基于杀爆战斗部轻型装甲车辆毁伤评估体系构建

李晓航，张力锋，张 鹏，冉 迪，王 乔

(1 陆装驻西安第七军代室，陕西 西安 710065；2 西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

战斗部是导弹、炮弹等武器的直接作战单元,添加制导部件后将其精确地送到目标附近进行引爆,产生破片、冲击波对目标进行毁伤。炮射类弹药主要有杀爆、侵彻、破甲等类型战斗部,根据毁伤目标的特点选择不同的战斗部。国内理论研究和试验手段多侧重于对武器系统可靠性、制导性能的评定或考核,对毁伤效能量化评估研究有待系统、深入研究,这将直接影响作战效能在火力运用中的应用[1]。

杀伤爆破战斗部将高能炸药装在刻槽的金属壳体内,爆炸后形成具有一定质量和数量的高速破片,并产生高速高压的爆炸冲击波,对轻型装甲车辆、火力点、人员、设备造成贯穿、超压、冲击等损伤,达到对目标的有效毁伤。近年来,制导弹药总要求中对战斗部威力考核的方法逐渐由静态指标向动态指标转换。本文主要以轻型装甲车辆类目标作为研究对象,以造成严重毁伤为考核要求,构建杀爆战斗部的动态毁伤评估体系。

1 国内外研究情况

自二战后欧美等国家陆续开展一系列的毁伤效能评估研究,包括目标易损性分析、战斗部毁伤分析及毁伤效能评估等内容。美国在1964年成立弹药效能联合技术协调小组(JTCG/ME)开展毁伤评估工作,编写《联合弹药效能手册》(JMEMs),内含武器性能详细数据、毁伤效能评估方法、毁伤效能计算平台等内容,至2012年已更新至V2.1版本[2]。美国从20世界80年代开始开发毁伤评估可视化仿真平台,1991年海湾战争后成体系的开展对战斗部威力、目标易损性的建模、仿真、测试及数据采集工作,科索沃战争后美军将战斗毁伤评估体系(BDA)作为优先发展项目,并在阿富汗、伊拉克等战场上收集详细的毁伤参数。2008年美国重点研究毁伤效能评估的建模与分析工具,至2013年美国陆军研究实验室成功研发模块化易损性评估套件MUVES3[3]。经过多年积累,美国建立起了一整套毁伤评估的体系,积累了大量的评估模型、评估手册、仿真平台及评估手段,研究成果如下表。

表1 美军毁伤评估成果Table 1 US military damage assessment achievement

此外,俄罗斯、德国、荷兰、瑞典、法国、英国等国也开展了一系列毁伤效能评估工作。俄罗斯初步构建了天基侦察体系,在材料易损性研究方面处于世界先进水平[7];德国开发出通用易损性模型UniVeMo分析了两种战斗部三种毁伤模式随着炸高及落角变化对轻型装甲车辆、运兵车、士兵等目标的毁伤效能,并对平民的附带毁伤进行评估[8];荷兰TNO实验室开发的TARVAC在弹目交会条件下对破片进行动态建模评估战斗部毁伤效应和目标易损性[9]。法国开的的Quranos系统、英国开发的FATool系统、瑞典开发的AVAL系统都对战斗部毁伤效能进行分析评估[10]。

国内从20世纪80年代开始对毁伤评估进行研究,建立了杀爆、破甲、聚能等不同类型战斗部的威力模型,对坦克、舰船、建筑、人员、生物羊等不同目标进行易损性分析,提出了毁伤树、贝叶斯网络、模糊推理、神经网络等多种算法进行毁伤评估[11-14]。

综上所述,美国经过多年积累建立起了较为成熟的毁伤评估体系,欧洲各国也开发出各种毁伤评估系统,我国虽在战斗部威力场建模、目标易损性分析、毁伤效能评估方面进行了大量研究,但由于缺少实战无法积累动态的毁伤数据,尚未形成行之有效的毁伤评估体系。

2 毁伤评估体系构建

杀爆战斗部攻击轻型装甲目标时,首先依靠弹体动能对目标造成结构性冲击破坏,战斗部引爆后产生大量高速破片形成穿孔,使目标局部易损特性发生突变,在此基础上部分破片穿透装甲后对车内人员、仪器设备造成毁伤,冲击波沿装甲车表面自爆点向外扩展对车体结构、车内设备、人员进行毁伤。

