飛機(jī)易損性評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

飛機(jī)易損性評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0飛機(jī)易損性評估飛機(jī)的生存能力（acs）可以定義飛機(jī)避免和承擔(dān)責(zé)任的能力，因?yàn)轱w機(jī)可以避免和承受人為環(huán)境。因此，生存能力可分為兩部分：敏感性和易損性。飛機(jī)的毀傷概率Pk(飛機(jī)可毀傷性)用飛機(jī)被命中的概率(飛機(jī)敏感性)Ph和飛機(jī)在給定命中條件下的毀傷概率(飛機(jī)易損性)Pk/h的乘積來表示,即Pk=PhPk/h.(1)飛機(jī)在人為敵對環(huán)境下生存的概率Ps為Ps=1-Pk.(2)飛機(jī)易損性評估是飛機(jī)生存力研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前,國外代表性的飛機(jī)易損性評估軟件和程序有美國的BRL-CAD、FASTGEN、COVART、SHAZAM、JSEM和AJEM等。其中,前2種計(jì)算機(jī)程序是預(yù)處理程序,用于產(chǎn)生射擊線對飛機(jī)進(jìn)行幾何描述,提供輸入數(shù)據(jù)給COVART,以便計(jì)算飛機(jī)的毀傷概率及易損面積,但COVART未考慮威脅(破片或彈丸)的回彈及跳彈影響。SHAZAM、JSEM和AJEM是高爆戰(zhàn)斗部(如導(dǎo)彈)終端效應(yīng)的評估程序,用于計(jì)算飛機(jī)在高爆破片作用下的毀傷概率和易損面積,以及評估爆炸沖擊波對飛機(jī)的毀傷情況等。國內(nèi)在易損性評估方面已經(jīng)開發(fā)了一些軟件系統(tǒng),如飛機(jī)武器系統(tǒng)幾何描述軟件,空空導(dǎo)彈單發(fā)毀傷概率仿真計(jì)算軟件(該軟件主要側(cè)重于導(dǎo)彈的毀傷威力評估)等,但這些軟件針對性比較強(qiáng),還未能直接應(yīng)用于飛機(jī)易損性評估。2002年,國防科工委公布了《飛機(jī)非核生存力通用指南》,并建議了易損評估所應(yīng)提供的分析結(jié)果,軍用指南對于指導(dǎo)易損性減縮設(shè)計(jì)與評估有重要意義。根據(jù)該指南以及國內(nèi)外在易損性理論與試驗(yàn)方面的最新研究成果,本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)通用的可用于飛機(jī)易損性評估的軟件系統(tǒng)。1基本威脅方面目前,飛機(jī)在非核武器威脅下,主要考慮的基本威脅為:非爆穿透物(如射彈或彈丸)、導(dǎo)彈破片及爆炸沖擊波。該軟件系統(tǒng)主要針對以上非核武器威脅對飛機(jī)易損性進(jìn)行評估。1.1第1階段7.7—非爆穿透物單擊中易損性飛機(jī)在某一非爆穿透物單次打擊的易損性通常用在飛機(jī)暴露面積Ap上遭受一次隨機(jī)打擊(打擊服從均勻分布)后的條件毀傷概率Pk/h表示,或用易損面積Av來表示。Av與Pk/h的關(guān)系為Av=ApPk/h,(3)式中Ap指的是飛機(jī)在垂直威脅攻擊方向平面內(nèi)的投影面積。Ap與Av的計(jì)算方法均可以由“射擊線掃描法”來實(shí)現(xiàn)。該算法將一平面網(wǎng)格(網(wǎng)格單元長為a,寬為b)平鋪在飛機(jī)及部件4邊形有限元投影模型上,在平面網(wǎng)格的每個(gè)單元內(nèi)產(chǎn)生射擊線。通過射擊線對飛機(jī)表面進(jìn)行掃描及累積飛機(jī)表面網(wǎng)格單元的數(shù)目,將其乘以網(wǎng)格單元的面積來確定Ap.Av的計(jì)算可表示為Av=∑j=1NPk/h?j×a×bAv=∑j=1ΝΡk/h?j×a×b,(4)式中:N為射擊線的個(gè)數(shù);Pk/h,j為第j條射擊線打擊下的飛機(jī)網(wǎng)格單元?dú)怕手?可以根據(jù)4種單擊中毀傷模型(即無余度無重疊模型、無余度有重疊模型、有余度無重疊模型和有余度有重疊模型)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過程中要考慮每個(gè)部件在給定打擊下的毀傷概率,針對每個(gè)部件的毀傷模式(穿透、引燃和引爆毀傷)選擇合適的概率計(jì)算公式。