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拦截一发来袭导弹的数学、物理及其他

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发表于 2022-8-18 19:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
拦截一发来袭导弹的数学、物理及其他

撰文 | 曹则贤(中国科学院物理研究所)

从前打仗烧钱,如今打仗还烧脑子。——作者

摘要   21 世纪的一个重要特征是,哪怕是笑话也都有科技含量,没有点儿数理底子还真捕捉不到笑点。近日宝岛退将侯“一发导弹拦截成功率 70% ,三发一起拦截成功率 210% ”的高论,给这个平淡的夏日添了个超级笑料。然而,导弹拦截不是个简单的概率计算问题,它还是物理问题和经济问题。借着品味这个笑话,我们不妨好好学习一些加法的基础知识 ,以及描述飞行物体的物理知识。


视频来源:中国网

1  引子

笑话年年有,今年更独特。近些日子,有宝岛退休将领侯做电视节目嘉宾时言道:“一发导弹拦截的成功率是 70% ,那我三发一起拦截,成功率就是 210%  嘛,哪有拦不住的!” 有点儿常识的人瞬间捕捉到这是个大笑话,吓得赶忙捧腹扶眼镜。这笑话在华人圈一时间热度飙到 42℃ 。有人直言这位宝岛退将的数学是体育老师教的,结果因为侮辱了体育老师被体育老师给打了。有宝岛女嘉宾怒怼,“一发导弹拦截成功率 70% ,三发拦截成功率就是 210% ,照这么说四杯 25℃ 的水,倒在一起直接就沸腾喽!”还有人从排列组合的角度,分别给出三发导弹中与不中八种不同组合的概率。这画风转换有点儿快,一个笑话竟然还引出一堂数学课来了。

既然有人关切,笔者也来凑个热闹,假装很不严肃地好好讨论一下这个问题:“设一发反导导弹对来袭导弹的拦截成功率为 70% ,那么,三发一起拦截的成功率是多少?”

2  概率的数学初步

首先,alas ,这个问题是错的!对着来袭导弹发射一发反导导弹,结果就两种:击中或者没击中。用数值表示,就是 1 或者 0 ,没有成功率 70% 的说法。所谓的成功率为 70% 这种说法,是一种统计语言的描述,而统计是针对大数而言的。设用某型号导弹拦截某确定型号的来袭导弹,在相同条件下实验了 N 次,其中成功了 M 次,则若 N 足够大,数值 M/N×100% 可认定为该导弹拦截实验的成功率。因此,正确的说法是用某型号导弹拦截某型号来袭导弹的成功率为多少,而不是用一发导弹拦截的成功率为多少。那么,实验次数 (观察次数), 或者用更一般性的术语,统计样本数,多大才算足够大呢?这个得看具体的研究对象了。比如,有一门物理叫统计物理,其涉及对象的样本数动辄是 10^23 量级的;关于我国国民出生时体重的统计,样本数是在 10 亿的规模。至于反导导弹的成功率,要求实验次数达 100 次计算的成功率才是可靠的,这在数学上不过分吧?但这从物理的角度看却很过分。用 100 发反导导弹做实验去获得其成功率数据?你问问一般国力的国家买不买得起 100 发反导导弹?所以,某型号导弹拦截成功率的说法其实是个不很靠谱的说法。

好吧,退一步说,假设拦截成功率为 70% 是个经过大数实验得到的比较可靠的说法。70% 成功率的拦截导弹可让人不踏实。如果想提高拦截成功率,直觉的做法是多发几发反导导弹,一发不行两发,两发不行三发……这就引出了一个问题,用 n 发导弹拦截,拦截成功率是多少?具体到本文关切的问题,拦截成功率为 70% 的某型导弹,3 发导弹拦截一发来袭导弹,成功率是多少?

一种算法是,70% + 70% + 70% = 210% 。210%>100% ,结论:“那肯定就拦截成功了嗦!”这当然是个笑话。但是,这个笑话却引出一个比较严肃的话题:“什么样的(物理)量是(代数)可加的?” 我们熟悉的长度、面积、体积、质量、兜里的钞票、物体数目等等是 (代数) 可加的。比如

3 个 + 5 个 = 8 个

3 米 + 5 米 = 8 米

3 块钱 + 5 块钱 = 8 块钱

3 千克 + 5 千克 = 8 千克

就是我们熟悉的加法。但是,但是,千万不要以为代数加法简单。有学过普通物理的朋友会说电荷也是代数可加的(麦克斯韦的电磁学经典会有专门一节讲关于电荷代数可加性的认识过程),3 库伦 + 5 库伦 = 8 库伦。然而,这里有个大陷阱。电荷跟质量不同的地方在于它是极性的(polar),电荷分正负。-3 库伦 + 3 库伦 = 0 库伦。一个区域内总电荷为 0 库伦是没有电荷吗?你要这么想就 naive 了。一个区域内总电荷为零,同一个区域内没有电荷,是完全不同的两种物理体系。就是钱财这个量,一旦被扩展到可取负值的情形,其加法也是可疑的。比如,某甲月收入 3800 元,某乙月进账 24833800 元,欠账 24830000 元,24833800+(-24830000)=3800 ,但前者是普通高收入阶层,而后者属于精英土壕阶层。

