王 華， 辛騰達(dá)， 崔村燕， 王 巖， 趙蓓蕾， 趙繼廣

(1. 裝備學(xué)院 航天裝備系， 北京 101416； 2. 裝備學(xué)院 裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究所， 北京 101416)

武器裝備毀傷評估研究方法綜述

王 華1， 辛騰達(dá)1， 崔村燕1， 王 巖1， 趙蓓蕾1， 趙繼廣2

(1. 裝備學(xué)院 航天裝備系， 北京 101416； 2. 裝備學(xué)院 裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究所， 北京 101416)

根據(jù)毀傷評估研究的內(nèi)容與現(xiàn)狀，將毀傷評估研究方法分為理論解析法、數(shù)值模擬法及基礎(chǔ)試驗(yàn)法3種方法。對3種方法的具體應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，總結(jié)概括了各種方法的優(yōu)點(diǎn)與不足。最后，通過對各種方法的比較分析，指出了根據(jù)需要將3種方法相結(jié)合的方式是未來毀傷評估方法的重要研究方向。

毀傷評估；理論解析；數(shù)值模擬；基礎(chǔ)試驗(yàn)

武器裝備毀傷理論與技術(shù)研究的主要內(nèi)容就是武器裝備的毀傷機(jī)理及目標(biāo)的易損性，武器裝備的最終目的就是實(shí)現(xiàn)對打擊目標(biāo)的毀傷[1]。因此，毀傷理論不僅是武器裝備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而且也為聯(lián)合作戰(zhàn)行動中武器裝備的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的條件下，武器裝備毀傷評估研究成果主要可概括為以下幾方面的應(yīng)用：(1)協(xié)助武器裝備設(shè)計(jì)、研發(fā)及測試人員完成武器裝備的設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化改進(jìn)；(2)協(xié)助武器裝備管理人員根據(jù)相應(yīng)單位的作戰(zhàn)任務(wù)，進(jìn)行需求分析、制定武器裝備采辦計(jì)劃及列裝規(guī)劃；(3)協(xié)助作戰(zhàn)人員根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)完成武器裝備配備、制定戰(zhàn)術(shù)及軍事演習(xí)計(jì)劃；(4)協(xié)助完成戰(zhàn)場目標(biāo)防護(hù)技術(shù)研究工作。

武器裝備毀傷評估的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性是實(shí)現(xiàn)武器裝備創(chuàng)新發(fā)展、準(zhǔn)確裝配、有效使用的重要基礎(chǔ)，對充分發(fā)揮武器裝備的戰(zhàn)斗性能、提高作戰(zhàn)水平具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，直接影響戰(zhàn)爭的進(jìn)程和結(jié)果。因此，本文對武器裝備毀傷評估的方法進(jìn)行了分類、總結(jié)、分析與比較，明確了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為武器裝備毀傷評估方法的研究提供參考與借鑒。

1 武器裝備毀傷評估主要內(nèi)容

武器裝備毀傷評估涉及從探索研究、型號制定，到規(guī)模生產(chǎn)、采購列裝，再到裝備配備、作戰(zhàn)使用過程中武器裝備的生產(chǎn)、使用各個(gè)環(huán)節(jié)，范圍十分廣泛。在美軍聯(lián)合軍事行動中，聯(lián)合目標(biāo)選擇與打擊(Joint Targeting)工作主要可分為：指揮官的目的、方針、意圖，目標(biāo)選擇、確認(rèn)、排序，武器裝備戰(zhàn)斗性能分析，指揮官決心、力量分配，任務(wù)規(guī)劃、實(shí)施打擊及作戰(zhàn)毀傷評估6個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程[2]。其中，目標(biāo)的選擇、確認(rèn)、排序，武器戰(zhàn)斗性能分析及戰(zhàn)斗毀傷評估3個(gè)階段中，都要涉及武器裝備毀傷評估的相關(guān)內(nèi)容。

