曾松林 韓玉龍 陳榕 邢麗
引用格式:曾松林,韓玉龍,陳榕,等.一種評(píng)估航空炸彈對(duì)集群目標(biāo)毀傷效能的新方法[J].航空兵器,2023,30(1):25-30.
ZengSonglin,HanYulong,ChenRong,etal.ANewMethodtoEvaluateAerialBombDamageEffectivenessHittingClusterTargets[J].AeroWeaponry,2023,30(1):25-30.(inChinese)
摘要:為解決航空炸彈打擊集群目標(biāo)的效能評(píng)估問題,首先對(duì)炸彈從投放到爆炸之前的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行建模,得到彈著角、斜距等參數(shù),然后對(duì)炸彈的彈道偏差進(jìn)行處理,得到基平面上的瞄準(zhǔn)誤差模型,運(yùn)用相對(duì)覆蓋函數(shù)和精度函數(shù)積分計(jì)算出炸彈打擊集群目標(biāo)的預(yù)期相對(duì)毀傷,并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。該方法克服了傳統(tǒng)效能評(píng)估方法中未能考慮航空炸彈的威力半徑覆蓋集群目標(biāo)各種情況的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了航空炸彈打擊集群目標(biāo)毀傷效能的科學(xué)評(píng)估。
關(guān)鍵詞:集群目標(biāo);瞄準(zhǔn)誤差;彈道偏差;預(yù)期相對(duì)毀傷;效能評(píng)估;航空炸彈
中圖分類號(hào):TJ414;E932.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1673-5048(2023)01-0025-06
DOI:10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0037
0引言
集群目標(biāo)由多個(gè)單元目標(biāo)(子目標(biāo))構(gòu)成,其整體功能會(huì)因單元目標(biāo)(子目標(biāo))的毀傷而受到損傷。研究集群目標(biāo)毀傷效能評(píng)估的方法有很多種,文獻(xiàn)[1]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模擬法,研究集群目標(biāo)毀傷效果的評(píng)估問題,但未考慮武器的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用、落點(diǎn)散布等。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建集群裝備目標(biāo)毀傷仿真模型,分析了發(fā)射彈藥數(shù)量和彈群中心偏移對(duì)毀傷效果的影響程度。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)射擊幅員、射彈、毀傷幅員的散布規(guī)律進(jìn)行分析,運(yùn)用數(shù)學(xué)方法預(yù)測(cè)炮兵對(duì)集群目標(biāo)的毀傷程度。文獻(xiàn)[4]基于集群目標(biāo),建立了末敏彈效能仿真模型。文獻(xiàn)[5]針對(duì)集群目標(biāo),研究了在集火射擊和瞄準(zhǔn)點(diǎn)均勻分布射擊兩種條件下毀傷目標(biāo)數(shù)的數(shù)學(xué)期望的解析方程式。文獻(xiàn)[6]采用“化四個(gè)象限積分為一個(gè)象限積分”的方法,導(dǎo)出射擊幅員在正面和縱深上覆蓋集群目標(biāo)比值數(shù)學(xué)期望的積分表達(dá)式。