EFP戰(zhàn)斗部穿甲威力對末敏彈作戰(zhàn)效能影響分析

鄭 斌，尚 勇，程麗麗，魏 琳，李蓓蓓

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065；2 32381部隊(duì)，北京 100072)

0 引言

末敏彈打擊的主要目標(biāo)類型是坦克、自行火炮、步兵戰(zhàn)車及裝甲運(yùn)輸車等地面裝甲車輛。末敏彈屬于攻頂彈藥，采用EFP戰(zhàn)斗部技術(shù)攻擊裝甲車輛的頂部裝甲來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的毀傷。EFP戰(zhàn)斗部穿甲威力小無法對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效毀傷，穿甲威力大將對設(shè)計(jì)、制造帶來一系列的困難，甚至無法實(shí)現(xiàn)。因此合理提出EFP戰(zhàn)斗部穿甲威力的技術(shù)指標(biāo)具有重要的實(shí)際意義。

殷希梅等通過總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)役末敏彈裝備，對末敏彈關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，得到了當(dāng)前EFP戰(zhàn)斗部常見的技術(shù)指標(biāo)。武天宇等對EFP戰(zhàn)斗部毀傷效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到了EFP侵徹深度的變化規(guī)律。謝文等研究了末敏彈射擊效能，建立了射擊效能計(jì)算模型。劉文舉等建立了命中與毀傷目標(biāo)模型，考慮了命中裝甲目標(biāo)不同區(qū)域后的毀傷效果。然而目前探討EFP戰(zhàn)斗部穿甲威力、末敏彈作戰(zhàn)效能之間關(guān)系的研究相對較少。

針對EFP戰(zhàn)斗部穿甲威力、末敏彈作戰(zhàn)效能之間關(guān)系的問題，建立頂部毀傷區(qū)域模型和命中率模型，進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對不同EFP戰(zhàn)斗部穿深對毀傷概率的影響進(jìn)行了分析。

1 目標(biāo)特性分析

主要對相對防護(hù)較強(qiáng)、裝甲較厚的主戰(zhàn)坦克進(jìn)行目標(biāo)特性分析，建立用于末敏彈效能評估的主戰(zhàn)坦克頂部毀傷區(qū)域模型。著重對德國豹2，美國M1系列、蘇聯(lián)T-72、T-80，日本90式和中國99式坦克主戰(zhàn)坦克的結(jié)構(gòu)尺寸特征和裝甲厚度進(jìn)行分析。

1) 德國豹2主戰(zhàn)坦克

德國豹2坦克是聯(lián)邦德國20世紀(jì)70年代研制的主戰(zhàn)坦克，車體長7.7 m，車寬3.7 m，車體首上和炮塔前部均采用間隙復(fù)合裝甲，車體前端呈尖角形狀，防護(hù)能力相當(dāng)于700～850 mm均質(zhì)裝甲；炮塔外輪廓低矮，防彈性能好，待發(fā)彈位于炮塔尾艙，用氣密隔板與戰(zhàn)斗艙隔離。炮塔頂部裝甲厚度為40 mm，車體尾部發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域裝甲厚度為20 mm，德國豹2坦克三視圖如圖1所示。

圖1 德國豹2坦克三視圖

2) 美國M1A1主戰(zhàn)坦克及改進(jìn)型

美國M1A1主戰(zhàn)坦克屬于戰(zhàn)后的第3代坦克，車體長7.9 m，車寬3.7 m，車體前部和炮塔采用了貧鈾裝甲，防破甲彈能力相當(dāng)于均質(zhì)裝甲的3～5倍。該坦克現(xiàn)已成為美陸軍的主力坦克，美國M1A2是M1A1改進(jìn)型坦克，車體長7.9 m，車寬3.6 m，車體和炮塔的裝甲厚度相當(dāng)于600 mm和700 mm的均質(zhì)裝甲。

