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Command Control and Simulation

Command Control and Simulation >

2023 , Vol. 45 >Issue 5: 18 - 24

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2023.05.003

Equipment Technology

Research on shipborne gun damage to typical coast guard law enforcement targets

  • MENG Dayu ,
  • FU Xueqing ,
  • HU Jiang
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  • Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China

Received date: 2023-03-31

  Revised date: 2023-05-31

  Online published: 2023-10-13

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Abstract

In order to study the problem of damage to typical targets by naval guns and weapons of coast guard vessels in rights protection law enforcement tasks and improve the operational capability of naval guns and weapons of coast guard vessels, a simulation model and simulation process are constructed. Through simulation calculation of the damage probability and ammunition consumption expectation of different targets, the relationship between the damage probability of typical targets, ammunition consumption expectation and shooting distance are analyzed. Furthermore, the destructive firing strategies of different typical targets are obtained. The research results can provide reference for coast guard vessels to carry out the task of safeguarding rights.

Key words： damage probability; coast guard vessels; ammunition consumption; probabilistic error

Cite this article

MENG Dayu , FU Xueqing , HU Jiang . Research on shipborne gun damage to typical coast guard law enforcement targets[J]. Command Control and Simulation, 2023 , 45(5) : 18 -24 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2023.05.003

海警舰艇在对侵权目标进行破坏性射击时,不仅要考虑命中概率问题,还应探讨对目标的毁伤问题。弹丸命中是毁伤目标的前提条件,在命中弹丸数量一定的前提下,命中目标后能否毁伤目标还取决于发射弹丸的破坏力(弹丸穿彻和爆炸威力)以及目标装甲的防御能力。通过仿真实验可以方便且直观地对毁伤概率问题进行分析。

1 对海射击误差确定

舰炮武器系统对海射击误差的产生不可避免,在舰炮武器系统的火力运用过程中,大部分的观测与解算工作用来确定及消减射击误差,因此,射击误差的确定与消减影响舰炮射击的准确性,是舰炮武器系统火力控制的重要环节。

1.1 弹道气象准备误差

海警舰艇在实际使用舰炮武器时,气温、气压通常为非标准条件;舰炮长期使用导致的膛蚀、药温、弹重差会引起舰炮实际初速与标定初速不符;发射海域的弹道风也会对弹丸的实际飞行产生影响,因此,需要修正弹道气象准备误差。弹道气象修正量误差的距离概率误差Edzb及弹道气象修正量误差的方向概率误差Ezzb为:
E d z b = ( E v 0 · f v 0 ) 2 + ( E ρ · f ρ ) 2 + ( E w d · f w d ) 2 E z z b = E w z · f w z · 1 955 · d p
其中,Ev0为确定弹丸初速度偏差的概率误差,fv0为弹丸初速度改变 V0的1%时所对应的距离改变量。Eρ为舰艇确定空气密度偏差的概率误差,fρ为发射海域空气密度改变ρ的1%时所对应的距离变化量[1]。Ewd、Ewz分别为修正纵风偏差和横风偏差的概率误差。fwz、fwd分别为发射海域横风、纵风变化1 m/s时所对应的距离、方向变化量。

1.2 火控系统误差

火控系统误差为舰炮火控系统按诸元观测方式工作时测量设备的观测误差,即测定目标现在坐标误差、火控系统的计算系统工作误差以及目标运动提前量误差。舰炮火控系统按诸元观测方式工作时的火控系统误差在距离上的概率误差Edzy及火控系统误差在方向上的概率误差Efzy为:
E d z y = E d g c 2 + ( E d j s · f θ d ) 2 + ( E v d · t f ) 2 E z z y = ( E z g c · d / 955 ) 2 + ( E z j s · d / 955 ) 2 + ( E v z · t f ) 2
E v d = ( E v m · c o s Q m ) 2 + ( V m · s i n Q m · E Q m ) 2 E v z = ( E v m · s i n Q m ) 2 + ( V m · c o s Q m · E Q m ) 2
其中,Edgc、Ezgc为舰艇观测目标现在坐标距离和方向的概率误差,Edjs为火控系统计算射角概率误差,Ezjs为火控系统计算方向角概率误差;Evd、Evz为测定目标速度向量引起的距变率误差的概率误差及横移率误差的概率误差[1];fθd为射击改变1 mil引起的距离上的变化量[1];Evm为目标速度概率误差,EQm为目标舷角概率误差,Vm为目标速度,Qm为目标舷角,tf为弹丸飞向目标时间,dp为射击距离[2]。

