便攜導(dǎo)彈對亞音速隱身巡航導(dǎo)彈的毀傷能力研究

馬 輝,程彥杰,郭蓓蓓,劉正堂

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽 471000)

?

便攜導(dǎo)彈對亞音速隱身巡航導(dǎo)彈的毀傷能力研究

馬 輝,程彥杰,郭蓓蓓,劉正堂

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽 471000)

亞音速隱身巡航導(dǎo)彈已經(jīng)成為美軍重返亞太地區(qū)的重要殺手锏武器,對我國東南沿海地區(qū)的防空系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的威脅。文中從整體概況上分析了便攜式防空導(dǎo)彈射擊亞音速隱身巡航導(dǎo)彈的可行性,再從目標(biāo)易損性、彈目交會情況、攔截毀傷概率等參數(shù)指標(biāo)著手,建立數(shù)學(xué)計算模型,運用Matlab仿真分析便攜導(dǎo)彈在不同攻擊條件下對該型巡航導(dǎo)彈的毀傷概率,得出第三代便攜導(dǎo)彈具備攔截美軍亞音速隱身巡航導(dǎo)彈能力的有效結(jié)論,從而為部隊作戰(zhàn)訓(xùn)練提供參考。

便攜導(dǎo)彈;巡航導(dǎo)彈;效能;毀傷概率

0 引言

巡航導(dǎo)彈一直以來都是美軍遠(yuǎn)程精確打擊的戰(zhàn)略性武器,由文獻(xiàn)[1-2]可知,美國仍在大力發(fā)展多種巡航導(dǎo)彈,并且越來越注重其在戰(zhàn)爭中的主導(dǎo)作用,其中就包括LRASM-A亞音速隱身巡航導(dǎo)彈項目。2012年美國對LRASM項目進(jìn)行了調(diào)整,在一度并行發(fā)展的亞音速隱身突防(LRASM-A)和超高速突防(LRASM-B)這兩種新型巡航導(dǎo)彈突防方案上,暫時取消了超高速突防的LRASM-B巡航導(dǎo)彈的項目[3],集中精力發(fā)展并生產(chǎn)LRASM-A亞音速隱身巡航導(dǎo)彈。而今天,亞音速隱身巡航導(dǎo)彈已經(jīng)成為美軍重返亞太地區(qū)的重要殺手锏武器,其低空突防能力超強(qiáng),制導(dǎo)精度極高,戰(zhàn)略威懾不亞于隱形戰(zhàn)機(jī),必將對我國東部、東南沿海地區(qū)的防空系統(tǒng)造成了巨大的威脅。而便攜式導(dǎo)彈作為一種有效的低空超低空反隱身防空武器,在歷次局部戰(zhàn)爭中都發(fā)揮了不可忽視的作用。文中通過定性分析加定量計算的方法對其毀傷效能進(jìn)行研究,以便為部隊運用便攜導(dǎo)彈抗擊此類目標(biāo)提供有價值的參考。

1 射擊可行性分析

便攜導(dǎo)彈成本低,質(zhì)量輕,可以單兵肩扛發(fā)射,也可兵組架設(shè)發(fā)射,作戰(zhàn)使用靈活,下面從偵察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、探測跟蹤目標(biāo)以及制導(dǎo)精度和殺傷威力等方面對便攜導(dǎo)彈射擊美軍亞音速隱身巡航導(dǎo)彈的可行性進(jìn)行分析。

1.1 偵察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)方面

美軍的亞音速隱身巡航導(dǎo)彈采用了非圓截面氣動外形隱身設(shè)計,并涂有抑制信號輻射的吸波材料,雷達(dá)反射截面僅有0.005 m2左右,具備良好的低空超低空突防能力,因此常規(guī)的警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)都難以發(fā)現(xiàn)。而便攜導(dǎo)彈分隊依靠目測、遠(yuǎn)近方觀察哨和觀測儀器進(jìn)行偵察發(fā)現(xiàn)巡航導(dǎo)彈,剔除了該型巡航導(dǎo)彈隱身性強(qiáng)的重大優(yōu)勢,具備了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的可行條件。便攜導(dǎo)彈分隊編制小,作戰(zhàn)部署靈活,接到攔截命令后反應(yīng)速度快,可迅速機(jī)動至作戰(zhàn)地域展開。同時在敵目標(biāo)來襲航路上派出遠(yuǎn)近方觀察哨,能有效彌補警戒雷達(dá)探測隱身目標(biāo)能力不足的弊端。遠(yuǎn)方觀察哨可盡遠(yuǎn)配置,甚至可以前出至海岸突出部或島上;近方觀察哨配置在便攜導(dǎo)彈發(fā)射陣地周圍8～15 km為宜,發(fā)現(xiàn)巡航導(dǎo)彈會及時通報,為便攜導(dǎo)彈攔截目標(biāo)提供了充分的準(zhǔn)備時間。

