一种新的评估末敏弹扫描参数对目标影响模型*

韩广超, 王 锋, 赵河明, 张 锋, 赵欢欢,2

(1 中北大学机电工程学院, 太原 030051; 2 奇瑞新能源汽车技术有限公司, 安徽芜湖 241000)

一种新的评估末敏弹扫描参数对目标影响模型*

韩广超1, 王 锋1, 赵河明1, 张 锋1, 赵欢欢1,2

(1 中北大学机电工程学院, 太原 030051; 2 奇瑞新能源汽车技术有限公司, 安徽芜湖 241000)

为了研究末敏弹稳态扫描参数对目标的影响,提出了一种评估末敏弹扫描参数对目标影响的模型。建立了稳态扫描参数影响下的末敏子弹对目标影响模型,并运用MATLAB提供的非线性规划最优化理论进行了仿真。仿真结果表明:当转速为5 r/s,落速为9 m/s,扫描角为30°,敏感器探测距离为115～145 m时,末敏子弹最适宜作用目标。所提出的研究思路与方法为末敏弹设计提供一定的帮助,研究内容对分析末敏弹作战效能具有一定的指导意义。

稳态扫描;MATLAB;非线性规划最优化;敏感器

0 引言

末敏弹又称“敏感器引爆弹药”[1],其利用先进敏感器技术自主搜索、探测、识别目标后,引爆弹药,形成爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP),从顶部攻击装甲集群目标。

稳态扫描参数是决定子弹药系统性能与可靠性高低的关键因素,研究末敏弹对目标的作用实际上就是研究稳态扫描参数对目标的影响。文献[2]提出了子母弹射弹散布模型,仿真目标毁伤效果,从而确定稳态扫描参数。文献[3]建立了末敏弹命中概率预测模型,运用智能算法对扫描参数进行了优化。文献[4-5]均是基于正交试验的灵敏度分析法,确定试验方案,分析了影响末敏弹对目标攻击效能的稳态扫描参数。文献[6]从子弹群落点分布的角度对稳态扫描参数进行了分析。文献[7-10]通过建立模型,运用算法,对影响末敏弹效能的参数进行了优化。

末敏子弹对目标影响的重要指标是扫描时间、扫描覆盖面积以及扫描间距[11],而这三项是由稳态扫描参数决定的,因此文中从稳态扫描参数着手,建立末敏弹对装甲目标影响下的数学模型,运用非线性规划最优化理论仿真,综合考虑,最终确定末敏子弹稳态扫描最优参数以及最优参数下的子弹对目标影响。

1 末敏子弹对目标影响因素分析

1.1 末敏子弹工作原理

在稳态扫描阶段,子弹体的子弹轴与铅垂方向成某一角度,通过摩擦盘导旋作用,主旋转伞带动子弹体同步旋转,同时,位于子弹体上的敏感视场在地面以螺旋线的形式由外向内开始对目标进行探测、识别,一旦目标被识别,即刻引爆EFP战斗部,从顶部攻击装甲集群目标。

1.2 末敏子弹对目标影响因素分析

扫描间距与稳态扫描参数之间关系:

(1)

式中:v为落速;n为转速。

1)转速和扫描角一定时,速度越大,扫描间距越大,敏感器捕捉目标几率减小,子弹对目标影响力降低。

2)转速和落速一定时,扫描角对子弹作用目标起作用,敏感器探测距离确定时,随着扫描角增大,扫描间距增大,敏感器捕捉目标几率减小,影响力下降。

3)落速和扫描角确定时,转速越大,扫描间距越小,敏感器扫描目标几率越大,影响力增加。

4)转速、落速以及扫描角均一定时,敏感器探测距离同样也会影响子弹对目标影响力。探测距离越大,扫描范围越大,目标被覆盖几率增加,影响力增加。

5)风影响子弹对目标影响力,子弹处于有风环境中,扫描过程中,会使子弹偏离目标群,风速越大,偏离目标群越严重,甚至目标脱离扫描覆盖范围。

2 末敏子弹对目标影响模型分析与建立

稳态扫描阶段,扫描角的选择一般要考虑子弹的搜索视场和目标背景的辐射反射规律等,通常θ取30°,扫描间距Δ根据敏感器瞬时视场大小,工程上取值一般为1 m≤Δ≤2 m[12]。

设子弹稳态扫描初始高度为H,扫描落线上初始扫描角为A0,初始位置与X轴成α,经时间t后,为扫描螺线上的A1点,则其坐标表示为:

(2)

由式(2)可得出扫描轨迹:

x2+y2=(H-vt)2(tanθ)2

(3)

扫描面积为:

S(t)=π(H-vt)2(tanθ)2

(4)

子弹旋转一周,下落的距离为:

ΔH=v/n

(5)

考虑末敏弹捕获准则时,对目标中心区系数选用2/3,文中以敏感器扫过覆盖面积2/3时发现目标,则子弹对目标影响力定义为该面积与扫描间距的比值,即单位扫描间隔下,敏感器扫过的覆盖面积的大小,该值越大,目标被探测到的几率就大,因而子弹对目标的影响力就越大,因此文中所建立的影响力模型为:

(6)