武器裝備毀傷評估理論與技術(shù)作為武器裝備研制與使用的基礎(chǔ)，引起了世界各國高度重視，如美國這樣的軍事大國投入了大量的研究資源加以研究。目前，僅美國就有數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)室、高校及科研機(jī)構(gòu)對武器裝備的毀傷評估方法進(jìn)行研究。美軍在實(shí)施武器裝備毀傷評估時(shí)，采用的是物理毀傷評估(Physical Damage Assessment，PDA)到功能毀傷評估(Function Damage Assessment，F(xiàn)DA)再到目標(biāo)系統(tǒng)評估(Target System Assessment， TSA)的“三段式”毀傷評估方法。Daniel W.Franzen等構(gòu)建的Bayesian belief network模型，Donald P.Gaver和Patricia A.Jacobs共同建立的目標(biāo)毀傷概率評估模型及Glenn Dickenson為陸軍開發(fā)的目標(biāo)毀傷評估系統(tǒng)，是美軍進(jìn)行武器裝備毀傷評估研究的主要模型[3]。

武器裝備毀傷評估主要包括毀傷效能評估、武器戰(zhàn)績指標(biāo)評估、目標(biāo)易損性評估等主要內(nèi)容。根據(jù)毀傷評估的階段不同，武器裝備毀傷評估主要可分為戰(zhàn)前毀傷評估預(yù)測、戰(zhàn)中毀傷實(shí)時(shí)更新兩部分內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 軍事行動中毀傷評估總體過程

在作戰(zhàn)準(zhǔn)備階段，通過建立特定武器裝備對相應(yīng)目標(biāo)的毀傷評估指標(biāo)體系，同時(shí)借助數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等手段進(jìn)行建模分析與處理，得到各毀傷評估指標(biāo)的具體評估方法，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)的量化計(jì)算，準(zhǔn)確地計(jì)算出一次作戰(zhàn)行動需要投入多少武器裝備，為指揮決策人員提供參考。在作戰(zhàn)實(shí)施過程中，主要依據(jù)戰(zhàn)場情報(bào)偵察手段(衛(wèi)星、無人機(jī)、情報(bào)人員等)獲取戰(zhàn)場目標(biāo)毀傷信息，利用相應(yīng)的毀傷評估研究方法對目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，最終獲得戰(zhàn)場目標(biāo)毀傷情況的具體信息，為作戰(zhàn)指揮員根據(jù)戰(zhàn)斗的任務(wù)需求及目標(biāo)的毀傷情況做出相應(yīng)的決策提供依據(jù)。

2 武器裝備毀傷評估方法的發(fā)展

武器裝備毀傷評估理論與現(xiàn)代武器裝備高科技化的發(fā)展相互依存，相互促進(jìn)。自19世紀(jì)20年代末期，法國學(xué)者Jean Victor Poncelet針對炮彈打擊目標(biāo)的問題，對目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行試驗(yàn)以來，相關(guān)研究人員開始廣泛的對武器裝備打擊各種特定目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行研究。到了20世紀(jì)90年代，隨著原子彈、氫彈等大規(guī)模殺傷性武器裝備的發(fā)展，各國研究人員對武器裝備毀傷評估的研究從傳統(tǒng)的爆炸破片、高速撞擊等機(jī)械毀傷模式拓展到了爆轟波，熱輻射等化學(xué)毀傷的研究。發(fā)展到21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者不再僅僅關(guān)注于武器裝備理論及試驗(yàn)方面的毀傷評估研究，而更加注重應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對武器裝備毀傷進(jìn)行數(shù)值模擬，從而極大地節(jié)省研究資源，且能夠達(dá)到較好的毀傷評估效果[4-5]。近些年，隨著軟殺傷性武器的迅速發(fā)展，相關(guān)的科研人員已經(jīng)開始對石墨彈等武器裝備的毀傷效果進(jìn)行研究，大大拓寬了武器裝備毀傷評估研究的領(lǐng)域。

2.1 國外武器裝備毀傷評估方法的發(fā)展

歐美等軍事大國為了準(zhǔn)確地認(rèn)識各種武器裝備的毀傷效能，為新型武器裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)、戰(zhàn)場運(yùn)用提供依據(jù)，大量的研究機(jī)構(gòu)都在開展武器裝備毀傷方面的研究，且相關(guān)的研究技術(shù)較為成熟。歐美等國主要的毀傷評估研究單位與成果，如表1所示。

雖然美軍在武器裝備毀傷評估領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先水平，對所有軍事目標(biāo)的易損性和武器裝備的毀傷機(jī)理都進(jìn)行了研究，但其毀傷評估研究水平仍一直落后于自身武器裝備的發(fā)展水平。目前，各國毀傷評估的指標(biāo)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行相關(guān)的研究時(shí)，仍然按照各自不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。

