V o l. 28, N o. 6 D ecem ber, 2003
火力与指挥控制
F ire Contro l & Comm and Contro l
第28 卷第6 期
2003 年12 月
文章编号: 100220640 (2003) 0620081204
杨玉林, 赵国志, 王戈冰
(南京理工大学, 江苏南京210094; 南阳理工学院, 河南南阳473000)
摘要: 目标毁伤评估的基本方法之一是实验的方法。而总是依靠大量的原型实验进行评估是不可能。提出了利用等效实验的方法进行目标毁伤评估, 并结合动能弹毁伤装甲目标这一典型弹靶系统, 讨论了等效靶的概念、建立及应用问题。
关键词: 装甲目标; 毁伤评估; 等效靶
中图分类号: TJ 38 文献标识码: A
Surrogates for Arm or Targets Vulnerab il ity A ssessm en t
YA N G Yu2lin, ZHAO Guo 2z h i,W A N G Ge2b i ng
(N anj ing U n iversity of S cience and T echnology , N anj ing 210094, Ch ina;
N any ang Institu te of T echnology , N any ang 473000, Ch i na)
风电功率预测Abstract: T esting is one of basic m ethods on target vu lnerab ility analysis. It it i m po ssib le to depend on fu ll up o r fu ll2scale testing. In th is paper, an equ ivalence testing m ethod w as pu t fo rw ard. W ith a typ ica l amm un it i o n target system that is KE p ro jectiles im pacting a rm o r targets, th is paper pu ts fo rw ard the con2 cep t of target su rrogates and discu ssed the p rob l em abou t how to select target su rrogates fo r vu lnerab ility assessm en t testing.
Key words: a r m o r target, vu l nerab ility assessm en t, target su r rogate
引言
长期以来, 毁伤评估研究一直是武器装备的设计者和使用者所关注的重要问题。实射实验和模型分析是进行目标毁伤评估研究不可或缺的两种方法。这种方法都要对特定的弹靶系统进行等效。目标毁伤等效问题的研究具有重要的理论意义和工程实践意义。目前, 国外一些研究人员正从事这方面的探索。如D. Bou rget 等人提出用多层金属薄板作为后效靶进行乘员的毁伤评估, M. H eld 则研究了部件在金属射流作用下的均质钢靶等效问题等等。国内也有一些研究人员就某型武器的关键部件等效靶的建立问题进行了研究。但从理论上分析运用等效靶方法进行目标毁伤评估分析的可行性及必要性, 系统的讨论等效靶的概念、建立及如何使用等效靶 收稿日期: 2003201222 修回日期: 2003203231
3 基金项目: 国家“973”基金资助项目
作者简介: 杨玉林(19742 ) , 男, 河南潢川人, 博士研究
生, 从事目标毁伤与终点效应研究;
赵国志(19422 ) , 男, 博导。进行目标毁伤评估等问题的文章目前尚未见到。本文结合动能弹毁伤装甲目标这一典型弹靶系统的毁伤评估问题, 讨论了目标毁伤等效靶的概念、建立及运用。
1 装甲目标等效靶
动能弹对装甲目标的破坏作用主要是两种方式: 一是通过主侵彻体沿运动方向依次贯穿目标各个关键部件造成目标功能失效; 二是主侵彻体贯穿部件时可能会产生二次破片, 从而产生辅助破坏作用。
从对整个目标毁伤评估的角度讲, 各部件发挥着双重作用。动能弹贯穿一个部件之后的速度、质量损失及形成的二次破片情况直接影响对下一个部件的毁伤作用。因此, 建立部件的等效靶时必须考虑两个方面的问题: ①对部件功能失效的描述; ②部件蔽弹能力的等效。
对部件功能失效的描述必须依靠部件毁伤模型。部件毁伤模型的输入为: ①毁伤元的特征度。对于动能弹或破片为其质量、速度、形状参数等; ②毁伤元的作用点和方位。部件毁伤模型的输出即是部
·82·(总第28- 514) 火力与指挥控制2003 年第 6 期
