關(guān)于我軍炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件修訂的探討

王海峰, 王鵬新, 王 龍, 鄧立杰

(中國白城兵器試驗(yàn)中心, 吉林白城 137000)

0 引言

武器系統(tǒng)射擊初始條件不同,彈箭飛行歷經(jīng)環(huán)境不同,彈道終點(diǎn)諸元也不同,因此,不同因素、不同偏差條件影響下,不同武器系統(tǒng)彈道性能很難比較。炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件就是為了便于武器系統(tǒng)彈道性能比較和射擊使用,而進(jìn)行一系列的假設(shè)規(guī)定。它是炮兵裝備指標(biāo)論證與性能評(píng)估、彈道仿真與射表編制、裝備技術(shù)研究與學(xué)術(shù)交流中使用的基本規(guī)范。我軍炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件是在20世紀(jì)50年代借鑒蘇聯(lián)炮兵標(biāo)準(zhǔn)條件制定的,很長一段時(shí)間,為炮兵裝備技術(shù)的發(fā)展與交流,炮兵裝備的研制與使用提供了基準(zhǔn)。近些年來,多種增程技術(shù)的成熟應(yīng)用,偵測(cè)、通信與炮控技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展,常規(guī)兵器射程有了很大的突破,射彈高度有了很大的外延,射擊精度有了很大提高,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)射擊條件已無法完全適應(yīng)裝備技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)相關(guān)科研單位進(jìn)行了高原氣象條件研究,給出不同海拔高度對(duì)應(yīng)的參考大氣,也有學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣象條件存在的問題進(jìn)行分析、探討,但這些研究探討更多側(cè)重參考大氣與實(shí)際大氣一致性難題,沒有關(guān)注與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)射擊條件的繼承問題,短期內(nèi)無法形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)工程實(shí)踐。文中針對(duì)這一情況,從射表編擬實(shí)際需求出發(fā),系統(tǒng)分析現(xiàn)有炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件的不足,并提出具體改進(jìn)措施。

1 現(xiàn)行炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件簡介

目前,我軍炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件[1]如下:

1)地球、地形條件

a)地表面為平面,重力加速度g為常量9.80 m/s2;

b)彈著點(diǎn)位于炮口水平面上;

c)炮耳軸成水平且與炮身軸線垂直;

d)科氏加速度為零。

2)彈道條件

a)初速為表定初速或發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間、裝藥質(zhì)量、推力大小及方向與設(shè)計(jì)值吻合;

b)飛行體質(zhì)量為表定值;

c)藥溫為15 ℃;

d)飛行體外形符合定型圖紙規(guī)定;

e)有控彈箭控制系統(tǒng)工作正常,控制策略與設(shè)計(jì)一致。

3)氣象條件

a)地面(海拔高0 m)標(biāo)準(zhǔn)氣溫為15 ℃,絕對(duì)濕度為846 Pa(相對(duì)濕度為50%),地面標(biāo)準(zhǔn)虛溫為15.9 ℃(288.9 K),虛溫τ隨高度y變化服從標(biāo)準(zhǔn)定律:

b)地面標(biāo)準(zhǔn)氣壓p0為1 000 hPa,氣壓p隨高度y變化服從大氣鉛垂平衡條件:

c)在彈道所有高度風(fēng)速為零。

2 現(xiàn)行炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件的不足

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地球地形條件下的彈道計(jì)算存在較大誤差

炮兵標(biāo)準(zhǔn)地球地形條件規(guī)定:地球表面為平面,彈著點(diǎn)在炮口水平面上,重力加速度為9.80 m/s2,方向鉛直向下。而實(shí)際地球表面并非平面,重力加速度大小、方向在不同位置也不一樣。因此,在標(biāo)準(zhǔn)地形條件基礎(chǔ)上的彈道計(jì)算、射表編擬會(huì)存在一定的誤差。

