艦炮首發(fā)彈丸初速預(yù)測新方法

解維河，孫衛(wèi)國，孫東彥

(1.海軍大連艦艇學(xué)院， 遼寧大連 116018； 2.北海訓(xùn)練基地， 山東 青島 266000)

首發(fā)彈丸初速值是艦炮能否首發(fā)命中和后續(xù)彈丸修正的重要依據(jù)，首發(fā)彈丸初速值的精確預(yù)測尤為重要，影響首發(fā)彈丸初速值的因素有膛蝕、藥溫、彈種、彈重和冷膛因素等，傳統(tǒng)的預(yù)測首發(fā)彈丸初速方法包括使用測膛器測量藥室容積變化計算膛蝕影響初速大小，冷膛修正需要經(jīng)驗(yàn)估計等[1-5]，其預(yù)測方法誤差較大，使得首發(fā)彈丸初速的預(yù)測值不準(zhǔn)確。使用測速雷達(dá)后，雖能夠精確測量每發(fā)彈丸的初速，但是研究的焦點(diǎn)都是在如何提高測速雷達(dá)精度方面[6-8]，缺乏從使用角度研究提高首發(fā)彈丸初速預(yù)測的方法[9-10]，依據(jù)測速雷達(dá)精確測量的彈丸初速歷史數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的模型可以精確預(yù)測首發(fā)彈丸的初速值，提高彈丸首發(fā)命中精度。

1 首發(fā)彈丸初速預(yù)測影響因素分析

1.1 首發(fā)彈丸初速預(yù)測精度對射擊效果影響

新型中大口徑艦炮要發(fā)射彈丸命中目標(biāo)，就要精確計算出彈丸和目標(biāo)的相會點(diǎn)坐標(biāo)，命中精度與初速密切相關(guān)，影響艦炮射擊距離偏差的重要因素是彈丸初速誤差。其一，首發(fā)初速誤差小，使用準(zhǔn)確，可以有效減少射擊距離上的散布，提高首發(fā)命中精度；其二，首發(fā)彈丸落水后的偏差效果也是后續(xù)彈丸射擊校正的依據(jù)；其三，艦炮使用測速雷達(dá)后，由于測速雷達(dá)的預(yù)測模型中需要多次使用首發(fā)彈丸預(yù)測數(shù)據(jù)，首發(fā)彈丸初速的預(yù)測值會影響到后續(xù)彈丸的初速預(yù)測效果。因此，彈丸首發(fā)初速的預(yù)測效果不僅僅影響首發(fā)射擊精度，同時還影響到后續(xù)彈丸的射擊精度。

1.2 影響首發(fā)彈丸初速的因素

彈丸的初速在射擊過程中由于多種因素影響，其初速值并不是一個確定的值，初速V0是隨著條件的變化而變化的。彈丸的實(shí)際初速與表定初速不符的主要原因有下列4個方面：一是受到發(fā)射時高溫高壓氣體對炮膛金屬的熱作用、化學(xué)作用和沖擊作用，以及彈帶對炮膛陽線的機(jī)械作用，逐漸使膛壁燒蝕和陽線剝落，使炮膛直徑和藥室容積增大、藥室增長和彈帶密封不嚴(yán)使膛壓降低，從而使彈丸初速變小；二是彈藥溫度隨外界氣溫的變化，高于或低于射表規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)藥溫15 ℃時，引起初速增大或減小；三是彈重非標(biāo)準(zhǔn)使初速變化；四是冷膛引起的初速修正量。

在初速影響因素中，膛蝕變化、彈種變化是由艦炮及裝藥性能決定的系統(tǒng)偏差量，藥溫變化是與射擊時的環(huán)境條件有關(guān)的偏差量，冷膛修正量是由火炮發(fā)射射擊特點(diǎn)引起的。