表1 歐美等國毀傷評估研究單位及成果

2.2 國內(nèi)武器裝備毀傷評估方法的發(fā)展

我國與歐美等軍事大國相比，在武器裝備毀傷評估方面的研究起步較晚。20世紀(jì)80年代初期開始，李崢[6]通過對大量毀傷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了0.3～100 t炸藥發(fā)生爆炸情況下，建筑物的毀傷情況與沖擊波超壓的關(guān)系，并對0.001～100 t TNT炸藥爆炸情況下，羊、狗等動物的毀傷情況進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了相關(guān)動物不同傷亡程度下的超壓閾值。隨后，王正國等[7]對爆炸沖擊波對人的毀傷情況進(jìn)行了研究。到20世紀(jì)90年代，我國一些研究單位才開始系統(tǒng)地對武器裝備毀傷評估進(jìn)行研究，如表2所示。

目前，我國研究武器裝備毀傷評估的單位主要有南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、中北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、兵器科學(xué)研究院及裝備學(xué)院等。雖_然相關(guān)研究在特定的武器裝備或侵徹子母彈等打擊飛機(jī)、導(dǎo)彈、機(jī)場跑道、地下設(shè)施等目標(biāo)方面，取得了一定的研究成果，但總體水平仍處于針對具體研究對象的實(shí)驗(yàn)分析及工程估算層次。這些評估多是定性的，對各種目標(biāo)的毀傷等級判斷、毀傷標(biāo)準(zhǔn)和毀傷后果研究方面仍然還不完善。因此，僅僅依靠單一的方法很難得到準(zhǔn)確的毀傷評估結(jié)果，如何獲得既符合實(shí)際，又具有良好普適性的毀傷評估結(jié)果，已經(jīng)成為毀傷研究的發(fā)展方向。

表2 國內(nèi)早期毀傷研究單位及內(nèi)容

3 武器裝備毀傷評估方法研究

目前，武器裝備毀傷評估的研究方法多種多樣，總體而言大致可以分為理論解析法、數(shù)值模擬法、基礎(chǔ)試驗(yàn)法3種。武器裝備毀傷評估研究方法的具體分類情況，如圖2所示。

3.1 理論解析法

應(yīng)用理論解析法進(jìn)行毀傷評估研究的關(guān)鍵是評估理論的選取，目前國內(nèi)外毀傷評估研究的主要理論有Bayesian network、模糊綜合評判理論、層次分析理論、Monte Carlo方法及圖像處理方法等[8-12]。國內(nèi)外毀傷評估幾種主要理論解析法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，如表3所示。

表3 國內(nèi)外毀傷評估研究主要理論

圖2 毀傷評估基本方法

理論解析法都是經(jīng)過十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)而得出的，具有最為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)，但其所得的結(jié)果是在大量假設(shè)的理想情況下得出的，所得結(jié)果只能是對現(xiàn)實(shí)情況的無限近似解，與武器裝備的真實(shí)毀傷結(jié)果具有一定差距。但其在武器裝備毀傷評估理論及試驗(yàn)的可行性驗(yàn)證方面，具有不可替代的作用。應(yīng)用理論解析法對武器裝備毀傷進(jìn)行評估研究的基本過程，如圖3所示。

圖3 理論解析法基本過程

3.2 基礎(chǔ)試驗(yàn)法

從整體上說，武器裝備毀傷評估研究需要大量的毀傷數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，基礎(chǔ)試驗(yàn)法更具真實(shí)性、可靠性，是獲得大量真實(shí)、可靠的毀傷數(shù)據(jù)最主要和最有效的途徑，也是有效驗(yàn)證理論解析法及數(shù)值模擬法最具說服力的方法。然而，由于實(shí)戰(zhàn)性試驗(yàn)工程浩大，尤其對于武器裝備的毀傷試驗(yàn)來講，為了得到相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，且具有較高的危險(xiǎn)性。因此，武器裝備毀傷研究的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)量受到了嚴(yán)格的限制。武器裝備毀傷試驗(yàn)主要可概括為3類，如表4所示。

