高射速中口径舰炮层层拦阻射击反导效能分析*

贾国辉 王学军

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)



高射速中口径舰炮层层拦阻射击反导效能分析*

贾国辉 王学军

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

为提升中口径舰炮反导能力,提出了高射速下中口径舰炮层层拦阻射击的方法,利用多发炮弹在反舰导弹运动航路上同时空炸,形成若干破片域,经过破片域等效分析计算在120发/min、240发/min、360发/min、480发/min的高发射速率下,对不同运动速率的反舰导弹在该种射击方法下的毁伤概率。计算结果表明:基于舰炮的高发射速率,在层层拦阻射击方式下,全航路对目标的毁伤概率相对于传统的跟踪射击有较大提高。

中口径舰炮; 层层拦阻射击; 多发同时空炸; 发射速率; 等效分析

Class Number TJ015

1 引言

现代反舰导弹的运动速率越来越快,机动性越来越强,突防概率大大增加,对舰艇的安全构成极大的威胁[1],舰炮反导功能的发展和提升已受到越来越高的关注。小口径舰炮的反导能力已经得到了充分发展,而中口径舰炮的反导效能还没有达到未来战争所要求的程度[2]。在不断提高中口径舰炮射速、射程的基础上,提出适合于中口径舰炮反导的射击方法也是非常重要的一环[3]。

2 拦截数学模型的建立

2.1 空炸射击层层拦截模型

空炸层层拦截模型指在目标提前点上发射多发炮弹,由控制弹丸运动参数和引信作用时间使得弹丸在目标航路上的某些点同时爆炸,形成破片域来拦截目标[4]。拦截示意图如图1所示。

图1 层层拦截示意图

O点为炮口位置,目标从右往左以λ俯冲角匀速通过火炮防区,航路为L。A0为初始拦截点,H0、d0分别为目标初始巡航高度和距离火炮口的初始水平距离,β0为目标初始航路角;Ai、Ai+1为第i次和第i+1次拦截点,Hi、Hi+1为第i次和第i+1次拦截时目标的巡航高度,di、di+1为第i次和第i+1次拦截时目标距火炮口的水平距离,βi、βi+1为第i和第i+1次拦截时目标航路角。各参数间满足以下公式:

式中si表示目标在两次拦截间隔内的运动距离,Vm表示目标的运动速度,ti为两次拦截的间隔时间,包括舰炮每次发射的准备时间tz、弹丸飞行时间tfi、开舱时间tk和破片飞行时间tp。

2.2 层层拦阻射击破片域等效分析

多发层层同时空炸拦截不同于小口径舰炮的层层拦截,小口径舰炮是利用弹丸动能直接毁伤目标,而空炸层层拦截涉及到多发弹丸落点分布和多发弹丸爆炸后的破片密度、破片飞散区域,其不同于单发弹丸爆炸后的锥形体[5]。但是,可以通过随动系统控制每发弹丸的落点,使其按照一定的方式排列,各个弹丸锥形体之间相互补充,在空间形成比较规则的区域,然后将多发炮弹等效为单发炮弹进行计算。本文中根据拦截弹丸数的不同将多发炮弹爆炸后形成的破片区域组合成圆锥体或者圆台,示意图如图2所示。

图2 破片域等效图

等效模型的要求:

1) 各弹丸的散布应使得各弹丸破片飞散区域尽可能地没有重合,同时又应该相互之间最大限度地填补各区域之间的空隙,使得在整个等效区域内几乎没有破片作用的空白区。

2) 误差补偿。在弹丸的组合排列里,难免会存在少部分的破片未作用到的区域,这样会使计算结果偏大,所以在确定等效区域时,刻意的收缩等效区域的外围,以弥补空间内部带来的计算误差。

3) 各弹丸必须同时引爆才能形成理想的空间杀伤区域,所以对弹丸的引信要求比较高。

3 单层拦截的毁伤概率[5～8]

空炸射击的毁伤由两部分组成,一是弹丸在目标附近弹着,二是弹丸爆炸破片命中毁伤目标,即空炸射击的毁伤概率等于弹丸在空间某点爆炸的概率与弹丸在该点爆炸时对目标的条件毁伤概率的乘积。将单层拦截的弹丸等效为一发后直接按照空炸射击的单发毁伤概率计算(一组误差型)。

(1)

其中:X为弹丸为炸点坐标,X=(x1,x2,x3)T;φ(X)为炸点分布密度函数;K(X)为坐标毁伤定律。

以目标提前点为坐标原点分别建立x坐标系和z坐标系,利用简化坐标毁伤定律,毁伤概率计算公式用矩阵形式可简化为

(2)

φ(X)为射击误差分布密度函数,计算式为

(3)

(4)

φ(X)、k(X)为两个正态分布函数的卷积式,则毁伤概率P的计算可化为

Kf=Kφ+Kk

(5)

4 计算及结果分析

4.1 不同发射速率对不同速度目标的拦截次数

发射速率的不同影响每个拦截层面的形成时间,发射速率高在整个航路上的拦截次数就多,拦截毁伤的成功率也自然较高;另外对于不同速度的目标,有效的拦截时间不同,也直接影响到拦截效能。不同发射速率、单层不同弹丸数、不同速度目标下的拦截次数如下表(拦截区段500m～5000m,每次发射准备时间tz、开舱时间tk和破片飞行时间tp合计为0.5s)。

