基于無人機的小型封鎖彈藥毀傷航母仿真研究*

王為奎,陳 麗,吳 華,戴革林,齊燕軍

(1 空軍勤務學院,江蘇徐州 221000;2 中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

0 引言

航母是“海上霸王”,美軍的航母是我國建立海上強國的巨大障礙,目前對航母的進攻主要依靠巡航導彈或有人機低空突防實施攻擊,美軍航母編隊配置強大的導彈防御系統,戰時依靠巡航導彈或有人機低空突防很難成功,也容易造成有人機突防的巨大損傷,是目前反航母作戰面臨的巨大困難[1]。無人機作戰不用考慮人員傷亡,可以在敵人航母編隊的防空系統作戰半徑和雷達預警系統的探測范圍內,執行偵察、監視、跟蹤與攻擊任務[2]。基于無人機的小型封鎖彈藥攻擊航母甲板是攻擊航母編隊一種新的作戰模式,給航母編隊帶來不祥之夢,與傳統作戰模式相比具有巨大優勢[3]。

1 BAP100無人機小型封鎖彈藥結構

無人機由于受任務載荷限制,一般只能攜帶25～50 kg級的輕型彈藥,目前的有人機彈藥從重量、體積方面一般不適合無人機掛載,即使個別彈藥的重量、體積能夠滿足無人機任務載荷需要,但一般為子彈藥,無法單獨投放。BAP100是一種適用于低空單獨投擲的輕型跑道破壞炸彈,BAP100全長1 780 mm,彈體直徑100 mm,彈質量32.5 kg,內裝3.5 kgTNT炸藥,重量與體積滿足無人機任務載荷需要,配置BAP100小型封鎖彈藥的無人機武器系統可以組成完美的作戰平臺,滿足無人機超低空投彈、侵徹機場跑道與航母甲板需要。

BAP100外觀像一枚細長的普通炸彈,彈體為圓柱形,頭部尖銳,沿著彈體周圍有4根箍條,4根箍條沿彈身呈十字形分布,圖1為BAP100小型封鎖彈藥外形圖。BAP100由四部分組成:前部是18 kg的彈頭和起爆裝置、延遲系統和定時裝置,后部是一個固體火箭推進器和一個尾置式延遲阻力傘。炸彈在投放后0.5 s時間內,尾部彈翼自動展開,尾部延遲傘開始釋放,大約在2.25 s發動機點火,減速傘脫離,在4.25 s開始加速,從25 m/s加速到200 m/s,沿著幾乎垂直的角度飛向目標[4]。

2 BAP100小型封鎖彈藥毀傷航母模型

2.1 幾何模型

BAP100小型封鎖彈藥采用1∶1幾何模型,在DesignModeler建模平臺[5]進行建模,設殼體厚度20 mm,彈頭部錐角30°;設航母甲板厚度400 mm,取航母甲板長度300 mm作為毀傷長度,為減少建模工作量,僅建立一半模型,基于Autodyn對稱原則,自動進行全彈計算,模型采用水平放置,實際毀傷是垂直的,不計重量情況下,與仿真結果無關,只是方便觀察與圖形放置,幾何模型如圖2所示。

2.2 材料模型

BAP100彈體與航母甲板材料均采用Autodyn自帶的Steel 1006鋼[6],密度為7.896 g/cm3,采用工業鋁AL110-O模擬后部發動機材料,密度2.7 g/cm3,內部高能炸藥采用TNT炸藥,裝藥密度1.6 g/cm3,內部TNT炸藥狀態方程為標準JWL狀態方程,不計頭部裝藥,按照800 mm長計算裝藥量,則裝藥量為3.14×32×80×1.6=3 617 g=3.617 kg,與實際裝藥(3.5 kg)基本相符。為計算各節點位移、速度、設置5個Gauge點進行監控,模型材料與Gauge點位置見圖3所示。

3 基于Autodyn的BAP100毀傷航母仿真

基于上述模型,在Autodyn環境下進行仿真計算[6],采用歐拉算法[7],mg-mm-ms單位制,設置計算域為3000×300 IJK,頭部起爆,1000個循環[8],計算時間0.8 ms,起爆時間為0.4 ms,即侵徹0.4 ms后開始起爆,屬于侵爆毀傷,部分循環仿真計算結果見圖4所示,圖5為Gauge 1、Gauge 2、Gauge 4點X方向速度波形圖,圖6為Gauge 4、Gauge 5點Y方向速度波形圖。

