飞机类目标毁伤效果评估方法研究

GAORui-yuan，FANHan-yang，FANHong-ming（The28thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation，Nanjing210007，China）Abstract：Adamageassessmentmodelofaircrafttargetsunderfragmentationwarheadwasestablishedbasedontheanalysisofthebasicelementsofdamageeffectivenessevaluationsuchasaircraftstructureandwarheadfragmentationdamagefield.Theinformationoftargetgeometryanddamagemodesuitablefordamageprobabilitycalculationisobtainedbyanalyzingtheresultsofaircrafttargets.Thecalculationmethodofhitpointoffragmentsisgivencombiningwiththedynamicdispersioncharacteristicsoffragments.Finallytheaircraftvulnerabilityisquantitativelydescribedbycalculatingthedamageprobabilityoffragmentstothewholeaircrafttarget.Adamageassessmentsimulationsystemisdevelopedbasedonthemathematicalmodel，anditsfeasibilityisverifiedbycertaintypeaircraftflightexample.aircrafttargets，warhead，vulnerable，damageassessmentKeywords：GAORY，FANHY，FANHM.ResearchondamageeffectassessmentmethodofCitationformat：aircrafttargets［J］.FireControl&CommandControl，2019，44（8）：136-140.0引言标的毁伤程度［2］，这类方法成本太过高昂。随着计算机技术的高速发展，一种以理论分析为主，结合计算机仿真的研究方法逐步成为目标毁伤评估的主流研究方法［3］。针对此类方法，国内外学者进行了大量研究工作，见文献［4-11］。本文建立了一种飞机目标毁伤效果评估数学模型。首先对某型飞机的结构特性进行分析并建立易损性模型，利用xml数据格式保存适用于毁伤概率计算的易损数据：包括目标几何特征、舱段类型、飞机目标毁伤效果评估是按照一定的毁伤准则对飞机目标在战斗部作用下的易损性进行量化描述，并以毁伤概率或易损面积等形式给出分析结果［1］。现有的对于目标毁伤效果评估的研究方法多为试验研究，即对战场上各类典型目标进行大量实弹射击试验，通过对实战毁伤数据的分析来判断目收稿日期：2018-09-05修回日期：2018-10-08作者简介：高睿源（1990-），男，河南焦作人，硕士研究生，助理工程师。研究方向：武器装备系统评估。·136·高睿源，等：飞机类目标毁伤效果评估方法研究（总第44-1437）毁伤模式等；然后通过研究破片式战斗部破片的动态飞散特性，建立了战斗部毁伤场模型以及与目标的交会模型，得到了破片命中目标舱段的特征参数，结合不同舱段的毁伤准则计算各舱段的毁伤概率，最后根据毁伤树描述的目标毁伤与舱段毁伤的逻辑关系得到目标整体毁伤概率，以此作为评估飞机毁伤效果的指标。信息可以从几何信息、结构信息和要害信息3方面描述。目标几何信息包括目标面元顶点坐标和法向量等信息；目标结构信息包括反映目标结构毁伤特性的一些属性：结构舱段代码、舱段名称、节点个数、过载数目、过载值等信息；目标要害信息包含更多用于毁伤计算的数据，包括：易损性系数、部件类型、毁伤模式等。易损性系数表示舱段面元被击穿后被毁伤的可能性；部件类型是目标部件的分类，如：电气类、机械类等；毁伤模式有击穿、引燃、引爆3种。本文以A-10攻击机为例，基于3dsMax建模软件，采用polygon建模法［12］建立的飞机易损性模型如图1所示：1目标易损性模型目标易损性建模就是用一套详尽数据对飞机目标总体及舱段的几何特征、物理特性、毁伤模式等进行描述，并以特定数据格式存储和管理这些信息，最终应用于目标毁伤概率计算。目标易损性（a）目标几何模型（b）目标结构模型图1A-10攻击机易损性模型（c）目标要害模型2战斗部毁伤场模型通过对破片飞散特性的分析，结合目标几何特征，建立了破片毁伤场模型和破片与目标交会模型，计算出破片命中点参数，为毁伤概率计算提供依据。2.1破片飞散特性战斗部破片飞散特性可以通过破片速度和飞散角等参数来描述，如图2所示：yv0渍cvm