1.3 射击散布误差

单座单管舰炮用同样的弹种,以同样的射角,连续发射若干炮弹,各发炮弹的落点不会重合在同一点上,而是分布在一定范围内,各弹着点相对于弹着散布中心的偏差称为射击散布误差,具体为:
E d s b = ( μ E d 0 ) 2 + ( E φ n f d θ 0 ) 2 E z s b = E z 0 2 + ( E β n d p / 955 ) 2
其中:Edsb、Ezsb分别为弹炮散布误差在距离、方向上的概率误差;μ为舰炮散布修正系数;Ed0、Ez0为舰炮在靶场距离、方向上的散布概率误差[3];Eφn、Eβn分别为舰炮实施瞄准时的高低和方向瞄准误差的概率误差[4]。

2 目标命中界的确定

目标舰船水线以上部分沿弹丸落速方向在水平面上的投影面积是弹丸可击中的命中面积,称为目标命中面积[5]。弹丸落速方向近似代替弹丸相对于目标的相对速度方向。由于舰船形体复杂,通常采用近似方法把舰艇水线以上部分等效为一个矩形体,矩形体高H等效为舰艇干舷高,矩形体宽B等效为舰艇宽,矩形体长C为0.8L(L为目标船长)[6]。等效矩形体(C,B,H)沿弹丸落速方向在不同射击方向的投影面积是复杂多边形,为了方便解析计算,通常将多边形投影面积等效为沿射向方向的矩形,该等效矩形称为目标舰艇命中界[7]。
由形状系数法求出等效矩形命中界的长ld、宽lz为:
l z = B · | c o s Q m | + C s i n | Q m | C · | c o s Q m | + B s i n | Q m | + H c o t | θ c | ( C B + B H c o t | θ c | · | c o s Q m | + C H c o t | θ c | · | s i n Q m | ) l d = C · | c o s Q m | + B s i n | Q m | + H c o t | θ c | B · | c o s Q m | + C s i n | Q m | ( C B + B H c o t | θ c | · | c o s Q m | + C H c o t | θ c | · | s i n Q m | )

3 仿真实验

3.1 海警舰艇对海破坏性射击毁伤概率实验

海警舰艇对典型目标进行破坏性射击,通常以舰炮最大射速对目标进行数组齐射[8],如在海警舰艇发射一定数量弹炮后目标被毁伤(k次齐射,每次齐射m发炮弹),则计算不同目标毁伤概率的仿真实验流程如图1所示。
图1 毁伤概率仿真流程

Fig.1 Damage probability simulation process

3.1.1 主要仿真步骤及相关参数

1)选择仿真目标并输入目标参数
海警舰艇在执行维权执法任务时进行破坏性射击的目标对象主要有外籍军警舰船、外籍武装渔船、海盗快艇等,目标具体参数如表1所示。
表1 典型目标参数

