動(dòng)能設(shè)障子母彈對航空母艦封鎖效能方法研究*

杭貴云,余文力,王 濤,王金濤,李 臻

(第二炮兵工程大學(xué),西安 710025)

動(dòng)能設(shè)障子母彈對航空母艦封鎖效能方法研究*

杭貴云,余文力,王 濤,王金濤,李 臻

(第二炮兵工程大學(xué),西安 710025)

文中根據(jù)實(shí)際軍事背景需求,結(jié)合航母目標(biāo)特性,提出用設(shè)障子彈打擊航母飛行甲板從而削弱航母的作戰(zhàn)能力。根據(jù)子母彈拋撒相關(guān)參數(shù),用Matlab軟件仿真,得到子彈的落點(diǎn)分布與關(guān)鍵部件毀傷情況,并進(jìn)行了毀傷效能評估。結(jié)果表明:子母彈可以對航空母艦實(shí)施有效打擊,從而削弱航母的作戰(zhàn)能力。文中的研究可以為航空母艦的毀傷判定與作戰(zhàn)方案的制定提供一定的參考。

航空母艦;飛行甲板;設(shè)障子彈;子母彈;毀傷評估

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,航空母艦以持續(xù)作戰(zhàn)時(shí)間長、作戰(zhàn)區(qū)域廣等優(yōu)勢,在爭奪制空權(quán)制海權(quán)方面發(fā)揮著重要作用。隨著時(shí)代的發(fā)展,航母在未來戰(zhàn)爭中的地位與作用也越來越重要。

艦載機(jī)是航母的主要武器,同時(shí)也是航母作戰(zhàn)能力的充分體現(xiàn)。眾所周知,艦載機(jī)的起降作業(yè)是在航母的飛行甲板上完成的。由于條件的特殊性,艦載機(jī)起飛與降落時(shí),對飛行甲板的平整度與尺寸范圍都有嚴(yán)格要求。如果飛行甲板遭受武器打擊而破壞,不滿足艦載機(jī)起降作業(yè)條件,那么實(shí)際作戰(zhàn)中艦載機(jī)就不能升空作戰(zhàn),航母的作戰(zhàn)能力就會(huì)受到影響。

文中正是基于此,提出用新型設(shè)障子彈來打擊航母的飛行甲板。設(shè)障子彈依靠自身動(dòng)能對甲板進(jìn)行侵徹,最終速度減小為零,一部分彈體嵌入靶板內(nèi)部,一部分彈體露在靶板外側(cè),實(shí)現(xiàn)設(shè)障功能。當(dāng)落在甲板上的子彈數(shù)量足夠多時(shí),就可以封鎖航母的飛行甲板,從而削弱航母的作戰(zhàn)能力。

1 航母目標(biāo)易損性分析[1-2]

航母雖然作戰(zhàn)能力強(qiáng),但由于自身缺陷,也存在致命的弱點(diǎn)。文中的設(shè)障子彈主要打擊飛行甲板,由于在飛行甲板上布置有保障艦載機(jī)作業(yè)的相關(guān)輔助設(shè)施(又稱關(guān)鍵部件),如果子彈在打擊飛行甲板時(shí)命中了關(guān)鍵部件,對其造成損傷,就會(huì)影響艦載機(jī)的起降作業(yè),從而削弱航母的作戰(zhàn)能力。以美國現(xiàn)役的某大型核動(dòng)力航空母艦為例,簡要對飛行甲板上的關(guān)鍵部件進(jìn)行目標(biāo)易損性分析。

1.1 彈射器

彈射器主要是艦載機(jī)起飛時(shí)加速使用,解決航母甲板尺寸有限這一難題。該型航母共配備4部彈射器。彈射器沒有采取裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu),其防護(hù)能力較弱,并且由于面積較大,容易被武器命中。如果武器命中了彈射器,就會(huì)對其造成毀傷,艦載機(jī)就無法起飛,航母的作戰(zhàn)能力也無法發(fā)揮。彈射器取毀傷個(gè)數(shù)作為毀傷評估指標(biāo)。

1.2 升降機(jī)

