EFP战斗部穿甲威力对末敏弹作战效能影响分析

郑 斌，尚 勇，程丽丽，魏 琳，李蓓蓓

(1 西安现代控制技术研究所, 西安 710065；2 32381部队，北京 100072)

0 引言

末敏弹打击的主要目标类型是坦克、自行火炮、步兵战车及装甲运输车等地面装甲车辆。末敏弹属于攻顶弹药，采用EFP战斗部技术攻击装甲车辆的顶部装甲来实现对目标的毁伤。EFP战斗部穿甲威力小无法对目标实现有效毁伤，穿甲威力大将对设计、制造带来一系列的困难，甚至无法实现。因此合理提出EFP战斗部穿甲威力的技术指标具有重要的实际意义。

殷希梅等通过总结国内外现役末敏弹装备，对末敏弹关键技术进行了分析，得到了当前EFP战斗部常见的技术指标。武天宇等对EFP战斗部毁伤效应进行了研究，得到了EFP侵彻深度的变化规律。谢文等研究了末敏弹射击效能，建立了射击效能计算模型。刘文举等建立了命中与毁伤目标模型，考虑了命中装甲目标不同区域后的毁伤效果。然而目前探讨EFP战斗部穿甲威力、末敏弹作战效能之间关系的研究相对较少。

针对EFP战斗部穿甲威力、末敏弹作战效能之间关系的问题，建立顶部毁伤区域模型和命中率模型，进行了仿真计算，并对不同EFP战斗部穿深对毁伤概率的影响进行了分析。

1 目标特性分析

主要对相对防护较强、装甲较厚的主战坦克进行目标特性分析，建立用于末敏弹效能评估的主战坦克顶部毁伤区域模型。着重对德国豹2，美国M1系列、苏联T-72、T-80，日本90式和中国99式坦克主战坦克的结构尺寸特征和装甲厚度进行分析。

1) 德国豹2主战坦克

德国豹2坦克是联邦德国20世纪70年代研制的主战坦克，车体长7.7 m，车宽3.7 m，车体首上和炮塔前部均采用间隙复合装甲，车体前端呈尖角形状，防护能力相当于700～850 mm均质装甲；炮塔外轮廓低矮，防弹性能好，待发弹位于炮塔尾舱，用气密隔板与战斗舱隔离。炮塔顶部装甲厚度为40 mm，车体尾部发动机区域装甲厚度为20 mm，德国豹2坦克三视图如图1所示。

图1 德国豹2坦克三视图

2) 美国M1A1主战坦克及改进型

美国M1A1主战坦克属于战后的第3代坦克，车体长7.9 m，车宽3.7 m，车体前部和炮塔采用了贫铀装甲，防破甲弹能力相当于均质装甲的3～5倍。该坦克现已成为美陆军的主力坦克，美国M1A2是M1A1改进型坦克，车体长7.9 m，车宽3.6 m，车体和炮塔的装甲厚度相当于600 mm和700 mm的均质装甲。

3) 俄罗斯T-72坦克

T-72坦克为苏联研制的第3代主战坦克，车体长6.4 m，车宽3.4 m，车体首上装甲采用复合装甲，共3层，外层为80 mm厚的钢质装甲，中间层位为104 mm厚的玻璃纤维，内层为20 mm厚的钢甲，为大倾角构形，相当于500～600 mm的均质装甲防护能力；车体顶部装甲10 mm厚的钢板。炮塔为铸造件，各部位厚度不等，炮塔正面位置最厚，顶部装甲厚度为45 mm。

4) 日本90式主战坦克

日本90式主战坦克，车体长7.5 m，车宽3.4 m，车体和炮塔前部采用复合装甲，其它部位采用了间隙装甲，炮塔内部有防火板间隔，有三防装置，炮塔前的复合装甲厚度550 mm，该坦克没有对付顶部攻击的特殊装甲防护。

5) 中国99式主战坦克

99式坦克是目前我军研制的最新型的第4代主战坦克，车体长7.6 m，车宽3.5 m，炮塔采用焊接结构，防护能力相当于700 mm均质装甲，车体正面和侧面采用复合装甲，并加装了新的楔形双防反应附加装甲，防护能力相当于600 mm均质装甲，车体和炮塔顶部装甲厚度为30 mm。