1.2 探測跟蹤目標(biāo)方面

由于我軍和俄羅斯的便攜導(dǎo)彈武器發(fā)展水平相差不大,因此文中選取俄三代便攜導(dǎo)彈進(jìn)行分析。美軍該型巡航導(dǎo)彈的紅外輻射頻譜波長約為3.3～3.9 μm,而俄第一代便攜導(dǎo)彈采用的是硫化鉛探測器,其紅外譜段在1～3 μm,因此不能夠有效探測并攔截該型巡航導(dǎo)彈;而第二代便攜導(dǎo)彈多采用銻化銦探測器,探測靈敏度大大提高,其紅外譜段集中在3.5～5 μm之間,雖然可以探測美軍該型巡航導(dǎo)彈,但是由于譜段覆蓋不全面,造成導(dǎo)引頭跟蹤能力不穩(wěn)定,容易丟失目標(biāo);第三代便攜導(dǎo)彈大多采用多模信道導(dǎo)引頭,能夠全方位探測目標(biāo),其紅外譜段在3～5 μm之間,能夠完全覆蓋巡航導(dǎo)彈的紅外輻射波長,因此具備探測發(fā)現(xiàn)該巡航導(dǎo)彈的能力。

1.3 飛行速度和機(jī)動性方面

亞音速隱身巡航導(dǎo)彈有效射程可達(dá)2 500 km,巡航速度為0.75～0.9Ma,飛行高度在12～120 m之間,最大機(jī)動過載一般不超過3g。第二代便攜導(dǎo)彈已采用了銻化銦探測器,機(jī)動性能較好,可以全向攻擊速度不大于300 m/s的巡航導(dǎo)彈目標(biāo),但其殺傷目標(biāo)的最小高度不低于20 m,而美軍該型亞音速隱身巡航導(dǎo)彈的飛行高度在12～120 m之間,可以看出,第二代便攜導(dǎo)彈不能完全滿足在最低飛行高度對其實施攔截。而第三代便攜導(dǎo)彈不僅導(dǎo)引頭探測靈敏度比第二代提高了2倍以上,可用最大過載也達(dá)到17g,而且殺傷區(qū)范圍也有了較大改進(jìn),可全向攻擊不低于10 m、不高于4 000 m、最大斜距5 500 m以內(nèi)的目標(biāo),甚至可以全向攻擊速度為330 m/s左右的飛行目標(biāo)。由此可以看出,在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的前提下,俄第三代某型便攜導(dǎo)彈有能力攔截美軍該新型巡航導(dǎo)彈。

1.4 制導(dǎo)精度和殺傷威力方面

第三代便攜導(dǎo)彈已經(jīng)初步邁向了智能化,多數(shù)還采用多模信道導(dǎo)引頭,制導(dǎo)精度更高;帶有目標(biāo)識別邏輯器件,能對敵我目標(biāo)和假目標(biāo)進(jìn)行分辨識別,抗干擾能力更強(qiáng);安裝有導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)點移位核準(zhǔn)裝置,能使導(dǎo)彈在引爆戰(zhàn)斗部前根據(jù)接近目標(biāo)的紅外熱量移位情況自動調(diào)整攻擊點位置,將攻擊點的散布中心沿著目標(biāo)的位移方向適當(dāng)前移,保證攻擊點更接近目標(biāo)的中心或者要害部位。而且,第三代便攜導(dǎo)彈普遍采用新作戰(zhàn)機(jī)理的戰(zhàn)斗部,不僅引戰(zhàn)配合效率高,近炸概率大,同時戰(zhàn)斗部殺傷半徑也有提高,破片殺傷威力大幅增加,對于低空飛行、結(jié)構(gòu)較為脆弱的亞音速隱身巡航導(dǎo)彈來講,炸點距離要害部位近,戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓、沖量及破片對其的破壞作用尤為巨大,足以將其摧毀。

2 目標(biāo)的易損性分析

2.1 目標(biāo)易損性分析

美軍亞音速隱身巡航導(dǎo)彈主要由控制艙、制導(dǎo)艙、發(fā)動機(jī)、燃料艙和戰(zhàn)斗部艙5個部分組成?？刂婆搶儆谥袠邢到y(tǒng)部分,其等效鋁合金厚度大約6 mm,制導(dǎo)艙則更為精密細(xì)致,等效厚度僅有4 mm,燃料艙接近發(fā)動機(jī)位置,且為儲存艙,等效合金厚度約為9 mm,一般導(dǎo)彈觸發(fā)后均較易損毀。而發(fā)動機(jī)艙屬于動力源和熱源的集中艙,耐高溫和壓強(qiáng)能力較好,其等效厚度約為18 mm的鋁合金;戰(zhàn)斗部艙基于自身的攻擊職能,屬于堅固強(qiáng)韌部件,其等效厚度相當(dāng)于24 mm的鋁合金,除直接碰撞炸毀外,一般情況下較難毀傷。

