高炮武器作戰(zhàn)試驗技術研究

徐海波，鄒建華，汪彩玲

(1.西安交通大學 電子與信息工程學院系統(tǒng)工程研究所，陜西 西安 710049；2.中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 137001；3.中國遠洋航天測量船基地，江蘇 江陰 214400)

為滿足武器裝備“好用、管用、耐用、實用”的總體要求，武器裝備的試驗鑒定模式應逐步從以考核“戰(zhàn)術技術指標”為主向考核“戰(zhàn)術技術指標”與評估“作戰(zhàn)使用效能”并重轉變，積極推進和開展武器裝備作戰(zhàn)試驗。筆者對作戰(zhàn)試驗的時機選擇、指標體系構建、試驗剖面、試驗方法以及評估方法等關鍵問題進行研究，并以高炮武器系統(tǒng)為例進行了具體分析，以期為推進開展武器裝備作戰(zhàn)試驗提供參考和借鑒。

1 作戰(zhàn)試驗設計

1.1 作戰(zhàn)試驗的時機選擇

作戰(zhàn)試驗是指在武器裝備全壽命過程中，為確定武器裝備的作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性，由獨立作戰(zhàn)試驗機構依據(jù)武器裝備訓練與作戰(zhàn)任務剖面要求，構建近似于實戰(zhàn)的試驗環(huán)境，運用多種試驗方法手段，對武器裝備進行外場試驗與評估的綜合過程[1]。

從推進開展作戰(zhàn)試驗的角度看，應首先選擇對改進武器裝備質量最有效和最直接的環(huán)節(jié)入手，積累實踐經驗，然后擴展至其他環(huán)節(jié)，全面開展作戰(zhàn)試驗。故選擇設計定型階段和生產定型階段兩個環(huán)節(jié)開展作戰(zhàn)試驗，如圖1所示。兩個階段的作戰(zhàn)試驗解決不同的問題，設計定型階段側重于解決單裝級武器裝備的作戰(zhàn)效能和適用性，生產定型階段側重于解決單元級武器裝備的作戰(zhàn)效能和適用性。

1.2 指標體系構建

作戰(zhàn)試驗的目的不是評估武器裝備是否滿足技術規(guī)范，而是評估其是否滿足實際作戰(zhàn)需求。而是否滿足實際作戰(zhàn)需求是根據(jù)試驗結果通過特定算法進行評估而得出的，因此需將作戰(zhàn)需求轉換為一系列指標體系，將其最底層指標作為作戰(zhàn)試驗的直接考核內容。

一般而言，作戰(zhàn)試驗的主要指標包括作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性兩部分。

作戰(zhàn)效能包括[2]：單項效能(探測目標能力、指揮控制能力、打擊能力、機動能力)；系統(tǒng)效能；對抗條件下作戰(zhàn)效能。

作戰(zhàn)適用性包括：作戰(zhàn)環(huán)境適用性(自然環(huán)境、裝備環(huán)境、電磁環(huán)境、運輸環(huán)境)；作戰(zhàn)使用適用性(安全性、可靠性、可用性、人機結合性)；作戰(zhàn)保障適用性(維修保障性、使用保障性、保障資源)。

1.3 作戰(zhàn)試驗剖面

一般而言，開展作戰(zhàn)試驗時首先要根據(jù)被試武器典型訓練任務剖面、作戰(zhàn)任務剖面以及戰(zhàn)斗編成內各武器裝備的戰(zhàn)術技術性能確定試驗剖面，試驗剖面需涵蓋行軍、集結、待機、開進、展開、射擊、撤收、轉移等作戰(zhàn)要素[3]，圍繞試驗剖面，設置各種復雜環(huán)境，被試武器執(zhí)行各項作戰(zhàn)環(huán)節(jié)的相關動作、完成相應任務，與作戰(zhàn)效能及作戰(zhàn)適用性相關的最底層指標參數(shù)在試驗剖面中的各階段分別進行測試，以獲取的數(shù)據(jù)為基礎對作戰(zhàn)效能進行綜合評估。

參考要地防空作戰(zhàn)及伴隨防空作戰(zhàn)基本要求，試驗任務總行駛里程可確定為160 km，其中60 km為公路，50 km為鄉(xiāng)村土路，50 km為越野路，試驗剖面如圖2所示。