表4 武器裝備毀傷試驗(yàn)主要類型

在試驗(yàn)研究方面，北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、中北大學(xué)等單位根據(jù)不同研究對象的需要，應(yīng)用相應(yīng)的基礎(chǔ)試驗(yàn)進(jìn)行毀傷評估研究，在新型材料的選取、新型藥型罩的設(shè)計(jì)、新型武器裝備毀傷效能測試及對理論解析法建立的評估模型或數(shù)值模擬法所得的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證方面發(fā)揮了重要的作用。武器裝備毀傷評估基礎(chǔ)試驗(yàn)法的具體研究過程，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)試驗(yàn)法研究過程

3.3 數(shù)值模擬法

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究的關(guān)鍵是根據(jù)不同的研究需求、研究對象、打擊目標(biāo)，應(yīng)用LS-DYNA、AUTODYN等數(shù)值模擬軟件分別建立相應(yīng)的模型，對武器裝備的毀傷效果進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)所得的仿真結(jié)果對武器裝備毀傷效果進(jìn)行評估[13-16]。目前，數(shù)值模擬法研究的主要內(nèi)容，如表5所示。

表5 數(shù)值模擬法的主要研究內(nèi)容

圖5 數(shù)值模擬研究過程

由于數(shù)值模擬的靈活性及可重復(fù)性，數(shù)值模擬法已成為目前應(yīng)用最為廣泛的毀傷評估研究方法。數(shù)值模擬法不僅能夠節(jié)省大量的人力、物力，而且能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，獲得較為客觀的研究結(jié)果。但數(shù)值模擬法對模型的依賴性非常高，仿真模型的正確與否需要研究人員進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，不準(zhǔn)確的模型將會造成巨大的誤差，甚至產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的仿真結(jié)果。因此，建立與研究內(nèi)容相適應(yīng)的模型是進(jìn)行數(shù)值模擬研究中的關(guān)鍵一環(huán)。數(shù)值模擬法進(jìn)行武器裝備毀傷評估研究的具體過程，如圖5所示。

3.4 毀傷評估方法研究趨勢

現(xiàn)代數(shù)值分析技術(shù)，特別是有限元分析技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，使計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，與理論解析法及基礎(chǔ)試驗(yàn)法相比數(shù)值模擬技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)性和高效性，日益成為武器裝備毀傷評估研究的重要方法。根據(jù)研究對象的特點(diǎn)、研究問題的具體需求及各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選用最為合適的毀傷評估理論進(jìn)行解析計(jì)算，建立相應(yīng)的模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，并與試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以取得更具說服力的毀傷評估結(jié)果[17-24]。北京理工大學(xué)蔣海燕[25]將毀傷樹理論、AUTODYN數(shù)值模擬理論及基礎(chǔ)試驗(yàn)法3種方法相結(jié)合，應(yīng)用于導(dǎo)電液溶膠打擊變電站目標(biāo)的問題中，取得了很好的效果。將先進(jìn)的毀傷評估理論、數(shù)值模擬理論及小型基礎(chǔ)試驗(yàn)法結(jié)合使用，取長補(bǔ)短，已成為武器裝備毀傷評估研究的一種重要方法。

4 結(jié) 論

本文對武器裝備毀傷評估的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的概括總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對武器裝備的毀傷評估方法進(jìn)行了分類，通過對3種主要研究方法的研究分析得出：根據(jù)研究對象的特點(diǎn)及研究需求，將理論解析法、數(shù)值模擬法及小型基礎(chǔ)試驗(yàn)相結(jié)合使用，互為依托、相互支撐，是武器裝備毀傷評估研究的一種重要手段，可以獲得更為可靠的毀傷評估結(jié)果，有效提高武器裝備毀傷評估的準(zhǔn)確性、可靠性及效費(fèi)比。

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(編輯：李江濤)

Summary of Weapon Damage Assessment Research Methods

WANG Hua1， XIN Tengda1， CUI Cunyan1， WANG Yan1， ZHAO Beilei1， ZHAO Jiguang2

(1. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Equipment Development Strategy Research Institute, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

Aiming at contents and status quo of damage assessment study, the paper classifies the damage assessment methods into three types: theoretical analysis method, numerical simulation method and basic test method. The paper conducts systematic study on the specific application of the three methods and concludes the advantages and disadvantages of each method. In the end, through comparative analysis of these methods, the paper points out that combining the three methods should be an important direction for future damage assessment method study.

damage assessment; theoretical analysis; numerical simulation; basic test

2016-07-21

部委級資助項(xiàng)目

王 華(1971—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭測試發(fā)射控制理論與技術(shù)。

E92

2095-3828(2017)01-0105-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.019