文獻(xiàn)[7]針對(duì)幅員不大的集群目標(biāo),建立了不用改變射擊諸元情況下的末制導(dǎo)炮彈對(duì)典型集群目標(biāo)射擊效率的評(píng)定模型。文獻(xiàn)[2-7]均未考慮炮彈的威力半徑?jīng)]有或部分覆蓋集群目標(biāo)等情況?;诖?,本文考慮航空炸彈的威力半徑全部、部分和沒有覆蓋集群目標(biāo)三種情況,采用預(yù)期相對(duì)毀傷來度量航空炸彈打擊集群目標(biāo)的毀傷效能。
1炸彈線性阻力模型
文獻(xiàn)[8]給出了炸彈在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣阻力加速度的仿真算法,模型考慮因素多、精度高,但編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。為了便于編程實(shí)現(xiàn),本文采用一種簡(jiǎn)化的炸彈彈道模型。炸彈在空中下落時(shí)由于受空氣阻力作用,彈道會(huì)發(fā)生變化。炸彈投放后受力情況如圖1所示。假設(shè)炸彈所受的阻力與速度成正比。
1.1垂直運(yùn)動(dòng)
在垂直方向上,由牛頓第二定律可知
mg-Cdvv=mdvvdt(1)
式中:Cd為阻力系數(shù);vv為垂直速度。
對(duì)式(1)積分可得
vv=v0v-gc0exp(-c0t)+gc0(2)
式中:c0=Cd/m;v0v為初始垂直速度。
從投放位置開始的垂直位移為
y=∫t0vvdt=1c0v0v-gc0(1-exp(-c0t))+gtc0(3)
式(2)~(3)代表了投放點(diǎn)至彈著點(diǎn)之間任意時(shí)刻的垂直速度和高度。
1.2水平運(yùn)動(dòng)
在水平方向上,由牛頓第二定律可知
-Cdvh=mdvhdt(4)
式中:vh為水平速度。
對(duì)式(4)積分可得
vh=v0hexp(-c0t)(5)
式中:v0h為初始水平速度。
從投放位置開始的水平位移為
x=∫t0vhdt=v0hc0(1-exp(-c0t))(6)
當(dāng)y=0時(shí),計(jì)算彈著條件,得出
1c0v0v-gc0(1-exp(-c0t))+gtc0=0(7)
將式(7)變形為
t=1c0-v0vg(1-exp(-c0t))+c0h0g(8)
式中:h0為初始高度。
然后,利用迭代算法計(jì)算炸彈空中下落時(shí)間。
彈著點(diǎn)的速度計(jì)算公式為
v=v2v+v2h(9)
相對(duì)水平面的彈著角:
I=atanvvvh(10)
2瞄準(zhǔn)誤差
精度分析時(shí),通常假設(shè)縱向、橫向分布服從高斯分布或正態(tài)分布,并且縱、橫向相互獨(dú)立。由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)可知,當(dāng)均值為0時(shí),在一倍標(biāo)準(zhǔn)差(±1σ)范圍內(nèi)包含了68%的樣本值,將其轉(zhuǎn)換為以概率偏差REP或DEP為單位時(shí),則有
bREP=0.6745σx
bDEP=0.6745σy(11)
當(dāng)σx=σy=σ時(shí),有
bCEP=1.1774σ(12)
式中:bREP為縱向偏差;bDEP為橫向偏差;bCEP為圓概率偏差;σx為縱向標(biāo)準(zhǔn)差;σy為橫向標(biāo)準(zhǔn)差。
除炸彈垂直下落外,空中其他方式投放的炸彈彈藥在基面上的最終散布均不服從圓正態(tài)分布。通常將彈道偏差定義為σb,其是彈道散布在法平面的標(biāo)準(zhǔn)偏差,同時(shí)假定在法平面上服從高斯分布。該標(biāo)準(zhǔn)差可以轉(zhuǎn)換為基平面上的縱向、橫向偏差,然后分別同bREP和bDEP的平方和根,得到瞄準(zhǔn)誤差。
