飞机易损性评估系统的设计与实现

飞机易损性评估系统的设计与实现

0飞机易损性评估飞机的生存能力（acs）可以定义飞机避免和承担责任的能力，因为飞机可以避免和承受人为环境。因此，生存能力可分为两部分：敏感性和易损性。飞机的毁伤概率Pk(飞机可毁伤性)用飞机被命中的概率(飞机敏感性)Ph和飞机在给定命中条件下的毁伤概率(飞机易损性)Pk/h的乘积来表示,即Pk=PhPk/h.(1)飞机在人为敌对环境下生存的概率Ps为Ps=1-Pk.(2)飞机易损性评估是飞机生存力研究的一项重要内容。目前,国外代表性的飞机易损性评估软件和程序有美国的BRL-CAD、FASTGEN、COVART、SHAZAM、JSEM和AJEM等。其中,前2种计算机程序是预处理程序,用于产生射击线对飞机进行几何描述,提供输入数据给COVART,以便计算飞机的毁伤概率及易损面积,但COVART未考虑威胁(破片或弹丸)的回弹及跳弹影响。SHAZAM、JSEM和AJEM是高爆战斗部(如导弹)终端效应的评估程序,用于计算飞机在高爆破片作用下的毁伤概率和易损面积,以及评估爆炸冲击波对飞机的毁伤情况等。国内在易损性评估方面已经开发了一些软件系统,如飞机武器系统几何描述软件,空空导弹单发毁伤概率仿真计算软件(该软件主要侧重于导弹的毁伤威力评估)等,但这些软件针对性比较强,还未能直接应用于飞机易损性评估。2002年,国防科工委公布了《飞机非核生存力通用指南》,并建议了易损评估所应提供的分析结果,军用指南对于指导易损性减缩设计与评估有重要意义。根据该指南以及国内外在易损性理论与试验方面的最新研究成果,本文设计开发了一个通用的可用于飞机易损性评估的软件系统。1基本威胁方面目前,飞机在非核武器威胁下,主要考虑的基本威胁为:非爆穿透物(如射弹或弹丸)、导弹破片及爆炸冲击波。该软件系统主要针对以上非核武器威胁对飞机易损性进行评估。1.1第1阶段7.7—非爆穿透物单击中易损性飞机在某一非爆穿透物单次打击的易损性通常用在飞机暴露面积Ap上遭受一次随机打击(打击服从均匀分布)后的条件毁伤概率Pk/h表示,或用易损面积Av来表示。Av与Pk/h的关系为Av=ApPk/h,(3)式中Ap指的是飞机在垂直威胁攻击方向平面内的投影面积。Ap与Av的计算方法均可以由“射击线扫描法”来实现。该算法将一平面网格(网格单元长为a,宽为b)平铺在飞机及部件4边形有限元投影模型上,在平面网格的每个单元内产生射击线。通过射击线对飞机表面进行扫描及累积飞机表面网格单元的数目,将其乘以网格单元的面积来确定Ap.Av的计算可表示为Av=∑j=1NPk/h‚j×a×bAv=∑j=1ΝΡk/h‚j×a×b,(4)式中:N为射击线的个数;Pk/h,j为第j条射击线打击下的飞机网格单元毁伤概率值,可以根据4种单击中毁伤模型(即无余度无重叠模型、无余度有重叠模型、有余度无重叠模型和有余度有重叠模型)进行计算,计算过程中要考虑每个部件在给定打击下的毁伤概率,针对每个部件的毁伤模式(穿透、引燃和引爆毁伤)选择合适的概率计算公式。毁伤概率的计算要考虑威胁的入射速度、入射方向及威胁的质量等参数,在计算这些参数的时候,需要考虑致命性部件及非致命性部件的遮挡效应,为此需要计算威胁的运动状态变化,威胁的运动状态方程主要有2种(THOR和JTCG/ME),详见文献。当假设威胁的弹道为直线的时候,主要以v50弹道极限来作为每条射击线的停机准则;在考虑威胁回弹及跳弹效应时,应以威胁的速度或质量衰减到0作为每条射击线的停机准则。1.2多明确余度部件总数的影响飞机在非爆穿透物多次打击的易损性主要有2种精确计算方法,即马尔可夫链法(又称状态转换矩阵法)和树图法。马尔可夫链法和树图法都是根据打击的先后次序逐步求出飞机累积毁伤概率的。