件的毁伤状态。例如可以表示为部件的毁伤概率。运用等效靶来评估部件的毁伤, 就是根据毁伤元作用于等效靶的物理破坏状态, 来判断毁伤元的特征度及作用位置, 再运用已建立的部件毁伤模型分析部件的毁伤情况。
蔽弹能力的等效。动能弹或破片穿透任何遮蔽都会有质量和速度的损失。这里假设二次破片只对紧接着的下一个部件产生毁伤效应, 不考虑二次破片的后效毁伤作用。从而, 在考虑部件蔽弹能力等效时, 只需考虑抗击动能弹主侵彻体的等效。
111 防护装甲的等效靶
对于动能弹而言, 防护装甲的功能就是消耗其能量, 减少其对内部部件的毁伤。因此, 对于防护装甲的等效, 只需要考虑其等效蔽弹能力。目前国内外的各型主战坦克防护装甲一般都由披挂装甲和主装甲两部分组成, 主装甲又包括复合装甲和主钢甲, 如图失, 可以利用已有的动能弹侵彻金属和非金属材料的质量损失和速度衰减模型, 建立等效关系。这里可以使用两种等效方法: 一是极限穿透速度方法; 二是剩余穿深方法。极限穿透速度方法即若同一动能弹分别撞击防护装甲和厚度为 E 均质靶板, 得到相同的极限穿透速度V 50 , 则称厚度为E 的均质靶板为这一防护装甲的等效靶。剩余穿深方法即若同一动能弹以速度Τ分别侵彻某一防护装甲和厚度H e 均质靶板, 在相同均质半无限钢板上得到相同的剩余侵彻深度P res, 则称厚度为H e 的均质靶板为该防护装甲的等效靶。
112 内部部件的等效靶
内部部件的等效靶包含毁伤描述和蔽弹能力等效两个方面的问题。它由毁伤效应靶和背板组成。如图3 所示。毁伤效应靶
用来描述来袭毁伤元的
特征度和对部件的作用
1。主钢甲一般为均质钢。由于不同材料靶板被穿透后的二次破图1 典型
装
甲结构
位置。背板为部件外壳的
本体材料, 主要目的是为
图3 典型部件等效靶
片效应相差较大, 为研究二次破片的作用, 主钢甲需采用与其本体材料相同的均质靶板等效。除主钢甲以外, 出现了各种不同结构、材料的装甲, 如间隙装甲、复合装甲、电磁装甲甚至爆炸式反应装甲等, 它们的抗弹机理各不相同, 把它们统称为特殊结构装甲。它们对动能弹的防护作用, 概括起来主要有两种方式: 一种是干扰作用。即通过干扰, 破坏侵彻体的着靶姿态, 从而降低其侵彻能力, 典型的如爆炸式
反应装甲; 另一种是能量消耗作用。在对靶板的撞击和侵彻过程中, 侵彻体的速度和质量逐渐衰减, 侵彻后续装甲的能力也就下降, 典型的如陶瓷复合装甲。对特殊结构装甲的等效所主要考虑的问题就是选取什么样的替代靶能起到相同的作用。
对利用干扰作用的防护装甲, 等效就是其干扰效果相同。弹丸着靶姿态的主要参数有着角、攻角、角速度等。也就是说, 如果侵彻体贯穿某一均质靶板(一般为多层间隔靶) 后
作用于其后续靶板的着
角、攻角和角速度与贯穿
某特种防护装甲的相同,
则称这种均质靶为该特
殊结构装甲的等效靶。图
2 为爆炸反应装甲及其等了使等效靶被贯穿后和部件被贯穿有相同的二次破片效应。
对于部件抗击动能弹残余侵彻体能力的等效, 由于残余侵彻体的形状不规则, 无法考虑形状对其侵彻能
力的影响, 能量综合了速度和质量两方面的因素, 建模比较方便。因此这里使用能量等效原则。即若残余侵彻体贯穿部件后的剩余动能和贯穿多层靶的剩余动能相同, 则认为它们等效。
提出这种结构的等效靶, 是基于这样一个假设: 动能侵彻体贯穿两种不同结构的多层靶, 若侵彻体的剩余动能相同, 且两种结构多层靶的最后一层靶具有完全相同的结构和材料, 则认为这两种靶板被贯穿后的二次破片具有相同的分布规律。
113 乘员的等效靶
乘员作为一种特殊的部件, 在目标毁伤树中与其他部件没有很紧密的联系, 但他的失能会使目标无法完成作战任务, 因此对人的毁伤评估是目标毁伤研究中不可忽略问题。因此研究乘员等效靶具有更重要的意义。国内外也有不少文献, 讨论了各种毁伤元对人员毁伤的等效靶。这里研究二次破片对人员的毁伤, 仍采用类似于部件毁伤效应靶的多层间隔靶。这里假设破片或残余侵彻体作用于乘员后, 不再具有后续毁伤能力。因此对乘员的等效只考虑对
效靶的示意图。
对质量和速度的损图2 爆炸反应装甲
等
效靶示意图
毁伤的描述, 即乘员等效只有毁伤效应靶。乘员的毁
高吸程水泵伤效应靶与其他部件的毁伤效应靶没有本质的区
杨玉林, 等: 装甲目标毁伤评估的等效靶方法研究(总第28- 515)·83·
别。所不同的是, 由于乘员的抗毁伤能力较低, 毁伤程度对破片的特征度等因素比较敏感。所以毁伤效应靶应该更精细、准确。这里选用一种7 层薄靶结构。如图4。
图4 乘员等效靶
2 装甲目标毁伤评估212 等效靶的建立
建立等效靶时需考虑上述 6 个部件的等效, 即①首上装甲; ②驾驶员; ③驾驶员用通讯设备; ④同轴机弹药; ⑤方向机; ⑥高低机。该坦克首上装甲为110mm 28C rM nM oR eA , 倾角为68°。其等效靶为一块斜置22°角的110mm 均质28C rM nM oR eA 板。乘员用第2 节所提的7 层靶。其它部件也都根据其结构和材料建立了等效靶。并按照该坦克首上装甲及其他部件的位置关系放置并固定。如图5。