1.4 試驗方法

高炮武器作戰(zhàn)試驗可分為在存放地的作戰(zhàn)準備階段、由存放地至射擊地域的戰(zhàn)術機動階段、射擊地域及之后的戰(zhàn)斗實施階段。

此外，個別試驗項目所需試驗條件若在以上各階段無法或難以滿足，則需補充開展部分專門試驗。

在作戰(zhàn)準備階段，按照武器配置，在沒有空中目標的條件下檢測被試武器的主要功能和性能，檢測完成各級戰(zhàn)斗準備的適用性情況，對指標體系中相關的最底層指標進行靜態(tài)試驗，測試記錄各裝備位置信息、各裝備之間傳輸?shù)男畔ⅰ⑷藛T操作舒適性、網絡系統(tǒng)生成時間、網絡系統(tǒng)重組時間、故障及維修情況等，施加電磁環(huán)境和不施加電磁環(huán)境分別進行，晝夜分別實施。

在戰(zhàn)術機動階段，被試武器由存放地出發(fā)，按規(guī)定行駛路線行軍、開進。分別提供模擬高炮武器各類典型戰(zhàn)術目標的一個及多個空中靶機，按規(guī)定航路條件進入被試武器有效防御空域(停止間、短停間和行進間條件)。被試武器按作戰(zhàn)程序組織防御，完成相應操作直至一級戰(zhàn)斗準備，并對靶機進行各種方式的火力分配、截獲、跟蹤以及諸元解算，但不進行射擊，對指標體系中相關的最底層指標進行動態(tài)試驗，測試記錄高炮總線數(shù)據(jù)、雷達及電視視頻、靶機坐標、反應時間、各裝備位置信息、各裝備之間傳輸?shù)男畔ⅰ⑷藛T操作舒適性、網絡系統(tǒng)生成時間、網絡系統(tǒng)重組時間、故障及維修情況等，施加電磁環(huán)境和不施加電磁環(huán)境分別進行，晝夜分別實施。

在戰(zhàn)斗實施階段，被試武器進入射擊地域后，分別提供一個及多個空中靶機進入被試武器有效防御空域(停止間、短停間和行進間條件)。被試武器按作戰(zhàn)程序組織防御，完成相應操作直至一級戰(zhàn)斗準備，并對靶機進行各種方式的火力分配、截獲、跟蹤、諸元解算，單裝級高炮武器按“射-看-射”射擊方案對靶機進行射擊并轉移火力，單元級高炮武器按集火射擊方式對靶機進行射擊并轉移火力，然后轉移陣地并進行第2次射擊，對指標體系中相關的最底層指標進行射擊試驗，測試記錄遭遇段彈丸坐標、靶機坐標、反應時間、射擊間歇時間、火力轉移時間、高炮總線數(shù)據(jù)、雷達及電視視頻、各裝備位置信息、各裝備之間傳輸?shù)男畔ⅰ⑷藛T操作舒適性、故障及維修情況等，施加電磁環(huán)境和不施加電磁環(huán)境分別進行，晝夜分別實施。

在以上各階段試驗過程中，若被試武器系統(tǒng)出現(xiàn)故障或問題，則待故障或問題排除和解決后重新開始該階段試驗。

2 評估方法

通過作戰(zhàn)試驗獲取大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)后，結合設計定型試驗及科研鑒定試驗數(shù)據(jù)可進行3種類型的評估：

一是對指標體系最底層指標直接給出在各種近實戰(zhàn)條件下的性能測量值或優(yōu)、良、中、差的定性結果，可以為武器設計、適用性改進提供技術依據(jù)，為武器裝備作戰(zhàn)運用提供技術參考。如試驗過程中操作人員感覺不方便或不合理的環(huán)節(jié)就是武器改進的方向，而火力轉移時間、射擊間歇時間等的具體數(shù)值則可以為連指揮員執(zhí)行作戰(zhàn)任務時制定射擊預案提供重要技術依據(jù)。

二是對被試武器的各項單項效能進行評估，給出探測目標效能、打擊效能、機動效能等各項單項效能的評估結果，其物理含義為在典型剖面內完成規(guī)定具體任務的可能性大小，為一介于0與1之間的數(shù)值。如打擊效能評估結果若為0.8，則代表被試高炮對其有效作戰(zhàn)空域內的來襲目標在能夠成功探測的條件下進行一次防空作戰(zhàn)時，對來襲目標能夠成功攔截的概率為0.8。

三是對被試武器的系統(tǒng)效能進行評估，其物理含義為在典型剖面內完成全部作戰(zhàn)任務的可能性大小，為一介于0與1之間的數(shù)值。如系統(tǒng)效能評估結果若為0.6，則代表被試高炮在160 km的任務里程內完成行軍、開進、射擊、轉移、再射擊，且對來襲目標能夠成功攔截的概率為0.6。

單裝級的環(huán)境適應能力及單元級的技術保障能力等可以利用層次分析法進行評估，層次分析法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是無法擺脫主觀判斷且評估結果沒有明確的物理意義，無法回答“掌握裝備底數(shù)”的問題。