2 傳統(tǒng)首發(fā)彈丸初速確定方法

傳統(tǒng)的初速預(yù)測方法是分別預(yù)測影響初速的各種誤差值，進(jìn)行綜合修正，主要有以下幾方面：

1) 冷膛修正量的測量方法

根據(jù)射擊經(jīng)驗(yàn)估值，其誤差較大。

2) 測量膛蝕的方法

膛蝕對初速的影響因素主要是藥室的增長量，測量膛蝕的方法是測量藥室增加量，從而計算成初速下降量，使用傳統(tǒng)測膛器測量，測量精度約為0.2 m/s。

3) 藥溫誤差預(yù)測方法

發(fā)射藥溫度與標(biāo)準(zhǔn)藥溫不同時，初速將會發(fā)生變化。根據(jù)藥溫引起初速偏差折合計算。

4) 彈重偏差預(yù)測方法

根據(jù)彈重偏差引起的初速偏差計算。

傳統(tǒng)的首發(fā)初速預(yù)測其特點(diǎn)是：

1) 誤差相對較大

傳統(tǒng)的首發(fā)初速預(yù)測值通過射擊指揮員經(jīng)驗(yàn)值和測量儀器的值來進(jìn)行綜合分析計算，射擊指揮員根據(jù)既往的射擊遠(yuǎn)近彈情況綜合考慮，得出相應(yīng)的預(yù)測值，往往其使用中的數(shù)值和實(shí)際的效果相差較大，引起射擊距離偏差較大。

2) 對經(jīng)驗(yàn)依賴大

對射擊指揮員的經(jīng)驗(yàn)要求高，其數(shù)值的準(zhǔn)確性通過射擊指揮員經(jīng)驗(yàn)決定，具有不確定性。

3 使用測速雷達(dá)后首發(fā)彈丸初速預(yù)測模型

測速雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)對彈丸初速進(jìn)行測量的，其能夠逐發(fā)測量彈丸的初速，其測量精度能夠達(dá)到0.001 m/s，通過測速雷達(dá)的測量數(shù)值進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的模型計算，能夠精確預(yù)測首發(fā)初速值。

3.1 冷膛修正量統(tǒng)計模型

設(shè)火炮已有n次射擊過程，每次射擊過程首發(fā)、第2發(fā)彈丸實(shí)測初速分別為Vnc/1、Vnc/2，則冷膛初速修正量表示為：

(1)

每次射擊，火控頁面在測速雷達(dá)欄顯示當(dāng)時發(fā)射彈丸實(shí)測初速和預(yù)測下一發(fā)初速，可將每次射擊第1、2發(fā)彈丸實(shí)測初速登記在火炮履歷簿中，在射擊預(yù)先準(zhǔn)備時，按照式(1)統(tǒng)計求出冷膛修正量。

3.2 膛蝕修正量統(tǒng)計模型

1) 統(tǒng)計模型

由于彈丸發(fā)射磨損膛線，造成隨著發(fā)射數(shù)增大，初速降低。膛蝕引起的初速偏差量(ΔV0s)，設(shè)取最近1次射擊中各發(fā)實(shí)測初速如表1所示。

表1 射擊實(shí)測初速、彈種符號、藥溫

表1中為除了首發(fā)外的各次射擊中各發(fā)實(shí)測彈丸初速記錄值。

根據(jù)測速雷達(dá)實(shí)測彈丸初速和射擊中藥溫、彈種符號，統(tǒng)計膛蝕(ΔV0s)模型如下：

(2)

式中：V0為使用彈藥標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)初速；ΔV0y為藥溫差引起的初速偏差；ΔVoq為彈重差引起的初速偏差。

若有不同射擊過程求取膛蝕數(shù)據(jù)，可取近3次取平均。

2) 藥溫引起的初速偏差量計算模型

發(fā)射藥溫度與標(biāo)準(zhǔn)藥溫不同時，初速將會發(fā)生變化。由資料可得，藥溫每變化9～10 ℃(具體數(shù)值見基本射表)相當(dāng)于初速變化1%。因此，實(shí)際藥溫偏離標(biāo)準(zhǔn)藥溫引起的初速偏差表示為：

