动能设障子母弹对航空母舰封锁效能方法研究*

杭贵云,余文力,王 涛,王金涛,李 臻

(第二炮兵工程大学,西安 710025)

动能设障子母弹对航空母舰封锁效能方法研究*

杭贵云,余文力,王 涛,王金涛,李 臻

(第二炮兵工程大学,西安 710025)

文中根据实际军事背景需求,结合航母目标特性,提出用设障子弹打击航母飞行甲板从而削弱航母的作战能力。根据子母弹抛撒相关参数,用Matlab软件仿真,得到子弹的落点分布与关键部件毁伤情况,并进行了毁伤效能评估。结果表明:子母弹可以对航空母舰实施有效打击,从而削弱航母的作战能力。文中的研究可以为航空母舰的毁伤判定与作战方案的制定提供一定的参考。

航空母舰;飞行甲板;设障子弹;子母弹;毁伤评估

0 引言

在现代战争中,航空母舰以持续作战时间长、作战区域广等优势,在争夺制空权制海权方面发挥着重要作用。随着时代的发展,航母在未来战争中的地位与作用也越来越重要。

舰载机是航母的主要武器,同时也是航母作战能力的充分体现。众所周知,舰载机的起降作业是在航母的飞行甲板上完成的。由于条件的特殊性,舰载机起飞与降落时,对飞行甲板的平整度与尺寸范围都有严格要求。如果飞行甲板遭受武器打击而破坏,不满足舰载机起降作业条件,那么实际作战中舰载机就不能升空作战,航母的作战能力就会受到影响。

文中正是基于此,提出用新型设障子弹来打击航母的飞行甲板。设障子弹依靠自身动能对甲板进行侵彻,最终速度减小为零,一部分弹体嵌入靶板内部,一部分弹体露在靶板外侧,实现设障功能。当落在甲板上的子弹数量足够多时,就可以封锁航母的飞行甲板,从而削弱航母的作战能力。

1 航母目标易损性分析[1-2]

航母虽然作战能力强,但由于自身缺陷,也存在致命的弱点。文中的设障子弹主要打击飞行甲板,由于在飞行甲板上布置有保障舰载机作业的相关辅助设施(又称关键部件),如果子弹在打击飞行甲板时命中了关键部件,对其造成损伤,就会影响舰载机的起降作业,从而削弱航母的作战能力。以美国现役的某大型核动力航空母舰为例,简要对飞行甲板上的关键部件进行目标易损性分析。

1.1 弹射器

弹射器主要是舰载机起飞时加速使用,解决航母甲板尺寸有限这一难题。该型航母共配备4部弹射器。弹射器没有采取装甲防护结构,其防护能力较弱,并且由于面积较大,容易被武器命中。如果武器命中了弹射器,就会对其造成毁伤,舰载机就无法起飞,航母的作战能力也无法发挥。弹射器取毁伤个数作为毁伤评估指标。

1.2 升降机

升降机主要是完成舰载机在飞行甲板与机库之间的空间位置变换以及武器弹药的运送。由于工作的特殊性,升降机没有采取防护结构,是航母上的薄弱部位。如果升降机被武器命中,就会毁伤,舰载机的位置变换、武器弹药的运送也无法实现,航母的作战能力就会受到影响。升降机取毁伤个数作为毁伤评估指标。

1.3 着舰滑行区

着舰滑行区位于斜角甲板区域,主要是舰载机降落时滑行使用。如果着舰滑行区被武器命中造成毁伤,不满足舰载机降落条件,舰载机就无法降落,航母的作战能力就会受到影响。着舰滑行区取相对毁伤面积作为毁伤评估指标。

1.4 阻拦装置

阻拦装置位于航母斜角甲板上,主要是舰载机着舰时减速使用,确保降落过程安全。阻拦装置是由3～5根直径为35 mm的阻拦索组成的。阻拦索防护能力较差,被武器命中后就会毁伤。阻拦索一旦毁伤,舰载机就不能正常降落,航母的作战能力就会削弱。阻拦索取毁伤个数作为毁伤评估指标。

1.5 岛形上层建筑

岛形上层建筑位于航母甲板右侧,又称舰岛。岛形上层建筑是航母上的通信指挥中心,主要是指挥调度舰载机起降作业,同时与航母编队保持联系。如果岛形上层建筑遭受毁伤,航母的通信就会受到影响,作战能力就会下降。岛形上层建筑取相对毁伤面积作为毁伤评估指标。

1.6 菲涅耳透镜

菲涅耳透镜是光学助降装置,舰载机降落时起辅助作用,从而保证降落过程安全。菲涅耳透镜取命中概率作为毁伤评估指标。

1.7 停机区

在航母飞行甲板上共有两个停机区,分别位于航母左侧的斜角甲板区域(A区)和右侧的主甲板区域(B区)。停机区属于面目标,取相对毁伤面积作为毁伤评估指标。

2 关键部件模型的确定[3-4]