而單裝級的打擊能力、單元級的協(xié)同打擊能力等利用美國武器系統(tǒng)效能咨詢委員會推薦的ADC方法進行評估較為合理，ADC方法的優(yōu)點是可以擺脫主觀判斷且評估結果具有明確的物理意義，可以回答“掌握裝備底數(shù)”的問題，缺點是構建計算模型有較大難度。

2.1 單裝級作戰(zhàn)試驗打擊效能評估

考慮單目標條件下單裝級作戰(zhàn)試驗的打擊效能評估問題。

武器狀態(tài)劃分及計算示例參數(shù)取值如表1及表2所示。

表1 高炮狀態(tài)劃分

表2 分系統(tǒng)代號及計算參數(shù)取值

根據(jù)文獻[2]對可用性及可信賴性的分析，可得可用性矩陣為

A=[a1a2a3a4]=[AⅠAⅡAⅠ(1-AⅡ) (1-AⅠ)AⅡ(1-AⅠ)(1-AⅡ)]=

[0.980 3 0.009 8 0.009 8 0.000 098]

式中：a1為高炮開始工作時處于狀態(tài)1的概率；a2為處于狀態(tài)2的概率；a3為處于狀態(tài)3的概率；a4為處于狀態(tài)4的概率；AⅠ為高炮開始工作時火力系統(tǒng)處于正常狀態(tài)的概率；AⅡ為火控系統(tǒng)處于正常狀態(tài)的概率。

可信賴性矩陣為

式中：dij(i,j=1,2,3,4)為高炮開始工作時處于狀態(tài)i，在執(zhí)行任務(8 h)后，由狀態(tài)i轉移至狀態(tài)j的概率；假定高炮在執(zhí)行任務期間(8 h)故障無法修復，則其中TⅠ=TⅡ=MTBF。

根據(jù)文獻[4]對著發(fā)射擊高炮系統(tǒng)攔截概率的分析，求解狀態(tài)1及狀態(tài)2時高炮武器采用榴彈對目標射擊的攔截概率。

如圖3所示，選取炮口位置O為火炮或火炮陣地所在位置，并把它作為坐標原點，過O點的水平面選作坐標平面[4]。設一發(fā)彈丸離開炮口瞬間目標的現(xiàn)在位置為M，提前位置為Mq。此時，彈丸的絕對運動矢徑用rp表示，目標運動矢徑用rm表示，彈丸相對運動矢徑用rxd表示，則在任一時刻，有

rxd=rp-rm

(1)

記Vp為彈丸的絕對速度矢量，Vm為目標的速度矢量，Vxd為彈丸的相對速度矢量。有

Vxd=Vp-Vm

(2)

設目標的三向面積：SB為水平截面面積；SS為縱截面面積；SF為橫截面面積。求取在提前點Mq處，目標沿相對彈道方向在平面Q(過Mq點且垂直于炮目連線OMq的平面)上的投影面積。

設在Mq點，目標的傾斜角為λ，航路角為q，絕對彈道傾斜角為θ，目標高低角為εq。以Mq點為原點作一直角坐標系Mq-xyz，其中x軸沿水平距離的延長方向，正向朝遠；z軸沿高度方向，正向朝上；y軸垂直于坐標平面Mq-xz，正向與目標航向同側。坐標平面Mq-xy即為過Mq點的水平面。從與地面火炮相聯(lián)系的該絕對坐標系看，相對彈道在目標位置的速度矢量Vxd應位于提前位置Mq上。設Vxdn=(s1,s2,s3)為與Vxd同向的單位矢量，其中s1,s2,s3為方向余弦。Vp就是彈丸在Mq點的存速矢量，Vm是目標在Mq點的速度矢量。在此坐標系中，彈丸速度矢量(即絕對彈道方向)為

Vp=(Vpcosθ,0,Vpsinθ)

(3)

可得目標各向面積沿相對彈道方向在平面Q上的投影面積。水平截面的投影面積為

(4)

其中

Wpm=|Vpcos(εq-θ)+Vm(cosλcosqcosεq- sinλsinεq)|

同理，可得縱截面的投影面積S2和橫截面的投影面積S3分別為

(5)

(6)

(7)

第i次射擊對目標的毀殲概率為[4]

(8)

共i次射擊對目標的攔截概率為

P=1-(1-Pk1)(1-Pk2)…(1-Pki)

(9)

式中，i為試驗時高炮武器能夠對目標實施射擊的次數(shù)。

假定高炮可對目標實施5次射擊，點射長度40發(fā)，對應提前點距離分別為4、3、2.5、2、1.5 km，相關參數(shù)按表3所示取值，則根據(jù)式(4)～(8)，可得表4所示計算結果。

