高炮對戰斗機毀傷概率影響因素靈敏度仿真分析*

彭峰生, 寧 瑋, 梁永永,2

(1 陜西理工大學, 陜西漢中 723000; 2 西北工業大學航天飛行動力學技術重點實驗室, 西安 710072)

高炮對戰斗機毀傷概率影響因素靈敏度仿真分析*

彭峰生1, 寧 瑋1, 梁永永1,2

(1 陜西理工大學, 陜西漢中 723000; 2 西北工業大學航天飛行動力學技術重點實驗室, 西安 710072)

為定量分析高炮射擊諸元等參數對飛機毀傷概率的影響程度,以高炮到目標的斜距離、高炮射擊誤差、單發命中彈的毀傷概率等7種基本變量為研究對象,以某高炮在選定的典型射擊參數和航路條件下對F16戰斗機射擊為例,通過編程分別計算出了不同變量條件下的毀傷概率,得出了上述7種變量對毀傷概率的定量影響曲線。計算分析數據表明:前4種與毀傷概率負相關的變量中,高炮到目標的斜距離對毀傷概率的影響最大,后面各項遞減;后3種與毀傷概率正相關的變量中,射速對毀傷概率的影響最小,射擊的點射時間長度次之,單發命中彈的毀傷概率的影響最大。計算分析得出的有關結論可以為相關工程實踐提供參考。

高炮;毀傷概率;射擊諸元;靈敏度;計算機仿真

0 引言

高炮毀傷概率對高炮武器裝備的規劃、論證、研究、設計和作戰使用十分重要。毀傷概率分析離不開高炮的射擊斜距離、射擊誤差、單發命中彈的毀傷概率等變量。諸多文獻以不同射擊諸元和高炮性能參數研究了高炮的毀傷概率[1-5],但基本都局限于確定的參數條件下,得出確定的數據結果。為研究高炮諸多性能參數改變對毀傷概率的定量影響變化,以某高炮為例,選用了7種重要變量為研究對象,在典型條件下計算出了他們對某高炮毀傷概率的影響程度。

1 高炮毀傷概率分析

決定高炮毀傷概率高低的變量因素較多,就高炮自身而言,主要有高炮射擊誤差的系統誤差、火控計算機輸出諸元的誤差、火炮隨動系統的誤差、單發炮彈的毀傷概率[4]。在火炮系統選定的情況下,起主導作用的就是目標的特性和航路條件、火炮射擊的點射時間長度等變量。

1.1 火炮一次點射對目標毀傷概率計算公式

采用觸發引信的高炮,對目標一次點射的毀傷概率計算公式如下[6]:

(1)

式中:p為火炮身管數;n為單管一次點射的射彈數;ω為毀傷目標平均所需命中的彈數;xII為火炮射擊誤差向量,x1、x2分別為高低、方位上的誤差分量;A為火炮射擊系統誤差,a1、a2分別為高低、方位上的誤差分量;ΣI為射擊誤差的不相關誤差協方差矩陣;ΣII為射擊誤差的相關誤差協方差矩陣;ST為目標沿彈道方向在平面Q上的投影面積;l為目標等效邊長之半。

1.2 毀傷概率與射擊變量之間函數關系的建立

影響毀傷概率的因素非常多,主要有高炮本身的因素,如火控能力和火力能力,這是最主要、最能體現高炮效能的兩個因素;目標的特性,如目標的三向投影面積、目標的易毀面積、目標的運動參數和機動行為參數等;彈藥的性能,如彈丸的穿甲能力、燃燒性能、破片威力和引信的性能等。因此,對毀傷概率進行分析計算和實彈考核時,只能盡量將許多條件典型化,選擇若干組航路條件和目標飛行參數。

毀傷概率是系統射擊變量的多元復雜函數,可以用函數關系表示為[7]:

Pknp=f(D,a,σc,σr,n0,td,1/ω)

(2)

