防空導(dǎo)彈發(fā)射車易損性建模與毀傷仿真評估

陳 磊,石 全,宋明昌,尹世莊,譚詩翰

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū), 石家莊 050003)

0 引言

易損性是指在作戰(zhàn)過程中,裝備被敵方發(fā)現(xiàn)、鎖定并受到敵方武器攻擊后損傷的難易程度[1-2]。易損性評估是武器裝備生存能力研究的重要組成部分,也是對武器裝備進(jìn)行戰(zhàn)損評估的重要依據(jù)。防空導(dǎo)彈發(fā)射車是目前防空武器的重要組成部分,其功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含有大量的電子元器件和電子線路。加強(qiáng)防空導(dǎo)彈發(fā)射車易損性的研究有助于提高其作戰(zhàn)生存能力,對加快防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制與改進(jìn)等具有重要的推動(dòng)作用[3]。目前,進(jìn)行易損性研究最可靠的手段是進(jìn)行毀傷試驗(yàn),但是其經(jīng)費(fèi)消耗很大且安全風(fēng)險(xiǎn)很高,對于現(xiàn)役裝備而言,進(jìn)行真實(shí)裝備的毀傷試驗(yàn)非常困難[4]。因此,本文中主要采用計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行某型防空導(dǎo)彈發(fā)射車的易損性建模與仿真,以此來分析防空導(dǎo)彈發(fā)射車的易損性,進(jìn)而為裝備戰(zhàn)場生存能力改進(jìn)提供參考和依據(jù)。

1 目標(biāo)特性分析

1.1 發(fā)射車功能與結(jié)構(gòu)分析

防空導(dǎo)彈發(fā)射車主要由承載車、上裝和配套保障設(shè)備3大部分組成。上裝主要由導(dǎo)彈發(fā)射車電器設(shè)備艙、發(fā)射架、油機(jī)電站、電源、液壓系統(tǒng)、通信設(shè)備等組成。承載車包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和駕駛室等。配套保障設(shè)備主要包括隨車備件及工具、篷布等。

發(fā)射車主要用于貯存、運(yùn)輸、起豎和發(fā)射導(dǎo)彈。在行軍狀態(tài)下,根據(jù)武器系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮,通過自行行軍,完成筒彈轉(zhuǎn)場機(jī)動(dòng)運(yùn)輸;進(jìn)入發(fā)射陣地后,通過自動(dòng)控制方式進(jìn)行快速高精度展開;在作戰(zhàn)狀態(tài)下,根據(jù)火控系統(tǒng)的指令和信息,自動(dòng)完成對筒彈的加電管理、發(fā)射準(zhǔn)備、預(yù)裝參數(shù)裝訂、導(dǎo)彈發(fā)射。

發(fā)射車任務(wù)階段包括戰(zhàn)前準(zhǔn)備階段、戰(zhàn)斗準(zhǔn)備階段和作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)施階段。

1) 戰(zhàn)前準(zhǔn)備階段。戰(zhàn)前準(zhǔn)備階段完成載車調(diào)平,設(shè)備加電自檢,定位定向以及發(fā)射架起豎。

2) 戰(zhàn)斗準(zhǔn)備階段。戰(zhàn)斗準(zhǔn)備階段完成與指控系統(tǒng)建鏈,狀態(tài)上報(bào),筒彈解鎖,筒彈加電以及狀態(tài)檢查。

3) 作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)施階段。作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)施階段的任務(wù)主要是根據(jù)指控系統(tǒng)的指令,發(fā)控設(shè)備完成導(dǎo)彈參數(shù)裝訂以及導(dǎo)彈發(fā)射控制。

發(fā)射車任務(wù)剖面圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射車任務(wù)剖面

1.2 關(guān)鍵部件的分析與確定

對目標(biāo)進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和部件分析是易損性分析中的重要步驟和內(nèi)容。關(guān)鍵件的辨識方法通常有損傷模式及影響分析方法(damage mode effect analysis,DMEA)及其改進(jìn)方法(damage mode effect and criticality analysis,DMECA)等[5]。在發(fā)射車執(zhí)行任務(wù)過程中,所有損傷模式對發(fā)射任務(wù)執(zhí)行的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:① 發(fā)射車功能嚴(yán)重喪失,任務(wù)失敗;② 發(fā)射車功能喪失,任務(wù)推遲;③ 發(fā)射車某一部分功能喪失,影響某一獨(dú)立功能;④ 輔助功能分系統(tǒng)故障,發(fā)射任務(wù)仍可執(zhí)行。