渍dxvd

在破片实际飞散过程中，会受到空气阻力的作用（破片自身重力忽略），在空气阻力作用下破片运动距离L后的速度为：（-v=vdexpCD籽HSL）2m（3）式中，CD为空气阻力系数；籽H为高度H处的空气密度；S为破片迎风面积；m为破片质量。2.2破片命中点计算图2破片动态飞散特性示意图图3单枚破片与三角面元相交判断图中vd为破片动态速度，是破片静态速度v0和导弹速度vm的矢量叠加；破片的动态飞向角渍d可由下式得到：v0sin渍c（1）渍d=tan-1（vm+v0cos渍c）基于导弹战斗部的轴对称性，可以得出破片沿圆周均匀分布的结论，破片动态飞散区域的空间分布密度可表示为：（f渍d）（渍d，=（2）啄R）2仔R2sin渍d破片飞散过程中是否命中目标，以及命中点相关参数是目标毁伤概率计算的基础。用三角面元的组合来描述飞机目标，用射线来描述单枚破片的运动轨迹，判断该射线是否与三角面元所在平面相交；如果相交，计算出交点坐标并判断交点是否在三角面元内部，如果在，则判定破片命中该面元，如图3所示，设破片初始位置为t（，方向向量y0，z0）0x0，其所在平面S可吟ABC为目标表面某个三角面元，·137·，经过时间t运动到位置t1（x0+tx，，y0+ty，z0+tz）（总第44-1438）火力与指挥控制2019年第8期表示为：若满足（ax0+by0+cz0+d）（ax1+by1+cz1+d）≤0，则t0t1与平面S相交。设t0t1和平面S相交与点S'（x'，，则交点既满足平面方程，也满足线段y'，z'）方程，即：扇设

设设设设设设设缮设设设设设设设设墒

ax+by+cz+d=0（4）ax'+by'+cz'+d=0x'=x0+ty'=y0+tz'=z0+txyz3.1结构舱段毁伤概率计算破片流对目标结构舱段的毁伤概率Psi可表示为：1esi≥ekp（6）Psi=0esi＜ekp式中，ekp为使结构舱段i毁伤的单位能量临界；esi为作用在目标结构部件面上的破片流单位能量，计算公式如下：mv2Bi（琢i）（7）esi=KQ2式中，m为破片质量，vBi为破片i的打击速度，琢i为破片i的落入角，（舱段面元单位面Q为破片场密度积上的破片数），（琢i）为破片流对目标表面毁伤作K用影响的试验函数，通常取：0琢i≤10毅10（琢i）=琢i-（8）10毅＜琢i≤40毅K301琢i＞40毅3.2要害舱段毁伤概率计算破片对目标要害舱段的毁伤作用可分为3种扇设设设设设设缮设设设设设设墒

（5）通过式（5）即可求出焦点S'坐标，通过判断点S'是否在三角形内即可判定目标是否命中该面元。3目标毁伤评估模型飞机目标毁伤是由关键舱段毁伤导致的，由于各舱段毁伤模式不同，其毁伤概率计算方法也不同。首先判断被破片命中舱段的毁伤模式，选择合适的毁伤准则计算出该舱段的毁伤概率，然后采用［13］类型：导致舱段易损部件机械损坏的击穿作用、引毁伤树分析法描述目标毁伤与舱段毁伤之间的起燃烧的引燃作用以及破片对目标上弹药的引爆逻辑关系，最后通过逻辑关系由舱段毁伤概率计算作用。得到目标毁伤概率。对于破片j，其击穿概率PC为：0Ej＜ET（9）PC=1+2.65exp（-0.0347Ej）-2.96exp（-0.0143Ej）Ej≥ET式中，Ej=mvB为单位平均动能，Sa为破片的平均2gSahi132率Py近似为［14］：（0）（H）Py=FPy（10）迎风面积；hi为第i个舱段等效硬铝厚度；ET为舱段被击穿的动能临界值。破片命中目标燃料箱时在高度H上的引燃概（0）Py=式中，（H）表示高度对燃料起火燃烧概率影响的函F0）数，可通过试验获得［14］；为在地面破片撞击对P（y燃料箱的引燃概率，可表示为：Wj≤1.57Wj＞1.57（11）01+1.083exp（-0.4278Wj）-1.936exp（-.151Wj）式中，Wj=mvB/Sa，m为破片质量，vB为破片打击速度，Sa为破片迎风面积。