针对轻型装甲车辆,杀爆战斗部毁伤模式主要包括动能毁伤、破片毁伤、冲击波毁伤等3种模式,动能毁伤主要依靠弹丸自身动能对轻型装甲车辆的炮塔、发动机、驾驶舱等部位造成损伤,达到严重破坏程度;破片毁伤依靠战斗部在轻型装甲车内或车外爆炸产生高速破片对车辆本身造成穿孔,对车内设备、人员造成破坏,可通过在车内安放生物羊、模拟设备来验证破片的毁伤效果;冲击毁伤依靠战斗部爆炸产生的超压、过载对车内设备、人员造成破坏,可通过在车内安装超压、过载传感器来检测战斗部爆炸后产生的瞬时超压及过载。

2.1 动能毁伤准则

动能毁伤主要依靠弹丸撞击装甲目标实现毁伤,毁伤准则主要以极限穿透速度或者极限穿透深度来衡量,采用经典的De Marre公式或其修正公式[15]计算:

(1)

其中,h0为穿透深度;vm为弹丸速度;m为弹丸质量;d为弹丸直径;θ为弹丸落角;K为装甲材料特性系数。

由于弹丸的命中位置主要由外界发射环境和弹上部件性能决定,主要包括为发射诸元误差、目标测量误差、气动力误差、制导部件工作性能误差等,误差源及分布情况如表2所示。通过2 000次蒙特卡洛仿真,可计算出命中不同位置的概率分布情况如图1所示。

图1 命中精度及位置Fig.1 Hit accuracy and position

图2 第一发弹丸毁伤情况Fig.2 Damage from the first shot

图3 第二发弹丸毁伤情况Fig.3 Damage from the second shot

表2 误差源及分布规律Table 2 Error source and distribution law

假设弹丸的CEP为1 m,瞄准点中心为轻型装甲车辆的炮塔时,命中距离炮塔不同位置的概率f(R)服从正态分布N(0,δ),距离轻型装甲车辆瞄准点不同位置的装甲厚度为h(R),可得出动能毁伤概率Pd如下:

(2)

2.2 破片毁伤准则

破片作为最基本的毁伤元之一,几乎所有以炸药为毁伤能源的常规战斗部都能产生破片。战斗部起爆后炸药会形成爆轰产物来驱动破片在空气中运动。由Gumey公式计算破片初速v0为:

(3)

由于空气阻力作用,破片在空气中飞行速度vf随飞行距离增大而衰减,其运动规律如下:

vf=v0e-ar

(4)

其中:a为破片衰减系数[16];r为破片运动距离。破片飞行后产生的动能E为:

(5)

其中mf为破片质量。破片质量大于m时的破片数量用Mott公式描述为:

(6)

其中:μ为破片常数;ms为战斗部壳体质量。满足质量要求的有效破片密度为:

(7)

其中φ为破片飞散角。

破片对人员有效杀伤的杀伤能量Er一般为78～98 J,结合破片速度可计算出对人员杀伤破片的有效质量mr,再根据有效破片密度公式计算破片对人员有效毁伤概率Pr为[17]:

Pr(r)=1-e-ε(r)S

(8)

其中S为人员易损面积,一般取值为0.75 m2。

破片对于装甲车辆的毁伤一般采用线性分布概率,当破片比动能大于4.5×108时,可造成有效毁伤,破片比动能Ef计算公式为:

(9)

其中:h为目标面厚度;A为破片平均迎风面积;mc为对装甲车辆有效杀伤的破片质量,再根据有效破片密度公式计算破片对轻型装甲车辆目标的有效毁伤概率Pc为[18]:

(10)

2.3 冲击波毁伤准则

爆炸冲击波对目标毁伤较为复杂,它主要取决于冲击波超压峰值,冲击波的毁伤准则通常使用超压准则的0-1 分布毁伤律模型,即:

(11)

其中:ΔP为冲击波超压峰值;P0为超压毁伤判据。我国国防工程设计规范中规定的峰值超压设计计算公式为[16]:

(12)

2.4 过载毁伤准则

车内设备及人员承受的过载超出承受范围时,会对车内设备造成损坏,人员造成杀伤。与冲击波毁伤原理类似,战斗部爆炸产生的冲击力作用于设备及人体表面造成过载毁伤,过载毁伤准则也可采用0-1分布毁伤律模型,即:

(13)

其中:n为过载;n0为设备或人体能承受的过载,过载可按式(14)计算:

(14)

其中,Sz为设备或人体接触面积;mz为设备或人体质量;g为重力加速度。

2.5 毁伤评估体系

根据国际GJB8934-2017《装甲装备战场毁伤等级评定》中以装备毁伤程度及抢修的难易程度将装甲装备战场毁伤等级分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和报废4个等级。文中将杀爆战斗部4种毁伤模式以毁伤概率及毁伤部位作为划分依据将毁伤等级分为轻度毁伤及严重毁伤,提出针对轻型装甲车辆的综合毁伤评估体系。

杀爆战斗部对轻型装甲车辆及车内设备、人员的毁伤模式包括动能、破片、超压及过载,要达到对轻型装甲车辆的严重毁伤,可以依靠弹丸动能对发动机、炮塔等车辆关键部件造成结构损伤,使其不可维修或维修时间超过可接受范围;依靠破片对观瞄装置、火控系统等车内设备及人员造成伤害,使其较长时间失去作战能力;依靠瞬时超压或过载对车内无线电、计算机等设备或人员造成毁伤,达到对目标的严重毁伤。

基于杀爆战斗部动能、破片、超压及过载的毁伤模式构建其对轻型装甲车辆的综合毁伤评估准则如表3所示。

表3 综合毁伤评估Table 3 Comprehensive damage assessment

2.6 评估方法

在武器系统研制的不同阶段,对毁伤评估的关注点不同,从试验场地条件限制及测试成本出发重点针对动能、破片、超压、过载不同毁伤模式中的某一种及两种进行重点评估,需要从某种单一毁伤情况来综合判断毁伤情况。

动能毁伤是毁伤模式中可直观观测评估的一类,当观察到命中动力系统、炮管、驾驶舱等关键部位且造成结构性损伤时可直接判断对目标造成了严重毁伤。破片、超压及过载对人员及车内设备的毁伤情况可选择一种毁伤模式重点评估,当车内关键仪器或人员所在位置有效破片数量超过5片时,或车内关键仪器或人员所在位置超压超过0.05 MPa,或车内关键仪器或人员所在位置过载超过500g,3个条件满足一个均可判定对目标造成严重毁伤。

3 毁伤评估试验验证

为验证综合毁伤评估准则的实用性及准确性,通过对轻型装甲车辆防护特性开展目标易损性分析,设计出等效靶标,制定测试方案,开展实弹射击试验,观察等效靶标的整体结构、破片分布,测试等效靶标内部生物、超压、过载毁伤情况,对毁伤等级进行评估分析。

3.1 目标易损性分析

轻型装甲车辆目标是指相对于重型主战坦克而言装甲防护能力相对较弱的所有具有装甲防护能力的地面战场上的各种车辆的总称,步兵战车和装甲输送车是轻型装甲车辆家族中较为重要的两种车型,它们在结构等方面大体相同,其主要不同之处在于火力配备和防护能力等方面存在一定的差异,由于在战场上步兵战车的战斗位置比输送车更靠前方,因而装甲稍厚,防护能力更强,在火力配备上,步兵战车通常也强于装甲输送车。

文中将以步战车为典型目标开展轻型装甲目标易损性研究和目标等效模型的构建。根据经验数据分析,维修时间超过30 min对步战车可达到严重毁伤的效果,使其失去作战能力。步战车维修时间超过30 min的主要部件包括:发动机、传动箱、起动电机、变速箱、消防控制系统、炮塔。

基于目标结构、毁伤等级和毁伤树分析,考虑步战车内、外部易损部件对应的毁伤等级权重和维修时间,选定步战车炮塔、火控计算机及人员等为目标关键部件。实现“使轻型装甲车辆目标严重损伤”指标对应的毁伤条件为:炮塔毁伤、火控系统毁伤、观瞄系统毁伤。