導(dǎo)致以上影響的功能項(xiàng)目主要有:載車無法調(diào)平;發(fā)射架起豎失敗;無法測量車身指向;關(guān)鍵分系統(tǒng)無法供電;發(fā)射控制計(jì)算機(jī)死機(jī);無法與指控系統(tǒng)進(jìn)行無線及有線通信;導(dǎo)彈無法彈射出筒;導(dǎo)彈飛行控制失效;指令制導(dǎo)失效;導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)失效;導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部失效。

借鑒國內(nèi)批產(chǎn)型號在設(shè)計(jì)、定型與批產(chǎn)中的DMEA分析經(jīng)驗(yàn),采用硬件分析法進(jìn)行發(fā)射車的DMEA分析。最終確定該型發(fā)射車的部分關(guān)鍵部件如表1所示。

表1 關(guān)鍵部件列表

1.3 發(fā)射車毀傷樹分析

毀傷樹分析是指對裝備在戰(zhàn)場上所造成種種損傷的各種因素進(jìn)行分析,畫出邏輯框圖,從而確定裝備損傷事件及相互之間的邏輯關(guān)系[6-7]。發(fā)射車功能毀傷是由關(guān)鍵部件毀傷導(dǎo)致的,部件毀傷與裝備毀傷之間的關(guān)系通常采用毀傷樹圖形式描述,圖2為發(fā)射車的導(dǎo)彈發(fā)射性能下降或喪失的毀傷樹圖(局部)。通過圖2毀傷樹,可進(jìn)行由部件向裝備整體的毀傷關(guān)聯(lián)性分析。

圖2 發(fā)射車毀傷樹模型(局部)

2 易損性等效模型構(gòu)建

2.1 材料等效模型構(gòu)建

由于真實(shí)物體的材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為便于進(jìn)行仿真和模型構(gòu)建,通常將目標(biāo)部件材料等效成某一標(biāo)準(zhǔn)金屬材料(例如Q235鋼、硬鋁合金、45鋼等)。本文中主要采用強(qiáng)度與密度準(zhǔn)則進(jìn)行材料等效,等效公式為

(1)

式(1)中:hm和hs分別表示等效靶板和原靶板的厚度;σm和σs分別表示等效靶板和原靶板的屈服強(qiáng)度[8]。

為盡量減小等效誤差,以材料性能盡可能相近為原則,結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn),列出防空導(dǎo)彈部分基本項(xiàng)目的等效材料,如表2所示。

表2 防空導(dǎo)彈發(fā)射車部分基本項(xiàng)目等效材料信息

2.2 等效三維幾何模型構(gòu)建

本研究中主要依靠實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的裝備戰(zhàn)損仿真平臺(tái)進(jìn)行幾何模型構(gòu)建,建模流程示意圖如圖3所示,基本步驟可描述如下:

1) 根據(jù)防空導(dǎo)彈裝備結(jié)構(gòu)建立裝備系統(tǒng)—分系統(tǒng)—基本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)樹模型,其中,基本項(xiàng)目包括關(guān)重部件和惰性部件,惰性部件只考慮其對關(guān)重部件的保護(hù)作用,無需考慮功能毀傷;

2) 根據(jù)基本項(xiàng)目幾何特點(diǎn)將基本項(xiàng)目分解為一個(gè)或若干個(gè)基本元素;

3) 將基本元素描述為基本幾何元素的組合,基本幾何元素之間的關(guān)系主要采用布爾運(yùn)算(并、交、差)來描述。基本幾何元素主要包括:長方體、球、正圓柱、直三棱柱、正圓臺(tái)、橢圓臺(tái)等;

4) 建立裝備的三維坐標(biāo)系,并根據(jù)防空導(dǎo)彈設(shè)計(jì)圖給出每個(gè)基本幾何元素的幾何描述(頂點(diǎn)坐標(biāo)、法向量、高、半徑等);

5) 建立防空導(dǎo)彈幾何描述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),完成上述數(shù)據(jù)的輸入、輸出、存儲(chǔ)等基本管理。