213 部件的毁伤判据
剥离力测试方法根据动能弹和破片对上
述 6 个部件的毁伤模型, 即
在动能弹和破片作用下的毁
动能弹命中装甲目标不同位置, 会造成不同部件的毁伤, 从而以不同的方式引起目标功能的失效。伤准则, 建立了等效靶被穿
透情况的毁伤判据。
21311 首上装甲异形耐火砖
图5 某型坦克首上
装甲对乘员防护
能力等效靶
在用计算模型进行分析计算时, 可以根据需要对不同命中部位、不同命中角度进行多次计算。而在实射实验中, 只能选取典型命中部位和角度来观察典型破坏现象。
本文通过研究某型命中某型坦克首上装甲后对目标的毁伤情况, 来说明如何运用等效靶进行目标毁伤评估。
211 目标毁伤评估方法
这里选用毁伤评估表法。毁伤评估表法是一种方便而有效的目标毁伤评估方法。这种方法是通过一定的试验建立一套标准资料, 反映各要害部件的毁伤而造成的装甲车辆的破坏程度。毁伤评估表法比较直观, 而且使用方便。
动能弹命中首上装甲可能产生的破坏事件为: ①击穿首上装甲; ②击伤驾驶员; ③使驾驶员用通讯
首上装甲被毁伤的概率P d 与动能弹的侵彻深度h成函数关系。假设有如下关系: P d= hƒH, 其中H 为等效靶厚度。实射实验中, 可以直接通过测量动能弹的侵彻深度来计算首上装甲的毁伤概率。21312 驾驶员
利用对人体的计算机描述软件统计计算了不同质量、击中部位、运动方
向的破片, 使驾驶员在一
次战斗中丧失驾驶能力
的概率。统计出了不同质
量的破片穿透7 层靶
的情况与其毁伤驾驶员
概率的关
设备失灵; ④使同轴机弹药失效; ⑤使方向机失灵; ⑥使高低机失灵。通过查取某型坦克的毁伤评估系。见图6。
21313 其它部件
图6 破片毁伤驾驶员的判据
表, 可知上述各部件毁伤程度与目标毁伤的关系, 见表1。
表1 某型坦克毁伤评估表
毁伤的要害部件对坦克的破坏程度
M 级 F 级K 级首上装甲(击穿)015 015 015 驾驶员(丧失驾驶能力)015 012 010 驾驶员用通讯设备(当场无法修复)013 010 010 同轴机弹药(无法使用)010 011 010 方向机(当场无法修复)010 011 010 高低机( 当场无法修复) 010 011 010
其它部件的评估这里都选用的是两层均质靶板结构。也分别计算了不同质量、击中部位、运动方向的破片, 使功能完
全失效并不能当
场修复的概率。统
计出了不同质量
的破片穿透两层
靶的情况与其毁
伤部件概率的关
系见图7。
以上是单枚
破片的毁伤判据。图7 破片毁伤部件的判据
( i )
d
·84·
(总第 28- 516) 火 力 与 指 挥 控 制 2003 年 第 6 期
对多枚破片的累积毁伤。设有 n 枚破片命中同一部
件, 该部件被毁伤的概率 P d 用下式计算:
n
观。评估的结果也比纯模型分析的结果可信度要高。
本文讨论了等效靶的概念及建立, 并结合动能弹毁 伤装甲目标的毁伤评估问题, 进行了应用。 然而, 各 P d = 1 -
7
(1 - P d )
种部件的等效蔽弹能力和毁伤模型、二次破片形成 i = 1
式中 P ( i ) 表示第 i 枚破片毁伤部件的概率。
214 毁伤评估
通过考察长杆弹侵彻等效靶后, 各部件等效靶 被击中的破片数、穿透薄靶的层数、穿孔的大小等,
可直接获取各部件的毁伤状态。 破片的质量通过穿
孔的直径估算。然后, 根据各部件被毁伤与目标毁伤 之间的关系, 可计算出目标毁伤的概率。表 2 给出了 动能弹入射高度角和方向角都为 0°、着速 1 600m ƒs
时的弹丸及其产生的二次破片穿透等效靶的情况, 并据此对坦克目标的毁伤进行了评估。 从评估结果 规律等问题是等效靶的建立过程中所必须研究决定 的问题。 对这些问题仍然需要进行大量的实验和研 究。
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李文彬, 沈培辉, 王晓鸣, 等. 射弹倾斜撞击靶板二次 等效靶 部件毁
伤概率
驾驶员 0193 通讯设备 0144 机弹药 0174 方向机 0128 高低机 0132 首上装甲
1
3 结束语
目标毁伤概率
葵花脱粒机
M 级
F 级
K 级
0155
0173
0145
破片散布试验研究[J ]. 南京理工大学学报, 2002, 26
(3) : 2632266.
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[ 8 ] 翟 晓丽. 装甲车辆毁伤评估研究 [D ]. 北京理工大 学, 1997.
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