舱室的毁伤概率。

5)对于n发弹药攻击条件下,不考虑毁伤积累,每个功能系统的毁伤概率为

$ {P_{i{\text{m}}}} = 1 - {(1 - {P_{i{\text{a}}}})^n}。$ (4)

6)结合重度和中度毁伤树,即可得到舰船达到一定毁伤等级所需用弹量。设共有m个舱室,各舱室毁伤与舰船整体毁伤为“或”的关系时,按照式(5)计算舰船的毁伤概率:

$ P = 1 - \left( {1 - {P_1}} \right) \cdot \left( {1 - {P_2}} \right) \cdot \left( {1 - {P_3}} \right) \cdot ... \cdot \left( {1 - {P_m}} \right),$ (5)

当逻辑关系为“与”关系时,按照式(6)计算舰船目标的毁伤概率:

$ P = {P_1} \cdot {P_2} \cdot {P_3} \cdot \ldots{P_m} 。$ (6)
2.5 计算流程

根据建立的毁伤效能数学模型,采用 C++进行计算机编程,其具体的程序流程图如图6所示。

图 6 计算程序流程图 Fig. 6 Flow chart of calculation program
3 实例分析

采用大口径半穿甲炮弹为研究对象,分析终点弹道参数对舰船毁伤概率的影响规律。半穿甲炮弹的威力按照特征参数的方式进行描述,体现为威力数据集合的形式,战斗部威力表征参数为:破片平均质量3.29 g,破片初速1280 m/s,破片飞散方向角86°,破片飞散角36°,等效裸装药TNT当量3.1 kg,CEP为30 m,落角50°情况下,分别以舰船中前部A3、中部A2和中后部A1为瞄准点,得到在不同毁伤等级下的用弹量如表1所示。

表 1 不同瞄准点的用弹量 Tab.1 Ammunition consumption at different aiming points

结合半穿甲炮弹瞄准点与毁伤舰船所需用弹量的数据表,对不同瞄准点下毁伤舰船所需用弹量进行对比分析,瞄准点设置在舰船中部用弹量较少,因为指挥与控制系统、探测与火控系统以及电力系统的关键舱室相对集中分布在这一区域,在海上冲突爆发时,可为优先打击策略提供参考。以舰船的中部A2为瞄点进行打击,得到在重度和中度毁伤等级下,不同精度的半穿甲炮弹毁伤舰船所需用弹量与落角关系,关系曲线如图7图8所示。

图 7 CEP为30 m的用弹量和落角的变化关系曲线 Fig. 7 The relationship curve between the amount of bomb and the angle of fall when the CEP is 30 m

图 8 CEP为40m的用弹量和落角的变化关系曲线 Fig. 8 The relationship curve between the amount of bomb used and the angle of fall when the CEP is 40 m

通过对数据的分析可以得出,随着落角的增大用弹量呈现出指数形式的下降趋势,重度毁伤和中度毁伤的用弹量差异随着落角的增大而减小,落角对毁伤舰船的用弹量影响较大,能较明显的降低用弹量。随着CEP的减小,重度毁伤与中度毁伤在相同落角处的用弹量数量也变小,因为随着弹药精度的提高会导致弹药单发毁伤概率变大。从以上结果可以得出,所建立的数学模型可以用于半穿甲炮弹对舰船目标的毁伤效能进行计算,可为舰炮武器作战性能综合论证奠定基础。

4 结 语

本文建立了基于Monte-Carlo方法的舰炮弹药对典型舰船功能系统毁伤效能计算模型,能够定量计算不同毁伤等级下的用弹量,具有一定的实用性。

应用毁伤效能计算模型,对舰炮弹药打击典型舰船进行了实例计算,研究终点弹道参数对用弹量的影响规律,得出在相同毁伤等级下,用弹量随CEP的增大而增多,随落角的增大呈现明显下降的趋势,验证了该方法具有一定的科学合理性和工程实用性,可实现舰炮弹药对水面舰艇毁伤效能的快速评估。

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