3) 俄羅斯T-72坦克

T-72坦克為蘇聯(lián)研制的第3代主戰(zhàn)坦克，車體長6.4 m，車寬3.4 m，車體首上裝甲采用復(fù)合裝甲，共3層，外層為80 mm厚的鋼質(zhì)裝甲，中間層位為104 mm厚的玻璃纖維，內(nèi)層為20 mm厚的鋼甲，為大傾角構(gòu)形，相當(dāng)于500～600 mm的均質(zhì)裝甲防護(hù)能力；車體頂部裝甲10 mm厚的鋼板。炮塔為鑄造件，各部位厚度不等，炮塔正面位置最厚，頂部裝甲厚度為45 mm。

4) 日本90式主戰(zhàn)坦克

日本90式主戰(zhàn)坦克，車體長7.5 m，車寬3.4 m，車體和炮塔前部采用復(fù)合裝甲，其它部位采用了間隙裝甲，炮塔內(nèi)部有防火板間隔，有三防裝置，炮塔前的復(fù)合裝甲厚度550 mm，該坦克沒有對付頂部攻擊的特殊裝甲防護(hù)。

5) 中國99式主戰(zhàn)坦克

99式坦克是目前我軍研制的最新型的第4代主戰(zhàn)坦克，車體長7.6 m，車寬3.5 m，炮塔采用焊接結(jié)構(gòu)，防護(hù)能力相當(dāng)于700 mm均質(zhì)裝甲，車體正面和側(cè)面采用復(fù)合裝甲，并加裝了新的楔形雙防反應(yīng)附加裝甲，防護(hù)能力相當(dāng)于600 mm均質(zhì)裝甲，車體和炮塔頂部裝甲厚度為30 mm。

2 主戰(zhàn)坦克頂部毀傷區(qū)域模型

綜合上述典型主戰(zhàn)坦克結(jié)構(gòu)尺寸和裝甲特性數(shù)據(jù)，按照功能和裝甲厚度劃分主戰(zhàn)坦克頂部區(qū)域，統(tǒng)計(jì)各區(qū)域裝甲厚度如表1所示。

表1 典型主戰(zhàn)坦克各區(qū)域裝甲厚度

由表1可知，主戰(zhàn)坦克炮塔正面和首上裝甲最厚且采用復(fù)合裝甲，防護(hù)能力最強(qiáng)；炮塔兩側(cè)一般加裝模塊裝甲，防護(hù)能力較強(qiáng)；炮塔頂部和尾部，車體頂部和尾部及兩側(cè)履帶為坦克裝甲最薄弱部位。

根據(jù)EFP戰(zhàn)斗部威力指標(biāo)及其技術(shù)水平，可得出：

1)炮塔頂部和尾部，車體頂部和尾部及兩側(cè)履帶鋼板厚度小于60 mm，EFP戰(zhàn)斗部可穿透；

2)炮塔正面和首上抗穿甲厚度大于400 mm，EFP戰(zhàn)斗部無法穿透；

3)炮塔兩側(cè)鋼板厚度60～120 mm之間，EFP存在一定的概率能被穿透。

若EFP戰(zhàn)斗部穿深在80～130 mm之間，只是對炮塔兩側(cè)區(qū)域的毀傷效果有影響。影響程度用毀傷概率表征，因?yàn)闅怕逝c命中率密切相關(guān)，因此首先用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算命中率，然后再分析EFP戰(zhàn)斗部穿甲威力對末敏彈作戰(zhàn)效能的影響。

建立以功能和裝甲厚度劃分區(qū)域的主戰(zhàn)坦克頂部毀傷區(qū)域模型，采用蒙特卡洛法模擬末敏彈射擊過程，統(tǒng)計(jì)末敏彈命中目標(biāo)各區(qū)域的概率。

