Dr inż. Maciej PODCIECHOWSKI Dr inż. Dariusz RODZIK Dr inż. Stanisław ŻYGADŁO Wojskowa Akademia Techniczna SYMULACYJNE BADANIE SKUTECZNOŚCI AMUNICJI ODŁAMKOWEJ Streszczenie: W referacie przedstawiono wyniki komputerowej symulacji skuteczności rażenia amunicji odłamkowej wyposażonej w zapalniki zbliżeniowe. SIMULATION TESTING OF THE EFFECTIVENESS DESTRUCTION OF FRAGMENTATION AMMUNITION 1. WPROWADZENIE Abstract: In the paper results of computer simulation of the effectiveness destruction of fragmentation ammunition equipped with proximity fuses. Słowa kluczowe: skuteczność amunicji odłamkowej, symulacja komputerowa Keywords: effectiveness of fragmentation ammunition, computer simulation Amunicję o działaniu odłamkowym wykorzystuje się głównie do rażenia naziemnych celów grupowych, które składają się z wielu celów pojedynczych, rozmieszczonych na dowolnym obszarze tak, że ostrzelanie jednego może spowodować również porażenie innych. Aby amunicja była efektywna, to przy jej projektowaniu (skorup odłamkowych i zapalników zbliżeniowych) należy rozwiązać wiele problemów teoretycznych i badawczych, wśród których bardzo ważny jest problem oceny skuteczności rażenia odłamkowego. Rozwiązuje się go na drodze pracochłonnych i kosztownych badań eksperymentalnych lub też w wyniku obliczeń teoretycznych prowadzonych z wykorzystaniem metod symulacji komputerowej. Teoretyczne rozwiązanie problemu skuteczności rażenia odłamkowego wymaga przede wszystkim wyboru kryteriów oceny, które w wiarygodny sposób pozwolą przewidywać skuteczność użycia amunicji. Następnie trzeba opisać matematycznie te kryteria i opracować algorytm. Na podstawie powyższych danych przedstawionych w artykułach [1-3] opracowano program symulacji komputerowej ostrzelania naziemnych celów grupowych amunicją odłamkową. Program ten umożliwia wprowadzanie danych o charakterystykach skorupy (głowicy) odłamkowej i celu grupowego oraz zakresie zmian parametrów lotu pocisku (prędkości, kącie lotu i wysokości wybuchu). W efekcie otrzymuje się wykresy skuteczności lub jej wzrostu w funkcji wysokości wybuchu. 2. DANE WEJŚCIOWE Program SYMULATOR wymaga wprowadzenia kompletu danych wejściowych. W zależności od celu badań, dane te mogą w różnej proporcji zawierać wartości uzyskane doświadczalnie i założone (wyznaczone teoretycznie). Finalnym produktem obliczeń dla jednego kompletu danych jest wielkość obliczeniowa powierzchni działania odłamkowego. Jednocześnie w tym samym cyklu obliczeń, bez 595
dodatkowych zabiegów obliczane są inne wskaźniki uzupełniające, dające pełny obraz działania odłamkowego. Należą do nich: ilość odłamków skutecznych spadających na powierzchnię atakowanego obszaru; tablica rozkładu ilościowego odłamków skutecznych na pola, na które podzielono atakowany obszar; tablica prawdopodobieństw trafienia celu odłamkiem na poszczególnych polach ; tablica odległości skutecznych odłamków, dla pełnego zakresu mas i prędkości początkowych odłamków powstałych z jednej skorupy pocisku; tablica wielkości pól, na które podzielono atakowany obszar. 3. PRZYKŁADOWE WYNIKI OBLICZEŃ Przedstawiony w niniejszym punkcie przykład liczbowy ma za zadanie wykazać stosowalność metody obliczeń wg algorytmu przedstawionego w pracy [1] i wykonanego programu, dla pełnego zakresu możliwych kątów pochylenia osi symetrii skorupy odłamkowej w momencie rozprysku na dowolnej wysokości z wybranego przedziału. Ponieważ metoda jest proponowana do praktycznych zastosowań, przyjęte do przykładu dane wejściowe postarano się tak dobrać, aby symulowany rozprysk miał wszelkie znamiona realności. Rozkład masowy odłamków przyjęto z autentycznych statystyk, opracowanych dla 105 mm pocisku odłamkowego. Rozkład ilościowy odłamków na umowne sektory kątowe przyjęto w oparciu o dane pokazane w pracy [4] i dotyczące pocisku w skorupie stalowej. Pozostałe dane przyjęto w oparciu o analizę zjawiska rozprysku skorupy odłamkowej i dane tabelaryczne typowych pocisków odłamkowych. Tym sposobem uzyskano teoretyczny zestaw danych, charakteryzujący fikcyjny pocisk odłamkowy o parametrach możliwych do uzyskania w rzeczywistości i opartych na rzeczywistych, statystycznych badaniach skorup odłamkowych. Przyjęte w nich wartości liczbowe mogą być uznane za reprezentatywne dla pocisków odłamkowych artylerii lufowej. 3.1. Przykładowe dane wejściowe do programu Rys. 1. Dane wejściowe do symulacji zobrazowane w oknie roboczym programu Symulacja 596