將彈道偏差轉(zhuǎn)換為基面上具有同等含義的標(biāo)準(zhǔn)差,轉(zhuǎn)換時(shí)最好使用炸彈的實(shí)際軌跡長(zhǎng)度,但計(jì)算量很大,因此使用斜距kSR作為近似值:
x=bDEP×kSR1000=0.6745×kSR×σb1000
y=bREP×kSR1000sinI=0.6745×k2SR×σb1000sinI(13)
b′REP=b2REP+x2
b′DEP=b2DEP+y2(14)
3卡爾頓函數(shù)
炸彈爆炸時(shí),距爆點(diǎn)不同距離,毀傷概率不同,相應(yīng)地可以繪出毀傷概率的等值線[9]。這些等值線在縱向和橫向上的分布情況與高斯分布相似,用卡爾頓函數(shù)表示,其表達(dá)式為
P(x,y)=exp-x2R2x+y2R2y(15)
式中:Rx為縱向上炸彈的毀傷半徑;Ry為橫向上炸彈的毀傷半徑。
炸彈的殺傷面積可表示為
AKILL=AF=∫+∞-∞∫+∞-∞exp-x2R2x+y2R2ydxdy=
π×Rx×Ry(16)
因此,殺傷面積等于橢圓面積。
將炸彈毀傷半徑的比率定義為
a=RxRy(17)
一般來講,該比率是炸彈彈著角的函數(shù),并且由經(jīng)驗(yàn)公式可得
a=max(1-0.8cosI,0.3)(18)
有時(shí),殺傷面積表示為有效目標(biāo)長(zhǎng)度L′EA和有效目標(biāo)寬度W′EA的形式,而不同于毀傷半徑的形式:
L′EA=2Rx=1.128AF×a
W′EA=2Ry=L′EAa(19)
卡爾頓毀傷函數(shù)可用有效目標(biāo)長(zhǎng)度和寬度的形式來表示,即
P(x,y)=exp-4x2L′2EA+4y2W′2EA(20)
還可將橢圓形的殺傷面積近似為矩形。此時(shí)有效目標(biāo)長(zhǎng)度和寬度為
LEA=AF
WEA=LEAa(21)
注意:AEA≠L′EAW′EA,而是AEA=LEAWEA。LEA,WEA和L′EA,W′EA的關(guān)系如圖2所示。
需要注意的是,L′EA和W′EA與高斯或橢圓毀傷函數(shù)相關(guān),而LEA和WEA則定義了矩形毀傷函數(shù)。
4預(yù)期相對(duì)毀傷
每個(gè)子目標(biāo)均勻分布在集群目標(biāo)邊界范圍之內(nèi)。打擊單個(gè)目標(biāo)時(shí),沒考慮目標(biāo)尺寸,但對(duì)于集群目標(biāo)來說,打擊該類目標(biāo)需要考慮其尺寸。本文中,集群目標(biāo)縱向尺寸定義為L(zhǎng)A,橫向?yàn)閃A,如圖3所示。
圖4表示了單枚炸彈打擊集群目標(biāo)的情況??梢钥闯?,由于考慮單個(gè)目標(biāo)尺寸,所以對(duì)單個(gè)目標(biāo)的毀傷函數(shù)不一致,導(dǎo)致目標(biāo)右側(cè)比左側(cè)的毀傷值大。解決這個(gè)問題的辦法有兩種,第一種方法是采用矩形卡爾頓毀傷函數(shù);第二種方法是采用蒙特卡洛法[10]。本文采用第一種方法。
處理集群目標(biāo)時(shí),把毀傷情況計(jì)算轉(zhuǎn)化為求預(yù)期相對(duì)毀傷(EFD),這是因?yàn)榧耗繕?biāo)內(nèi)有多個(gè)子目標(biāo),而研究只關(guān)注了被毀傷的子目標(biāo)。如圖5所示,集群目標(biāo)的40%被炸彈矩形殺傷的區(qū)域覆蓋。假設(shè)有100個(gè)目標(biāo),這樣40個(gè)目標(biāo)會(huì)受影響。如果炸彈殺傷區(qū)域內(nèi)的毀傷概率為0.8,則有32個(gè)目標(biāo)被毀傷。因此,預(yù)期相對(duì)毀傷(EFD)定義為
dEFD=E(FC)×PCD(22)