升降機(jī)主要是完成艦載機(jī)在飛行甲板與機(jī)庫之間的空間位置變換以及武器彈藥的運(yùn)送。由于工作的特殊性,升降機(jī)沒有采取防護(hù)結(jié)構(gòu),是航母上的薄弱部位。如果升降機(jī)被武器命中,就會(huì)毀傷,艦載機(jī)的位置變換、武器彈藥的運(yùn)送也無法實(shí)現(xiàn),航母的作戰(zhàn)能力就會(huì)受到影響。升降機(jī)取毀傷個(gè)數(shù)作為毀傷評估指標(biāo)。

1.3 著艦滑行區(qū)

著艦滑行區(qū)位于斜角甲板區(qū)域,主要是艦載機(jī)降落時(shí)滑行使用。如果著艦滑行區(qū)被武器命中造成毀傷,不滿足艦載機(jī)降落條件,艦載機(jī)就無法降落,航母的作戰(zhàn)能力就會(huì)受到影響。著艦滑行區(qū)取相對毀傷面積作為毀傷評估指標(biāo)。

1.4 阻攔裝置

阻攔裝置位于航母斜角甲板上,主要是艦載機(jī)著艦時(shí)減速使用,確保降落過程安全。阻攔裝置是由3～5根直徑為35 mm的阻攔索組成的。阻攔索防護(hù)能力較差,被武器命中后就會(huì)毀傷。阻攔索一旦毀傷,艦載機(jī)就不能正常降落,航母的作戰(zhàn)能力就會(huì)削弱。阻攔索取毀傷個(gè)數(shù)作為毀傷評估指標(biāo)。

1.5 島形上層建筑

島形上層建筑位于航母甲板右側(cè),又稱艦島。島形上層建筑是航母上的通信指揮中心,主要是指揮調(diào)度艦載機(jī)起降作業(yè),同時(shí)與航母編隊(duì)保持聯(lián)系。如果島形上層建筑遭受毀傷,航母的通信就會(huì)受到影響,作戰(zhàn)能力就會(huì)下降。島形上層建筑取相對毀傷面積作為毀傷評估指標(biāo)。

1.6 菲涅耳透鏡

菲涅耳透鏡是光學(xué)助降裝置,艦載機(jī)降落時(shí)起輔助作用,從而保證降落過程安全。菲涅耳透鏡取命中概率作為毀傷評估指標(biāo)。

1.7 停機(jī)區(qū)

在航母飛行甲板上共有兩個(gè)停機(jī)區(qū),分別位于航母左側(cè)的斜角甲板區(qū)域(A區(qū))和右側(cè)的主甲板區(qū)域(B區(qū))。停機(jī)區(qū)屬于面目標(biāo),取相對毀傷面積作為毀傷評估指標(biāo)。

2 關(guān)鍵部件模型的確定[3-4]

為了便于描述飛行甲板上關(guān)鍵部件的分布位置與等效模型,確定關(guān)鍵部件毀傷情況,需要根據(jù)航母飛行甲板布置情況建立相關(guān)坐標(biāo)系。通常在航母飛行甲板上建立主甲板坐標(biāo)系xOy和斜角甲板坐標(biāo)系uOmv。

2.1 坐標(biāo)系的建立

主甲板坐標(biāo)系xOy的坐標(biāo)原點(diǎn)O為航母主甲板中心,Ox軸沿主甲板方向,Oy軸與Ox軸垂直。斜角甲板坐標(biāo)系uOmv的坐標(biāo)原點(diǎn)Om為斜角甲板中心,Omu軸沿斜角方向,Omv軸與Omu軸垂直。兩坐標(biāo)系的關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系關(guān)系示意圖

假設(shè)Om在主甲板坐標(biāo)系xOy中的投影坐標(biāo)為(x0,y0),兩坐標(biāo)系之間的夾角為θ,可以得到斜角甲板坐標(biāo)系uOmv中的任意一點(diǎn)(u,v)在主甲板坐標(biāo)系xOy中的投影坐標(biāo)(x,y)為:

通過坐標(biāo)變換原理可以得到:

2.2 關(guān)鍵部件位置的確定

彈射器、升降機(jī)、島形上層建筑、菲涅耳透鏡與停機(jī)區(qū)位于航母主甲板坐標(biāo)系中;著艦滑行區(qū)與阻攔裝置位于斜角甲板坐標(biāo)系中。