圖3 防空導(dǎo)彈發(fā)射車建模流程示意圖

3 空地彈藥殺傷效應(yīng)模型

攻擊防空導(dǎo)彈裝備的彈藥通常為空地導(dǎo)彈,此類型戰(zhàn)斗部主要通過產(chǎn)生大量自然破片和預(yù)制破片來殺傷目標(biāo),對于防空導(dǎo)彈發(fā)射車而言,可采用穿透函數(shù)、引燃函數(shù)和引爆函數(shù)來判斷彈藥是否對關(guān)重件造成毀傷。

3.1 穿透準(zhǔn)則[9]

對于單枚破片而言,其對裝備的殺傷概率與破片的比動(dòng)能有關(guān),經(jīng)驗(yàn)公式可表示為

(2)

式(2)中:P表示單枚破片對裝備的殺傷概率,Es表示破片在單位厚度單位面積的比動(dòng)能。

3.2 引燃準(zhǔn)則[11]

對于燃油箱等易燃類部件而言,通常采用引燃函數(shù)來判斷部件是否能夠引燃、引爆部件。單枚破片擊穿油箱等效靶板后的引燃概率為

式(3)中:i為單位著靶面積上的破片動(dòng)量;mf為破片的質(zhì)量;vf為破片的速度;AS為破片的著靶面積。

3.3 引爆準(zhǔn)則[12]

破片入射后,破片是否能夠引爆筒彈,引爆概率可描述為:

(4)

式(4)中:Ui為破片引爆參數(shù);ρt為殼體材料密度;hz為殼體等效硬鋁厚度;ρd為炸藥裝藥密度;m為破片質(zhì)量;δ為破片形狀系數(shù);vb為破片撞擊速度。

4 彈目交匯處理

在彈目交匯處理中,依托課題組開發(fā)的戰(zhàn)損仿真平臺(tái)來模擬彈目交匯過程,裝備戰(zhàn)斗損傷模擬平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由4個(gè)主要模塊組成,每個(gè)模塊又分別包含各自不同的組成部分[13]:

圖4 戰(zhàn)斗損傷仿真平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1) 威脅信息模型:根據(jù)彈藥的不同型號、終點(diǎn)彈道數(shù)據(jù),建立破片侵徹威脅效能數(shù)據(jù)庫,從而能夠指定需要的模型和方法,以此建立和輸出彈藥破片的效能描述,輸出結(jié)果可直接供分析人員使用或直接輸出到損傷模擬模型當(dāng)中;

2) 裝備信息模型:作為戰(zhàn)斗損傷仿真平臺(tái)中最復(fù)雜的一個(gè)模型,集中了裝備的各類數(shù)據(jù),包括裝備結(jié)構(gòu)、功能、材料特性、幾何特性、機(jī)械特性等,能夠提供諸如裝備目標(biāo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、裝備材料強(qiáng)度等效變換和裝備材料厚度等效變換等各方面的服務(wù);

3) 環(huán)境信息模型:完成對裝備所處戰(zhàn)場條件下地理、氣象等多方面環(huán)境因素的描述,包括環(huán)境因素的控制方法和修正計(jì)算方法等;

4) 損傷模擬模型:根據(jù)選擇的威脅模型、裝備模型和戰(zhàn)場環(huán)境模型,模擬威脅對裝備的損傷作用過程,并將得到的模擬結(jié)果進(jìn)行匯總,輸出裝備的物理損傷狀態(tài)信息。

模擬過程主要由以下4個(gè)方面組成:① 模擬破片的攻擊過程;② 模擬裝備基本幾何元素的毀傷;③ 模擬裝備基本單元(部件)的毀傷;④ 模擬裝備整體的毀傷。

通過定義不同的坐標(biāo)系統(tǒng)(包括地面坐標(biāo)系、裝備坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系),并根據(jù)設(shè)定的彈藥型號、彈道終點(diǎn)作用參數(shù)和彈藥、裝備的具體坐標(biāo),完成以上4個(gè)不同的損傷模擬過程,就可以實(shí)現(xiàn)裝備在特定狀態(tài)下遭受破片式彈藥攻擊的損傷模擬過程,并輸出裝備的受損部件,以及相應(yīng)的損傷概率等,彈藥和裝備之間的相對關(guān)系如圖5所示。圖5中,θ1表示水平角,θ2表示高低角,R表示脫靶距離,H表示炸高。破片對裝備的毀傷模擬過程如圖6所示。通過模擬可以獲得元素、單元和裝備被破片的侵徹次數(shù)、穿透次數(shù)和侵徹深度等損傷情況。