毀傷概率的計(jì)算要考慮威脅的入射速度、入射方向及威脅的質(zhì)量等參數(shù),在計(jì)算這些參數(shù)的時(shí)候,需要考慮致命性部件及非致命性部件的遮擋效應(yīng),為此需要計(jì)算威脅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化,威脅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程主要有2種(THOR和JTCG/ME),詳見文獻(xiàn)。當(dāng)假設(shè)威脅的彈道為直線的時(shí)候,主要以v50彈道極限來作為每條射擊線的停機(jī)準(zhǔn)則;在考慮威脅回彈及跳彈效應(yīng)時(shí),應(yīng)以威脅的速度或質(zhì)量衰減到0作為每條射擊線的停機(jī)準(zhǔn)則。1.2多明確余度部件總數(shù)的影響飛機(jī)在非爆穿透物多次打擊的易損性主要有2種精確計(jì)算方法,即馬爾可夫鏈法(又稱狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣法)和樹圖法。馬爾可夫鏈法和樹圖法都是根據(jù)打擊的先后次序逐步求出飛機(jī)累積毀傷概率的。當(dāng)飛機(jī)所有余度部件的總數(shù)較少的時(shí)候,采用這2種方法的多擊中易損性計(jì)算時(shí)間很快;當(dāng)所有余度部件的總數(shù)達(dá)到一定數(shù)目時(shí),由于飛機(jī)遭受多次打擊的存在狀態(tài)、馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣的維數(shù)及樹圖法中樹的分支個(gè)數(shù)均隨著余度部件總數(shù)的增加按指數(shù)關(guān)系增加,這時(shí)多擊中易損性的計(jì)算時(shí)間變得非常長,即出現(xiàn)“組合爆炸”現(xiàn)象。為了解決這一問題,可以利用MonteCarlo方法,將飛機(jī)所有的存在狀態(tài)模擬成“放球入盒模型”,通過對威脅的打擊點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)均勻抽樣來計(jì)算飛機(jī)多擊中易損性,可以避免“組合爆炸”問題。1.3破片易損性的計(jì)算對于在外部爆炸導(dǎo)彈威脅下的飛機(jī)易損性通常用兩個(gè)分離的步驟來進(jìn)行分析,第一步是考慮飛機(jī)對破片的易損性,第二步是考慮飛機(jī)對爆炸沖擊波的易損性。目前,飛機(jī)在導(dǎo)彈破片威脅下的易損性計(jì)算主要依據(jù)2種方法,其一是利用1.2節(jié)的多擊中易損性來計(jì)算(精確方法)。值得一提的是,飛機(jī)在導(dǎo)彈破片多次打擊的易損性是以飛機(jī)單次破片打擊(單擊中)的易損性為基礎(chǔ)的,由于導(dǎo)彈破片按照噴射狀彈道運(yùn)動(dòng),“射擊線掃描法”計(jì)算飛機(jī)單擊中易損性的基本思想還是適用的,但由于該方法是在平面網(wǎng)格內(nèi)產(chǎn)生射擊線,噴射彈道下各個(gè)破片的彈道不是互相平行的,為此,該方法需要進(jìn)行修正。應(yīng)以“曲面射擊線掃描法”來計(jì)算噴射彈道情況下的破片單擊中易損性。即將一曲面網(wǎng)格鋪在破片與飛機(jī)平均交會(huì)距離處的破片動(dòng)態(tài)擴(kuò)散面上,在曲面網(wǎng)格的每個(gè)單元內(nèi)以導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部中心為基準(zhǔn)產(chǎn)生射擊線,其余的步驟與1.1節(jié)相同。飛機(jī)在導(dǎo)彈破片威脅下易損性計(jì)算的另外一種常用的簡易化公式為Pk/d=1-exp(-ρAv),(5)式中ρ為破片擴(kuò)散面單位面積上破片的平均數(shù)量。該公式與精確方法相比,有計(jì)算時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),但在該公式中,只考慮了非余度致命性部件對飛機(jī)易損性的影響,為了考慮余度部件的影響,可利用文獻(xiàn)提出的“等效單一易損性面積”來代入上式進(jìn)行計(jì)算,這樣計(jì)算出的易損性與精確解的誤差較小。1.4飛機(jī)易損性評估常用準(zhǔn)則飛機(jī)在爆炸沖擊波威脅下的易損性評估結(jié)果經(jīng)常表示為飛機(jī)的易損性包線。