当飞机所有余度部件的总数较少的时候,采用这2种方法的多击中易损性计算时间很快;当所有余度部件的总数达到一定数目时,由于飞机遭受多次打击的存在状态、马尔可夫状态转换矩阵的维数及树图法中树的分支个数均随着余度部件总数的增加按指数关系增加,这时多击中易损性的计算时间变得非常长,即出现“组合爆炸”现象。为了解决这一问题,可以利用MonteCarlo方法,将飞机所有的存在状态模拟成“放球入盒模型”,通过对威胁的打击点进行随机均匀抽样来计算飞机多击中易损性,可以避免“组合爆炸”问题。1.3破片易损性的计算对于在外部爆炸导弹威胁下的飞机易损性通常用两个分离的步骤来进行分析,第一步是考虑飞机对破片的易损性,第二步是考虑飞机对爆炸冲击波的易损性。目前,飞机在导弹破片威胁下的易损性计算主要依据2种方法,其一是利用1.2节的多击中易损性来计算(精确方法)。值得一提的是,飞机在导弹破片多次打击的易损性是以飞机单次破片打击(单击中)的易损性为基础的,由于导弹破片按照喷射状弹道运动,“射击线扫描法”计算飞机单击中易损性的基本思想还是适用的,但由于该方法是在平面网格内产生射击线,喷射弹道下各个破片的弹道不是互相平行的,为此,该方法需要进行修正。应以“曲面射击线扫描法”来计算喷射弹道情况下的破片单击中易损性。即将一曲面网格铺在破片与飞机平均交会距离处的破片动态扩散面上,在曲面网格的每个单元内以导弹战斗部中心为基准产生射击线,其余的步骤与1.1节相同。飞机在导弹破片威胁下易损性计算的另外一种常用的简易化公式为Pk/d=1-exp(-ρAv),(5)式中ρ为破片扩散面单位面积上破片的平均数量。该公式与精确方法相比,有计算时间短的优点,但在该公式中,只考虑了非余度致命性部件对飞机易损性的影响,为了考虑余度部件的影响,可利用文献提出的“等效单一易损性面积”来代入上式进行计算,这样计算出的易损性与精确解的误差较小。1.4飞机易损性评估常用准则飞机在爆炸冲击波威胁下的易损性评估结果经常表示为飞机的易损性包线。易损性包线是飞机周围可能毁伤的区域,在这个包线之内的爆炸,飞机将受到某种等级的毁伤;在包线之外,飞机会受到轻微的毁伤。常见的爆炸冲击波毁伤准则有3种:超压准则、冲量准则、超压—冲量准则。在本文中,以超压准则来绘制易损性包线。国军标GJB/Z202-2001及美军标MIL-HDBK-336-1建议,飞机易损性的评估结果需要给出飞机在典型爆炸平面及爆炸高度的易损性包线评估结果,本文建议选择4个典型的爆炸平面:1)D平面:过飞机纵轴,且与机翼平行的平面;2)C平面:过飞机纵轴,且与飞机平飞升力平行的平面;3)A平面:垂直于飞机的纵轴,在纵轴的前面致命性部件较多的地方;4)B平面:垂直于飞机纵轴,在纵轴的后面致命性部件较多的地方。2评估系统的主要模块和功能评估系统主要由5大基本模块组成,如图1所示,下面介绍各个模块的基本功能。2.1飞机模型和部件模型易损性评估应首先提供飞机模型的数据文件及部件模型的数据文件。飞机及部件的几何形状均采用目前应用于飞机设计领域的有限元软件(如MSC/PATRAN)来建立模型,并形成数据文件。飞机模型主要包括以下基本信息:飞机的质心坐标、4边形面元个数及编号、面元结点坐标、面元厚度等。部件模型主要包括以下基本信息:每个部件的面元个数、面元厚度、部件的致命性(致命性部件用于计算飞机的毁伤概率;非致命性部件主要考虑遮挡效应,用于在穿透方程中计算威胁运动状态的变化)、致命性部件的毁伤模式(如穿透、引燃、引爆等)以及用于毁伤概率计算的一些参数。2.2飞机与舰队切图,侧视图;该模块可以提供飞机及其部件的3面图(主视图、俯视图、侧视图);飞机与导弹交会图形;图形的几何变换(平移、旋转、放大、缩小);并能进行飞机及部件的线条颜色、背景色、平移量、旋转量、缩放量、旋转轴等的设置。2.3先进威胁的设置该模块考虑了3种主要威胁:非爆穿透物(如射弹或弹丸)、导弹威胁(战斗部为破片)及爆炸冲击波。在非爆穿透物威胁中,主要设置的信息包括威胁的尺寸、材料、速度、形状(如球形、立方形、菱形、平行6面体)、威胁打击方向及打击次数。