Dane wejściowe do programu (w nawiasach oznaczenia używane w programie): ilość sektorów, na które podzielono strefę rozlotu odłamków po rozprysku I (II) = 18 ilość klas masowych, na które podzielono zbiór odłamków K (KK) = 18 kątowy krok podziału na sektory (ALFA) = 10 promień kuli o środku w punkcie rozprysku i znanej gęstości rozkładu odłamków na powierzchni (LT) = 3,0 średni współczynnik oporu czołowego dla całego zbioru odłamków (CX) = 1,40 prędkość początkowa odłamka uzyskana od detonacji (VD) = 1000 prędkość skorupy odłamkowej w chwili rozprysku (VP) = 400 powierzchnia charakterystyczna celu (SCC) = 1,5 współczynnik realizujący funkcję S = uf(m) (FD) = 4,9 energia skuteczna w (W) = 10,0 tablica rozkładu masowego odłamków q (Q (1,KK)) = 0,25 0,50 0,75 1,00 1,50 2,00 2,00 2,50 3,00 4,00 5,00 7,50 10,0 15,0 20,0 30,0 35,0 50,0 tablica rozkładu odłamków skutecznych E (E (1,KK)) = 1,000 0,764 0,623 0,562 0,432 0,370 0,332 0,280 0,229 0,174 0,134 0,082 0,044 0,025 0,015 0,009 0,007 0,004 tablica rozkładu ilościowego odłamków n (NOT (1,II)) = 3,15 9,44 14,67 20,96 36,42 50,84 79,92 158,66 266,29 714,90 772,54 1 91,02 72,32 46,38 36,95 33,02 28,04 10,48 ilość kątów nachylenia osi symetrii skorupy odłamkowej w momencie rozprysku (N1) = 9 ilość zadeklarowanych wysokości rozprysku h(h) (N2) = 18 wysokość rozprysku h (H1) = 0,5 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 30 40 50 60 kąt nachylenia osi symetrii skorupy odłamkowej w momencie rozprysku (OM1) = 10 20 30 40 50 60 70 80 90 597
3.2. Wyniki obliczeń W tabelach 1 i 2 oraz na rys. 2 i 3 przedstawiono wyznaczone wielkości wskaźników działania odłamkowego: powierzchnia obliczeniowa działania odłamkowego, ilość odłamków skutecznych. Tabela 1. Obliczeniowa powierzchnia działania odłamkowego [ h [m] 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 0,50 341,33 379,32 401,05 432,82 469,19 457,85 444,80 387,38 36,72 1,00 358,95 385,81 432,68 460,23 490,51 516,83 530,77 495,49 146,98 2,00 386,48 415,35 458,14 519,85 561,61 611,08 675,29 713,42 550,94 4,00 454,89 469,06 507,63 577,81 649,44 731,89 887,01 1057,04 1183,70 6,00 502,33 513,40 554,95 611,87 692,05 817,19 987,26 1221,93 1447,62 8,00 541,31 547,51 589,95 639,10 715,66 841,13 1014,96 1236,83 1467,43 10,00 563,23 576,33 601,08 651,18 733,19 842,38 992,66 1159,72 1361,26 12,00 576,10 589,46 625,39 671,50 741,29 833,80 937,47 1041,62 1233,07 14,00 581,97 599,62 628,03 667,55 722,11 788,28 857,95 910,15 1061,67 16,00 576,83 586,96 611,67 650,62 700,38 752,31 783,62 791,57 912,33 18,00 544,21 562,68 584,12 617,64 661,81 684,67 695,80 665,47 779,67 20,00 514,30 539,93 565,68 595,05 615,34 625,46 599,71 565,90 675,20 22,00 486,90 506,42 530,74 552,90 563,55 557,95 528,98 479,74 581,23 24,00 456,11 484,51 496,69 514,47 511,61 500,75 460,20 408,50 504,58 30,00 356,34 371,53 385,50 381,26 369,06 348,87 302,11 258,63 324,03 40,00 212,33 230,95 225,10 216,82 197,05 184,04 155,27 124,92 162,70 50,00 122,48 128,47 127,02 121,53 110,23 92,67 88,38 65,95 91,33 60,00 65,56 74,46 75,98 71,63 62,78 50,94 41,15 34,49 47,96 Rys. 2. Obliczeniowa powierzchnia działania odłamkowego 598
