激光制導(dǎo)武器打擊跨江海大橋的方式研究*

陳利斐，宗思光，楊劍波

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)將橋梁作為作戰(zhàn)目標(biāo)的空對(duì)地打擊研究較少，只有部分學(xué)者研究了精確制導(dǎo)武器打擊橋梁的可行性分析及毀傷效果分析，如文獻(xiàn)[2]用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)法對(duì)公路橋梁在戰(zhàn)時(shí)遭受打擊的可能性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3-4]運(yùn)用三維有限元程序Ls-dyna對(duì)精確制導(dǎo)武器打擊下的大型橋梁毀傷進(jìn)行了仿真研究；文獻(xiàn)[5]用Unity3D的物理引擎完成了橋梁模型的物理特性建模和爆炸仿真分析，給出精確制導(dǎo)打擊下的橋梁毀傷視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段的研究主要依賴于仿真，其程序復(fù)雜，數(shù)值參數(shù)要求高，考慮到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的瞬息萬變，精準(zhǔn)獲取被突擊方參數(shù)難度大，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真受限多。

通過文獻(xiàn)檢索，目前缺少針對(duì)激光制導(dǎo)武器打擊跨江海大橋的方式研究。本文選取我國(guó)典型的跨江海大橋進(jìn)行受力分析，根據(jù)“打擊點(diǎn)的受力越大，其破壞效果越佳”的原則，選取合適瞄準(zhǔn)點(diǎn)，研究了空對(duì)地飛機(jī)的突擊方式、激光指示方法，研究成果可為空對(duì)地打擊橋梁運(yùn)用提供參考。

1 橋梁作戰(zhàn)目標(biāo)分析

美越戰(zhàn)爭(zhēng)中，為阻斷越軍軍用物質(zhì)的運(yùn)輸，美軍將越南清化大橋視為重點(diǎn)打擊目標(biāo)。美國(guó)空軍對(duì)越南清化大橋的轟炸動(dòng)用了戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊機(jī)和轟炸機(jī)，用了整整7年時(shí)間，損失了數(shù)十架戰(zhàn)機(jī)，仍然不能有效打擊清化大橋。在1972年，美軍使用26枚激光制導(dǎo)炸彈，擊傷清化大橋，使其無法通車[6]?？梢?，與其他武器相比，激光精確制導(dǎo)武器射程遠(yuǎn)、作戰(zhàn)效費(fèi)比強(qiáng)、精確度高，宜是作為打擊橋梁的主要武器[7]。

1.1 激光精確制導(dǎo)武器打擊目標(biāo)分類

根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)面積大小，可將其分為面狀目標(biāo)和點(diǎn)狀目標(biāo)兩大類。面狀目標(biāo)指一個(gè)目標(biāo)區(qū)域，通常只有大量向該區(qū)域投射彈藥才能實(shí)現(xiàn)有效打擊。對(duì)面狀目標(biāo)進(jìn)行指示時(shí)，可使用激光指示器對(duì)準(zhǔn)該區(qū)域中的一個(gè)特定目標(biāo)或者整個(gè)目標(biāo)區(qū)本身。點(diǎn)目標(biāo)多為小目標(biāo)，其面積小，打擊精度要求更高，要壓制或者摧毀點(diǎn)狀目標(biāo)，必須精準(zhǔn)投放彈藥。坦克、火炮、掩體、地對(duì)空導(dǎo)彈系統(tǒng)、橋梁、通信站和船只都是典型的點(diǎn)狀目標(biāo)。激光精確制導(dǎo)武器打擊點(diǎn)目標(biāo)比面目標(biāo)精準(zhǔn)度要求更高[8]。

作戰(zhàn)目標(biāo)按機(jī)動(dòng)程度可分為固定目標(biāo)、移動(dòng)目標(biāo)和需再定位目標(biāo)。激光制導(dǎo)武器對(duì)于固定目標(biāo)能取得很好的攻擊效果，對(duì)于低速移動(dòng)的目標(biāo)，需考慮武器裝備、目標(biāo)特性等因素，但對(duì)于快速移動(dòng)的目標(biāo)還無法精確打擊[9]。當(dāng)作戰(zhàn)目標(biāo)為移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，先對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的道路等進(jìn)行打擊，使其由移動(dòng)目標(biāo)變?yōu)楣潭繕?biāo)，再進(jìn)行激光精確制導(dǎo)打擊。