Pb=破片对目标上弹药的引爆概率Pb可由下式得到：Uj≤0Uj＞0（i）（i，驻N=∑j=1啄浊r）PpN軍（i）-驻N01.303exp（-5.6Uj）sin（0.3365+1.84Uj）（12）（13）式中，（A0×10-8-A-0.065）/Uj为破片引爆参数，Uj=（1+3A2.31），（0.01籽d准vB2m2/3）/g，（10准啄D（/m1/3）。A0=A=籽d为弹药装药密度；准为破片形状系数；啄为弹药壳体材料密度；D为弹药壳体等效硬铝厚度。实际上，对于落在某舱段上的破片j，条件毁伤概率为啄（i，根据不同的毁伤模式，浊r）Pp，Pp=Pcj或落在舱段i上的有效破片数为：Pyj、Pbj，·138·式中，N为命中要害舱段i上的破片数，要害舱段i的毁伤概率为：（14）Pdi=1-e3.3目标毁伤概率计算常用的评估有翼飞机类目标的毁伤等级为C级高睿源，等：飞机类目标毁伤效果评估方法研究（总第44-1439）（飞机被击中后不能完成任务）和KK级（飞机被击中后立即解体）。某型飞机C级局部毁伤树如图4所示：图4某型飞机C级局部毁伤树图中顶事件为某型飞机目标的C级毁伤，底事件为不同舱段的毁伤（如代号C12代表升杆毁伤、代号C44代表中机身横梁-3毁伤），根据目标毁伤与舱段毁伤之间的逻辑关系（与或门描述），可得到战斗部对飞机目标的毁伤概率Pk：Pk=∑毁伤树P（Ai）（15）式中，P（Ai）表示事件Ai发生的概率。如果导致事件Ai发生的事件组合之间的关系为“与”，则P（Ai）=∏kj=1Pj；如果导致事件Ai发生的事件组合之间的关系为“或”，则P（Aki）=1-∏j=1（1-Pj）；其中Pj为某舱段j的毁伤概率。4仿真算例根据上述数学模型，以VisualStudio2010作为集成开发环境，使用OpenGL图形接口［15］，开发了目标毁伤评估仿真系统，对破片式战斗部引爆毁伤目标的过程进行可视化仿真，系统仿真流程如图5所示。设置战斗部装填预置破片1000枚，单枚破片质量3g，静爆初始速度1900m/s，静爆前沿飞散角84毅，后沿飞散角97毅；设置目标为A-10攻击机，飞行高度6000m，交会速度2000m/s，相对速度偏航角30毅，相对速度倾角15毅，脱靶量15m。弹目交会仿真效果如图6所示。仿真结束后，可以将破片命中参数通过具体直观的图像显示出来，并存储在数据库中。仿真结束后，命中破片参数统计界面如图7所示。在毁伤概率计算时进行文件读取操作会严重影响仿真性能。因此，采用惰性求值方法即在交会仿真过程中只记录相关信息，等仿真结束后再计算目标的毁伤概率，并将计算结果直接保存到文本文件中，如图8所示。5结论本文通过分析破片式战斗部对飞机类目标的图5系统仿真流程图图6弹目交会仿真效果示意图图7命中破片参数统计界面·139·（总第44-1440）火力与指挥控制2019年第8期［7］李超，李向东.破片式战斗部对相控阵雷达毁伤评估［J］.弹道学报，2015，27（1）：80-84.图8单次仿真毁伤概率计算结果［8］杨哲，李曙林，李寿安.导弹破片威胁下的飞机易损性分析［J］电光与控制，2012，19（12）：38-42.［9］JELICZ，ZAGORECKIA，HAMEED1A，etal.Fragmentationandlethalityanalysistoolfornaturalandcontrolledfragmen-tation，andpre-fragmentation［C］//27thInternationalSympo-siumonBallistics.FreiburgGermany：IBC，2013：665-675.［10］CLARKD，DEERMANB，OLSONA，etal.Lethalitymodel-ingdevelopmentforunmannedaerialsystems（UAS）［C］//27thInternationalSymposiumonBallistics.FreiburgGer-many：IBC，2013：528-535.参考文献：［1］李向东，杜忠华.目标易损性［M］.北京：北京理工大学出版社，2013.［2］王然辉，李文胜，杨世荣，等.基于易损性的目标标准化及其应用［J］.火力与指挥控制，2017，42（12）：105-114.［3］夏小华.近炸引信预制破片弹射击效能仿真［J］.火力与指挥控制，2013，38（6）：166-168.［4］陈.杀伤战斗部作用下典型飞机目标易损性研究［D］.南京：南京理工大学，2016.［5］王宏波，庄志洪，张京国.引战配合可视化仿真命中点参数精确计算［J］.