圖1 平面地形假設(shè)示意圖

標(biāo)準(zhǔn)地形條件基礎(chǔ)上的彈道計(jì)算,氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用存在誤差。標(biāo)準(zhǔn)大氣變化規(guī)律中,溫度、壓強(qiáng)是隨海拔高度變化的,是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的,而在標(biāo)準(zhǔn)地形條件下,取炮口處平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)y近似為彈箭空間位置的海拔高度。這種近似導(dǎo)致彈道計(jì)算所用的氣象諸元存在誤差,特別是在有高空風(fēng)存在的實(shí)際氣象條件下,計(jì)算實(shí)際彈道時(shí),氣象數(shù)據(jù)的這種近似應(yīng)用會(huì)引起大誤差。誤差的大小隨著射程的變化和氣象條件的變化而不同,射程越大,彈道高程誤差越大,誤差累積時(shí)間越長,射程誤差越大;風(fēng)速隨高度的變化越劇烈,應(yīng)用于彈道計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)與實(shí)際氣象數(shù)據(jù)差距越大,造成的射程誤差越大。表1為某型彈藥氣象高程選取不準(zhǔn)確引起的彈道計(jì)算誤差仿真結(jié)果。

表1 氣象高程使用引起的彈道計(jì)算誤差

標(biāo)準(zhǔn)地形條件基礎(chǔ)上的彈道計(jì)算,重力加速度的使用存在誤差。但在地球表面為平面基礎(chǔ)上,認(rèn)為重力加速度g是垂直于炮口水平面向下的平行引力場(chǎng)。而實(shí)際上,在球面地形條件下,g近似與彈箭質(zhì)心與地心連線同向,其方向隨彈箭質(zhì)心運(yùn)動(dòng)而不斷變化。在地面坐標(biāo)系中建立彈箭質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程,考慮重力加速度的方向變化時(shí),3個(gè)方向都存在重力的分量。x、z方向分量gx、gz減小射程,y方向的分量gy小于g,使彈丸飛行時(shí)間增長,增大射程。表2為某型彈藥重力方向不準(zhǔn)確引起的彈道計(jì)算誤差仿真結(jié)果。

表2 重力方向不準(zhǔn)確引起的彈道計(jì)算誤差

以往認(rèn)為,常規(guī)武器射程較近,彈道較低,平面、平行引力場(chǎng)假設(shè)引起的誤差較小,可以忽略。近些年來軍事科技突飛猛進(jìn),一方面各種增程技術(shù)相繼出現(xiàn),常規(guī)武器的射程有了大的突破;另一方面?zhèn)蓽y(cè)技術(shù)、火控技術(shù)、炮控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,常規(guī)武器的射擊精度達(dá)到了較高的水平。強(qiáng)調(diào)首發(fā)命中、首群覆蓋的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)射表精度提出了越來越高的要求,而武器系統(tǒng)射程遠(yuǎn)、彈道高、重力作用與氣象影響時(shí)間長,使得此標(biāo)準(zhǔn)地形條件下編制的射表存在較大誤差。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)氣象高度上限較低

我軍炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象是在1957年借用蘇聯(lián)炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象而形成的,后經(jīng)計(jì)量單位統(tǒng)一,沿用至今。自公布以來,作為炮兵裝備彈道性能評(píng)估、氣象保障、彈道表制作和射表編制的氣象條件基準(zhǔn),在炮兵裝備研制與使用中發(fā)揮了積極的作用。

現(xiàn)行炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件對(duì)應(yīng)高度上限為31 km,31 km以上高度無對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)氣象模型。隨著彈箭技術(shù)的發(fā)展,一些彈箭的射程越來越遠(yuǎn),對(duì)應(yīng)的最大彈道高也越來越高,如遠(yuǎn)程火箭、滑翔增程彈等武器系統(tǒng)彈道高超過31 km。這種情況下,這類超遠(yuǎn)程、高空飛行彈箭的彈道設(shè)計(jì)與計(jì)算、射表編制及彈道標(biāo)準(zhǔn)化等諸多方面出現(xiàn)新問題。

3 現(xiàn)行炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件的改進(jìn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)射擊條件應(yīng)具備的屬性特征

炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件是人們根據(jù)行業(yè)需求對(duì)客觀世界實(shí)際情況的一種假想規(guī)定,作為指導(dǎo)我軍炮兵裝備技術(shù)工作的基礎(chǔ)規(guī)范,具有其基本的屬性特征,無論制定還是修改完善這一標(biāo)準(zhǔn),都需要保證它具有作為標(biāo)準(zhǔn)條件的最基本屬性特征。