4 仿真結果分析

4.1 BAP100侵徹毀傷航母甲板分析

BAP100侵徹航母甲板屬于尖頭彈體侵徹鋼性目標,BAP100配置延期引信,設延期0.4 ms后開始起爆,則前0.4 ms內均屬于侵徹毀傷[9],由圖4(b) 4000 cycle仿真結果可知:當到達4000 cycle時,彈頭基本已經侵入甲板目標,彈頭發生塑性變形,頭部加厚[10],與甲板介質融為一體,不出現彈坑,通過Examine檢查器可以發現:侵徹深度約43 mm。基于前人尖頭彈體侵徹鋼性目標時其侵徹深度為彈體直徑的0.3倍～0.6倍[11],BAP100彈體直徑100 mm,則侵徹深度為30～60 mm,與前人結論[11]基本相符。

由圖5 Gauge1,Gauge2,Gauge4點X方向速度波形圖可知,0.4 ms之前Gauge1點的彈頭速度在基本保持200 m/s侵徹速度不變,說明侵徹過程中速度損失較小,速度變化不明顯。

4.2 BAP100爆炸毀傷航母甲板分析

由圖4部分循環仿真結果可知:圖4(c) 5000 cycle時剛剛起爆,圖4(d) 6000 cycle時殼體正在向外膨脹、拉伸,尚沒有破裂,圖4(e) 8000 cycle時殼體殼體已經得到較大拉伸與膨脹并出現破裂[12],最先破裂點位于彈頭與彈身結合部,爆轟產物通過裂縫直接向外流動,即通過甲板表面不停地流向空中,也不停沖刷甲板,由圖5 Gauge 4點X方向速度波形圖可知,Gauge 4點在0.6 ms時X方向開始出現振蕩速度,以振蕩方式不斷毀傷甲板,甲板表面出現高低不平現象,多處出現毛刺與凹坑,有的毛刺突出甲板表面。

為清晰表明毀傷情況,將圖4(f) 9799 cycle仿真結果中標出A、B、C3個特殊位置,見圖7所示。

通過Examine檢查器可以發現:A、B、C3個特殊位置的坐標分別為:A(57,0)、B(-10,80)、C(-6,180),A(57,0)表示侵徹深度為57 mm,B(-10,80)表示爆坑突出甲板10 mm,爆坑半徑為80 mm,C(-6,180)表示個別毛刺突出甲板約6 mm。

BAP100對航母的毀傷是兩個方向(X/Y),X方向主要形成爆坑與甲板上凸凹不等的毛刺,Y方向用于彈體拉伸與斷裂,形成彈片。圖5中Gauge 1,Gauge 2,Gauge 4點X方向速度波形圖可知:0.4 ms時,Gauge 1立即產生-3 000 m/s速度,向后引爆后部TNT;Gauge 2立即產生8 000 m/sX正向速度,形成爆坑。由圖6 Gauge 4,Gauge 5點Y方向速度波形圖可知:Gauge 4位于航母甲板表面,0.6 ms爆轟波才能到達該點,Y方向立即產生約3 000 m/s沿甲板表面飛向空中,然后逐步下降。Gauge 5位于殼體表面,0.4 ms后,以7 500 m/s迅速向外運動,用于彈體拉伸與斷裂,形成彈片。Y方向破碎彈片對甲板上飛機、雷達、人員、設施等目標進行毀傷,X方向成爆坑與甲板上凸凹不等的毛刺可以限制載機的起飛與降落,X/Y兩個方向毀傷對反航母作戰都具有實際意義。

5 結論

基于上述分析可以得出下列結論:

1)基于無人機的小型封鎖彈藥攻擊航母甲板是一種新的反航母作戰模式。

攻擊無人機受任務載荷限制,只能搭載小型彈藥,BAP100為輕型反跑道彈藥,適合無人機掛載,配置BAP100小型封鎖彈藥的無人機武器系統可以組成完美的作戰平臺,對航母上載機、設施、甲板等進行打擊。BAP100毀傷航母甲板是一種新的反航母作戰模式,與傳統作戰模式相比具有巨大優勢[3]。

2)多個BAP100對航母甲板可造成一定程度的破壞與毀傷。

對航母這種巨型目標的攻擊并不一定需要將航母甲板擊穿、擊沉,只要讓其喪失部分作戰能力或限制載機的起飛,即可達到毀傷目的。基于仿真結果,BAP100小型封鎖彈藥能在航母甲板上形成半徑約80 mm,深度約57 mm小坑,甲板表面較大范圍內出現高低不平毛刺現象,盡管小坑不大,無法將航母甲板擊穿,對航母毀傷不是致命的,但能夠限制載機起飛、降落,大大降低航母作戰能力。且無人機作戰一般是機群作戰,單個無人機至少攜帶8枚BAP100小型封鎖彈藥,一個無人機機群掛載幾十個BAP100,多個BAP100可以造成航母甲板一定程度的破壞與毀傷,是一種可行的反航母作戰方法。