航母主甲板全長332.9 m,最大寬度76.8 m,斜角甲板全長240 m,著艦滑行區(qū)長度取100 m,寬度取8 m,兩坐標(biāo)系之間的夾角θ=12°。根據(jù)建立的坐標(biāo)系和關(guān)鍵部件的外形尺寸,可以確定關(guān)鍵部件在航母甲板上的分布位置。

3 子母彈對航母毀傷情況

3.1 子母彈參數(shù)設(shè)定

子母彈對航母的打擊效果取決于子彈的落點(diǎn)位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù),而子彈的落點(diǎn)位置、運(yùn)動(dòng)參數(shù)由子母彈參數(shù)與初始條件確定,比如母彈運(yùn)動(dòng)速度、拋撒速度、拋撒高度、初始彈道傾角等。在求解子彈的外彈道方程組時(shí),需要設(shè)定下列參數(shù):

選用導(dǎo)彈數(shù)量i;

母彈中裝配子彈總數(shù)N;

拋撒高度H;

母彈運(yùn)動(dòng)速度Vm;

拋撒速度Vd;

初始彈道傾角θ0。

3.2 子彈運(yùn)動(dòng)仿真

文中通過Matlab軟件[5]求解子彈的外彈道方程組,得到子彈的落點(diǎn)分布與終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。子彈的外彈道方程組在參考文獻(xiàn)[6]中有詳細(xì)說明,限于篇幅,這里不給出。在求解時(shí),選用四級四階的標(biāo)準(zhǔn)龍格庫塔(Runge-Kutta)法[7]。

考慮到飛行甲板面積較大,單枚子彈的毀傷與封鎖能力有限,文中選用3枚導(dǎo)彈,各導(dǎo)彈裝配540枚子彈,拋撒高度1 100 m,母彈運(yùn)動(dòng)速度1 000 m/s,拋撒速度50 m/s,初始彈道傾角75°。各戰(zhàn)斗部拋撒時(shí)錯(cuò)開一定的距離,盡量使子彈散布均勻,提高打擊效果與封鎖概率。

計(jì)算流程圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程圖

3.3 航母毀傷情況

根據(jù)Matlab仿真結(jié)果與關(guān)鍵部件的分布位置,統(tǒng)計(jì)落在關(guān)鍵部件區(qū)域內(nèi)的子彈數(shù),如表1所示。

從表1可以看出,在子母彈對航母實(shí)施打擊后,飛行甲板上的關(guān)鍵部件中,落在彈射器、升降機(jī)、島形上層建筑、著艦滑行區(qū)和停機(jī)區(qū)區(qū)域內(nèi)的子彈數(shù)目較多,即這些關(guān)鍵部件容易被命中;落在阻攔裝置與菲涅耳透鏡區(qū)域內(nèi)的子彈數(shù)目為零,即阻攔裝置與菲涅耳透鏡沒有被子彈命中。彈射器、升降機(jī)由于防護(hù)能力較差,被子彈命中后就會(huì)毀傷,不能正常工作;著艦滑行區(qū)被子彈命中后,由于子彈可以形成設(shè)障功能,艦載機(jī)無法降落。通常情況下,停機(jī)區(qū)停放有一定數(shù)量的艦載機(jī),艦載機(jī)屬于輕質(zhì)裝甲類目標(biāo),防護(hù)能力有限,由于子彈落在飛行甲板上時(shí)速度較大,并且停機(jī)區(qū)內(nèi)的子彈數(shù)目較多,可能對艦載機(jī)造成毀傷。此外,子彈還可能對飛行甲板上的各類工作人員與設(shè)備造成毀傷,從而使毀傷效果進(jìn)一步增強(qiáng)。

表1 航母關(guān)鍵部件區(qū)域內(nèi)的子彈數(shù)

4 航母的毀傷效能評估

4.1 航母毀傷等級確定

通常情況下,根據(jù)目標(biāo)毀傷等級劃分的一般方法[8-10],將目標(biāo)毀傷等級初步劃分為4個(gè)等級,如表2所示。

從表1可以看出,航母上的升降機(jī)、彈射器均被毀傷,島形上層建筑受到一定程度的毀傷。此外,著艦滑行區(qū)、停機(jī)區(qū)均落有一定數(shù)目的子彈,艦載機(jī)的起降作業(yè)受到較大程度的影響。結(jié)合表2中目標(biāo)毀傷等級的劃分原則,確定航母的毀傷級別為Ⅱ級,毀傷程度為中度毀傷,作戰(zhàn)能力受到較大程度影響。

