EFP戰斗部穿甲威力對末敏彈作戰效能影響分析

鄭 斌，尚 勇，程麗麗，魏 琳，李蓓蓓

(1 西安現代控制技術研究所, 西安 710065；2 32381部隊，北京 100072)

0 引言

末敏彈打擊的主要目標類型是坦克、自行火炮、步兵戰車及裝甲運輸車等地面裝甲車輛。末敏彈屬于攻頂彈藥，采用EFP戰斗部技術攻擊裝甲車輛的頂部裝甲來實現對目標的毀傷。EFP戰斗部穿甲威力小無法對目標實現有效毀傷，穿甲威力大將對設計、制造帶來一系列的困難，甚至無法實現。因此合理提出EFP戰斗部穿甲威力的技術指標具有重要的實際意義。

殷希梅等通過總結國內外現役末敏彈裝備，對末敏彈關鍵技術進行了分析，得到了當前EFP戰斗部常見的技術指標。武天宇等對EFP戰斗部毀傷效應進行了研究，得到了EFP侵徹深度的變化規律。謝文等研究了末敏彈射擊效能，建立了射擊效能計算模型。劉文舉等建立了命中與毀傷目標模型，考慮了命中裝甲目標不同區域后的毀傷效果。然而目前探討EFP戰斗部穿甲威力、末敏彈作戰效能之間關系的研究相對較少。

針對EFP戰斗部穿甲威力、末敏彈作戰效能之間關系的問題，建立頂部毀傷區域模型和命中率模型，進行了仿真計算，并對不同EFP戰斗部穿深對毀傷概率的影響進行了分析。

1 目標特性分析

主要對相對防護較強、裝甲較厚的主戰坦克進行目標特性分析，建立用于末敏彈效能評估的主戰坦克頂部毀傷區域模型。著重對德國豹2，美國M1系列、蘇聯T-72、T-80，日本90式和中國99式坦克主戰坦克的結構尺寸特征和裝甲厚度進行分析。

1) 德國豹2主戰坦克

德國豹2坦克是聯邦德國20世紀70年代研制的主戰坦克，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合裝甲，車體前端呈尖角形狀，防護能力相當于700～850 mm均質裝甲；炮塔外輪廓低矮，防彈性能好，待發彈位于炮塔尾艙，用氣密隔板與戰斗艙隔離。炮塔頂部裝甲厚度為40 mm，車體尾部發動機區域裝甲厚度為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主戰坦克及改進型

美國M1A1主戰坦克屬于戰后的第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，防破甲彈能力相當于均質裝甲的3～5倍。該坦克現已成為美陸軍的主力坦克，美國M1A2是M1A1改進型坦克，車體長7.9 m，車寬3.6 m，車體和炮塔的裝甲厚度相當于600 mm和700 mm的均質裝甲。

3) 俄羅斯T-72坦克

T-72坦克為蘇聯研制的第3代主戰坦克，車體長6.4 m，車寬3.4 m，車體首上裝甲采用復合裝甲，共3層，外層為80 mm厚的鋼質裝甲，中間層位為104 mm厚的玻璃纖維，內層為20 mm厚的鋼甲，為大傾角構形，相當于500～600 mm的均質裝甲防護能力；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式主戰坦克

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

5) 中國99式主戰坦克

99式坦克是目前我軍研制的最新型的第4代主戰坦克，車體長7.6 m，車寬3.5 m，炮塔采用焊接結構，防護能力相當于700 mm均質裝甲，車體正面和側面采用復合裝甲，并加裝了新的楔形雙防反應附加裝甲，防護能力相當于600 mm均質裝甲，車體和炮塔頂部裝甲厚度為30 mm。

2 主戰坦克頂部毀傷區域模型

綜合上述典型主戰坦克結構尺寸和裝甲特性數據，按照功能和裝甲厚度劃分主戰坦克頂部區域，統計各區域裝甲厚度如表1所示。

表1 典型主戰坦克各區域裝甲厚度

由表1可知，主戰坦克炮塔正面和首上裝甲最厚且采用復合裝甲，防護能力最強；炮塔兩側一般加裝模塊裝甲，防護能力較強；炮塔頂部和尾部，車體頂部和尾部及兩側履帶為坦克裝甲最薄弱部位。

根據EFP戰斗部威力指標及其技術水平，可得出：

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

2)炮塔正面和首上抗穿甲厚度大于400 mm，EFP戰斗部無法穿透；

3)炮塔兩側鋼板厚度60～120 mm之間，EFP存在一定的概率能被穿透。

若EFP戰斗部穿深在80～130 mm之間，只是對炮塔兩側區域的毀傷效果有影響。影響程度用毀傷概率表征，因為毀傷概率與命中率密切相關，因此首先用計算機仿真計算命中率，然后再分析EFP戰斗部穿甲威力對末敏彈作戰效能的影響。

