基于无人机的小型封锁弹药毁伤航母仿真研究*

王为奎,陈 丽,吴 华,戴革林,齐燕军

(1 空军勤务学院,江苏徐州 221000;2 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221116)

0 引言

航母是“海上霸王”,美军的航母是我国建立海上强国的巨大障碍,目前对航母的进攻主要依靠巡航导弹或有人机低空突防实施攻击,美军航母编队配置强大的导弹防御系统,战时依靠巡航导弹或有人机低空突防很难成功,也容易造成有人机突防的巨大损伤,是目前反航母作战面临的巨大困难[1]。无人机作战不用考虑人员伤亡,可以在敌人航母编队的防空系统作战半径和雷达预警系统的探测范围内,执行侦察、监视、跟踪与攻击任务[2]。基于无人机的小型封锁弹药攻击航母甲板是攻击航母编队一种新的作战模式,给航母编队带来不祥之梦,与传统作战模式相比具有巨大优势[3]。

1 BAP100无人机小型封锁弹药结构

无人机由于受任务载荷限制,一般只能携带25～50 kg级的轻型弹药,目前的有人机弹药从重量、体积方面一般不适合无人机挂载,即使个别弹药的重量、体积能够满足无人机任务载荷需要,但一般为子弹药,无法单独投放。BAP100是一种适用于低空单独投掷的轻型跑道破坏炸弹,BAP100全长1 780 mm,弹体直径100 mm,弹质量32.5 kg,内装3.5 kgTNT炸药,重量与体积满足无人机任务载荷需要,配置BAP100小型封锁弹药的无人机武器系统可以组成完美的作战平台,满足无人机超低空投弹、侵彻机场跑道与航母甲板需要。

BAP100外观像一枚细长的普通炸弹,弹体为圆柱形,头部尖锐,沿着弹体周围有4根箍条,4根箍条沿弹身呈十字形分布,图1为BAP100小型封锁弹药外形图。BAP100由四部分组成:前部是18 kg的弹头和起爆装置、延迟系统和定时装置,后部是一个固体火箭推进器和一个尾置式延迟阻力伞。炸弹在投放后0.5 s时间内,尾部弹翼自动展开,尾部延迟伞开始释放,大约在2.25 s发动机点火,减速伞脱离,在4.25 s开始加速,从25 m/s加速到200 m/s,沿着几乎垂直的角度飞向目标[4]。

2 BAP100小型封锁弹药毁伤航母模型

2.1 几何模型

BAP100小型封锁弹药采用1∶1几何模型,在DesignModeler建模平台[5]进行建模,设壳体厚度20 mm,弹头部锥角30°;设航母甲板厚度400 mm,取航母甲板长度300 mm作为毁伤长度,为减少建模工作量,仅建立一半模型,基于Autodyn对称原则,自动进行全弹计算,模型采用水平放置,实际毁伤是垂直的,不计重量情况下,与仿真结果无关,只是方便观察与图形放置,几何模型如图2所示。

2.2 材料模型

BAP100弹体与航母甲板材料均采用Autodyn自带的Steel 1006钢[6],密度为7.896 g/cm3,采用工业铝AL110-O模拟后部发动机材料,密度2.7 g/cm3,内部高能炸药采用TNT炸药,装药密度1.6 g/cm3,内部TNT炸药状态方程为标准JWL状态方程,不计头部装药,按照800 mm长计算装药量,则装药量为3.14×32×80×1.6=3 617 g=3.617 kg,与实际装药(3.5 kg)基本相符。为计算各节点位移、速度、设置5个Gauge点进行监控,模型材料与Gauge点位置见图3所示。

3 基于Autodyn的BAP100毁伤航母仿真

基于上述模型,在Autodyn环境下进行仿真计算[6],采用欧拉算法[7],mg-mm-ms单位制,设置计算域为3000×300 IJK,头部起爆,1000个循环[8],计算时间0.8 ms,起爆时间为0.4 ms,即侵彻0.4 ms后开始起爆,属于侵爆毁伤,部分循环仿真计算结果见图4所示,图5为Gauge 1、Gauge 2、Gauge 4点X方向速度波形图,图6为Gauge 4、Gauge 5点Y方向速度波形图。

