飛機易損性評估系統的設計與實現

0飛機易損性評估飛機的生存能力（acs）可以定義飛機避免和承擔責任的能力，因為飛機可以避免和承受人為環境。因此，生存能力可分為兩部分：敏感性和易損性。飛機的毀傷概率Pk(飛機可毀傷性)用飛機被命中的概率(飛機敏感性)Ph和飛機在給定命中條件下的毀傷概率(飛機易損性)Pk/h的乘積來表示,即Pk=PhPk/h.(1)飛機在人為敵對環境下生存的概率Ps為Ps=1-Pk.(2)飛機易損性評估是飛機生存力研究的一項重要內容。目前,國外代表性的飛機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種計算機程序是預處理程序,用于產生射擊線對飛機進行幾何描述,提供輸入數據給COVART,以便計算飛機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是高爆戰斗部(如導彈)終端效應的評估程序,用于計算飛機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的毀傷情況等。國內在易損性評估方面已經開發了一些軟件系統,如飛機武器系統幾何描述軟件,空空導彈單發毀傷概率仿真計算軟件(該軟件主要側重于導彈的毀傷威力評估)等,但這些軟件針對性比較強,還未能直接應用于飛機易損性評估。2002年,國防科工委公布了《飛機非核生存力通用指南》,并建議了易損評估所應提供的分析結果,軍用指南對于指導易損性減縮設計與評估有重要意義。根據該指南以及國內外在易損性理論與試驗方面的最新研究成果,本文設計開發了一個通用的可用于飛機易損性評估的軟件系統。1基本威脅方面目前,飛機在非核武器威脅下,主要考慮的基本威脅為:非爆穿透物(如射彈或彈丸)、導彈破片及爆炸沖擊波。該軟件系統主要針對以上非核武器威脅對飛機易損性進行評估。1.1第1階段7.7—非爆穿透物單擊中易損性飛機在某一非爆穿透物單次打擊的易損性通常用在飛機暴露面積Ap上遭受一次隨機打擊(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的關系為Av=ApPk/h,(3)式中Ap指的是飛機在垂直威脅攻擊方向平面內的投影面積。Ap與Av的計算方法均可以由“射擊線掃描法”來實現。該算法將一平面網格(網格單元長為a,寬為b)平鋪在飛機及部件4邊形有限元投影模型上,在平面網格的每個單元內產生射擊線。通過射擊線對飛機表面進行掃描及累積飛機表面網格單元的數目,將其乘以網格單元的面積來確定Ap.Av的計算可表示為Av=∑j=1NPk/h?j×a×bAv=∑j=1ΝΡk/h?j×a×b,(4)式中:N為射擊線的個數;Pk/h,j為第j條射擊線打擊下的飛機網格單元毀傷概率值,可以根據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)進行計算,計算過程中要考慮每個部件在給定打擊下的毀傷概率,針對每個部件的毀傷模式(穿透、引燃和引爆毀傷)選擇合適的概率計算公式。毀傷概率的計算要考慮威脅的入射速度、入射方向及威脅的質量等參數,在計算這些參數的時候,需要考慮致命性部件及非致命性部件的遮擋效應,為此需要計算威脅的運動狀態變化,威脅的運動狀態方程主要有2種(THOR和JTCG/ME),詳見文獻。當假設威脅的彈道為直線的時候,主要以v50彈道極限來作為每條射擊線的停機準則;在考慮威脅回彈及跳彈效應時,應以威脅的速度或質量衰減到0作為每條射擊線的停機準則。1.2多明確余度部件總數的影響飛機在非爆穿透物多次打擊的易損性主要有2種精確計算方法,即馬爾可夫鏈法(又稱狀態轉換矩陣法)和樹圖法。馬爾可夫鏈法和樹圖法都是根據打擊的先后次序逐步求出飛機累積毀傷概率的。當飛機所有余度部件的總數較少的時候,采用這2種方法的多擊中易損性計算時間很快;當所有余度部件的總數達到一定數目時,由于飛機遭受多次打擊的存在狀態、馬爾可夫狀態轉換矩陣的維數及樹圖法中樹的分支個數均隨著余度部件總數的增加按指數關系增加,這時多擊中易損性的計算時間變得非常長,即出現“組合爆炸”現象。