式中:E(FC)表示相對(duì)覆蓋;PCD表示矩形殺傷區(qū)域內(nèi)的條件毀傷概率。
因此,問題可以分解為計(jì)算炸彈的縱向和橫向相對(duì)覆蓋,用E(FR)和E(FD)分別表示。
4.1采用矩形cutter毀傷函數(shù)
對(duì)于爆炸沖擊波敏感的目標(biāo),采用cutter毀傷函數(shù),在矩形框內(nèi),毀傷概率PCD=1,其余為0,如圖6所示。
根據(jù)美軍《聯(lián)合彈藥效能手冊(cè)》,多枚炸彈打擊集群目標(biāo)時(shí),瞄準(zhǔn)點(diǎn)為目標(biāo)區(qū)內(nèi)的隨機(jī)點(diǎn),在縱向和橫向都服從均勻分布。
本文假設(shè)集群目標(biāo)范圍大于炸彈的殺傷區(qū)。為了計(jì)算預(yù)期相對(duì)毀傷,假設(shè)把單枚炸彈殺傷區(qū)區(qū)域擴(kuò)大到目標(biāo)尺寸。擴(kuò)大的炸彈殺傷區(qū)域尺寸(等于目標(biāo)尺寸)由LDA和WDA代表,即有效散布區(qū):
LDA=max(LEA,LA)
WDA=max(WEA,WA)(23)
這樣,擴(kuò)大殺傷區(qū)域的條件概率變?yōu)?/p>
PCD=AEALDA×WDA(24)
式(24)能確保炸彈的毀傷效能不變。
預(yù)期相對(duì)毀傷為
dEFD=E(FC)×PCD×R=E(FC)×AEALDA×WDA×R(25)
4.2相對(duì)覆蓋
首先考慮縱向相對(duì)覆蓋,矩形殺傷區(qū)域?qū)嶋H上可能有三種情況,這取決于武器相對(duì)于目標(biāo)中心的落點(diǎn),如圖7~9所示。
圖7中,相對(duì)覆蓋FR=0。
圖8中,F(xiàn)R=LDA×WDALA×WA。
圖9中,炸彈殺傷區(qū)部分覆蓋目標(biāo),可考慮以下兩種情況。
(1)炸彈殺傷區(qū)覆蓋目標(biāo)上方
從圖9可以看出,F(xiàn)R的值只是被殺傷區(qū)覆蓋一部分,在[0,1]范圍內(nèi)變化:
FR=βWA(26)
從圖9可得
-WA2+β=y+WDA2(27)
將式(27)代入式(26)得到
FR=WA+WDA2WA+yWA(28)
設(shè)定FR=0,則
ymax=-WA+WDA2(29)
設(shè)定FR=1,則
ymin=-WDA-WA2(30)
當(dāng)FR∈(0,1)時(shí),有
-WDA-WA2 (2)炸彈殺傷區(qū)覆蓋目標(biāo)下方 此時(shí)有 FR=WA+WDA2WA-yWA(32) 同理,當(dāng)FR∈(0,1)時(shí),有 WDA-WA2 令 s=WDA+WA2 t=WDA-WA2(34) 圖10中,相對(duì)覆蓋區(qū)簡(jiǎn)化為函數(shù)y,即橫向上到目標(biāo)中心的距離。 因?yàn)槁潼c(diǎn)x是隨機(jī)變量,其均值、期望值或平均相對(duì)覆蓋值為 E(FR)=∫y=+∞y=-∞FR(y)g(y)dy(35) 式中:g(y)=1σy2πexp[-y22σ2y]。 為了求積分,可以將FR的分段函數(shù)代入計(jì)算,則 E(FR)=∫y=+∞y=-∞FR(y)g(y)dy= 1σy2π× ∫t-texp-y22σ2ydy+∫t-sLDA+LA2WA+yWA· exp-y22σ2ydy ∫stWDA+WA2WA-yWA·exp -y22σ2ydy(36) 同理,橫向的預(yù)期相對(duì)覆蓋為 E(FD)=∫x=+∞x=-∞FD(x)g(x)dx=1σx2π× ∫t-texp-x22σ2xdx+ ∫t-sLEP+LA2LA+xLA· exp-x22σ2xdx ∫stLEP+LA2LA-xLAexp-x22σ2xdx(37) 式中:σx,σy可由式(11)計(jì)算得到,此時(shí)bDEP,bREP為修正后的b′DEP,b′REP。 