系统仿真学报，2010，22（4）：1071-1074.［6］裴扬，宋笔锋，李占科.飞机易损性评估的基本方法研究［J］.弹箭与制导学报，2004，24（2）：70-74.（上接第135页）［11］KONOKMANHE，KAYRAN，KAYAM.Analysisofaircraftsurvivabilityagainstfragmentingwarheadthreat［C］//55thAIAA/ASME/ASCE/AHS/SCStructures，StructuralDynam-ics，andMaterialsConference.Maryland：AIAA，2014：1-12.［12］LIJ，YANGW，ZHANGYG，etal.Aircraftvulnerabilitymodelingandcomputationmethodsbasedonproductstruc-tureandCATIA［J］.ChineseJournalofAeronautics，2013，26（2）：334-342.［13］吕勇，石全，刘锋.钨球破片对相控阵雷达天线的冲击损伤仿真［J］.火力与指挥控制，2013，38（4）：87-95.［14］宋笔锋，裴扬.飞机作战生存力计算理论与方法［M］.北京：国防工业出版社，2011.［15］周智炫，黄洁，任磊生，等.战场目标易损性分析仿真软件的开发与应用［J］系统仿真学报，2014，26（2）：4-469.毁伤过程，建立了飞机类目标毁伤效果评估数学模型，并基于此数学模型开发了目标毁伤评估仿真系统。通过设置不同仿真参数可以计算出不同交会下战斗部对飞机目标的毁伤概率，根据毁伤概率的大小定量评估战斗部对飞机的毁伤效果。能够为弹药系统的开发、优化设计和飞机类目标的生存能力设计提供依据，具有良好的应用前景。于优化布站所形成的几何多边形内部时的定位精度高于外部，处在多边形外部时，与传感器距离越远，定位精度越差。2）通过调整布站形成的多边形顶点到几何中心的距离，有利于提高传感器系统的定位精度。3）提高距离、方位角和俯仰角的测量精度，有利于提高侦察系统的定位精度。因此，实际布站时，应该充分考虑目标探测空域和地理约束条件进行优化布站。参考文献：［1］罗俊海，王章静.多源数据融合和传感器管理［M］.北京：清华大学出版社，2015.［2］吕月，张冰.雷达组网系统责任区抗干扰优化部署［J］.火力与指挥控制，2011，36（8）：83-86.［3］刘俊杰，巴海涛.基于粒子群优化的观测站部署算法［J］.指挥控制与仿真，2014，36（3）：40-43.［4］关欣，关欣，陶李，等.多站协同定位的定位精度研究［J］.计算机与数字工程，2016，44（5）：829-834.［5］孙国政，李景岩.组网雷达站址误差对系统定位精度的影响［J］.舰船电子对抗，2015，38（5）：30-33.［6］MANOLAKISDE.Efficientsolutionandperformanceanaly-sisof3-Dpositionestimationbytrilateration［J］.IEEETrans.OnAerospaceandElectronicSystem，1996，32（4）：1239-1247.［7］GANESHL，RAOGS，CHAITANYADE，etal.TDOAmea-surementbasedGDOPanalysisforradiosourcelocation［J］.ProcediaComputerScience，2016，85（3）：740-747.［8］雷雨，冯新喜，朱灿灿，等.2D雷达组几何定位融合算法［J］.系统工程与电子技术，2011，35（5）：1151-1156.［9］唐小明，朱洪伟，何友，等.系统误差对GDOP的影响分析［J］.计算机与数字工程，2013，41（6）：901-903.［10］李动，黄心汉.基于改进遗传算法的雷达组网优化布站方法［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2013，41（s1）：407-709.［11］黄山良，卜卿.防空探测预警系统与技术［M］.北京：国防工业出版社，2015.［12］童俊，单甘霖.基于目标定位精度Cram佴r-Rao下限的多传感器空间布站研究［J］.计算机测量与控制，2013，21（3）：738-742.［13］陈植林，蔡晓霞，陈红，等.面向战术互联网子网路由协议与网络业务的仿真分析［J］.火力与指挥控制，2016，41（1）：165-168.·140·