第一是客觀性,標(biāo)準(zhǔn)條件是對(duì)客觀世界最核心、最本質(zhì)特征的基本反映,特別是對(duì)行業(yè)研究具有本質(zhì)影響的那些因素,必須給以準(zhǔn)確的定性描述。第二是近似性,標(biāo)準(zhǔn)條件是概略的、假想的,不可避免其與客觀實(shí)際存在差異。判定標(biāo)準(zhǔn)大氣的適用程度,不能只是以某個(gè)地區(qū)或某個(gè)季節(jié)、某個(gè)時(shí)期的平均大氣特征對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣象偏離的大小作為衡量標(biāo)準(zhǔn),也不能拘泥于大氣參數(shù)分布的某些細(xì)節(jié),必須著眼于它的最重要、最本質(zhì)的特征。第三是通用性,也可以稱之為唯一性,標(biāo)準(zhǔn)條件必須得到行業(yè)公認(rèn),是行業(yè)內(nèi)一定時(shí)期共同遵守的唯一標(biāo)準(zhǔn),否則它將失去標(biāo)準(zhǔn)的意義。第四是相容性,行業(yè)內(nèi)不同標(biāo)準(zhǔn)條件之間應(yīng)相容共存,互為支撐。第五是穩(wěn)定性,標(biāo)準(zhǔn)條件應(yīng)具有較長的生存期限。某個(gè)時(shí)期提出的標(biāo)準(zhǔn)條件,是當(dāng)時(shí)歷史條件下人們所擁有的參數(shù)資料、知識(shí)的體現(xiàn)。一方面,充實(shí)這些資料和知識(shí)往往需要較長的一段時(shí)間,而另一方面,標(biāo)準(zhǔn)條件修改時(shí),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條件制定的各種專用表冊(cè)、技術(shù)規(guī)定和性能評(píng)估結(jié)果也要部分或全部重新制定,這不僅需要做大量的工作,而且不利于保持資料和工作上的連貫性。所以,除非發(fā)現(xiàn)客觀事實(shí)與現(xiàn)行模式有重大出入,而且影響標(biāo)準(zhǔn)條件所應(yīng)發(fā)揮的作用時(shí),一般不宜對(duì)標(biāo)準(zhǔn)條件輕易修改。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)地球地形條件的改進(jìn)

地表面為平面、平行重力場(chǎng)的地球地形假設(shè)與地球?qū)嶋H不符,應(yīng)改變這一標(biāo)準(zhǔn)條件,而使用更接近實(shí)際情況的球面地形條件假設(shè),考慮地球曲率的影響,提高彈道仿真精度和射表編擬質(zhì)量,提高常規(guī)武器的命中概率。同時(shí),也應(yīng)減少標(biāo)準(zhǔn)修訂的附帶影響和附加工作,盡量繼承原有假設(shè)條件,使得標(biāo)準(zhǔn)條件修訂后,基于原標(biāo)準(zhǔn)條件的結(jié)論、成果、做法不發(fā)生或少發(fā)生本質(zhì)變化。基于以上考慮,新標(biāo)準(zhǔn)地球地形條件如下:

a)地球?yàn)檎蝮w,球徑取6 371 000 m;

b)重力加速度g為常量9.80 m/s2,指向地心;

c)彈著點(diǎn)位于炮口水平面上;

d)炮耳軸成水平且與炮身軸線垂直;

e)科氏加速度為零。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)氣象條件的外延

目前在急需開展高空飛行遠(yuǎn)程彈箭研究而又不可能立刻制定出一個(gè)十分準(zhǔn)確、完全符合我國實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)氣象的條件下,可考慮綜合應(yīng)用當(dāng)前我軍炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件和國際標(biāo)準(zhǔn)氣象條件,在31 km高度以下依然采用目前模型,31 km以上采用國際標(biāo)準(zhǔn),作為我軍炮兵氣象條件的過渡標(biāo)準(zhǔn),這樣對(duì)于31 km以下彈道仍與原來一樣,以前在這種條件下編制的射表、性能評(píng)定的結(jié)果依然有效,而對(duì)于彈道高超出31 km武器的彈道計(jì)算與分析、射表編制,也有了可以依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。