表4中，P1ki(1)(i=1,2,…,5)為高炮處于狀態(tài)1條件下，第i次射擊1發(fā)彈時的毀殲概率；P1ki(40)為高炮處于狀態(tài)1條件下，第i次射擊40發(fā)彈時的毀殲概率；P2ki(1)(i=1,2,…,5)為高炮處于狀態(tài)2條件下，第i次射擊1發(fā)彈時的毀殲概率；P2ki(40)為高炮處于狀態(tài)2條件下，第i次射擊40發(fā)彈時的毀殲概率。

表3 攔截概率計算參數(shù)取值

表4 單裝級毀殲概率計算結果

將表4中P1ki(40)及P2ki(40)的計算結果分別代入式(9)，可分別得到高炮處于狀態(tài)1、狀態(tài)2條件下的攔截概率為P1=10.73%，P2=2.85%。

當高炮處于狀態(tài)3、狀態(tài)4條件下時，此時火力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，無法正常發(fā)射，因此這時的攔截概率均為0。

根據(jù)文獻[4]對高炮能力矩陣的分析，將高炮各種狀態(tài)下的攔截概率作為能力矩陣的元素，則可得其能力矩陣為

C=[0.107 3 0.028 5 0 0]T

則有單裝級打擊效能E為[2]

E=ADC=0.091 9

其物理意義為：1門高炮對其有效作戰(zhàn)空域內的1個來襲目標在能夠成功探測的條件下進行1次防空作戰(zhàn)時，對來襲目標能夠成功攔截的概率為9.19%。

2.2 單元級作戰(zhàn)試驗打擊效能評估

以2門高炮組成的作戰(zhàn)單元為例，單目標條件下作戰(zhàn)單元狀態(tài)劃分如下表5所示。

表5 作戰(zhàn)單元狀態(tài)劃分

可用性及可信賴性以表2數(shù)據(jù)為基礎進行計算，此時單門炮的火力系統(tǒng)與火控系統(tǒng)按串聯(lián)組合看待，則可用性矩陣為

A=[0.961 2 0.019 2 0.019 2 0.003 8]

可信賴性矩陣為

假定射擊時兩門高炮之間的距離小于50 m，由此引起的誤差可忽略，則采用與單裝級打擊效能相同的計算條件和方法，可得表6所示計算結果。

表6 單元級毀殲概率計算結果

表6中，P1#ki(40)(i=1,2,…,5)為作戰(zhàn)單元中的1#炮處于正常狀態(tài)條件下，第i次射擊40發(fā)彈時的毀殲概率；P2#ki(40)(i=1,2,…,5)為作戰(zhàn)單元中的2#炮處于正常狀態(tài)條件下，第i次射擊40發(fā)彈時的毀殲概率。

將表6中P1#ki(40)及P2#ki(40)的計算結果分別代入式(9)，并利用概率和公式，可分別得到作戰(zhàn)單元處于狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3條件下的攔截概率分別為P1=20.31%，P2=10.73%，P3=10.73%。

當作戰(zhàn)單元處于狀態(tài)4條件下時，此時1#炮、2#炮均處于故障狀態(tài)，無法正常發(fā)射，因此這時的攔截概率均為0。

將作戰(zhàn)單元各種狀態(tài)下的攔截概率作為能力矩陣的元素，則可得其能力矩陣為

C=[0.203 1 0.107 3 0.107 3 0]T

則有單元級協(xié)同打擊效能E為

E=ADC=0.171 3

其物理意義為：由2門高炮組成的作戰(zhàn)單元對其有效作戰(zhàn)空域內的1個來襲目標在能夠成功探測的條件下進行1次防空作戰(zhàn)時，對來襲目標能夠成功攔截的概率為17.13%。

可見，考慮作戰(zhàn)單元在實際運用時的作戰(zhàn)過程及可用性和可信賴性后，其協(xié)同打擊效能要低于每門高炮性能理想值的概率和，本例中其相對下降幅度為15.7%，同時又高于1門高炮的單裝級打擊效能，其相對提高幅度為86.4%。

對于近炸和空炸射擊的情況，需在對射擊誤差進行針對性分析的基礎上，利用坐標毀殲定律計算攔截概率[4]。對于多目標的情況，其能力矩陣還要考慮服務概率的計算問題，需將目標流特征用泊松過程刻劃[5]。

3 結束語

武器裝備作戰(zhàn)試驗是一項復雜的系統(tǒng)工程，多學科交叉應用特點明顯，目前的試驗技術水平與作戰(zhàn)試驗的要求還有一定差距，需在本文基礎上，針對構建完備的指標體系、不同目標攻擊航路下攔截能力的試驗評估方法、不同易毀性目標毀傷效果試驗測試方法等問題繼續(xù)進行詳盡深入的研究，以便加快推進開展作戰(zhàn)試驗。

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