为了便于描述飞行甲板上关键部件的分布位置与等效模型,确定关键部件毁伤情况,需要根据航母飞行甲板布置情况建立相关坐标系。通常在航母飞行甲板上建立主甲板坐标系xOy和斜角甲板坐标系uOmv。

2.1 坐标系的建立

主甲板坐标系xOy的坐标原点O为航母主甲板中心,Ox轴沿主甲板方向,Oy轴与Ox轴垂直。斜角甲板坐标系uOmv的坐标原点Om为斜角甲板中心,Omu轴沿斜角方向,Omv轴与Omu轴垂直。两坐标系的关系示意图如图1所示。

图1 坐标系关系示意图

假设Om在主甲板坐标系xOy中的投影坐标为(x0,y0),两坐标系之间的夹角为θ,可以得到斜角甲板坐标系uOmv中的任意一点(u,v)在主甲板坐标系xOy中的投影坐标(x,y)为:

通过坐标变换原理可以得到:

2.2 关键部件位置的确定

弹射器、升降机、岛形上层建筑、菲涅耳透镜与停机区位于航母主甲板坐标系中;着舰滑行区与阻拦装置位于斜角甲板坐标系中。

航母主甲板全长332.9 m,最大宽度76.8 m,斜角甲板全长240 m,着舰滑行区长度取100 m,宽度取8 m,两坐标系之间的夹角θ=12°。根据建立的坐标系和关键部件的外形尺寸,可以确定关键部件在航母甲板上的分布位置。

3 子母弹对航母毁伤情况

3.1 子母弹参数设定

子母弹对航母的打击效果取决于子弹的落点位置和运动参数,而子弹的落点位置、运动参数由子母弹参数与初始条件确定,比如母弹运动速度、抛撒速度、抛撒高度、初始弹道倾角等。在求解子弹的外弹道方程组时,需要设定下列参数:

选用导弹数量i;

母弹中装配子弹总数N;

抛撒高度H;

母弹运动速度Vm;

抛撒速度Vd;

初始弹道倾角θ0。

3.2 子弹运动仿真

文中通过Matlab软件[5]求解子弹的外弹道方程组,得到子弹的落点分布与终点运动参数。子弹的外弹道方程组在参考文献[6]中有详细说明,限于篇幅,这里不给出。在求解时,选用四级四阶的标准龙格库塔(Runge-Kutta)法[7]。

考虑到飞行甲板面积较大,单枚子弹的毁伤与封锁能力有限,文中选用3枚导弹,各导弹装配540枚子弹,抛撒高度1 100 m,母弹运动速度1 000 m/s,抛撒速度50 m/s,初始弹道倾角75°。各战斗部抛撒时错开一定的距离,尽量使子弹散布均匀,提高打击效果与封锁概率。

计算流程图如图2所示。

图2 计算流程图

3.3 航母毁伤情况

根据Matlab仿真结果与关键部件的分布位置,统计落在关键部件区域内的子弹数,如表1所示。

从表1可以看出,在子母弹对航母实施打击后,飞行甲板上的关键部件中,落在弹射器、升降机、岛形上层建筑、着舰滑行区和停机区区域内的子弹数目较多,即这些关键部件容易被命中;落在阻拦装置与菲涅耳透镜区域内的子弹数目为零,即阻拦装置与菲涅耳透镜没有被子弹命中。弹射器、升降机由于防护能力较差,被子弹命中后就会毁伤,不能正常工作;着舰滑行区被子弹命中后,由于子弹可以形成设障功能,舰载机无法降落。通常情况下,停机区停放有一定数量的舰载机,舰载机属于轻质装甲类目标,防护能力有限,由于子弹落在飞行甲板上时速度较大,并且停机区内的子弹数目较多,可能对舰载机造成毁伤。此外,子弹还可能对飞行甲板上的各类工作人员与设备造成毁伤,从而使毁伤效果进一步增强。

表1 航母关键部件区域内的子弹数

4 航母的毁伤效能评估

4.1 航母毁伤等级确定

通常情况下,根据目标毁伤等级划分的一般方法[8-10],将目标毁伤等级初步划分为4个等级,如表2所示。

从表1可以看出,航母上的升降机、弹射器均被毁伤,岛形上层建筑受到一定程度的毁伤。此外,着舰滑行区、停机区均落有一定数目的子弹,舰载机的起降作业受到较大程度的影响。结合表2中目标毁伤等级的划分原则,确定航母的毁伤级别为Ⅱ级,毁伤程度为中度毁伤,作战能力受到较大程度影响。

4.2 封锁时间的确定

设障子弹对航母甲板的封锁具有较强的时间概念,因此还应考虑整个过程的封锁时间。实际作战中,当航母遭受打击后,必须对其进行维修,使作战能力在尽可能短的时间内恢复正常。文中需要对落在甲板及关键部件区域内设障子弹进行清除,并由维修分队修补侵彻造成的弹坑。维修过程步骤如图3所示[11-12]。