热力学会将物理量按照性质严格地加以区分。粒子数 N 、体积 V 、表面积 A 等是广延量。两个体系凑一起,相应的这些量可以代数相加,其分别对应的化学势 μ 、压强 p 、表面能 σ 则是强度量。强度量不能简单相加。

前述宝岛女嘉宾怒怼,“……照这么说,四杯 25℃ 的水倒在一起直接就沸腾喽!” 这说明大家都知道温度是不能简单相加的。在热力学里,温度 T 是个强度量,它对应的广延量就是不懂的人特别愿意使用的概念:熵 (S,entropy)。其实,温度是个统计量,很少有体系有明确的温度,但熵总是有的,且可以简单相加。




图 1.  杨辉三角 (Pascal triangle)



3  导弹拦截拦截是个物理问题和经济问题

问题要是那么简单就好喽。

学过概率论的人都知道,概率论是一门坑很多的学科,要不天下有开赌场致富的非法路径呢。概率论不是简单的拿个算式去算个数,要考虑问题的物理图像,物理图像,物理图像!




图 2. 三灯泡并联电路

三个灯泡并联的问题, 与使用大炮轰击一个目标的问题相同:三发炮弹齐发,但凡有一发轰击到目标,即算达到目标。目标被摧毁的概率可以按照前述算法计算。这里计算正确性的保证来自三发炮弹的独立性。然而,关于三发导弹拦截一发来袭导弹成功率的计算,看似与三个灯泡并联和三发炮弹齐发的问题相同,但实际上却有很大的差别。

设若敌方有一发导弹来袭,且来袭导弹在飞行途中,这时的反导大概就是所谓的中段反导(图 3)。若时间还允许,拦截方式大概是发射一发,如果成功,事情到此为止;如果不成功,赶紧补发一发。为什么不三发齐发呢?因为反导导弹太珍贵了,糟蹋不起。再者,导弹都是在高速运行中的,三发齐发又不能做到同时击中来袭导弹,则若一发击中来袭导弹(这是我们的追求和目标),其它两发不是白浪费了。这又不是炮弹轰击敌阵地,一发击中,补中两发算是加强打击效果。当然了,实际测试反导导弹性能时,双发齐发倒是真有的。三发齐发不是原则上不可以,而是实在没那么豪气。


图 3. 反导实验

如果敌方来袭导弹已经接近目标,这就是末段反导了。这时候的拦截务必要做到万无一失,特别是为了保护高价值目标,为此可以不惜代价。这个阶段的拦截手段一般使用近防炮。近防炮要形成一道动态的弹幕,让一段时间内的来袭目标,哪怕是一发炮弹,都不能通过。为此,近防炮的关键指标是射速,一般在每分钟 6000 发以上。我国新型船舰上使用的 1130 近防炮,射速超过每分钟一万发以上,射击距离在 3 公里左右(图 4)。一分钟一万多发,速射十分钟就是十多万发。十万发速射炮炮弹,你估计一下得多少钱?真打不起啊。


图 4.  舰载近防炮射击中

4  来自反导的开悟

在基础物理中,描述一个运动物体,要用到质量 m,速度 v(这是一个矢量),动量 p = mv (矢量), 和动能 Ek = mv^2/2 。按说,有了质量 m 和速度 v 就够了,为啥还要用到动量和动能呢?关于这个问题,笔者当普物老师时没想明白,但是盯着导弹和反导的示意图(图 5)时我想明白了。


图 5. 导弹的变轨

首先,不管是导弹还是反导导弹,速度是硬道理。飞得够快,才能追得上对手或者免于被对手追上。这就是我们的导弹追求高速的道理。据公开信息,我国东风 17 的速度约为 10 马赫,东风 41 的速度可达 25 马赫,这速度是杠杠的。然而,导弹的高性能不光在于速度,还在于高机动性。导弹在突袭或者反导的时候要能灵活地变轨,这要根据牛顿第二定律,dp/dt = F ,其中力 F 由推进剂提供,可见动量是相关的物理参数。注意,对于速度在 10 马赫量级的导弹,其不仅没有战斗部,在进入大气层后它还会因为高速飞行被逐步烧蚀掉,所以导弹的质量很关键。发射时质量要足够大,等到达目标时我们希望其还能剩个 1 公斤左右。接近目标后,导弹的毁伤能力则由动能表征。大家不妨计算一下一个 1 公斤的导弹头 (就是一块金属钨),速度为 25 马赫时,动能是多少?这样大家对它的威力就心里有数啦!