2 主战坦克顶部毁伤区域模型

综合上述典型主战坦克结构尺寸和装甲特性数据，按照功能和装甲厚度划分主战坦克顶部区域，统计各区域装甲厚度如表1所示。

表1 典型主战坦克各区域装甲厚度

由表1可知，主战坦克炮塔正面和首上装甲最厚且采用复合装甲，防护能力最强；炮塔两侧一般加装模块装甲，防护能力较强；炮塔顶部和尾部，车体顶部和尾部及两侧履带为坦克装甲最薄弱部位。

根据EFP战斗部威力指标及其技术水平，可得出：

1)炮塔顶部和尾部，车体顶部和尾部及两侧履带钢板厚度小于60 mm，EFP战斗部可穿透；

2)炮塔正面和首上抗穿甲厚度大于400 mm，EFP战斗部无法穿透；

3)炮塔两侧钢板厚度60～120 mm之间，EFP存在一定的概率能被穿透。

若EFP战斗部穿深在80～130 mm之间，只是对炮塔两侧区域的毁伤效果有影响。影响程度用毁伤概率表征，因为毁伤概率与命中率密切相关，因此首先用计算机仿真计算命中率，然后再分析EFP战斗部穿甲威力对末敏弹作战效能的影响。

建立以功能和装甲厚度划分区域的主战坦克顶部毁伤区域模型，采用蒙特卡洛法模拟末敏弹射击过程，统计末敏弹命中目标各区域的概率。

主战坦克主要尺寸为：

1)车体：7.5 m×3.5 m；

2)炮塔顶部：3.2 m×2.4 m；

3)履带宽：0.6 m；

4)首上区域：1.4 m×2.3 m；

5)车体尾部发动机部位：1.8 m×2.3 m。

主战坦克顶部毁伤区域模型如图2所示。

图2 主战坦克顶部毁伤区域模型示意图

图中绿色部分为EFP可穿透区域，红色部分为EFP不能穿透区域，黄色部分为EFP介于穿透和穿不透之间的区域。

3 主战坦克顶部各区域命中率仿真计算

建立末敏弹母弹运动模型，末敏子弹减速减旋运动模型、稳态扫描运动模型、捕获目标模型、命中目标模型，并考虑各作用环节的参数误差，采用蒙特卡洛法模拟射击过程，逐发判断子弹EFP是否命中目标及命中目标区域，统计得出末敏弹对目标顶部各区域的命中率。

3.1 末敏子弹扫描运动模型

末敏子弹扫描轨迹方程是在扫描坐标系下得出的，当末敏子弹进入稳态扫描后，子弹以稳定的落速、转速和扫描角运动，敏感轴与水平面的交点(即扫描点)的轨迹如图3所示。

图3 末敏子弹与水平面的交点轨迹

图中为子弹匀速下落速度，为子弹绕铅直轴匀速旋转的转速，为子弹弹轴与铅直轴的夹角(即扫描角)，为起始扫描中心在水平面上的投影，为子弹起始扫描高度，为子弹最大扫描半径，为子弹最大作用距离。

末敏子弹敏感轴与威力轴在扫描坐标系内的位置关系如图4所示。

图4 敏感轴与威力轴在扫描坐标系内的位置关系

末敏子弹敏感轴扫描轨迹的极坐标表示为：

(1)

式中：为敏感轴在-平面的投影长；,m为子弹敏感轴与铅直轴的夹角；为末敏子弹扫描时敏感轴在-平面的投影与轴的夹角；为末敏子弹起始扫描时威力轴在-平面的投影与轴的夹角；为动态补偿角在地面的投影角。

末敏子弹威力轴扫描轨迹的极坐标为：

(2)

式中：为威力轴在-平面的投影长；,w为子弹威力轴与铅直轴的夹角；为末敏子弹扫描时威力轴在-平面的投影与轴的夹角。

动态补偿角沿扫描圆锥母线设置,m=,w=，其中:

=+sin (2π+)

(3)