主戰(zhàn)坦克主要尺寸為：

1)車體：7.5 m×3.5 m；

2)炮塔頂部：3.2 m×2.4 m；

3)履帶寬：0.6 m；

4)首上區(qū)域：1.4 m×2.3 m；

5)車體尾部發(fā)動(dòng)機(jī)部位：1.8 m×2.3 m。

主戰(zhàn)坦克頂部毀傷區(qū)域模型如圖2所示。

圖2 主戰(zhàn)坦克頂部毀傷區(qū)域模型示意圖

圖中綠色部分為EFP可穿透區(qū)域，紅色部分為EFP不能穿透區(qū)域，黃色部分為EFP介于穿透和穿不透之間的區(qū)域。

3 主戰(zhàn)坦克頂部各區(qū)域命中率仿真計(jì)算

建立末敏彈母彈運(yùn)動(dòng)模型，末敏子彈減速減旋運(yùn)動(dòng)模型、穩(wěn)態(tài)掃描運(yùn)動(dòng)模型、捕獲目標(biāo)模型、命中目標(biāo)模型，并考慮各作用環(huán)節(jié)的參數(shù)誤差，采用蒙特卡洛法模擬射擊過程，逐發(fā)判斷子彈EFP是否命中目標(biāo)及命中目標(biāo)區(qū)域，統(tǒng)計(jì)得出末敏彈對目標(biāo)頂部各區(qū)域的命中率。

3.1 末敏子彈掃描運(yùn)動(dòng)模型

末敏子彈掃描軌跡方程是在掃描坐標(biāo)系下得出的，當(dāng)末敏子彈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)掃描后，子彈以穩(wěn)定的落速、轉(zhuǎn)速和掃描角運(yùn)動(dòng)，敏感軸與水平面的交點(diǎn)(即掃描點(diǎn))的軌跡如圖3所示。

圖3 末敏子彈與水平面的交點(diǎn)軌跡

圖中為子彈勻速下落速度，為子彈繞鉛直軸勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，為子彈彈軸與鉛直軸的夾角(即掃描角)，為起始掃描中心在水平面上的投影，為子彈起始掃描高度，為子彈最大掃描半徑，為子彈最大作用距離。

末敏子彈敏感軸與威力軸在掃描坐標(biāo)系內(nèi)的位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 敏感軸與威力軸在掃描坐標(biāo)系內(nèi)的位置關(guān)系

末敏子彈敏感軸掃描軌跡的極坐標(biāo)表示為：

(1)

式中：為敏感軸在-平面的投影長；,m為子彈敏感軸與鉛直軸的夾角；為末敏子彈掃描時(shí)敏感軸在-平面的投影與軸的夾角；為末敏子彈起始掃描時(shí)威力軸在-平面的投影與軸的夾角；為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償角在地面的投影角。

末敏子彈威力軸掃描軌跡的極坐標(biāo)為：

(2)

式中：為威力軸在-平面的投影長；,w為子彈威力軸與鉛直軸的夾角；為末敏子彈掃描時(shí)威力軸在-平面的投影與軸的夾角。

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償角沿掃描圓錐母線設(shè)置,m=,w=，其中:

=+sin (2π+)

(3)

式中：為掃描角的期望值；為擺動(dòng)幅值；為擺動(dòng)頻率；為掃描角的初始相位。

在掃描坐標(biāo)系中，敏感軸的直角坐標(biāo)方程為：

(4)

威力軸的直角坐標(biāo)方程為：

(5)

3.2 彈目交會和目標(biāo)識別模型

設(shè)定位系數(shù)為，目標(biāo)識別區(qū)域?yàn)?，則

(6)

式中：,分別為目標(biāo)區(qū)的長和寬，當(dāng)敏感軸的掃描軌跡(,)進(jìn)入目標(biāo)識別區(qū)時(shí)，則認(rèn)為彈目發(fā)生交會。

假設(shè)敏感器識別目標(biāo)的概率為，抽取[0,1]區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)，當(dāng)彈目發(fā)生交會時(shí)：

若<，認(rèn)為末敏子彈已識別目標(biāo)；

若>，認(rèn)為末敏子彈未識別目標(biāo)。

3.3 命中目標(biāo)模型

末敏子彈捕獲目標(biāo)后，設(shè)進(jìn)入目標(biāo)識別區(qū)的時(shí)刻為，掃出目標(biāo)識別區(qū)的時(shí)刻為，則理想瞄準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)刻=(+)2。考慮切向定位精度、EFP飛行時(shí)間和EFP密集度后即可模擬出末敏子彈命中點(diǎn)坐標(biāo)，判斷目標(biāo)是否被命中。設(shè)末敏子彈命中點(diǎn)坐標(biāo)為(，)，目標(biāo)命中區(qū)域?yàn)?，在這里是取目標(biāo)全部面積的區(qū)域。滿足(，)∈，則末敏子彈命中目標(biāo)，否則末敏子彈沒有命中目標(biāo)。目標(biāo)分目標(biāo)靜止和運(yùn)動(dòng)兩種情況:

1)目標(biāo)尺寸：7.0 m(長)×3.5 m(寬)×1.5 m(高)；

2)子彈參數(shù)：可靠性為0.92，落速為16 m/s；轉(zhuǎn)速為6.5 rad/s；掃描角為30°；識別概率為0.9；密集度×：0.2 m×0.2 m。

末敏彈命中主戰(zhàn)坦克頂部各區(qū)域的概率計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 目標(biāo)各區(qū)域的命中概率

4 EFP穿甲威力對作戰(zhàn)效能影響分析

假定末敏彈對裝甲目標(biāo)命中并穿透，目標(biāo)即毀傷，則末敏子彈的毀傷概率為：

(7)

式中：為毀傷概率；,m為命中概率；,c為穿透概率。

根據(jù)EFP戰(zhàn)斗部威力指標(biāo)及其技術(shù)水平，分析得出末敏彈對坦克各區(qū)域的穿透概率,c：

1)EFP戰(zhàn)斗部可穿透區(qū)域，穿透概率為1；

2)EFP不能穿透區(qū)域，穿透概率為0；

3)EFP介于穿透與穿不透之間區(qū)域(炮塔兩側(cè)鋼板)，能否穿透是存在一定概率的。

若EFP不能穿透炮塔兩側(cè)區(qū)域，穿透概率為0，則對靜止目標(biāo)或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，毀傷概率分別為0.696，0.591；若EFP能穿透炮塔兩側(cè)區(qū)域，穿透概率為1，則對靜止目標(biāo)或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，毀傷概率分別為0.732，0.617。

因此，EFP能否穿透炮塔兩側(cè)區(qū)域，末敏彈的毀傷概率相差4%左右。

分析當(dāng)EFP穿深在80～130 mm時(shí)，能否穿透炮塔兩側(cè)區(qū)域，對末敏彈的毀傷概率影響。

不考慮彈著角等因素，假設(shè)EFP穿深大于120 mm，能夠穿透炮塔兩側(cè)區(qū)域，穿透概率為1；EFP穿深在100～120 mm，穿透炮塔兩側(cè)區(qū)域的概率為0.5；EFP穿深小于100 mm，則不能穿透炮塔兩側(cè)區(qū)域，穿透概率為0，則仿真計(jì)算得出：

1)EFP垂直穿深在120～130 mm時(shí)，對靜止或運(yùn)動(dòng)的單目標(biāo)，毀傷概率分別為0.732，0.617；

2)EFP垂直穿深在100～120 mm時(shí)，對靜止的或運(yùn)動(dòng)的單目標(biāo)，毀傷概率分別為0.714，0.604；

3)EFP垂直穿深在80～100 mm時(shí)，對靜止的或運(yùn)動(dòng)的單目標(biāo)，毀傷概率分別為0.696，0.591。

EFP穿深與毀傷概率的關(guān)系如圖5所示。

由以上分析并結(jié)合圖5可知，EFP穿深在80～130 mm變化時(shí)，雖然毀傷概率會隨著EFP穿深增加有所提高，但是提高程度很小，無論對靜止目標(biāo)還是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)其毀傷概率的變化范圍均在4%以內(nèi)。

圖5 EFP穿深與毀傷概率的關(guān)系圖

5 結(jié)論

通過研究得出以下結(jié)果：EFP穿深在80～130 mm變化時(shí)，對裝甲目標(biāo)(靜止、運(yùn)動(dòng))毀傷概率的變化范圍均在4%以內(nèi)。該研究結(jié)果表明，EFP穿深在80～130 mm變化時(shí)，對末敏彈作戰(zhàn)效能影響很小。文中研究揭示了EFP戰(zhàn)斗部穿甲威力和末敏彈作戰(zhàn)效能之間的規(guī)律，可為末敏彈EFP戰(zhàn)斗部的論證、設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。