Tab.1 Typical target parameters

目标类型 船长/m 船宽/m 水线以上高度/m 船速/kn 毁伤所需平均炮弹数量
外籍海警舰船 120 18 15 20 4
武装渔船 20 8 5 12 2
海盗快艇 10 3 2 30 1
2)输入仿真舰炮射击相关参数
假设海警舰船装备的主炮为单座单管舰炮,根据海警舰艇维权执法作战实际及舰炮运用特点,射击方式为不进行试射而直接进行效力射,连续射击12发为一组效力射(3组4发)。舰炮散布修正系数μ=1.2,Eφn=1 mrad,Eβn=1.5 mrad,Edgc=5 m,Efgc=1 mrad,Edjs=1.5 mrad,Efjs=1.5 mrad,Evm=1 m/s,EQm=1.5 mrad,使用舰艇测速雷达测定弹丸初速Ev0=0.8%V0,Eρ=1%,其他数据根据舰炮射表拟合得到。目标舷角Qm为120°,仿真实验次数n=10 000。
3)引入仿真条件下的舰炮误差
弹道气象误差为系统误差,属于时间强相关误差,在一次效力射过程中,可以认为弹道气象修正量的误差保持不变。射击诸元误差可以认为在较短的时间间隔内相关,但对于较长的时间间隔相关程度变弱,属于时间弱相关误差,在效力射过程中的每一组齐射的射击诸元误差可以认为保持不变。射击散布误差,对于不同时刻每一发炮弹的射击散布误差均不一致,属于时间不相关误差。
因此,产生标准正态分布的随机数 φ 1 i、 φ 2 i、 φ 1 j、 φ 2 j,i=1、2、3,j=1、2、3、4;舰炮射击误差引入如下:
E d j = φ 1 · E d z b 2 + φ 1 i · E d z y 2 + + φ 1 j · E d s b 2 E z j = φ 2 · E z z b 2 + φ 2 i · E z z y 2 + φ 2 j · E z s b 2
4)判断是否命中
对每一次齐射的每一发炮弹进行判断,|Edj/0.6745|≤1/2ld且|Ezj/0.6745|≤1/2lz时,判断炮弹命中目标,否则,判断炮弹未命中目标。
5)判断是否毁伤
统计每组齐射的命中弹数xm,并与毁伤所需平均命中弹数ω对比,当xm≥ω时,判断目标被毁伤,否则转入下一组齐射,当目标被毁伤或本次仿真未能毁伤目标时转入下一次仿真[9]。
6)记录毁伤目标的仿真实验次数,并计算毁伤概率。
7)输出仿真结果即得出毁伤概率。

3.1.2 毁伤概率实验仿真结果

进行10 000次仿真实验后,不同射击距离下的毁伤概率如表2所示,毁伤概率随射击距离的变化如图2所示。
表2 不同射击距离下的毁伤概率

Tab.2 Damage probability at different firing distances

射击距离/m 海警船 渔船 海盗船 射击距离/m 海警船 渔船 海盗船
500 0.91 0.95 0.95 5 500 0.25 0.14 0.081
1 000 0.85 0.82 0.79 6 000 0.23 0.12 0.058
1 500 0.80 0.71 0.56 6 500 0.20 0.11 0.056
2 000 0.68 0.59 0.41 7 000 0.17 0.091 0.045
2 500 0.58 0.43 0.32 7 500 0.15 0.075 0.031
3 000 0.49 0.38 0.23 8 000 0.13 0.063 0.023
3 500 0.42 0.29 0.18 8 500 0.11 0.056 0.016
4 000 0.36 0.23 0.14 9 000 0.092 0.042 0.009
4 500 0.30 0.20 0.12 9 500 0.083 0.033 0.003
5 000 0.28 0.18 0.10 10 000 0.071 0.024 0.000 8
图2 毁伤概率随射击距离的变化

Fig.2 The probability of damage varies with the distance of the shot

3.2 海警舰艇毁伤典型目标消耗弹药期望值仿真实验

海警舰艇毁伤典型目标所消耗的弹药期望值仿真实验流程如图3所示。
图3 毁伤目标弹药消耗量流程图

Fig.3 Flow chart of ammunition consumption of damaged target

3.2.1 主要仿真步骤及相关参数

1)目标参数输入、误差抽样、判断目标毁伤步骤与目标毁伤概率仿真实验一致,当目标被毁伤时,记录齐射次数,并计算齐射消耗弹药量。
2)根据弹丸飞行时间及指挥员观测思考时间计算尾弹数,并得到最终的毁伤目标消耗弹药期望。尾弹数计算公式为
SW= t f + t z t 'm
式中:tf为弹丸飞行时间(单位:s);tz为射击指挥员观测思考时间(单位:s);t'为效力射时间间隔(单位:s),m为一次齐射发射的弹丸数。