國際標(biāo)準(zhǔn)大氣[2]的高度范圍由海平面到84 852位勢(shì)米,分子溫度的高度廓線定義為7個(gè)相連接的直線段。這些直線段的方程是:

TM=TMb+LMb(H-Hb)

其中:b的值從0到6,分別表示7個(gè)依次連接的層次;TMb為某個(gè)層次下界的分子溫度;LMb為某個(gè)層次中溫度的垂直遞減率;Hb為氣層的底高。分子溫度與高度廓線的梯度值如表3所示。

國際標(biāo)準(zhǔn)氣象分層是按位勢(shì)高度進(jìn)行劃分的,而我軍炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象是按海拔高度(幾何高度)分層的,另外我軍炮兵標(biāo)準(zhǔn)地球地形條件中規(guī)定重力加速度是不隨高度變化的,從符合此條規(guī)定而言,氣象條件的也應(yīng)按幾何高度分層,位勢(shì)高度Hg轉(zhuǎn)換為幾何高度y公式如下:

y=REHg/(RE-Hg)

為保證氣溫隨高度變化的廓線連續(xù),應(yīng)選擇合適的層高作為兩種標(biāo)準(zhǔn)條件的銜接點(diǎn)。兩種溫度與幾何高度廓線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)幾何高度為24 200 m,對(duì)應(yīng)虛溫為221.5 K。

按上述分析論證,可歸納總結(jié)出新的炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件:

a)地面(海拔高0 m)標(biāo)準(zhǔn)氣溫為15 ℃,絕對(duì)濕度為846 Pa(相對(duì)濕度為50%),地面標(biāo)準(zhǔn)虛溫為15.9 ℃(288.9 K),虛溫隨高度變化服從標(biāo)準(zhǔn)定律:

1)y≤9 300 m,τ=288.9-6.328×10-3y;

2)9 300 m

3)12 000 m

4)24 200 m

5)32 162 m

6)47 350 m

7)51 412 m

8)71 802 m

b)地面標(biāo)準(zhǔn)氣壓p0為1 000 hPa,氣壓隨高度變化服從大氣鉛垂平衡條件:

c)在彈道所有高度風(fēng)速為零。

4 結(jié)論

文中從炮兵武器裝備發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求出發(fā),對(duì)我軍現(xiàn)行炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件存在不足進(jìn)行了系統(tǒng)分析,將平面、平行重力場(chǎng)假設(shè)改進(jìn)為球面、中心重力場(chǎng),結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)氣象條件,將標(biāo)準(zhǔn)氣象條件外延至86 km。現(xiàn)行炮兵標(biāo)準(zhǔn)射擊條件的改進(jìn)與完善不僅解決了中遠(yuǎn)射程、大彈道高炮兵武器系統(tǒng)彈道仿真和射表編制的需求,而且盡可能的繼承了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)條件,使得在原有標(biāo)準(zhǔn)條件下編制的彈道表與射表、制定的規(guī)范、裝備指標(biāo)的論證與彈道性能評(píng)估結(jié)果依然有效,避免了因標(biāo)準(zhǔn)改變帶來的大量附加工作。

標(biāo)準(zhǔn)氣象外延部分是借助于國際標(biāo)準(zhǔn)氣象制定的,并非我國大范圍、長時(shí)期實(shí)際氣象探測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),未必能夠準(zhǔn)確反映我國高空大氣實(shí)際,但僅從國內(nèi)射表編制、彈道性能評(píng)估、武器裝備的研制與技術(shù)交流而言,這個(gè)氣象標(biāo)準(zhǔn)具備標(biāo)準(zhǔn)條件所應(yīng)具有的一切特征,完全適用于上述工作。隨著不同學(xué)科領(lǐng)域間的交叉發(fā)展,國際間武器貿(mào)易與裝備技術(shù)交流的日益增強(qiáng),不可避免的會(huì)出現(xiàn)兩種、甚至更多種大氣標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)使用帶來的問題,為順應(yīng)形勢(shì)、方便交流、促進(jìn)發(fā)展,應(yīng)該盡快使我國的炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件與國際通用的標(biāo)準(zhǔn)大氣統(tǒng)一起來。

參考文獻(xiàn)::

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