建立以功能和裝甲厚度劃分區域的主戰坦克頂部毀傷區域模型，采用蒙特卡洛法模擬末敏彈射擊過程，統計末敏彈命中目標各區域的概率。

主戰坦克主要尺寸為：

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)首上區域：1.4 m×2.3 m；

5)車體尾部發動機部位：1.8 m×2.3 m。

主戰坦克頂部毀傷區域模型如圖2所示。

圖2 主戰坦克頂部毀傷區域模型示意圖

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

3 主戰坦克頂部各區域命中率仿真計算

建立末敏彈母彈運動模型，末敏子彈減速減旋運動模型、穩態掃描運動模型、捕獲目標模型、命中目標模型，并考慮各作用環節的參數誤差，采用蒙特卡洛法模擬射擊過程，逐發判斷子彈EFP是否命中目標及命中目標區域，統計得出末敏彈對目標頂部各區域的命中率。

3.1 末敏子彈掃描運動模型

末敏子彈掃描軌跡方程是在掃描坐標系下得出的，當末敏子彈進入穩態掃描后，子彈以穩定的落速、轉速和掃描角運動，敏感軸與水平面的交點(即掃描點)的軌跡如圖3所示。

圖3 末敏子彈與水平面的交點軌跡

圖中為子彈勻速下落速度，為子彈繞鉛直軸勻速旋轉的轉速，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系內的位置關系如圖4所示。

圖4 敏感軸與威力軸在掃描坐標系內的位置關系

末敏子彈敏感軸掃描軌跡的極坐標表示為：

(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；為末敏子彈掃描時敏感軸在-平面的投影與軸的夾角；為末敏子彈起始掃描時威力軸在-平面的投影與軸的夾角；為動態補償角在地面的投影角。

末敏子彈威力軸掃描軌跡的極坐標為：

(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；為末敏子彈掃描時威力軸在-平面的投影與軸的夾角。

動態補償角沿掃描圓錐母線設置,m=,w=，其中:

=+sin (2π+)

(3)

式中：為掃描角的期望值；為擺動幅值；為擺動頻率；為掃描角的初始相位。

在掃描坐標系中，敏感軸的直角坐標方程為：

(4)

威力軸的直角坐標方程為：

(5)

3.2 彈目交會和目標識別模型

設定位系數為，目標識別區域為，則

(6)

式中：,分別為目標區的長和寬，當敏感軸的掃描軌跡(,)進入目標識別區時，則認為彈目發生交會。

假設敏感器識別目標的概率為，抽取[0,1]區間內均勻分布的隨機數，當彈目發生交會時：

若<，認為末敏子彈已識別目標；

若>，認為末敏子彈未識別目標。

3.3 命中目標模型

末敏子彈捕獲目標后，設進入目標識別區的時刻為，掃出目標識別區的時刻為，則理想瞄準點的時刻=(+)2。考慮切向定位精度、EFP飛行時間和EFP密集度后即可模擬出末敏子彈命中點坐標，判斷目標是否被命中。設末敏子彈命中點坐標為(，)，目標命中區域為，在這里是取目標全部面積的區域。滿足(，)∈，則末敏子彈命中目標，否則末敏子彈沒有命中目標。目標分目標靜止和運動兩種情況:

1)目標尺寸：7.0 m(長)×3.5 m(寬)×1.5 m(高)；

2)子彈參數：可靠性為0.92，落速為16 m/s；轉速為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。

末敏彈命中主戰坦克頂部各區域的概率計算結果如表2所示。

表2 目標各區域的命中概率

4 EFP穿甲威力對作戰效能影響分析

假定末敏彈對裝甲目標命中并穿透，目標即毀傷，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EFP戰斗部威力指標及其技術水平，分析得出末敏彈對坦克各區域的穿透概率,c：

1)EFP戰斗部可穿透區域，穿透概率為1；

2)EFP不能穿透區域，穿透概率為0；

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

若EFP不能穿透炮塔兩側區域，穿透概率為0，則對靜止目標或運動目標，毀傷概率分別為0.696，0.591；若EFP能穿透炮塔兩側區域，穿透概率為1，則對靜止目標或運動目標，毀傷概率分別為0.732，0.617。

因此，EFP能否穿透炮塔兩側區域，末敏彈的毀傷概率相差4%左右。

分析當EFP穿深在80～130 mm時，能否穿透炮塔兩側區域，對末敏彈的毀傷概率影響。

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

1)EFP垂直穿深在120～130 mm時，對靜止或運動的單目標，毀傷概率分別為0.732，0.617；

2)EFP垂直穿深在100～120 mm時，對靜止的或運動的單目標，毀傷概率分別為0.714，0.604；

3)EFP垂直穿深在80～100 mm時，對靜止的或運動的單目標，毀傷概率分別為0.696，0.591。

EFP穿深與毀傷概率的關系如圖5所示。

由以上分析并結合圖5可知，EFP穿深在80～130 mm變化時，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，無論對靜止目標還是運動目標其毀傷概率的變化范圍均在4%以內。

圖5 EFP穿深與毀傷概率的關系圖

5 結論

通過研究得出以下結果：EFP穿深在80～130 mm變化時，對裝甲目標(靜止、運動)毀傷概率的變化范圍均在4%以內。該研究結果表明，EFP穿深在80～130 mm變化時，對末敏彈作戰效能影響很小。文中研究揭示了EFP戰斗部穿甲威力和末敏彈作戰效能之間的規律，可為末敏彈EFP戰斗部的論證、設計提供參考依據。