1.2 橋梁作戰(zhàn)目標(biāo)特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，破壞不同類型橋梁的難易程度不同，因此對(duì)各類型橋梁的打擊部位差異較大。一般來說，橋墩和橋面結(jié)合處是橋梁受力薄弱點(diǎn)[10]。橋梁目標(biāo)相對(duì)樓房等面目標(biāo)而言，因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在空對(duì)地打擊目標(biāo)特性歸屬上，屬于點(diǎn)目標(biāo)打擊范疇，打擊難度大。在高技術(shù)偵察手段大量運(yùn)用情況下，橋梁不易被隱蔽，其缺乏機(jī)動(dòng)靈活性，屬于固定目標(biāo)，易受到敵方攻擊。一般中大型橋梁作為固定點(diǎn)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與地下加固目標(biāo)相當(dāng)，加上屬于點(diǎn)目標(biāo)打擊范疇，空對(duì)地打擊中對(duì)彈著點(diǎn)精度要求高，若彈著點(diǎn)誤差幾米以上，彈藥的毀傷效能將大大降低[11]。

1.3 跨江海橋受力分析

跨江海大橋作為重要的交通樞紐，具有較高的戰(zhàn)略打擊價(jià)值。一旦大橋毀傷嚴(yán)重，將直接阻礙軍用物資的運(yùn)輸，增加運(yùn)輸時(shí)間成本，影響作戰(zhàn)效能[12]。明確激光制導(dǎo)武器打擊跨江海大橋的方式，有利于我軍在激光對(duì)抗作戰(zhàn)訓(xùn)練中針對(duì)橋梁薄弱點(diǎn)進(jìn)行有效的兵力部署，提升對(duì)橋梁的保護(hù)能力。根據(jù)跨江海大橋的受力情況，研究激光制導(dǎo)武器攻擊跨江海橋梁時(shí)選取合適的瞄準(zhǔn)點(diǎn)，是制定空對(duì)地打擊作戰(zhàn)行動(dòng)的前提。

KLD-2Z兩段式滾筒烘絲機(jī)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)后，蒸汽經(jīng)管路進(jìn)入烘絲機(jī)滾筒薄板夾層，排出蒸汽在薄板夾層中形成的冷凝水，同時(shí)，隨著烘絲機(jī)滾筒薄板夾層蒸汽壓力的升高，滾筒薄板溫度升高。當(dāng)薄板溫度達(dá)到預(yù)熱溫度設(shè)定值(由薄板夾層蒸汽壓力換算得到)后，烘絲機(jī)自動(dòng)切換至準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)烘絲機(jī)收到來料信號(hào)并延時(shí)后，烘絲機(jī)由準(zhǔn)備狀態(tài)切換至啟動(dòng)狀態(tài)，在此過程中，當(dāng)出口水分儀檢測(cè)到物料并延時(shí)后，烘絲機(jī)切換至生產(chǎn)狀態(tài)；若烘絲機(jī)入口煙絲中斷，但中斷時(shí)間小于設(shè)定延時(shí)，則烘絲機(jī)切換至重啟狀態(tài)，若中斷時(shí)間大于設(shè)定延時(shí)，則烘絲機(jī)切換至收尾狀態(tài)。待收尾結(jié)束后，烘絲機(jī)即進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)烘

跨江海大橋與普通橋梁相比而言，跨度更大，建造難度及成本更高；考慮到江海運(yùn)輸涉及大型郵貨船，橋墩之間所需間隔較大，故跨海大橋多采用懸索式體系或斜拉式體系。斜拉式優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)主梁進(jìn)行多點(diǎn)彈性支撐，減小了主梁彎矩，使得斜拉橋能夠輕松突破橋梁極限跨徑瓶頸[10]。當(dāng)前，我國(guó)跨江海大橋建造主要選用斜拉式體系，例如港珠澳大橋、武漢長(zhǎng)江二橋、南京長(zhǎng)江二橋、南京長(zhǎng)江三橋等均選用斜拉式體系。

斜拉橋是將主梁通過多根拉索直接連接在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的橋塔、受拉的斜拉索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。斜拉索立面圖如圖1，平面圖如圖2所示。

圖1 斜拉索立面Fig.1 Elevation of stay cables

圖2 斜拉索平面布置Fig.2 Plane layout of stay cables

為深入研究激光制導(dǎo)武器突擊橋梁瞄準(zhǔn)點(diǎn)的選取，以我國(guó)某跨海大橋?yàn)槔?，進(jìn)行斜拉索受力及角度分析，尋找適宜的激光制導(dǎo)武器攻擊點(diǎn)?？紤]到斜拉橋具有對(duì)稱性，現(xiàn)對(duì)斜拉橋索一側(cè)進(jìn)行編號(hào)Ji，如圖3所示。

