基于Unity3D的杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤评估可视化设计与实现.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:徐祎()硕士研究生:.:./.基于 的杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤评估可视化设计与实现徐 祎陈百权马兹浩彭芋程赵勃兴(.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室 北京.北京理工大学 北京)摘要:为提高战斗部的设计迭代与毁伤评估效率引入典型相控阵雷达的目标易损性模型构建了杀爆战斗部威力场计算模型、弹目交会模型以及典型相控阵雷达的毁伤概率计算模型并基于 引擎搭建了杀爆战斗部对相控阵雷达的毁伤评估系统 系统能够实现杀爆战斗部的参数化设计、威力场计算以及杀爆战斗部对典型相控阵雷达毁伤概率的计算及毁伤效果的可视化 针对某杀爆战斗部进行试算系统直观显示了战斗部威力以及对典型相控阵雷达的毁伤效果设置战斗部落速为/为 计算得到了落高为 落角在 的弹目交会条件下战斗部对典型相控阵雷达的毁伤概率 所设计的系统功能完备可以为杀爆战斗部方案设计及对相控阵雷达的毁伤评估提供支撑系统开发的思路可以为战斗部威力计算及毁伤评估软件的设计提供参考关键词:视景仿真毁伤评估杀爆战斗部预制破片破片威力场相控阵雷达本文引用格式:徐祎陈百权马兹浩等.基于 的杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤评估可视化设计与实现.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):./.:引言计算机视景仿真技术的发展对战斗部设计及毁伤评估的研究有着极大的促进作用各类威力计算及毁伤评估软件结合了数值计算以及可视化技术可以在进行战斗部方案设计时快速计算战斗部威力并直观显示战斗部对目标的毁伤效果可以有效提升战斗部设计及毁伤评估的效率、降低设计成本缩短研发时间国外在战斗部设计及毁伤评估类系统开发方面已有较多研究成果由德国 公司开发的、美国空军开发的 都是具有代表性的战斗部威力评估软件能够实现从战斗部参数化建模到毁伤效果显示的全过程功能完备多样 国内的诸多单位也开展了相关研究胡平基于 和 开发了杀爆战斗部参数化建模和威力可视化专家系统高鹏等开发了可以实时显示杀伤范围的火箭弹杀伤幅员可视化仿真系统何淼等基于 设计了杀爆战斗部静爆实验仿真系统可以为战斗部设计和实验提供参考贾岛等基于 对防空导弹引战作用过程开发了可视化仿真系统能够再现导弹对目标探测和毁伤的全过程总体来说国内对战斗部威力和毁伤评估系统的研究已经有了一定的积累但是目前的研究主要集中在战斗部设计、威力可视化方面缺乏对目标关键部件的描述且单个系统功能只针对战斗部设计的单个环节功能组成不够完备因此本文中引入典型相控阵雷达的易损性模型基于 引擎开发了杀爆战斗部对相控阵雷达的毁伤评估可视化系统能够实现杀爆战斗部参数化设计、威力计算及可视化、战斗部与相控阵雷达的弹目交汇及战斗部对目标的毁伤效果可视化等功能整个系统功能完备数据与图形结合较好能够为杀爆战斗部设计及毁伤评估提供工具 系统总体设计.系统功能模块组成杀爆战斗部对相控阵雷达的毁伤评估要点在于建立完善的相控阵雷达易损性模型、战斗部威力模型、能够有效反应冲击波和破片毁伤元对于雷达毁伤效果的毁伤评估模型进行系统总体功能设计建立如图 所示的仿真系统功能模块包含战斗部参数化设计与威力计算模块、相控阵雷达目标易损性模块、战斗部对雷达的毁伤评估模块以及用于数据管理的数据存储模块图 仿真系统功能模块设计.仿真系统业务流程本系统以评估杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤效应为仿真业务开展如图 所示业务流程系统读取用户输入的战斗部参数进行杀爆战斗部参数化建模并计算杀爆战斗部威力参数通过读取弹目交会参数计算杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤的毁伤效果并在仿真视景界面输出图形演示并基于相控阵雷达的易损性模型及毁伤准则计算杀爆战斗部对典型相控阵雷达的毁伤概率图 仿真系统业务流程.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./系统模块设计.目标易损性模块设计.相控阵雷达 模型雷达方舱的易损性部件包括雷达天线阵面和雷达方舱部分在查阅雷达易损性相关资料 的基础上本文中使用 建模工具建立如图 所示包含雷达内部易损性部件的相控阵雷达 模型图 展示了为雷达方舱内部结构中各个要害组件图 展示了相控阵雷达天线的组成图 相控阵雷达三维模型.