為了解決這一問題,可以利用MonteCarlo方法,將飛機所有的存在狀態模擬成“放球入盒模型”,通過對威脅的打擊點進行隨機均勻抽樣來計算飛機多擊中易損性,可以避免“組合爆炸”問題。1.3破片易損性的計算對于在外部爆炸導彈威脅下的飛機易損性通常用兩個分離的步驟來進行分析,第一步是考慮飛機對破片的易損性,第二步是考慮飛機對爆炸沖擊波的易損性。目前,飛機在導彈破片威脅下的易損性計算主要依據2種方法,其一是利用1.2節的多擊中易損性來計算(精確方法)。值得一提的是,飛機在導彈破片多次打擊的易損性是以飛機單次破片打擊(單擊中)的易損性為基礎的,由于導彈破片按照噴射狀彈道運動,“射擊線掃描法”計算飛機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格內產生射擊線,噴射彈道下各個破片的彈道不是互相平行的,為此,該方法需要進行修正。應以“曲面射擊線掃描法”來計算噴射彈道情況下的破片單擊中易損性。即將一曲面網格鋪在破片與飛機平均交會距離處的破片動態擴散面上,在曲面網格的每個單元內以導彈戰斗部中心為基準產生射擊線,其余的步驟與1.1節相同。飛機在導彈破片威脅下易損性計算的另外一種常用的簡易化公式為Pk/d=1-exp(-ρAv),(5)式中ρ為破片擴散面單位面積上破片的平均數量。該公式與精確方法相比,有計算時間短的優點,但在該公式中,只考慮了非余度致命性部件對飛機易損性的影響,為了考慮余度部件的影響,可利用文獻提出的“等效單一易損性面積”來代入上式進行計算,這樣計算出的易損性與精確解的誤差較小。1.4飛機易損性評估常用準則飛機在爆炸沖擊波威脅下的易損性評估結果經常表示為飛機的易損性包線。易損性包線是飛機周圍可能毀傷的區域,在這個包線之內的爆炸,飛機將受到某種等級的毀傷;在包線之外,飛機會受到輕微的毀傷。常見的爆炸沖擊波毀傷準則有3種:超壓準則、沖量準則、超壓—沖量準則。在本文中,以超壓準則來繪制易損性包線。國軍標GJB/Z202-2001及美軍標MIL-HDBK-336-1建議,飛機易損性的評估結果需要給出飛機在典型爆炸平面及爆炸高度的易損性包線評估結果,本文建議選擇4個典型的爆炸平面:1)D平面:過飛機縱軸,且與機翼平行的平面;2)C平面:過飛機縱軸,且與飛機平飛升力平行的平面;3)A平面:垂直于飛機的縱軸,在縱軸的前面致命性部件較多的地方;4)B平面:垂直于飛機縱軸,在縱軸的后面致命性部件較多的地方。2評估系統的主要模塊和功能評估系統主要由5大基本模塊組成,如圖1所示,下面介紹各個模塊的基本功能。2.1飛機模型和部件模型易損性評估應首先提供飛機模型的數據文件及部件模型的數據文件。飛機及部件的幾何形狀均采用目前應用于飛機設計領域的有限元軟件(如MSC/PATRAN)來建立模型,并形成數據文件。飛機模型主要包括以下基本信息:飛機的質心坐標、4邊形面元個數及編號、面元結點坐標、面元厚度等。部件模型主要包括以下基本信息:每個部件的面元個數、面元厚度、部件的致命性(致命性部件用于計算飛機的毀傷概率;非致命性部件主要考慮遮擋效應,用于在穿透方程中計算威脅運動狀態的變化)、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算的一些參數。2.2飛機與艦隊切圖,側視圖;該模塊可以提供飛機及其部件的3面圖(主視圖、俯視圖、側視圖);飛機與導彈交會圖形;圖形的幾何變換(平移、旋轉、放大、縮小);并能進行飛機及部件的線條顏色、背景色、平移量、旋轉量、縮放量、旋轉軸等的設置。2.3先進威脅的設置該模塊考慮了3種主要威脅:非爆穿透物(如射彈或彈丸)、導彈威脅(戰斗部為破片)及爆炸沖擊波。在非爆穿透物威脅中,主要設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。