4.2 封鎖時(shí)間的確定

設(shè)障子彈對航母甲板的封鎖具有較強(qiáng)的時(shí)間概念,因此還應(yīng)考慮整個(gè)過程的封鎖時(shí)間。實(shí)際作戰(zhàn)中,當(dāng)航母遭受打擊后,必須對其進(jìn)行維修,使作戰(zhàn)能力在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。文中需要對落在甲板及關(guān)鍵部件區(qū)域內(nèi)設(shè)障子彈進(jìn)行清除,并由維修分隊(duì)修補(bǔ)侵徹造成的彈坑。維修過程步驟如圖3所示[11-12]。

圖3 維修過程步驟

假設(shè)T1、T2、T3、T4分別為與圖3中維修過程相對應(yīng)的時(shí)間,則整個(gè)過程封鎖時(shí)間為:

T=T1+T2+T3+T4

航母損毀情況判定時(shí)間T1可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得,相對比較容易確定;清除子彈所需時(shí)間T3等于清除單個(gè)子彈所需時(shí)間乘以需要清除的子彈總數(shù);T4與T3類似,也由單個(gè)彈坑修補(bǔ)時(shí)間乘以需要修補(bǔ)的彈坑總數(shù)。在確定應(yīng)急維修方案時(shí),不同維修方案所對應(yīng)的工作量不同,即需要清除的子彈與修補(bǔ)的彈坑數(shù)目不同,從而會(huì)直接影響維修過程所需時(shí)間。因此,維修方案的確定是整個(gè)過程的關(guān)鍵,直接決定封鎖時(shí)間的長短。通常,為了縮短封鎖時(shí)間,選取工作量最小的維修方案。

四部彈射器均被子彈命中毀傷,而艦載機(jī)起飛時(shí)必須使用彈射器,因此必須對彈射器進(jìn)行維修。落在1號、2號彈射器區(qū)域內(nèi)的子彈數(shù)目相對較少,因此選擇1號、2號彈射器為維修對象。此外,為了使艦載機(jī)能夠正常降落,必須清除著艦滑行區(qū)內(nèi)的子彈并修補(bǔ)彈坑。假設(shè)航母上有兩個(gè)維修小組,每組5人,修補(bǔ)彈坑在清除子彈結(jié)束后進(jìn)行,航母損毀情況判定所需時(shí)間T1為10 min,維修方案確定所需時(shí)間T2為10 min,清除一枚子彈所需時(shí)間為2 min,修補(bǔ)一個(gè)彈坑所需時(shí)間為5 min,則清除子彈所需時(shí)間T3為38 min,修補(bǔ)彈坑所需時(shí)間T4為95 min。根據(jù)毀傷評估模型可知,整個(gè)過程封鎖時(shí)間T為153 min。

5 結(jié)論

文中以某大型航空母艦為研究對象,結(jié)合目標(biāo)特性,確定飛行甲板及甲板上的關(guān)鍵部件為設(shè)障子彈打擊對象。通過建立相關(guān)坐標(biāo)系,確定了關(guān)鍵部件的分

布位置。根據(jù)Matlab仿真結(jié)果,得到了關(guān)鍵部件的毀傷情況,并進(jìn)行了毀傷效能評估。結(jié)果表明:

1)子母彈可以對航母的飛行甲板及甲板上的關(guān)鍵部件實(shí)施有效打擊,阻止艦載機(jī)起降作業(yè),從而削弱航母的作戰(zhàn)能力;

2)子母彈對航母實(shí)施打擊后,航母的毀傷程度為中度毀傷,作戰(zhàn)能力受到較大程度影響,同時(shí)艦載機(jī)的起降作業(yè)受到制約。

文中的研究可以為航空母艦的毀傷判定方法研究與作戰(zhàn)方案的制定提供一定的參考。

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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

杭貴云(1989-),男,湖北十堰人,碩士研究生,研究方向:導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部工程。

O38

A