Tabela 2. Ilość odłamków skutecznych spadających na atakowany obszar 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 h [m] 0,5 923 1034 1116 1210 1391 1601 1832 1933 2128 1,0 902 992 1079 1164 1282 1504 1797 1971 2128 2,0 872 949 1009 1095 1201 1344 1574 1704 2128 4,0 836 892 938 1004 1084 1190 1418 1643 1929 6,0 814 859 903 949 1014 1117 1248 1353 1662 8,0 792 832 867 904 955 1026 1078 1168 1364 10,0 765 800 828 856 895 911 943 997 1123 12,0 727 756 777 797 808 829 821 820 953 14,0 664 688 705 732 750 733 706 684 788 16,0 594 615 634 644 636 625 609 570 657 18,0 538 561 579 570 569 540 510 468 551 20,0 477 499 515 520 501 474 432 390 470 22,0 423 440 457 452 441 418 376 331 400 24,0 381 400 406 405 391 360 321 280 348 30,0 271 285 293 286 271 244 207 177 221 40,0 151 165 166 160 147 127 105 88 113 50,0 88 94 95 92 82 69 56 46 60 60,0 50 56 57 54 49 39 31 25 31 Rys. 3. Ilość odłamków skutecznych spadających na atakowany obszar 4. WNIOSKI Z PRZEPROWADZONYCH BADAŃ SYMULACYJNYCH Symulacyjna metoda badania skuteczności amunicji wyposażonej w zapalniki zbliżeniowe oparta jest o jednoznaczny model działania odłamkowego o zdefiniowanym i uzasadnionym stopniu uproszczenia. Jest uniwersalną, dla wszystkich środków rażących, metodą badań 599
wpływu na skuteczność działania odłamkowego, poszczególnych parametrów opisujących rozprysk skorupy odłamkowej, takich jak: wysokość rozprysku; kąt nachylenia osi symetrii skorupy odłamkowej w momencie rozprysku; prędkość początkowa odłamków uzyskana od detonacji; prędkość skorupy odłamkowej w chwili rozprysku; rozkład ilościowy i masowy odłamków w ich przestrzeni rozlotu po rozprysku. Wyniki uzyskane z symulacji stanowią podstawę do wielu praktycznych ustaleń. Podstawowym narzędziem symulacyjnej metody badania skuteczności amunicji odłamkowej wyposażonej w zapalniki zbliżeniowe jest program obliczeń w języku FORTRAN, wykonany w oparciu o algorytm przedstawiony w pracach [1-3]. Dane do obliczeń według tego programu są tak przygotowane, że pozwalają na maksymalne i prawidłowe wykorzystanie materiału statystycznego z badań rozprysku nieruchomej skorupy odłamkowej do symulacji rozprysku na dowolnej wysokości nad celem, z dowolną prędkością pozostałą i dowolnym nachyleniem do płaszczyzny celu. Program poprzez jedną kompilację umożliwia symulację rozprysku dla dowolnej ilości wysokości rozprysku i kątów nachylenia skorupy odłamkowej. Algorytm symulujący zjawisko rozprysku skorupy odłamkowej i program w języku FORTRAN zawierają w sobie oryginalną metodę obliczania wszystkich rzeczywistych rozwiązań układu równań nieliniowych drugiego stopnia. Metoda doskonale nadaje się do prognozowania skuteczności projektowanych, nowych odłamkowych środków rażących, takich jak: pociski artyleryjskie; bomby lotnicze; granaty moździerzowe; granaty ręczne. Na podstawie danych uzyskanych z rozprysku nieruchomej skorupy odłamkowej możliwa jest ocena skuteczności rażenia przy rozprysku na dowolnej wysokości, przy dowolnym nachyleniu osi symetrii i przy dowolnej prędkości skorupy odłamkowej w chwili rozprysku. Obecne czasy wymagają projektowania coraz nowszych zestawów bojowych używających głowic bojowych zapalników inicjujących rozprysk na torze lotu głowicy oraz doboru zapalnika do istniejącej już głowicy. Proponowana metoda pozwala określić wymagania stawiane działaniu zapalnika w oparciu o obliczoną optymalną wysokość rozprysku i dopuszczalne rozproszenie wysokości rozprysku. LITERATURA [1] Podciechowski M., Zimończyk K., Żygadło S.: Ocena skuteczności amunicji odłamkowej wyposażonej w zapalniki zbliżeniowe, VIII Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Pułtusk, 2010. [2] Podciechowski M., Zimończyk K., Żygadło S.: Ocena skuteczności amunicji odłamkowej wyposażonej w zapalniki zbliżeniowe, Problemy Mechatroniki. Uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa, nr 1 (7), WAT, 2012. [3] Podciechowski M., Rodzik D., Żygadło S.: Komputerowe wspomaganie badań skuteczności amunicji odłamkowej wyposażonej w zapalniki zbliżeniowe, XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Szczyrk, 2014. [4] Sznuk K.: Symulacyjna metoda badania skuteczności głowic odłamkowych, rozprawa doktorska, WAT, Warszawa, 1979. 600