5  多余的话

宝岛那位退将侯的概率论水平,有点可笑,但并不可怕。笔者遇到稍微深一层面的概率问题,比如条件概率,就大概率会立马出错。真正可怕的是,宝岛退将侯这种水平的人是怎么当上将军的,是怎么能上电视节目给别人分析问题的?21 世纪,国家发展问题首先是个科学问题,军事问题也首先是个科学问题,对此,我们要端正态度。

参考文献

曹则贤,军事物理学,上海科技教育出版社 (2022).

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发表于 2022-8-18 20:14 | 显示全部楼层
不要笑话对岸,我们这里将军还不如对方,茅台将军多的是,军队里有几个是学习好的?
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发表于 2022-8-18 22:09 | 显示全部楼层
这篇文章,诙谐,寓意深刻,语言风趣,耐人回味,我也想不到更好的形容词了。
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发表于 2022-8-19 00:57 | 显示全部楼层
白新岭 发表于 2022-8-18 22:09
这篇文章,诙谐,寓意深刻,语言风趣,耐人回味,我也想不到更好的形容词了。

不必说的太多了!
说出心里话就可以了!
总比那些里通外国的汉奸强多了!!
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发表于 2022-8-19 14:24 | 显示全部楼层
首先,alas ,这个问题是错的!对着来袭导弹发射一发反导导弹,结果就两种:击中或者没击中。用数值表示,就是 1 或者 0 ,没有成功率 70% 的说法。所谓的成功率为 70% 这种说法,是一种统计语言的描述,而统计是针对大数而言的。设用某型号导弹拦截某确定型号的来袭导弹,在相同条件下实验了 N 次,其中成功了 M 次,则若 N 足够大,数值 M/N×100% 可认定为该导弹拦截实验的成功率。因此,正确的说法是用某型号导弹拦截某型号来袭导弹的成功率为多少,而不是用一发导弹拦截的成功率为多少。那么,实验次数 (观察次数), 或者用更一般性的术语,统计样本数,多大才算足够大呢?这个得看具体的研究对象了。比如,有一门物理叫统计物理,其涉及对象的样本数动辄是 10^23 量级的;关于我国国民出生时体重的统计,样本数是在 10 亿的规模。至于反导导弹的成功率,要求实验次数达 100 次计算的成功率才是可靠的,这在数学上不过分吧?但这从物理的角度看却很过分。用 100 发反导导弹做实验去获得其成功率数据?你问问一般国力的国家买不买得起 100 发反导导弹?所以,某型号导弹拦截成功率的说法其实是个不很靠谱的说法。

文章作者的这一段说法,也有问题。

(1)
发射一枚导弹,是否命中目标,存在不确定性。只要存在不确定性,就一定有概率,这里就是指“成功率”。至于概率本身如何被定义,具体数值如何计算则另当别论。

“发射一枚反导导弹拦截成功的概率是70%”与“投掷一枚均匀硬币正面朝上的概率是50%”,这两个说法都没问题。

(2)
导弹命中目标的成功率是由导弹生产厂商在研制阶段通过实弹打靶得到的数据推算而来。为了节省成本,一种做法是事先指定一个试验命中次数\(k\),比如事先指定命中5次后试验终止,然后观察记录试验总次数\(n\),有可能打5发全部命中,也有可能打20发才命中5次,这里的\(n\)服从负二项分布,最后用\(k{,}n\)去估计总体命中概率\(p\).

在军火交易时,一般还有一个验收程序把关。比如双方商定随机抽取若干枚实弹打靶,脱靶多少枚则拒收等等。使用方在进货时,对命中率就已经心中有数了,不会有谁购买100枚导弹带回去自行测试命中率。

我国质量监督检验总局还制订有国家标准,以方便大家在军火交易时有法有据可依,避免扯皮。

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发表于 2022-8-19 14:55 | 显示全部楼层
如果第一枚导弹即打中,概率为 0.7;
如果第一枚未打中,第二枚打中,概率为 0.3 × 0.7 = 0.21;
如果头两枚都未中,第三枚打中,概率为 0.3 × 0.3 × 0.7 = 0.063 ;

发射三枚导弹打中目标的概率就是三者之和:0.7+0.21+0.063 = 0.973

于少将从直觉上将三概率相加,从直觉上来说问题不大,只不过“一时没反应过来”,忽略了细节。
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