圖3 斜拉索Ji立面布置Fig.3 Elevation layout of stay cables Ji

分析梁端立面角度變化過程，以縱橋方向?yàn)閤軸，橫橋方向?yàn)閥軸，塔高方向?yàn)閦軸建立三維坐標(biāo)系，拉索投影于Oxy平面與x軸夾角為θ角，θ為梁端立面角(圖4)。

圖4 拉索三維立體Fig.4 Three-dimensional cable

已知Ji拉索梁端立面角θ的數(shù)據(jù)，為更直觀地觀察θ趨勢(shì)，進(jìn)行曲線圖繪制，結(jié)果如圖5所示。

圖5 拉索Ji的梁端立面角度變化Fig.5 Changes in the angle of the end elevation of the cable beam of stay cables Ji

通過Ji的θ數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，可得出θ值將由塔中心線向外側(cè)逐漸減小。

為減少數(shù)據(jù)誤差，使數(shù)據(jù)更具參考性，對(duì)某跨海大橋的最大成橋恒載索力值(塔端)和最小成橋恒載索力值(梁端)取均值進(jìn)行分析。為更直觀地觀察成橋恒載索力平均值趨勢(shì)，進(jìn)行曲線圖繪制，結(jié)果如圖6所示。

圖6 拉索Ji的成橋恒載索平均值趨勢(shì)Fig.6 Trend of the average value of dead load cables of stay cables Ji

根據(jù)材料力學(xué)特性，取某條斜索作為分析對(duì)象，成橋恒載索力由塔端至梁端受力逐漸遞減，同一條斜索塔端受力最大，梁端最小。根據(jù)Ji成橋恒載索平均值趨勢(shì)圖(圖6)，可得出成橋恒載索力平均值由塔中心線至外側(cè)總體逐漸上升的趨勢(shì)。

拉索梁端立面角度θ與成橋恒載索力平均值總體趨勢(shì)呈反相關(guān)，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，通過曲線擬合方式獲得θ角與成橋恒載索力平均值的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7 拉索Ji的梁端立面角度與恒載索力平均值匯總Fig.7 Summary of the beam end elevation angle and the average value of the dead load cable force of stay cables Ji

R2衡量的是回歸方程整體的擬合度，表達(dá)因變量與所有自變量之間的總體關(guān)系。R2最大值為1，值越接近1，說明擬合程度越好，反之?dāng)M合程度越差。以拉索梁端立面角度θ為自變量，成橋恒載索力平均值為因變量，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)將θ與成橋恒載索力平均值進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線R2>0.8(R2>0.8較強(qiáng)相關(guān)性，0.8≥R2≥0.3較弱相關(guān)性，0.3>R2沒有相關(guān)性)，擬合效果較好。

綜上所述，可得出以下結(jié)論：在同一條拉索中，最大受力點(diǎn)為塔端。隨著拉索梁端立面角度θ逐漸增大，成橋恒載索力平均值具有總體逐漸減小的趨勢(shì)。根據(jù)“打擊點(diǎn)的受力越大，其破壞效果越佳”的原則，敵方選取激光制導(dǎo)武器突擊橋梁瞄準(zhǔn)點(diǎn)的可能性由塔中心線至外逐漸遞增。

1.4 激光制導(dǎo)武器突擊橋梁瞄準(zhǔn)點(diǎn)的選取

考慮到真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的瞬息萬變，時(shí)機(jī)即先機(jī)，跨海大橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其模型設(shè)計(jì)密級(jí)程度較高，敵軍獲取情報(bào)數(shù)據(jù)有限，在短時(shí)間內(nèi)做到實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)構(gòu)最大受力點(diǎn)較為困難，多選用有效范圍作為打擊重點(diǎn)。激光制導(dǎo)武器命中精度高，圓概率誤差多小于5 m，可根據(jù)受力大小設(shè)計(jì)選取激光制導(dǎo)突擊橋梁瞄準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)“攻擊受力較大的斜拉索，對(duì)大橋的影響較大”的原理，結(jié)合曲線擬合結(jié)論，最佳攻擊方位為橋塔端，并且盡可能打擊外側(cè)拉索(圖8)。

表1 拉索Ji梁端立面角度與恒載索力數(shù)值Table 1 Vertical angle of the beam end and the value of the dead load cable force of stay cables Ji