式中:D為火炮到目標的斜距離;a為高炮的射擊系統誤差;σc為火控分系統隨機誤差的均方差;σr為火炮射擊散布誤差的均方差;n0為火炮射速;td為火炮射擊的點射時間長度;1/ω為彈丸的威力,即單發命中彈的毀傷概率。

這些主要參數對毀傷概率的影響非常關鍵,搞清毀傷概率Pknp對這些參數變化的靈敏度,是進一步深化研究毀傷機理和完善高炮武器設計的重要途徑。

2 某高炮毀傷概率計算及靈敏度分析

在給定的目標條件和高炮的射擊條件及射擊參數的情況下,采用計算機仿真分析的手段,對某高炮的毀傷概率進行分析計算,并對影響毀傷概率的主要因素進行了靈敏度分析。

2.1 典型目標條件和火炮射擊條件

選擇的目標為美國F-16戰斗機,目標的三向投影面積為[8]:Sxy=41 m2;Syz=22 m2;Sxz=3 m2。仿真假定航路條件為:高度H=200 m;航路捷徑dj=500 m;速度V=250 m/s(目標勻速直線飛行)。通過發射過程動力學仿真計算,得到某高炮200 m立靶射彈散布誤差均方差為σr=1.8 mil;火控系統精度σc=2.8 mil;射擊系統誤差a=2.0 mil;火炮射速n0=500 發/min;毀傷目標平均所需命中彈數ω=1.34 發;點射時間長度td=2.0 s。

2.2 對美國F-16戰斗機的毀傷概率計算結果

按照以上設定的條件,采用式(1)為基本計算公式,編制計算機程序進行計算。對靈敏度分析時,也以此為標準條件,只改變某一參數進行毀傷概率計算。計算結果如表1和圖1所示。

表1 對F-16戰斗機的毀傷概率計算結果

通過計算,得到火炮到目標的斜距離D、火炮的系統誤差a、火控分系統隨機誤差的均方差σc、火炮射擊散布誤差的均方差σr、火炮射速n0、火炮射擊的點射時間長度td和單發命中彈的毀傷概率1/ω對毀傷概率Pknp的靈敏度曲線,如圖2～圖8所示。

3 某高炮毀傷概率與靈敏度計算結果的分析和結論

3.1 某高炮毀傷概率靈敏度的分析

1)毀傷概率Pknp是斜距離D的減函數,隨著斜距離D的增大,Pknp越來越小。從計算數據可知,某高炮對F-16對地攻擊機作戰最有利的射擊距離是500 m～1 500 m;在3 000 m斜距離以內射擊,平均毀傷概率可以達到40%。

2)射擊系統誤差a、火控分系統隨機誤差的均方差σc以及火炮射擊散布誤差的均方差σr也是影響毀傷概率的重要因素。隨著a、σc及σr的增大,Pknp是遞減的。但是三者的影響程度是不同的:系統誤差影響最大,火控分系統隨機誤差σc影響次之,火炮射擊散布誤差σr的影響最小。

3)由于某高炮是采用定型的自動機和彈藥,因此火炮的射速n0、單發命中彈的毀傷概率1/ω基本上是確定的。一般情況下,n0為500發/min,ω取為1.34發。雖然它們的增大,可以使毀傷概率提高,但是涉及的問題較多,改變這兩個因素十分困難。

4)對于火炮射擊的點射時間長度td,計算選擇2 s,即雙管一個點射共射彈33發,對于實際作戰而言,2 s的點射時間長度已是夠長的。一般戰斗使用的點射射彈數大多為3～5發或5～7發。從單一的角度分析,射彈數越多,毀傷概率越高,但是實際使用上應考慮以下問題:a)高炮系統攜彈量是有限的,對于2 s的點射時間長度,假如可以對付10～12個目標;若按3 s的點射時間長度,只夠對付7～8個目標。b)高炮身管冷卻,采取自然冷卻方式。若點射長度增大,則身管溫度、藥室溫度、燒蝕等,將很快降低火炮身管的剩余壽命,而且長點射后,要有較長的時間才能使身管溫度降下來,從而使兩次戰斗射擊的間隔加長,在實戰中,這很可能造成戰機貽誤。