在导弹威胁中,主要设置的信息包括:导弹破片类型、尺寸、材料、数目、爆炸点、装药类型、装药质量、装药质量比、静态扩散角、导弹数目、速度、方位角、俯仰角、飞机的飞行速度及飞行高度等。在爆炸冲击波威胁中主要考虑以下因素对飞机爆炸易损性包线绘制的影响:飞机不同飞行高度、不同装药质量、不同装药类型、典型爆炸平面选择。2.4非爆威胁设置如图1所示,该模块主要包括3部分。全局系统设置用于设置“射击线扫描”的步长、穿透方程选择(THOR或JTCG/ME)、是否考虑回弹及跳弹等信息。非爆威胁设置用于选择计算方法,如精确计算马尔可夫链法或MonteCarlo模拟。导弹威胁设置用于选择计算方法,包括精确计算马尔可夫链法、MonteCarlo模拟或简易化方法。2.5结果模块1毁伤概率分布可以数据文件或云图形式提供部件间遮挡关系及“射击线扫描”后的毁伤概率分布;提供飞机的任意威胁攻击方向或26个标准攻击方向上的暴露面积、易损面积、毁伤概率;提供致命性部件各个方向的暴露面积、易损面积、毁伤概率及其平均值。2多中断评估结果提供飞机在非爆穿透物威胁多次打击的累积易损面积、累积毁伤概率及基于事件的易损面积和毁伤概率。3挡关系及“机动”识别可以数据文件或云图形式提供部件间遮挡关系及“射击线扫描”后的毁伤概率分布,并给出导弹与飞机交会图形;提供破片打击下的飞机毁伤概率及易损面积。4爆炸包线提供各个典型爆炸平面上的飞机爆炸易损性包线。3计算利用该评估系统,对某战斗机进行易损性评估,部分易损性评估结果如下。3.1威胁攻击方向该飞机在45°俯仰角及45°方位角威胁(6.5g,2000m/s,球形弹丸)方向上的毁伤概率云图分布如图2所示。图3、图4显示了该飞机在26个基本威胁攻击方向的毁伤概率值及易损面积。26个标准方向可以由攻击方向相对于飞机总体坐标系的俯仰角αe和方位角αa来表示,如表1所示。另外,该飞机共有55个致命性部件,各个部件在26个攻击方向上的易损面积平均值如图5所示,根据该图可以看出各个致命性部件相对易损性,进而为采取易损性降低措施(如余度、装甲等)提供帮助。3.2多中断损失评估的结果该飞机在威胁弹丸(45°俯仰角和45°方位角)连续打击1～30次的累积毁伤概率如图6所示。该曲线的形状与文献给出的曲线形状一致。3.3爆破飞机先进的毁伤概率某导弹的方位角及俯仰角均为0°,飞行速度为500m/s,静态前缘扩散角为50°,静态后缘扩散角为120°,装药类型为TNT,装药质量比为1.0,战斗部破片总数为1000,破片为钢质球形,直径为1.16cm.飞机飞行速度为300m/s,飞行高度为5000m.在图7(a)位置引爆导弹战斗部后的飞机与导弹破片的交会图形如图7(b)所示。该导弹在飞机周围典型爆炸点位置处引爆导弹战斗部后的毁伤概率分布如图8所示。根据交会分析,可以计算导弹的前缘动态扩散角为48°,后缘动态扩散角为117°.导弹的前、后缘动态扩散线可以将飞机周围划分为如图8所示的5个交会区域。从图中可以看出,在区域Ⅱ内的毁伤概率全部为1.在区域Ⅴ内的毁伤概率基本全部为0.区域Ⅳ内的第1排毁伤概率值基本变化不大,只有靠近右边的2个数值(0.50和0.46)相对较小,其它值均在0.57左右;第2排毁伤概率值基本在0.80左右;第8排的毁伤概率值均在0.82左右;第9排的毁伤概率值左半部分在0.58左右,右半部分在0.54左右,最右边的数值(0.50)相对较小。然而在区域Ⅰ和Ⅲ内,每排内的毁伤概率值变化很大。导弹引信优化设计时应使战斗部在区域Ⅱ和Ⅳ区域内爆炸,此时破片击中飞机的数目较多、导弹毁伤飞机的概率相对较大、且毁伤概率值主要取决于导弹与飞机的交会距离。3.4高度发展的包线在典型C爆炸平面,不同装药(TNT)质量下的飞机爆炸易损性包线如图9所示。可以看出,在一定的飞机飞行高度上的易损性包线随着装药质量的增加,包线有向外扩展的趋势,这说明爆炸毁伤效果在逐渐增加。该图形与文献给出的易损性包线形状基本