式中：为扫描角的期望值；为摆动幅值；为摆动频率；为扫描角的初始相位。

在扫描坐标系中，敏感轴的直角坐标方程为：

(4)

威力轴的直角坐标方程为：

(5)

3.2 弹目交会和目标识别模型

设定位系数为，目标识别区域为，则

(6)

式中：,分别为目标区的长和宽，当敏感轴的扫描轨迹(,)进入目标识别区时，则认为弹目发生交会。

假设敏感器识别目标的概率为，抽取[0,1]区间内均匀分布的随机数，当弹目发生交会时：

若<，认为末敏子弹已识别目标；

若>，认为末敏子弹未识别目标。

3.3 命中目标模型

末敏子弹捕获目标后，设进入目标识别区的时刻为，扫出目标识别区的时刻为，则理想瞄准点的时刻=(+)2。考虑切向定位精度、EFP飞行时间和EFP密集度后即可模拟出末敏子弹命中点坐标，判断目标是否被命中。设末敏子弹命中点坐标为(，)，目标命中区域为，在这里是取目标全部面积的区域。满足(，)∈，则末敏子弹命中目标，否则末敏子弹没有命中目标。目标分目标静止和运动两种情况:

1)目标尺寸：7.0 m(长)×3.5 m(宽)×1.5 m(高)；

2)子弹参数：可靠性为0.92，落速为16 m/s；转速为6.5 rad/s；扫描角为30°；识别概率为0.9；密集度×：0.2 m×0.2 m。

末敏弹命中主战坦克顶部各区域的概率计算结果如表2所示。

表2 目标各区域的命中概率

4 EFP穿甲威力对作战效能影响分析

假定末敏弹对装甲目标命中并穿透，目标即毁伤，则末敏子弹的毁伤概率为：

(7)

式中：为毁伤概率；,m为命中概率；,c为穿透概率。

根据EFP战斗部威力指标及其技术水平，分析得出末敏弹对坦克各区域的穿透概率,c：

1)EFP战斗部可穿透区域，穿透概率为1；

2)EFP不能穿透区域，穿透概率为0；

3)EFP介于穿透与穿不透之间区域(炮塔两侧钢板)，能否穿透是存在一定概率的。

若EFP不能穿透炮塔两侧区域，穿透概率为0，则对静止目标或运动目标，毁伤概率分别为0.696，0.591；若EFP能穿透炮塔两侧区域，穿透概率为1，则对静止目标或运动目标，毁伤概率分别为0.732，0.617。

因此，EFP能否穿透炮塔两侧区域，末敏弹的毁伤概率相差4%左右。

分析当EFP穿深在80～130 mm时，能否穿透炮塔两侧区域，对末敏弹的毁伤概率影响。

不考虑弹着角等因素，假设EFP穿深大于120 mm，能够穿透炮塔两侧区域，穿透概率为1；EFP穿深在100～120 mm，穿透炮塔两侧区域的概率为0.5；EFP穿深小于100 mm，则不能穿透炮塔两侧区域，穿透概率为0，则仿真计算得出：

1)EFP垂直穿深在120～130 mm时，对静止或运动的单目标，毁伤概率分别为0.732，0.617；

2)EFP垂直穿深在100～120 mm时，对静止的或运动的单目标，毁伤概率分别为0.714，0.604；

3)EFP垂直穿深在80～100 mm时，对静止的或运动的单目标，毁伤概率分别为0.696，0.591。

EFP穿深与毁伤概率的关系如图5所示。

由以上分析并结合图5可知，EFP穿深在80～130 mm变化时，虽然毁伤概率会随着EFP穿深增加有所提高，但是提高程度很小，无论对静止目标还是运动目标其毁伤概率的变化范围均在4%以内。

图5 EFP穿深与毁伤概率的关系图

5 结论

通过研究得出以下结果：EFP穿深在80～130 mm变化时，对装甲目标(静止、运动)毁伤概率的变化范围均在4%以内。该研究结果表明，EFP穿深在80～130 mm变化时，对末敏弹作战效能影响很小。文中研究揭示了EFP战斗部穿甲威力和末敏弹作战效能之间的规律，可为末敏弹EFP战斗部的论证、设计提供参考依据。