(3)

式中：T為實(shí)際藥溫，通常為彈藥庫溫度(若運(yùn)出彈藥放在艙面時間較長時則為氣溫)。

3) 彈重差引起的初速偏差量計算模型

在同一裝藥的情況下，彈丸質(zhì)量增加，發(fā)射時彈丸運(yùn)動的加速度減小，比標(biāo)準(zhǔn)彈重的彈丸獲得的初速就小，輕彈則相反。

彈重偏差由彈上的彈重符號標(biāo)記。標(biāo)準(zhǔn)彈重為“±”或“H”；重彈以“+”、“++”、……號表示，輕彈則以“-”、“--”、……號表示。根據(jù)外彈道學(xué)理論，彈重偏差引起的初速偏差為：

(4)

表2 彈重偏差引起的初速偏差量

3.3 首發(fā)彈丸初速修正量模型

綜合上述因素，彈丸首發(fā)初速變化主要是由膛蝕、藥溫、彈重和冷膛變化引起的，因此根據(jù)上述建立基于各因素的模型，首發(fā)彈丸綜合初速偏差模型為：

ΔV0Z=ΔV0s+ΔV0y+ΔV0q+ΔVl

(5)

式中：ΔV0z為綜合初速偏差量；ΔV0s為膛蝕引起的初速偏差；ΔV0y為藥溫差引起的初速偏差；ΔV0q為彈重差引起的初速偏差；ΔVl為冷膛引起的首發(fā)初速偏差。

使用式(5)計算綜合初速偏差，求取初速修正量，解算首發(fā)射擊諸元，其精度最高。

4 彈丸初速預(yù)測使用方法及流程

通過建立的彈丸首發(fā)初速預(yù)測模型可以精確計算出引起首發(fā)初速的各修正量值，在實(shí)際的使用中，由于測速雷達(dá)有既往數(shù)據(jù)，因此，預(yù)測首發(fā)彈丸初速可以通過使用上次射擊歷史數(shù)據(jù)預(yù)測，也可以重新計算，其使用方法不同。

1) 使用上次射擊彈丸初速測量數(shù)據(jù)

依據(jù)上次射擊時最后一組彈丸的初速值確定。該次首發(fā)彈丸預(yù)測的初速值與上次的條件不同主要影響因素是：冷膛量、藥溫、彈種和彈重。通過計算冷膛量修正量，藥溫修正量，彈種和彈種修正量，在本次的預(yù)測值中進(jìn)行修正。注意，要以本次的射擊條件和上次條件比較計算修正量，即修正值是以上次射擊條件為標(biāo)準(zhǔn)。不必計算膛蝕的影響，因?yàn)樘盼g在兩次射擊間隔中基本不受影響。

2) 逐項計算各項預(yù)測修正值

不依據(jù)以往數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)初速條件為依據(jù)，通過影響首發(fā)初速每項因素值逐項計算得出修正量，其中冷膛修正量、藥溫修正量、彈種修正量、彈重修正量、膛蝕修正量的方法為參照3.1冷膛修正量模型、3.2膛蝕修正量模型計算。注意，此時計算的值是與標(biāo)準(zhǔn)初速值條件下進(jìn)行比較得出的修正量結(jié)果。

5 結(jié)論

使用測速雷達(dá)后，能夠精確測量彈丸的初速，通過建立首發(fā)初速預(yù)測模型，使得彈丸首發(fā)初速的預(yù)測更加精確，可操作性強(qiáng)，其預(yù)測精度取決于測速雷達(dá)的測量精度，比傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗(yàn)的方法大大提高，實(shí)現(xiàn)了彈丸首發(fā)初速精確預(yù)測，提高了首發(fā)的精度和后續(xù)相關(guān)彈丸的射擊精度，通過在部隊使用中的試驗(yàn)，該預(yù)測方法能夠大大提高艦炮首發(fā)射擊精度，解決部隊彈丸首發(fā)初速難以準(zhǔn)確可靠預(yù)測的使用難題。