表1 不同目标速度、发射速率下单层可拦截次数

由表1可知,随着目标速度的增加,拦截次数减少,因为目标运动越快,有效的拦截时间越少;随着单层弹丸数的增加,拦截的次数总体上也在降低。

4.2 单层拦截的毁伤概率计算及结果分析

飞航式反舰导弹以水平航路朝着舰艇飞行,飞行高度10m,目标强度为15mm厚的铝板,命中面积0.5m2;单发弹丸携带破片数1586枚,弹丸初速为800m/s,采用时间近炸引信,在炮口可装订引信作用时间,引信作用半径3m,作用率≥90%。舰炮的各类误差按某型中口径舰炮的射表计算。利用Matlab编程计算在单层不同弹丸数和不同目标运动速度条件下,在第一层拦截时的毁伤概率[9～10]。单层不同弹丸数,目标速度在300m/s～500m/s之间时毁伤概率变化趋势如图3。由图3可知:

1) 随着单层弹丸数的增加,舰炮对导弹的拦截毁伤概率增加,因为单层拦截的作用空间增大。

图3 单层拦截毁伤概率趋势

2) 当单层弹丸数由以5发为间隔时,随着数量的增加,单层的拦截毁伤概率并不是等间隔增加的,单层10发相对于单层5发之间的毁伤概率增加量明显大于单层15发相对于单层10发的增加量,也就是说,随着单层弹丸数的增加,单层拦截毁伤概率的增加速率降低。每层拦截时多发弹丸的排列是以目标提前点为中心,向四周散开,弹丸数增加时也是在原有的基础上继续向外扩散,所以就造成弹丸数增加相同,而毁伤概率的增加幅度却降低。

3) 对每一层的拦截,随着目标运动速度的增加,毁伤概率降低,而且降低的速率越来越快。目标速度增加,弹丸对目标的作用效果会发生变化。

4.3 全航路毁伤概率

设单层拦阻射击的射击误差均为不相关、非重复误差,即在目标全航路中每次单层拦截的毁伤概率相同,则在全航路中舰炮对300m/s、500m/s的毁伤概率如表2所示。

表2 300m/s、500m/s目标的全航路毁伤概率

5 结语

1) 在高发射速率的支持下,利用层层拦阻射击的方法,可以较大程度地提高中口径舰炮的反导能力。相同的射击条件下,中口径舰炮层层拦阻射击(10发/层、15发/层)可以比跟踪射击达到更高的毁伤概率。

2) 使用层层拦阻射击时时,可以10发/层、15发/层中灵活切换,两者结合发射能够达到最大的射击效果。

3) 对于超音速导弹,速度达到2Ma、3Ma时,单门舰炮对其有效的拦截成功率较低,应该多门舰炮配合使用。

利用高发射速率的中口径舰炮配合小口径反导舰炮,中口径舰炮层层拦阻射击,小口径舰炮跟踪射击或饱和空域窗射击,对各类导弹可以达到非常理想的反导效果。

[1] 陈国生,甲子英.舰艇编队协同防空火力分配模型研究[J].指挥控制与仿真,2011(6):13-15.

[2] 王学军,潘志刚.高速导弹的饱和拦截[J].火炮发射与控制学报,2006(1):69-72.

[3] 胡献君,王航宇,石章松.火炮射击问题探究[J].火炮发射与控制学报,2013(3):88-92.

[4] 陈红彬,钱林方,徐亚栋.中口径火炮反导限时毁伤评估[J].火炮发射与控制学报,2013(3):80-83.

[5] 崔占忠,宋世和,徐立新.近炸引信原理[M].北京:北京理工大学出版社,2005,5:65-71.

[6] 邢昌风,李敏勇,吴玲.舰载武器系统效能分析[M].北京:国防工业出版社,2007,10:205-236.

[7] 张洪向.舰载武器系统射击效力分析[M].武汉:海军工程大学,2001:32-46.

[8] 田棣华,肖元星.高射武器效能分析[M].北京:国防工业出版社,1991:112-140.

[9] 曾前腾,吴慧中.着发射击高射武器系统点射毁歼概率仿真[J].兵工学,2006,27(1):126-131.

[10] 曾凡军.某型防空武器系统打击巡航导弹效能分析[D].南京:南京理工大学,2009:46-55.

Anti-missile Efficiency Based on Multi-layer Interception Firing Method of Medium Caliber Naval Gun with High Firing Rate

JIA Guohui WANG Xuejun

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

To improve the anti-missile ability of medium caliber naval gun, the multi-layer interception firing method for medium caliber naval gun with high firing rate is presented. Several fragments area is formed by simultaneous exploding of multiple shells on the route of anti-missiles. The goal is to calculate the damage probability of anti-missile in various motion rates under 120 rounds/min, 240 rounds/min, 360 rounds/min, 480 rounds/min using equivalent analysis on these fragments areas. The results shows that the multi-layer interception firing method based on the high firing rate of the naval gun owns higher damage probability than conventional tracking fire way in the whole route, which provides a new way for medium caliber naval gun to intercept the anti-missile.

medium caliber naval gun, multi-layer interception firing, simultaneous exploding of multiple shells, firing rate, equivalent analysis

2014年9月7日,

2014年10月28日

贾国辉,男,硕士研究生,研究方向:舰炮设计理论与总体技术。王学军,男,副教授,研究方向:火炮系统分析与总体设计。

TJ015

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.029