3.2 靶标等效设计

毁伤目标为轻型装甲车辆,对其外形进行适当简化,免去车辆底盘和传动系统,炮塔连接采用真实状态,保留炮塔结构和连接,保留观瞄仪器安装位置,免去炮管等设备,建立模拟靶标,模拟靶标防护情况如表5所示。

表5 等效靶标防护情况Table 5 Protection characteristics of the equivalent target

3.3 测试方案设计

针对杀爆战斗部存在动能、破片、超压、过载等毁伤模式,设计测试方案要点如下:

1)结构毁伤测试:分别选择炮塔、车身为瞄准点,弹丸命中后观察车辆的结构损伤情况。

2)生物毁伤测试:在目标驾驶员和车长位置各放一只生物羊。生物羊的放置高度与驾驶员和车长工作状态一致。在驾驶舱和炮塔处分别放置试验小白鼠,测试破片、超压、过载对生物的影响。

3)破片测试:在车内放置模拟的仪器设备,弹丸命中后观察车辆及车内模拟仪器设备的破片分布情况。

4)超压测试:在车内无线电、计算机等设备及人员所在处安装壁面式超压传感器,测试车内不同位置超压情况。

5)过载测试:在车内仪器设备、人员所在的位置布设过载传感器,测试车内不同位置的过载。

3.4 毁伤试验验证

采用自行榴弹炮发射两发弹丸射击模拟靶标,一发命中驾驶舱侧面装甲,一发命中炮塔侧面。毁伤效果如下:

1)结构及破片毁伤情况:第一发弹丸命中位置为模拟目标驾驶舱侧面装甲,该处为6 mm装甲钢,造成约50 cm×40 cm的开孔,驾驶舱盖飞出。第二发弹丸命中位置为炮塔侧面,该处为20 mm装甲钢,战斗部爆炸位置距弹着点约400 mm,,炮塔与车体连接破坏,炮塔命中位置变形区域约Φ160 mm,有大量破片穿孔,车体内部支撑梁等结构脱落、变形。

2)生物毁伤情况:第一发弹丸命中后对驾驶位大鼠布造成毁灭性损伤,个体间无法辨认,生物羊右后肢造成一处长度约3 cm深至肌肉层的破片伤。第二发弹丸命中后山羊胸腔有一处直径约为5 cm的破片贯穿伤,腹腔右侧有一处3 cm破片伤贯穿伤。

3)超压情况:当超压达到0.049 MPa时,无线电设备会遭到破坏;当超压达到0.05～0.1 MPa,可对人员造成严重毁伤;当超压超过0.1 MPa时,可造成人员极严重损伤。两发弹丸对模拟目标内部造成的超压均超过0.05 MPa,可对车内人员和设备造成损伤及破坏。

4)冲击过载情况:当冲击过载达到523g以上时,会对电机组、计算机设备严重破坏,造成人员内脏严重损伤。两发弹丸对模拟目标内部造成的冲击过载均远大于1 000g,车内冲击过载较大,在该过载环境下,极易造成车内设备及人员损伤。

4 毁伤效果评估

当弹丸命中炮塔时,会对炮塔与车体连接造成破坏,炮塔脱落,炮塔模拟仪器功能丧失,冲击波和破片可对有生力量造成致命毁伤,冲击振动可造成车内焊接件脱落、仪器连接松动,达到严重毁伤效果。

当弹丸命中命中炮塔以外区域时,会造成车体结构局部破坏,可爆破穿透6 mm装甲钢,破孔附近的冲击波和破片可对有生力量和仪器设备造成致命毁伤,冲击振动可造成车内焊接件脱落、仪器连接松动,达到严重毁伤效果。

5 结束语

文中以“杀爆战斗部对轻型装甲车辆目标造成严重毁伤”这一毁伤等级要求为导向,分析杀爆战斗部的毁伤模式,构建出综合毁伤评估体系,选取步战车作为轻型装甲车辆的代表,进行了目标易损性分析,根据防护特性设计出模拟目标,提出测试方案并进行试验验证,从结构损伤、破片损伤、生物毁伤、冲击、超压等方面对杀爆战斗部的动态威力毁伤情况进行了评估分析。