易損性包線是飛機(jī)周圍可能毀傷的區(qū)域,在這個(gè)包線之內(nèi)的爆炸,飛機(jī)將受到某種等級(jí)的毀傷;在包線之外,飛機(jī)會(huì)受到輕微的毀傷。常見的爆炸沖擊波毀傷準(zhǔn)則有3種:超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、超壓—沖量準(zhǔn)則。在本文中,以超壓準(zhǔn)則來繪制易損性包線。國軍標(biāo)GJB/Z202-2001及美軍標(biāo)MIL-HDBK-336-1建議,飛機(jī)易損性的評估結(jié)果需要給出飛機(jī)在典型爆炸平面及爆炸高度的易損性包線評估結(jié)果,本文建議選擇4個(gè)典型的爆炸平面:1)D平面:過飛機(jī)縱軸,且與機(jī)翼平行的平面;2)C平面:過飛機(jī)縱軸,且與飛機(jī)平飛升力平行的平面;3)A平面:垂直于飛機(jī)的縱軸,在縱軸的前面致命性部件較多的地方;4)B平面:垂直于飛機(jī)縱軸,在縱軸的后面致命性部件較多的地方。2評估系統(tǒng)的主要模塊和功能評估系統(tǒng)主要由5大基本模塊組成,如圖1所示,下面介紹各個(gè)模塊的基本功能。2.1飛機(jī)模型和部件模型易損性評估應(yīng)首先提供飛機(jī)模型的數(shù)據(jù)文件及部件模型的數(shù)據(jù)文件。飛機(jī)及部件的幾何形狀均采用目前應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的有限元軟件(如MSC/PATRAN)來建立模型,并形成數(shù)據(jù)文件。飛機(jī)模型主要包括以下基本信息:飛機(jī)的質(zhì)心坐標(biāo)、4邊形面元個(gè)數(shù)及編號(hào)、面元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、面元厚度等。部件模型主要包括以下基本信息:每個(gè)部件的面元個(gè)數(shù)、面元厚度、部件的致命性(致命性部件用于計(jì)算飛機(jī)的毀傷概率;非致命性部件主要考慮遮擋效應(yīng),用于在穿透方程中計(jì)算威脅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化)、致命性部件的毀傷模式(如穿透、引燃、引爆等)以及用于毀傷概率計(jì)算的一些參數(shù)。2.2飛機(jī)與艦隊(duì)切圖,側(cè)視圖;該模塊可以提供飛機(jī)及其部件的3面圖(主視圖、俯視圖、側(cè)視圖);飛機(jī)與導(dǎo)彈交會(huì)圖形;圖形的幾何變換(平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小);并能進(jìn)行飛機(jī)及部件的線條顏色、背景色、平移量、旋轉(zhuǎn)量、縮放量、旋轉(zhuǎn)軸等的設(shè)置。2.3先進(jìn)威脅的設(shè)置該模塊考慮了3種主要威脅:非爆穿透物(如射彈或彈丸)、導(dǎo)彈威脅(戰(zhàn)斗部為破片)及爆炸沖擊波。在非爆穿透物威脅中,主要設(shè)置的信息包括威脅的尺寸、材料、速度、形狀(如球形、立方形、菱形、平行6面體)、威脅打擊方向及打擊次數(shù)。在導(dǎo)彈威脅中,主要設(shè)置的信息包括:導(dǎo)彈破片類型、尺寸、材料、數(shù)目、爆炸點(diǎn)、裝藥類型、裝藥質(zhì)量、裝藥質(zhì)量比、靜態(tài)擴(kuò)散角、導(dǎo)彈數(shù)目、速度、方位角、俯仰角、飛機(jī)的飛行速度及飛行高度等。在爆炸沖擊波威脅中主要考慮以下因素對飛機(jī)爆炸易損性包線繪制的影響:飛機(jī)不同飛行高度、不同裝藥質(zhì)量、不同裝藥類型、典型爆炸平面選擇。2.4非爆威脅設(shè)置如圖1所示,該模塊主要包括3部分。全局系統(tǒng)設(shè)置用于設(shè)置“射擊線掃描”的步長、穿透方程選擇(THOR或JTCG/ME)、是否考慮回彈及跳彈等信息。非爆威脅設(shè)置用于選擇計(jì)算方法,如精確計(jì)算馬爾可夫鏈法或MonteCarlo模擬。導(dǎo)彈威脅設(shè)置用于選擇計(jì)算方法,包括精確計(jì)算馬爾可夫鏈法、MonteCarlo模擬或簡易化方法。2.5結(jié)果模塊1毀傷概率分布可以數(shù)據(jù)文件或云圖形式提供部件間遮擋關(guān)系及“射擊線掃描”后的毀傷概率分布;提供飛機(jī)的任意威脅攻擊方向或26個(gè)標(biāo)準(zhǔn)攻擊方向上的暴露面積、易損面積、毀傷概率;提供致命性部件各個(gè)方向的暴露面積、易損面積、毀傷概率及其平均值。