在導彈威脅中,主要設置的信息包括:導彈破片類型、尺寸、材料、數目、爆炸點、裝藥類型、裝藥質量、裝藥質量比、靜態擴散角、導彈數目、速度、方位角、俯仰角、飛機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爆炸易損性包線繪制的影響:飛機不同飛行高度、不同裝藥質量、不同裝藥類型、典型爆炸平面選擇。2.4非爆威脅設置如圖1所示,該模塊主要包括3部分。全局系統設置用于設置“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。非爆威脅設置用于選擇計算方法,如精確計算馬爾可夫鏈法或MonteCarlo模擬。導彈威脅設置用于選擇計算方法,包括精確計算馬爾可夫鏈法、MonteCarlo模擬或簡易化方法。2.5結果模塊1毀傷概率分布可以數據文件或云圖形式提供部件間遮擋關系及“射擊線掃描”后的毀傷概率分布;提供飛機的任意威脅攻擊方向或26個標準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多中斷評估結果提供飛機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擋關系及“機動”識別可以數據文件或云圖形式提供部件間遮擋關系及“射擊線掃描”后的毀傷概率分布,并給出導彈與飛機交會圖形;提供破片打擊下的飛機毀傷概率及易損面積。4爆炸包線提供各個典型爆炸平面上的飛機爆炸易損性包線。3計算利用該評估系統,對某戰斗機進行易損性評估,部分易損性評估結果如下。3.1威脅攻擊方向該飛機在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顯示了該飛機在26個基本威脅攻擊方向的毀傷概率值及易損面積。26個標準方向可以由攻擊方向相對于飛機總體坐標系的俯仰角αe和方位角αa來表示,如表1所示。另外,該飛機共有55個致命性部件,各個部件在26個攻擊方向上的易損面積平均值如圖5所示,根據該圖可以看出各個致命性部件相對易損性,進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果該飛機在威脅彈丸(45°俯仰角和45°方位角)連續打擊1～30次的累積毀傷概率如圖6所示。該曲線的形狀與文獻給出的曲線形狀一致。3.3爆破飛機先進的毀傷概率某導彈的方位角及俯仰角均為0°,飛行速度為500m/s,靜態前緣擴散角為50°,靜態后緣擴散角為120°,裝藥類型為TNT,裝藥質量比為1.0,戰斗部破片總數為1000,破片為鋼質球形,直徑為1.16cm.飛機飛行速度為300m/s,飛行高度為5000m.在圖7(a)位置引爆導彈戰斗部后的飛機與導彈破片的交會圖形如圖7(b)所示。該導彈在飛機周圍典型爆炸點位置處引爆導彈戰斗部后的毀傷概率分布如圖8所示。根據交會分析,可以計算導彈的前緣動態擴散角為48°,后緣動態擴散角為117°.導彈的前、后緣動態擴散線可以將飛機周圍劃分為如圖8所示的5個交會區域。從圖中可以看出,在區域Ⅱ內的毀傷概率全部為1.在區域Ⅴ內的毀傷概率基本全部為0.區域Ⅳ內的第1排毀傷概率值基本變化不大,只有靠近右邊的2個數值(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,最右邊的數值(0.50)相對較小。然而在區域Ⅰ和Ⅲ內,每排內的毀傷概率值變化很大。導彈引信優化設計時應使戰斗部在區域Ⅱ和Ⅳ區域內爆炸,此時破片擊中飛機的數目較多、導彈毀傷飛機的概率相對較大、且毀傷概率值主要取決于導彈與飛機的交會距離。3.4高度發展的包線在典型C爆炸平面,不同裝藥(TNT)質量下的飛機爆炸易損性包線如圖9所示。可以看出,在一定的飛機飛行高度上的易損性包線隨著裝藥質量的增加,包線有向外擴展的趨勢,這說明爆炸毀傷效果在逐漸增加。該圖形與文獻給出的易損性包線形狀基本