將縱向和橫向的值相乘,得出總預(yù)期相對(duì)覆蓋: E(FC)=E(FR)×E(FD)(38) 將式(38)代入式(22),可計(jì)算出預(yù)期相對(duì)覆蓋。 假設(shè)集群目標(biāo)中的目標(biāo)數(shù)為m,利用計(jì)算出的dEFD,便可計(jì)算出被毀傷的目標(biāo)數(shù): ND=dEFD×m(39) 圖11為單枚炸彈打擊集群目標(biāo)的dEFD計(jì)算流程。 5算例 某飛機(jī)使用一枚炸彈(殺爆彈)打擊集群裝甲車,瞄準(zhǔn)目標(biāo)后,在2000m高度,以600km/h的速度、30°的俯沖角進(jìn)行投放。已知炸彈阻力系數(shù)c0=0.005,瞄準(zhǔn)精度bREP=bDEP=15m,彈道偏差σb=5m,殺傷面積AF=2500m2,殺傷區(qū)長(zhǎng)寬比a=0.556,可靠性R=0.90。集群目標(biāo)尺寸LA=100m,WA=60m,包含9個(gè)子目標(biāo),計(jì)算EFD和毀傷目標(biāo)數(shù)。 按照計(jì)算預(yù)期相對(duì)毀傷(EFD)步驟,最終得到毀傷目標(biāo)的數(shù)量為1.69個(gè)。 文獻(xiàn)[3]研究了炮兵打擊集群目標(biāo)毀傷程度預(yù)測(cè)問題,首先建立了射彈散布坐標(biāo)系、分析射擊幅員大小和毀傷幅員散布規(guī)律,最后通過計(jì)算炮兵覆蓋集群目標(biāo)的概率和毀傷目標(biāo)的條件概率,建立了目標(biāo)毀傷程度預(yù)測(cè)模型。采用文獻(xiàn)[3]的方法,算例的計(jì)算結(jié)果是1.821。相比而言,本文提出的方法由于充分考慮了炸彈未覆蓋、部分覆蓋、完全覆蓋目標(biāo)這三種情況,所以計(jì)算結(jié)果要更合理。 改變算例中飛機(jī)的投彈高度、速度,計(jì)算結(jié)果如圖12~13所示??梢钥闯觯S著高度和速度增加,EFD逐漸減小。原因是瞄準(zhǔn)誤差隨著高度和速度增加,造成了EFD減小。 6結(jié)束語 本文分析了當(dāng)前各種武器打擊集群目標(biāo)的效能評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上針對(duì)航空炸彈打擊集群目標(biāo)的特點(diǎn),提出一種評(píng)估航空炸彈對(duì)集群目標(biāo)毀傷效能的新方法。該方法充分考慮航空炸彈威力半徑覆蓋集群目標(biāo)的各種可能范圍,因此能獲得更準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果。但航空炸彈的矩形毀傷函數(shù)計(jì)算難度較大,不同的彈種,以及不同的投彈速度、高度、彈目交會(huì)條件,都會(huì)影響該函數(shù)的大小。下一步,將建立一個(gè)通用表格,通過查表就能找到對(duì)應(yīng)毀傷面積。 參考文獻(xiàn): [1]姜廣順,楊召甫.集群目標(biāo)毀傷效果評(píng)估方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2011,31(6):117-119. 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Keywords:clustertarget;aimingerror;ballisticdeviation;EFD;effectivenessevaluation;aerialbomb 收稿日期:2022-03-01 基金項(xiàng)目:國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(2022-SKJJ-C-027) *作者簡(jiǎn)介:曾松林(1982-),男,湖南汨羅人,講師,博士。