4 仿真结果分析

4.1 BAP100侵彻毁伤航母甲板分析

BAP100侵彻航母甲板属于尖头弹体侵彻钢性目标,BAP100配置延期引信,设延期0.4 ms后开始起爆,则前0.4 ms内均属于侵彻毁伤[9],由图4(b) 4000 cycle仿真结果可知:当到达4000 cycle时,弹头基本已经侵入甲板目标,弹头发生塑性变形,头部加厚[10],与甲板介质融为一体,不出现弹坑,通过Examine检查器可以发现:侵彻深度约43 mm。基于前人尖头弹体侵彻钢性目标时其侵彻深度为弹体直径的0.3倍～0.6倍[11],BAP100弹体直径100 mm,则侵彻深度为30～60 mm,与前人结论[11]基本相符。

由图5 Gauge1,Gauge2,Gauge4点X方向速度波形图可知,0.4 ms之前Gauge1点的弹头速度在基本保持200 m/s侵彻速度不变,说明侵彻过程中速度损失较小,速度变化不明显。

4.2 BAP100爆炸毁伤航母甲板分析

由图4部分循环仿真结果可知:图4(c) 5000 cycle时刚刚起爆,图4(d) 6000 cycle时壳体正在向外膨胀、拉伸,尚没有破裂,图4(e) 8000 cycle时壳体壳体已经得到较大拉伸与膨胀并出现破裂[12],最先破裂点位于弹头与弹身结合部,爆轰产物通过裂缝直接向外流动,即通过甲板表面不停地流向空中,也不停冲刷甲板,由图5 Gauge 4点X方向速度波形图可知,Gauge 4点在0.6 ms时X方向开始出现振荡速度,以振荡方式不断毁伤甲板,甲板表面出现高低不平现象,多处出现毛刺与凹坑,有的毛刺突出甲板表面。

为清晰表明毁伤情况,将图4(f) 9799 cycle仿真结果中标出A、B、C3个特殊位置,见图7所示。

通过Examine检查器可以发现:A、B、C3个特殊位置的坐标分别为:A(57,0)、B(-10,80)、C(-6,180),A(57,0)表示侵彻深度为57 mm,B(-10,80)表示爆坑突出甲板10 mm,爆坑半径为80 mm,C(-6,180)表示个别毛刺突出甲板约6 mm。

BAP100对航母的毁伤是两个方向(X/Y),X方向主要形成爆坑与甲板上凸凹不等的毛刺,Y方向用于弹体拉伸与断裂,形成弹片。图5中Gauge 1,Gauge 2,Gauge 4点X方向速度波形图可知:0.4 ms时,Gauge 1立即产生-3 000 m/s速度,向后引爆后部TNT;Gauge 2立即产生8 000 m/sX正向速度,形成爆坑。由图6 Gauge 4,Gauge 5点Y方向速度波形图可知:Gauge 4位于航母甲板表面,0.6 ms爆轰波才能到达该点,Y方向立即产生约3 000 m/s沿甲板表面飞向空中,然后逐步下降。Gauge 5位于壳体表面,0.4 ms后,以7 500 m/s迅速向外运动,用于弹体拉伸与断裂,形成弹片。Y方向破碎弹片对甲板上飞机、雷达、人员、设施等目标进行毁伤,X方向成爆坑与甲板上凸凹不等的毛刺可以限制载机的起飞与降落,X/Y两个方向毁伤对反航母作战都具有实际意义。

5 结论

基于上述分析可以得出下列结论:

1)基于无人机的小型封锁弹药攻击航母甲板是一种新的反航母作战模式。

攻击无人机受任务载荷限制,只能搭载小型弹药,BAP100为轻型反跑道弹药,适合无人机挂载,配置BAP100小型封锁弹药的无人机武器系统可以组成完美的作战平台,对航母上载机、设施、甲板等进行打击。BAP100毁伤航母甲板是一种新的反航母作战模式,与传统作战模式相比具有巨大优势[3]。

2)多个BAP100对航母甲板可造成一定程度的破坏与毁伤。

对航母这种巨型目标的攻击并不一定需要将航母甲板击穿、击沉,只要让其丧失部分作战能力或限制载机的起飞,即可达到毁伤目的。基于仿真结果,BAP100小型封锁弹药能在航母甲板上形成半径约80 mm,深度约57 mm小坑,甲板表面较大范围内出现高低不平毛刺现象,尽管小坑不大,无法将航母甲板击穿,对航母毁伤不是致命的,但能够限制载机起飞、降落,大大降低航母作战能力。且无人机作战一般是机群作战,单个无人机至少携带8枚BAP100小型封锁弹药,一个无人机机群挂载几十个BAP100,多个BAP100可以造成航母甲板一定程度的破坏与毁伤,是一种可行的反航母作战方法。