式中a、b、c、d、e、f均为常值。

3 末敏子弹对目标影响仿真分析

a取1 m,b取3 m,c取2 r/s,d取8 r/s,e取5 m/s,f取20 m/s,初始高度H取值范围70～200 m,利用非线性规划最优化理论,对影响力进行仿真分析。

3.1 稳态扫描参数最优值分析

根据表1绘制不同探测距离下转速落速变化趋势如图2所示,影响力与探测距离关系如图3所示。

H/mn/(r·s-1)v/(m·s-1)Q706.552311.34903253.7754.30567.45753747.7806.593711.42064276.7855.861210.15184840.5905.34799.26285439.3954.91758.517360731004.76058.24556741.61054.86568.42757445.11104.94068.55748183.51154.99178.64598596.81205.02328.700497651255.03838.7266106081305.03978.729114861354.37147.5715123991404.4117.640133471454.4427.6937143301504.4657.7335153471554.48067.7605164001604.48947.7759174871654.49227.7808186101702.88685197671752.88685209591802.8865221861852.8865234481902.92275.0622247451952.88685260772002.8868527444

从图2中可看出子弹转速与落速随探测距离变化走势基本一致,在探测距离为80～110 m之间变化波动较大,图3中可看出该段影响力较小,不易选取;200 m以后均保持不变,转速约为3 r/s,落速约为5 m/s,经计算扫描间距Δ=0.962 5 m,不满足工程上扫描间距值,而且随探测距离增加,虽然扫描覆盖面积增大,目标落入扫描范围几率增加,但由于落速和转速较小,导致扫描时间长,子弹留空时间长,易被反子弹武器击毁,因此,本段不可取。探测距离在115～145 m之间与160～190 m之间,转速落速均变化平稳,115～145 m之间转速约为5 r/s,落速约为9 m/s,扫描间距Δ=1.039 2 m;160～190 m之间的转速约为4 r/s,落速约为8 m/s,扫描间距为Δ=1.1570 m,根据图3在其他参数一定的前提下,探测距离与影响力值成正比,考虑末敏弹滞空以及扫描间距和扫描时间的影响,115～145 m之间的探测距离较为合适。

3.2 优化条件下的各参数值与影响力值的关系

上一小节中,确定转速、落速一定范围内的最优值为转速5 r/s,落速为9 m/s,探测距离最佳范围115～145 m。以下是各参数值与影响力值的关系。

从图4、图5、图6中可以看出影响力与落速成反比,与探测距离及转速成正比。落速越快,影响力值越小,影响子弹对目标作用,转速越高,影响力值越大,探测距离越大,影响力值越大,该仿真结果与1.2节中的分析结果一致。

3.3 风对末敏子弹影响力的影响

图7、图8、图9(红色代表目标)对比分析可知:当末敏子弹处于无风作用下时,目标均位于探测器扫描覆盖面内,影响力值最大,当vx=vz=2 m/s时,如图8所示,目标也均处于探测器扫描覆盖范围内,但相对无风情况下,其影响力降低;图9中在vx=2 m/s,vz=2.5 m/s,有一部分目标脱离探测器扫描范围,如果风速更大的话,所有目标均会脱离扫描范围,这时末敏弹就对目标失去了作用。该仿真结果也与1.2节中的定性分析较为一致。

4 结论

文中从末敏弹稳态扫描阶段的转速、落速、扫描角以及敏感器的探测距离等参数角度出发,建立了末敏子弹对目标影响作用的数学模型,运用非线性规划最优化理论仿真,确定了最佳稳态扫描参数及其影响力,仿真结果与定性分析相一致,证明了所建立的模型的正确性。通过文中所建立的模型,可以确定某一转速范围、落速范围以及探测距离范围下的最优稳态扫描参数以及子弹对目标的影响力值,文中的研究内容对分析末敏弹的作战效能具有一定的指导意义,同时,文中所提出的研究方法、思路和分析方法也为末敏弹的整体设计提供了一定帮助,具有一定的实际应用意义。

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ANewModelofAssessingtheInfluenceofTerminal-sensitivityProjectileSteadyStateParametersAgainstTargets

HAN Guangchao1, WANG Feng1, ZHAO Heming1, ZHANG Feng1, ZHAO Huanhuan1,2

(1 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2 Chery New Energy Automotive Technology Co. Ltd, Anhui Wuhu 241000, China)

In order to study how Terminal-sensitivity Projectile (TSP) steady state scanning parameters affected targets, a model of assessing the influence of TSP scanning parameters against targets was proposed in the paper. The influence model of submunitions against targets was established, which was in the influence of steady state scanning parameters, and the simulation was carried out by non-linear programming optimization theory provided by MATLAB. The simulation results show that:under the circumstances of the scanning angle is 30° and sensor detection is 115～145 m, when the speed is 5 r/s and off-speed is 9 m/s, the submunition is against targets at best. research ideas and methods provide some help of TSP design, and research contents have certain significance for TSP operational effectiveness.

stead state scanning; MATLAB; non-linear programming optimization; sensor

TJ410.1;TP391.9

A

2016-03-21

国防科工局技术基础项目资助

韩广超(1989-),男,山东济宁人,硕士研究生,研究方向:智能弹药。