2多中斷評估結(jié)果提供飛機(jī)在非爆穿透物威脅多次打擊的累積易損面積、累積毀傷概率及基于事件的易損面積和毀傷概率。3擋關(guān)系及“機(jī)動(dòng)”識(shí)別可以數(shù)據(jù)文件或云圖形式提供部件間遮擋關(guān)系及“射擊線掃描”后的毀傷概率分布,并給出導(dǎo)彈與飛機(jī)交會(huì)圖形;提供破片打擊下的飛機(jī)毀傷概率及易損面積。4爆炸包線提供各個(gè)典型爆炸平面上的飛機(jī)爆炸易損性包線。3計(jì)算利用該評估系統(tǒng),對某戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行易損性評估,部分易損性評估結(jié)果如下。3.1威脅攻擊方向該飛機(jī)在45°俯仰角及45°方位角威脅(6.5g,2000m/s,球形彈丸)方向上的毀傷概率云圖分布如圖2所示。圖3、圖4顯示了該飛機(jī)在26個(gè)基本威脅攻擊方向的毀傷概率值及易損面積。26個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方向可以由攻擊方向相對于飛機(jī)總體坐標(biāo)系的俯仰角αe和方位角αa來表示,如表1所示。另外,該飛機(jī)共有55個(gè)致命性部件,各個(gè)部件在26個(gè)攻擊方向上的易損面積平均值如圖5所示,根據(jù)該圖可以看出各個(gè)致命性部件相對易損性,進(jìn)而為采取易損性降低措施(如余度、裝甲等)提供幫助。3.2多中斷損失評估的結(jié)果該飛機(jī)在威脅彈丸(45°俯仰角和45°方位角)連續(xù)打擊1～30次的累積毀傷概率如圖6所示。該曲線的形狀與文獻(xiàn)給出的曲線形狀一致。3.3爆破飛機(jī)先進(jìn)的毀傷概率某導(dǎo)彈的方位角及俯仰角均為0°,飛行速度為500m/s,靜態(tài)前緣擴(kuò)散角為50°,靜態(tài)后緣擴(kuò)散角為120°,裝藥類型為TNT,裝藥質(zhì)量比為1.0,戰(zhàn)斗部破片總數(shù)為1000,破片為鋼質(zhì)球形,直徑為1.16cm.飛機(jī)飛行速度為300m/s,飛行高度為5000m.在圖7(a)位置引爆導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部后的飛機(jī)與導(dǎo)彈破片的交會(huì)圖形如圖7(b)所示。該導(dǎo)彈在飛機(jī)周圍典型爆炸點(diǎn)位置處引爆導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部后的毀傷概率分布如圖8所示。根據(jù)交會(huì)分析,可以計(jì)算導(dǎo)彈的前緣動(dòng)態(tài)擴(kuò)散角為48°,后緣動(dòng)態(tài)擴(kuò)散角為117°.導(dǎo)彈的前、后緣動(dòng)態(tài)擴(kuò)散線可以將飛機(jī)周圍劃分為如圖8所示的5個(gè)交會(huì)區(qū)域。從圖中可以看出,在區(qū)域Ⅱ內(nèi)的毀傷概率全部為1.在區(qū)域Ⅴ內(nèi)的毀傷概率基本全部為0.區(qū)域Ⅳ內(nèi)的第1排毀傷概率值基本變化不大,只有靠近右邊的2個(gè)數(shù)值(0.50和0.46)相對較小,其它值均在0.57左右;第2排毀傷概率值基本在0.80左右;第8排的毀傷概率值均在0.82左右;第9排的毀傷概率值左半部分在0.58左右,右半部分在0.54左右,最右邊的數(shù)值(0.50)相對較小。然而在區(qū)域Ⅰ和Ⅲ內(nèi),每排內(nèi)的毀傷概率值變化很大。導(dǎo)彈引信優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使戰(zhàn)斗部在區(qū)域Ⅱ和Ⅳ區(qū)域內(nèi)爆炸,此時(shí)破片擊中飛機(jī)的數(shù)目較多、導(dǎo)彈毀傷飛機(jī)的概率相對較大、且毀傷概率值主要取決于導(dǎo)彈與飛機(jī)的交會(huì)距離。3.4高度發(fā)展的包線在典型C爆炸平面,不同裝藥(TNT)質(zhì)量下的飛機(jī)爆炸易損性包線如圖9所示。可以看出,在一定的飛機(jī)飛行高度上的易損性包線隨著裝藥質(zhì)量的增加,包線有向外擴(kuò)展的趨勢,這說明爆炸毀傷效果在逐漸增加。該圖形與文獻(xiàn)給出的易損性包線形狀基本