圖8 激光制導(dǎo)武器打擊橋梁可能性Fig.8 Possibility of laser-guided weapons hitting bridges

2 空對(duì)地打擊橋梁突擊方法

2.1 飛機(jī)突擊方向

以河流為參照物，順著河流進(jìn)行突擊其優(yōu)點(diǎn)在于容易發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，但當(dāng)攻擊時(shí)面對(duì)的橋面是一條直線。順著橋方向進(jìn)行突擊，其難點(diǎn)在于難以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。綜合考慮優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合美軍在科索沃中的戰(zhàn)法，從45°方向進(jìn)行突擊既有益于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，又有助于攻擊目標(biāo)[13]。攻擊方式如圖9所示。

圖9 飛機(jī)突擊方向Fig.9 Direction of the aircraft assault

2.2 激光目標(biāo)指示范圍

飛機(jī)在突擊過程中應(yīng)處于最安全搜索區(qū)域內(nèi)，結(jié)合最優(yōu)突擊方向45°[13]，推導(dǎo)激光目標(biāo)指示范圍。

安全區(qū)是為減少反射散射的問題，減少錯(cuò)誤目標(biāo)指示的可能性，定義的一個(gè)以目標(biāo)至激光指示器連線為中心線，半頂角為10°的錐形區(qū)域。最安全搜索區(qū)域?yàn)槿コ踩珔^(qū)外，半頂角為60°的錐形區(qū)域內(nèi)的相交區(qū)域[14]。為能安全發(fā)現(xiàn)擊中目標(biāo)，當(dāng)飛機(jī)從45°方向進(jìn)行突擊時(shí)，此時(shí)應(yīng)當(dāng)處于最安全搜索區(qū)域內(nèi)(圖10)。

圖10 最安全搜索區(qū)域Fig.10 The safest search area

飛機(jī)從45°方向進(jìn)行突擊時(shí)為最佳進(jìn)攻角度(圖11中，AO和BO方向)，為確保飛機(jī)安全性，提升激光接收的精準(zhǔn)性，其飛行角度處于最安全搜索區(qū)域內(nèi)。考慮到在橋梁道路上架設(shè)激光目標(biāo)指示器難以確保人員安全，指示器產(chǎn)生的較強(qiáng)信號(hào)易使飛行員產(chǎn)生誤判，以橋梁目標(biāo)一側(cè)為攻擊對(duì)象，激光目標(biāo)指示范圍處于最優(yōu)飛行方向左右10°之外，如圖11中紅色陰影部分。

圖11 激光目標(biāo)指示器范圍Fig.11 Laser target indicator range

2.3 激光制導(dǎo)武器“投籃”戰(zhàn)術(shù)

用飛機(jī)投放激光制導(dǎo)武器需在最低飛行安全高度以上投放，才能確保飛機(jī)安全。最低飛行高度與投放距離之間存在動(dòng)態(tài)關(guān)系，投放距離越小，飛行最小安全高度越低，飛機(jī)暴露可能性越大，如表2[15]。

表2 在20°安全區(qū)之上飛機(jī)的最低安全高度Table 2 The minimum safe altitude of an aircraft outside the 20° cafe zone

激光制導(dǎo)武器投放空間是一個(gè)類似于“籃子”的空間(圖12)，將飛機(jī)航線看作一條直線，飛機(jī)穿過籃子時(shí)，航線必然被“籃子”截取一段，在截取段航線內(nèi)投放激光制導(dǎo)武器，武器根據(jù)激光目標(biāo)指示

圖12 “投籃”戰(zhàn)術(shù)示意圖Fig.12 “Shooting” tactics diagram

器的指引，經(jīng)過自身校正可擊中目標(biāo)。激光制導(dǎo)炸彈與導(dǎo)彈均使用“投籃”戰(zhàn)術(shù)[13]，兩者區(qū)別主要在于“籃子”形狀不同，激光制導(dǎo)導(dǎo)彈的籃子體積大于炸彈籃子體積。

3 結(jié)束語

跨江海橋梁屬于固定點(diǎn)狀目標(biāo)，是激光制導(dǎo)武器重要的突擊目標(biāo)。激光制導(dǎo)武器在打擊跨江海橋梁時(shí)，激光目標(biāo)指示的安全范圍在于最優(yōu)飛行方向左右10°之外、180°之內(nèi)。根據(jù)斜拉受力分析可知橋梁的薄弱點(diǎn)，即被打擊點(diǎn)及被指示點(diǎn)，最佳指示方位為橋塔端，并且盡可能向外側(cè)拉索指示。飛機(jī)以45°方向飛向橋梁，在“籃子”區(qū)域內(nèi)投擲武器，根據(jù)激光目標(biāo)指示打擊橋梁薄弱點(diǎn)。