圖5 彈目相對關(guān)系

5 仿真算例分析

以某型巡航導(dǎo)彈攻擊地面某型地空導(dǎo)彈發(fā)射車為例,采用易損性等效模型對防空導(dǎo)彈發(fā)射車進(jìn)行易損性建模,并基于空地彈藥殺傷效用模型和彈目交匯處理模型進(jìn)行仿真評估。對該型彈藥的破片進(jìn)行抽樣仿真,得到破片的質(zhì)量分布和水平角分布如圖7、圖8所示。對該型導(dǎo)彈發(fā)射車進(jìn)行50次毀傷仿真,仿真結(jié)果如圖9所示。通過仿真可以獲得裝備整體及各部件的損傷程度和損傷模式等信息。

為進(jìn)一步研究彈目相對參數(shù)對該型裝備毀傷的影響,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[14-15]對彈丸速度、脫靶距離及彈丸俯仰角對毀傷的影響情況進(jìn)行分析。將裝備受破片打擊次數(shù)作為裝備毀傷程度的量化指標(biāo),各因素的水平設(shè)置如表3所示,試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及仿真結(jié)果如表4所示。

圖6 損傷模擬過程示意圖

圖7 戰(zhàn)斗部破片質(zhì)量分布

圖8 戰(zhàn)斗部破片水平角分布

圖9 仿真結(jié)果示意圖

表3 影響因素水平

表4 正交試驗(yàn)方案

(5)

(6)

式(5)中:yij為第j因素第i水平破片打擊次數(shù)之和,Nij為第j因素第i水平的試驗(yàn)次數(shù)。

表5 毀傷程度極差分析表

由表5可知,各個(gè)因素對裝備毀傷程度的影響從大到小排列依次為:脫靶距離R>水平角θ1>高低角θ2>彈丸速度V。為進(jìn)一步分析脫靶距離和水平角對裝備毀傷程度的影響,繼續(xù)進(jìn)行毀傷仿真,得到如圖10所示的毀傷規(guī)律。

圖10 各因素對毀傷程度影響規(guī)律

圖10結(jié)果表明,在彈丸與發(fā)射車的交匯過程中,脫靶量越小,彈丸入射角越小(水平角越大),發(fā)射車被毀傷程度越高。隨著脫靶距離的增大,一方面發(fā)射車毀傷程度呈指數(shù)級下降,另一方面彈藥入射角對裝備毀傷程度的影響也急劇減小。

通過仿真算例分析不難發(fā)現(xiàn),運(yùn)用本文易損性等效模型、空地彈藥殺傷效用模型和彈目交匯處理模型對裝備毀傷進(jìn)行仿真評估,可以有效地脫離裝備毀傷試驗(yàn)對實(shí)裝、陪侍裝備和環(huán)境的約束,極大提高毀傷試驗(yàn)效率,降低成本,提升安全性,評估模型設(shè)計(jì)合理,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠,結(jié)論可信,為靶場目標(biāo)毀傷評估計(jì)算提供了一種科學(xué)的計(jì)算方法,也為與考核近炸彈丸對地目標(biāo)作戰(zhàn)效能評估計(jì)算提供了新思路。

6 結(jié)論

1) 針對防空導(dǎo)彈易損性和毀傷評估研究需求,以某型防空導(dǎo)彈發(fā)射車為研究對象,進(jìn)行目標(biāo)分析,并構(gòu)建了易損性等效模型、空地彈藥殺傷效用模型和彈目交匯處理模型,開展毀傷仿真評估,為防空導(dǎo)彈發(fā)射車易損性評估打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2) 通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及極差分析,分析戰(zhàn)斗部的水平角、高低角、脫靶量和初速度對裝備毀傷程度的影響,并重點(diǎn)對脫靶量和水平角對裝備毀傷程度的復(fù)合作用進(jìn)行探究,得到了有效的結(jié)論。研究成果可為防空導(dǎo)彈發(fā)射車的易損性設(shè)計(jì)、戰(zhàn)斗部署、裝備維修器材供應(yīng)保障等提供重要借鑒。