3.2.2 毁伤目标消耗弹药数实验仿真结果

海警舰艇以4发为一组齐射,对目标进行连续破坏性射击,指挥员观测思考时间tz为5 s,效力射时间间隔t'为3 s,其他参数与毁伤概率仿真实验相同。因此,海警舰艇在不同射击距离下的尾弹数量如表3所示;在不同射击距离下,毁伤目标所消耗的弹药数量期望值如表4所示;毁伤目标所需要的弹药消耗量期望值随射击距离的变化如图4所示。
表3 不同射击距离下的尾弹数量

Tab.3 The number of tail shots at different firing distances

射击距离/m 尾弹数量 射击距离/m 尾弹数量
500 6 5 500 19
1 000 8 6 000 20
1 500 9 6 500 21
2 000 10 7 000 23
2 500 11 7 500 25
3 000 12 8 000 27
3 500 13 8 500 30
4 000 14 9 000 32
4 500 15 9 500 34
5 000 17 10 000 37
表4 在不同射击距离下毁伤目标所消耗的弹药数量期望值(超过1 000发不做统计)

Tab.4 Expected number of ammo consumed to damage the target at different firing distances (over 1 000 rounds are not counted)

射击距离/m 海警船 渔船 海盗船 射击距离/m 海警船 渔船 海盗船
500 22 22 22 5 500 89 107 171
1 000 24 24 24 6 000 98 120 216
1 500 25 29 33 6 500 109 133 245
2 000 30 34 42 7 000 124 163 295
2 500 35 39 51 7 500 148 185 367
3 000 40 44 68 8 000 171 223 555
3 500 48 57 81 8 500 202 250 804
4 000 54 70 102 9 000 252 324 1 000+
4 500 63 75 115 9 500 304 406 1 000+
5 000 69 85 137 10 000 368 534 1 000+
图4 弹药消耗量期望值随射击距离的变化

Fig.4 Variation of expected ammunition consumption with distance of fire

4 仿真结果分析

4.1 毁伤概率仿真实验分析

根据仿真结果可以看出,在仿真条件下,针对外籍海警舰船目标,海警舰艇在射击距离3 000 m以内时毁伤概率达到50%以上,射击距离在1 500 m~4 500 m范围内时,毁伤概率随射击距离增加而急剧下降,射击距离超过6 500 m后,毁伤概率低于20%,射击距离超过8 500 m时毁伤概率低于10%。
针对武装渔船目标,在仿真条件下,射击距离2 000 m以内时毁伤概率大于50%,当射击距离在1 000 m~5 000 m范围内时,毁伤概率随射击距离增加而急剧下降,当射击距离超过7 000 m后毁伤概率低于10%,几乎无法毁伤目标。
针对海盗快艇目标,在仿真条件下,在1 500 m以内射击时,毁伤概率在50%以上,射击距离在500 m~4 000 m时,毁伤概率随射击距离的增加急剧下降,当射击距离超过5 000 m时,毁伤概率低于10%,当射击距离超过8 500 m时,毁伤概率接近于0,几乎无法毁伤目标。
分析认为:针对海警舰船目标射击距离低于1 500 m、武装渔船及海盗快艇目标射击距离低于1 000 m时毁伤概率较高。毁伤概率高的主要原因是射击命中率较高,影响射击命中率的因素有射击命中界、目标分布概率误差、舰炮散布概率误差等。在近距离射击时,由于炮弹落角较小,近乎平行接触目标,此时可以看成炮弹平行射击目标,所以,目标命中界较大,同时弹丸飞行时间较短,气象因素对弹丸的影响较小,所引起的弹道气象误差较小。综合分析,在近距离射击时命中概率较大,所以毁伤概率较高[10]。随着射击距离的增加,炮弹落角逐渐增大,目标命中界逐渐减小,且随着射击距离的增加,弹丸在空中的飞行时间增加,受到的气象因素影响显著增大,造成的弹道气象误差较大,综合来看,随着射击距离的增加,射击命中率显著减小,所以目标毁伤概率随之减小。