3.2 某高炮毀傷概率分析的結論

1)射擊系統誤差和火控系統的隨機誤差對毀傷概率有較大影響,系統設計時應嚴格控制。

2)與系統誤差和火控系統的隨機誤差相比,射彈散布對毀傷概率影響不大。

3)射速提高可使毀傷概率增大,射速提高一倍可使毀傷概率提高14%左右。射速提高使毀傷概率增大,要以發射更多的炮彈為前提,對于已定型高炮,攜彈量嚴格受限,射速增大很困難。

4)提高單發命中彈的摧毀概率可以顯著提高高炮的毀傷概率。可以推定,采用近炸引信彈、預制破片彈、AHEAD彈等新原理、新概念彈藥,可以大幅提高高炮的毀傷概率。

[1] 陶德進, 王軍, 朱凱. 高炮武器系統毀傷概率計算的蒙特卡羅法 [J]. 系統工程理論與實踐, 2014, 34(1): 268-272.

[2] 粟琛鈞, 劉永峰, 劉亮, 等. 自行高炮主從作戰模式下火力毀傷效能分析 [J]. 四川兵工學報, 2015, 36(5): 79-82.

[3] 劉云龍, 盧昱, 陳立云, 等. 基于蒙特卡洛的高炮射擊毀殲概率仿真 [J]. 信息技術, 2010, 34(10): 51-54.

[4] 熊志昂, 喬華平. 關于小高炮對空連發射擊精度指標與命中概率的探討 [J]. 火力與指揮控制, 1996, 21(1): 63-65.

[5] 潘志剛, 王學軍. 艦載小口徑艦炮對空碰炸毀傷概率計算與分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2005, 25(4): 354-356.

[6] 田棣華, 蕭元星, 王向威, 等. 高射武器系統效能分析 [M]. 北京: 國防工業出版社, 1991: 171-182.

[7] 彭峰生, 廖振強. 彈炮結合防空武器系統毀傷概率分析 [J]. 火力與指揮控制, 2007, 32(3): 62-64.

[8] YANG W, HAMMOUDI M N, HERRMANN G, et al. Two-state dynamic gain scheduling control applied to an F16 aircraft model [J]. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2012, 47(10): 1116-1123.

SensibilityAnalysisofFiringDataofAnti-aircraftGunEffectingonKillProbabilityofFighterbyComputerSimulating

PENG Fengsheng1, NING Wei1, LIANG Yongyong1,2

(1 Shaanxi University of Technology, Shaanxi Hanzhong 723000, China; 2 National Key Laboratory of Aerospace Flight Dynamics, NPU, Xi’an 710072, China)

In order to analysis effects of firing data and other parameters of anti-aircraft gun(AAG) on kill probability of fight, the distance between gun and target, firing error of AAG, mean square deviation of random error of fire control device, mean square deviation of gun dispersion error, rate of fire, time of firing in bursts, kill probability of single shot hit projectile were chosen intentionally. The kill probabilities of one AAG were calculated respectively by computer simulation with typical firing data and F16 as the target on the condition of the seven variables. The results showed that the four former variables have descending negative correlation with the kill probability, and the latter three variables have increasing positive correlation with the kill probability. The conclusions based on the calculation and analysis can provide beneficial reference to AAG engineering practice.

anti-aircraft gun; kill probability; firing data; sensibility; computer simulating

TJ3

A

2016-05-10

陜西理工大學科研資助項目(SLGQD16-01);陜西省教育廳科研資助項目(15JK1133)資助

彭峰生(1972-),男,陜西漢中人,副教授,博士,研究方向:機械設計及其理論與近程防空武器系統研究。