图 相控阵雷达方舱组件.图 相控阵雷达天线组成.相控阵雷达易损性模型相控阵雷达的要害部位为雷达的天线阵面和雷达方舱内的电子设备组件 雷达天线阵面是相控阵雷达中最容易受损的部位由主天线(个阵元组成)、天线(个 阵元组成)、天线(个阵元组成)和辅助天线阵(个阵元组成)雷达天线阵元设置有一定的冗余大于 阵元受损即可认为雷达天线系统受到损伤无法进行工作 对于雷达方舱内部的多个组件来说某个部件失效会导致包含其在内的组件功能失效进而导致相控阵雷达整体的毁伤 因此超过 天线阵元损毁或方舱内组件失效的情况下认为相控阵雷达的毁伤概率为 得到如图 所示相控阵雷达毁伤树图 相控阵雷达毁伤树.为衡量破片对相控阵雷达的毁伤效果将雷达天线的防护结构等效为 厚度的 钢板方舱的防护结构等效为 厚度的 钢板 破片穿透天线防护结构可以对其运动轨迹上的阵元造成破坏破片穿透方舱防护结构可以命中其运动轨迹上的部件 如果部件上命中了 枚破片则取该部件毁伤概率 ()为部件易损性系数本文中取 .同时以冲击波准则衡量冲击波对相控阵雷达的毁伤效果利用插值法计算目标的毁伤概率:()对于相控阵雷达目标其冲击波临界超压的上下限为 .杀爆战斗部设计及威力计算模块.战斗部参数化建模 中通过代码控制可以生成自定义的网格图形本文中基于此开发了战斗部参数化建模功能可以通过读取输入参数进行计算自动对破片进行排布并生成所需的战斗部 模型图 到右所示为系统生成的使用球形、圆柱形、立方形破片的圆柱形战斗部 模型徐 祎等:基于 的杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤评估可视化设计与实现图 采用不同形状破片的圆柱形战斗部.杀爆战斗部威力参数计算数学模型战斗部威力参数通常包括破片初速、飞散角以及距离战斗部中心处一定距离上的超压峰值破片初速 可以用格尼公式计算 .()式()中:为装药质量 为壳体质量 格尼比能是关于炸药爆速 的常数可以表示为.对于一端中心起爆圆柱形战斗部其破片初速沿破片轴线的分布规律可以表示为 (/)()/)()式()中:为破片的轴向距离 为破片在距离轴向 处装药的直径 为装药长度、为通过实验测定的常数破片飞散方向与战斗部轴线的可以表示为 ()考虑端部效应的影响战斗部破片的抛射角采用王力提出的抛射角计算公式 ()式()中:等式右边第一项为泰勒公式第二项 可以通过王力给出的经验公式计算为破片速度相对于轴向位置的导数使用超压公式计算战斗部产生超压峰值和比冲量:.()()式()中:的单位为/本文中取 /()式()中:为对比距离 为爆炸点距离地面的高度为炸药装药相对于 的当量转换质量.战斗部对目标毁伤评估模块.炸点随机抽样以地面为 面过目标的几何中心 且垂直地面的直线为 轴建立目标坐标系战斗部以 点为瞄准点如图()所示根据目标中心点 距离地面的距离 和炸高 和落角 初步确定在 的情况下战斗部的炸点坐标图 战斗部与目标交会示意图.如图()所示垂直于战斗部弹道且过瞄准点 的平面为战斗部制导平面由于制导偏差的影响战斗部的随机弹道与制导平面的交点 与瞄准点 产生了偏移战斗部在制导平面内的随机偏移量为、取、为标准正态分布抽样随机数制导误差的横向和纵向标准偏差 /.则战斗部在制导平面内的随机偏移量、可以表示为 ()抽样计算得到战斗部在制导平面内的拦截点在目标坐标系下的坐标()因此由方位角、落角 以及拦截点 构成的随机弹道方程可以表示为 ()取炸高 可以得到战斗部在地面坐标系下的随机炸点.破片和冲击波与目标的交会判定在 中通过射线扫描()的方式来检测破片与目标的交会射线检测原理如图 所示图 射线扫描原理示意图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./射线的起点为破片在目标坐标系下的初始坐标方向为破片在目标坐标系下的运动方向射线扫描到目标物体即可通过 类返回射线命中物体的信息包括命中物体的信息命中点的坐标 碰撞点所在平面的法线、射线从出发点到碰撞点 的距离 基于式()到破片在命中目标时经过衰减后的速度 根据目标的法线与射击迹线夹角可以得到破片的着靶角度并根据式()计算 和极限穿透速度 的大小关系进而判断破片是否能够穿透目标遍历每一枚破片即可得到破片对于相控阵雷达目标的毁伤效果破片在空气运动过程中会受到空气阻力速度不断降低忽略重力对破片运动的影响破片的速度随运动距离变化可以表示为()()式()中:()/其中 为和破片形状相关的大气阻力系数 为破片迎风面积 /()为高度 处的相对空气密度 为空气密度为单个破片的质量计算破片临界穿透速度的 公式为()()()式()中:、是根据每一种材料特性分别确定的系数为破片平均着靶面积以 计破片速度以/计靶厚 以 计以 计本文中选用 钢板作为等效靶取 .