图3 维修过程步骤

假设T1、T2、T3、T4分别为与图3中维修过程相对应的时间,则整个过程封锁时间为:

T=T1+T2+T3+T4

航母损毁情况判定时间T1可以查阅相关文献获得,相对比较容易确定;清除子弹所需时间T3等于清除单个子弹所需时间乘以需要清除的子弹总数;T4与T3类似,也由单个弹坑修补时间乘以需要修补的弹坑总数。在确定应急维修方案时,不同维修方案所对应的工作量不同,即需要清除的子弹与修补的弹坑数目不同,从而会直接影响维修过程所需时间。因此,维修方案的确定是整个过程的关键,直接决定封锁时间的长短。通常,为了缩短封锁时间,选取工作量最小的维修方案。

四部弹射器均被子弹命中毁伤,而舰载机起飞时必须使用弹射器,因此必须对弹射器进行维修。落在1号、2号弹射器区域内的子弹数目相对较少,因此选择1号、2号弹射器为维修对象。此外,为了使舰载机能够正常降落,必须清除着舰滑行区内的子弹并修补弹坑。假设航母上有两个维修小组,每组5人,修补弹坑在清除子弹结束后进行,航母损毁情况判定所需时间T1为10 min,维修方案确定所需时间T2为10 min,清除一枚子弹所需时间为2 min,修补一个弹坑所需时间为5 min,则清除子弹所需时间T3为38 min,修补弹坑所需时间T4为95 min。根据毁伤评估模型可知,整个过程封锁时间T为153 min。

5 结论

文中以某大型航空母舰为研究对象,结合目标特性,确定飞行甲板及甲板上的关键部件为设障子弹打击对象。通过建立相关坐标系,确定了关键部件的分

布位置。根据Matlab仿真结果,得到了关键部件的毁伤情况,并进行了毁伤效能评估。结果表明:

1)子母弹可以对航母的飞行甲板及甲板上的关键部件实施有效打击,阻止舰载机起降作业,从而削弱航母的作战能力;

2)子母弹对航母实施打击后,航母的毁伤程度为中度毁伤,作战能力受到较大程度影响,同时舰载机的起降作业受到制约。

文中的研究可以为航空母舰的毁伤判定方法研究与作战方案的制定提供一定的参考。

[1] 李新其, 张欧亚, 王明海. 子母弹对舰载机作战保障系统毁伤计算方法分析 [J]. 弹道学报, 2008, 20(3): 59-63.

[2] 金斌, 叶恒锋. 航空母舰易损部位及特性分析 [J]. 现代舰船, 2005(20): 33-35.

[3] 王世强, 李宏伟, 卢厚清, 等. 子母弹对航空母舰毁伤效果的仿真计算 [J]. 火力指挥与控制, 2011, 36(6): 168-175.

[4] 谭守林, 李新其, 张大巧. 子母弹对航空母舰的毁伤效果分析(Ⅱ) [J]. 战术导弹技术, 2007(1): 5-9.

[5] 张德丰. MATLAB数值计算方法 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[6] 杨启仁. 子母弹飞行力学 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1999.

[7] 邓建中, 刘之行. 计算方法 [M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.

[8] Hsu David Y. Probability of hitting a specified target region with the three-dimensional correlated random variables and aim point offset from the target [J]. IEEE Position Location and Navigation Symposium, 2002(4): 113-119.

[9] 胡汇杨. 基于动态贝叶斯网络的目标毁伤等级评估 [D]. 南京: 南京理工大学, 2009.

[10] 王继武. 目标毁伤等级确定及其毁伤效果评估系统的研究 [J]. 军民两用技术与产品, 2007(6): 33-35.

[11] William T, Alan H. Modeling runway damage and repair using the simulation of linear interdiction, cratering and repair (SLICR) model, ADA 447981 [R]. 2005.

[12] 黄龙华, 冯顺山, 王震宇. 多模式封锁弹对机场跑道封锁效能的分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(4): 173-176.

Research on Interdiction Effectiveness of Kinematic Setting-barrier Cluster Warhead to Aircraft Carrier

HANG Guiyun,YU Wenli,WANG Tao,WANG Jintao,LI Zhen

(The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

According to the martial demand and analysis of aircraft carrier’s characteristic, this paper put forward a concept for striking the flight deck by setting-barrier bullet to weaken the battle effectiveness. The distribution of the bullet, damage degree of the key targets and damage assessment were got by using Matlab based on the initial dispersion parameters of the cluster warhead. The results showed that the cluster warhead could damage the aircraft carrier effectively to weaken the battle effectiveness. This paper could provide some reference for the damage assessment on aircraft carrier and determining operational scheme.

aircraft carrier; flight deck; setting-barrier bullet; cluster warhead; damage assessment

2014-07-02

杭贵云(1989-),男,湖北十堰人,硕士研究生,研究方向:导弹战斗部工程。

O38

A