4.2 毁伤目标消耗弹药期望值仿真实验分析

根据实验结果可以看出,在仿真条件下,毁伤各目标所消耗的弹药量期望值随射击距离的增加显著增大,在6 000 m毁伤海盗快艇、8 000 m毁伤武装渔船、8 500 m毁伤海警舰船所消耗的弹药值期望均在200发以上,射击距离在9 000 m以上时,对海盗快艇射击所消耗弹药期望值在1 000发以上,在此距离单艘海警舰艇无法毁伤目标。
尽管毁伤海警舰船相对于毁伤武装渔船、海盗快艇所需要的平均命中弹数要大,但相同射击距离下,毁伤海警舰船所消耗的弹药值期望要小于武装渔船和海盗快艇,主要是因为在相同的射击距离及目标舷角下对海警舰船的射击命中界要远大于武装渔船和海盗快艇,对其射击命中率较高,相同实验情况下,其被命中的弹丸数更多,所消耗的弹药量期望值要小。

5 结论

针对侵权海警舰船,射击距离在1 500 m以内时毁伤概率高达80%,3 000 m以内时毁伤概率在50%以上,结合海警舰艇维权执法任务实际,通常海警舰艇对侵权海警舰船进行破坏性射击是在跟踪喊话、拦截驱离、警示射击等手段无法阻止其侵权行为时所进行的,所以此时执行任务的海警舰艇与目标海警舰船的距离通常在1~2 n mile,此时对侵权目标直接进行破坏性射击,毁伤概率较高。如前来增援的海警舰船在远距离射击时,应避免在8 500 m以上连续射击,毁伤概率较低,可以采取边点射边高速向侵权目标机动的办法,当射击距离缩短至4 000 m时可采取连续射击;或采取边机动边试射的方法以提高射击命中率(4 000 m以内不试射)。
针对武装渔船,射击距离在1 500 m以内毁伤概率为70%以上,2 500 m以内为40%以上,海警舰艇在执行护渔护航等相关任务时尽量选择在1 n mile以内对武装渔船目标进行破坏性射击,近距离射击既能提高命中概率又能避免对我方作业渔船造成误伤。假设海警舰艇携带200发炮弹,在4 500 m以内可毁伤2艘武装渔船,7 000 m以内可毁伤1艘武装渔船(考虑一定的弹药富余量)。
针对海盗快艇,射击距离在1 500 m以内毁伤概率为50%以上,射击距离超过1 500 m毁伤概率下降显著。结合海警舰艇实际情况,在执行反海盗任务时应以警示、驱离为主,如海盗快艇继续向护航目标机动,海警舰艇应快速向护航目标与海盗快艇之间水域机动以阻挡海盗快艇对护航目标的威胁,并在海盗快艇接近至1 500 m以内时对其进行连续破坏性射击。假设海警舰艇携带200发炮弹,3 000 m以内可以毁伤2艘海盗快艇,在5 500 m距离内可毁伤1艘海盗快艇(考虑一定的弹药富余量)。

6 结束语

本文重点研究了海警舰艇执行维权执法任务时破坏性射击目标毁伤问题,构建了仿真模型与仿真流程,通过仿真实验,得出了不同目标的毁伤概率和消耗弹药期望,分析了典型目标毁伤概率、消耗弹药期望值与射击距离的关系,并结合海警舰艇执行任务实际情况,进一步分析不同目标的破坏性射击策略,为海警舰艇遂行维权执法任务,应对侵权舰船,提供了借鉴和参考,有利于进一步提升海警部队维权执法能力。

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