在 中通过球形检测方法来检测冲击波超压对目标的毁伤基于 方法即可检测以战斗部炸点为球心半径为 的球体范围内所有带有 碰撞体组件的物体通过式()计算得到冲击波超压峰值为临界下限 时冲击波传播的距离 取球形检测半径 遍历检测到的所有物体分别计算其中心点到炸点的距离 即可通过式()计算得到作用于该物体的冲击波超压峰值根据式()可以计算冲击波超压对其毁伤的概率.毁伤概率计算方法本文中基于蒙特卡洛抽样方法计算杀爆战斗部对目标的毁伤概率在单次抽样中考虑破片与冲击波作用时序先后检测破片和超压对目标的作用由于雷达阵元数量众多为了避免重复以及简化计算设定一次循环过程中雷达车的单个阵元仅能被记录毁伤一次不会导致多次计数单个阵元在冲击波作用下根据式()计算得到的毁伤概率为 则在 到 内生成随机数 如 则记录阵元失效否则不失效即阵元的毁伤律为 分布统计破片和冲击波对相控阵雷达目标的毁伤效果首先统计天线阵元的毁伤数量如阵元损失超过 则雷达天线组件毁伤概率为 否则为 统计方舱内每一个部件在冲击波作用下的毁伤概率 和破片作用下的毁伤概率 如果()则该部件毁伤概率为否则取该部件毁伤概率 ()()且该部件所在组件毁伤概率为 如果不存在毁伤概率为 的部件则组件的毁伤概率在综合考虑其中包含的 个部件的毁伤概率下得到即 ()根据图 所示毁伤树最终计算得到相控阵雷达的毁伤概率将计算过程循环抽样随机炸点 次得到的毁伤概率之和除以循环次数即得到在杀爆战斗部在某弹目交会条件下战斗部对雷达的毁伤概率 仿真实验以某小型战斗部为例研究其不同弹目交会条件对其毁伤相控阵雷达的概率的影响规律该战斗部为圆柱形预制破片战斗部预制破片形状为立方形具体参数如表 所示表 仿真实验战斗部参数 输入参数数值装药尺寸 破片尺寸.装药爆速 /装药密度./破片数量 枚战斗部落速/战斗部 基于 原生的 开发的战斗部参数输入面板如图()所示系统根据用户输入自动生成的战斗部 模型及战斗部破片飞散初速如图()所示图 系统战斗部设计界面及输出结果.徐 祎等:基于 的杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤评估可视化设计与实现 典型情况下破片及冲击波对相控阵雷达的毁伤效果可视化如图、图 所示图 破片对相控阵雷达毁伤效果仿真.图 冲击波对相控阵雷达毁伤效果仿真.在虚拟仿真结束之后用户可以在 视角下自由旋转、缩放和移动来查看战斗部对相控阵雷达的毁伤效果基于蒙特卡洛随机抽样得到在战斗部落速为 /为 的情况下不同落高和落角下杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤概率的变化趋势如图 所示图 不同落高落角下杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤概率.结论基于 引擎开发了杀爆战斗部对相控阵雷达的毁伤评估可视化仿真系统得出主要结论如下:)本文中引入了相控阵雷达的目标易损性模型结合杀爆战斗部威力计算模型、弹目交会数理模型、蒙特卡洛抽样算法通过数据驱动显示作用过程和计算结果完成了杀爆战斗部对相控阵雷达的毁伤评估系统能够实现杀爆战斗部模块化设计、威力计算及毁伤评估的全流程系统具备方便快捷功能完备的优点)本文中所设计的仿真系统集数值计算与图形显示为一体能够计算战斗部对典型相控阵雷达目标的毁伤概率并直观显示终点弹道下战斗部对相控阵雷达的毁伤效果可以为战斗部方案的迭代优化与引战配合提供支撑)基于 对典型目标开发可视化毁伤评估仿真软件的思路可以应用于其他战斗部对目标的毁伤评估及可视化开发具备良好的可拓展性可以为战斗部威力设计、毁伤评估等软件开发工作提供参考参考文献:./:.尹鹏.大口径杀爆榴弹毁伤评估的可视化仿真技术研究.北京:北京理工大学.:.胡平.预制破片战斗部快速设计及威力场可视化系统.北京:北京理工大学.:.高鹏徐豫新李可等.火箭杀爆弹动爆毁伤幅员计算方法与可视化仿真实现.兵工学报():.():.何淼王浩任俊新等.可视化破片战斗部威力实验仿真系统设计.电光与控制():.():.贾岛余曜蒋涛等.基于 的防空导弹引战配合可视化仿真研究.弹箭与制导学报():兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.李超破片式战斗部对典型相控阵雷达毁伤评估.南京:南京理工大学.:./.:).李学林项鑫黄广炎等.钨球破片对相控阵雷达典型部件的侵彻特性研究.兵工学报():.():.马艳丽.杀爆战斗部对典型雷达毁伤评估研究.北京:北京理工大学.:.刘一诺反辐射导弹对相控阵雷达天线毁伤效能评估.长沙:国防科技大学.:./.:/././.():.李向东杜忠华.目标易损性.北京:北京理工大学出版社.:.科学编辑梁斌 博士(中国工程物理研究院总体工程研究所 研究员)责任编辑 徐佳忆徐 祎等:基于 的杀爆战斗部对相控阵雷达毁伤评估可视化设计与实现