2.2 目標(biāo)易損性模型

便攜導(dǎo)彈射擊美軍亞音速隱身巡航導(dǎo)彈,戰(zhàn)斗部引爆后破片可能對一些系統(tǒng)或部件造成毀傷,這些系統(tǒng)或部件有的可能會造成巡航導(dǎo)彈墜毀,但是一些系統(tǒng)或部件的毀傷卻不影響巡航導(dǎo)彈繼續(xù)執(zhí)行攻擊任務(wù)[4]。因此在分析計算毀傷概率之前,首先要確定哪些部件會對巡航導(dǎo)彈造成嚴(yán)重毀傷,或者說使其失去繼續(xù)攻擊能力。在此采用毀傷樹技術(shù)對巡航導(dǎo)彈關(guān)鍵部件進(jìn)行分析。

巡航導(dǎo)彈失去繼續(xù)攻擊能力,主要是對控制艙毀傷、制導(dǎo)艙毀傷、發(fā)動機(jī)毀傷造成的。建立毀傷樹模型示意圖見圖1所示。

2.3 目標(biāo)主要毀傷模式分析

巡航導(dǎo)彈每個系統(tǒng)的毀傷都有可能造成巡航導(dǎo)彈的失控墜毀。發(fā)動機(jī)室毀傷會造成發(fā)動機(jī)空中停車,導(dǎo)致巡航導(dǎo)彈直接墜毀;燃料室毀傷會造成燃料逐漸流失,直至失去動力,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車,從而同上結(jié)果;計算機(jī)控制子系統(tǒng)毀傷,會造成巡航導(dǎo)彈完全失控,直至墜毀;控制舵毀傷,導(dǎo)致巡航導(dǎo)彈無法正?？刂贫婷嫫D(zhuǎn),造成控制出現(xiàn)故障,導(dǎo)致墜毀;制導(dǎo)艙航電系統(tǒng)損傷或?qū)б^損傷,將導(dǎo)致巡航導(dǎo)彈無法正常執(zhí)行任務(wù),也無法正確攻擊預(yù)定目標(biāo),失去攻擊能力。

圖1 巡航導(dǎo)彈總體毀傷樹模型

3 彈目交會情況分析

3.1 射擊情況分析

根據(jù)第一章的情況分析,這里選取俄第三代某型便攜導(dǎo)彈為研究對象,其不僅可以探測隱形巡航導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)尾噴口處釋放的熱源,也可以捕捉到該型巡航導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)蒙皮散發(fā)的氣動熱和摩擦熱,因此可以對巡航導(dǎo)彈進(jìn)行全向攻擊。但是,由于目標(biāo)最大飛行速度、機(jī)動過載、航路捷徑、視線角速度、偏轉(zhuǎn)角速度等因素的影響,便攜導(dǎo)彈采取迎攻、尾追攻擊和側(cè)向射擊的方式攔截巡航導(dǎo)彈的毀傷概率也不盡相同。

迎攻時,便攜導(dǎo)彈與巡航導(dǎo)彈的水平矢量速度相向,發(fā)射傾角大,對便攜導(dǎo)彈的機(jī)動可用過載要求較高,巡航導(dǎo)彈的視線角速度比較大,便攜導(dǎo)彈容易丟失目標(biāo),毀傷概率相對較低;尾追時,便攜導(dǎo)彈與巡航導(dǎo)彈的水平矢量速度相同,目標(biāo)的輻射源較強(qiáng),便攜導(dǎo)彈能夠穩(wěn)定跟蹤目標(biāo),同時視線角速度變化較小,所需的機(jī)動過載不大,因此不易丟失目標(biāo),毀傷概率較大;側(cè)向攻擊時,攻擊條件介于上述兩者之間,必須選定合適的發(fā)射時機(jī),在最佳的航路捷徑范圍內(nèi)射擊巡航導(dǎo)彈,毀傷概率較高。

3.2 戰(zhàn)斗部破片飛散模型

建立破片的飛散模型是為了在彈目交會數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,分析引爆點距離巡航導(dǎo)彈的具體位置、戰(zhàn)斗部殺傷半徑覆蓋目標(biāo)區(qū)域、命中目標(biāo)時破片的特征參量。此時巡航導(dǎo)彈完全可以看作勻速直線運動的物體,速度為VX,破片由于阻力作用作直線衰減速運動,初速度為Vp0,破片飛散呈一空心錐形狀,見圖2所示。

圖2中陰影部分即為戰(zhàn)斗部引爆后破片的飛散區(qū)域,O點為引爆點。在彈體坐標(biāo)系中建立破片的飛散數(shù)學(xué)模型為:

(1)

式中:θ1為破片最小飛散角;θ2為最大飛散角。

圖2 戰(zhàn)斗部破片飛散模型示意圖

4 毀傷概率分析計算模型

便攜導(dǎo)彈的毀傷概率除與射擊精度有關(guān)外,還與引戰(zhàn)配合效率、殺傷半徑、彈著散布和脫靶量有著密切的關(guān)系[6]。戰(zhàn)斗部引爆后,破片存在最大飛散角和最小飛散角朝著目標(biāo)一定的方向飛散,破片如圖2所示在彈目交會空域內(nèi)形成一圓環(huán),當(dāng)巡航導(dǎo)彈位于該圓環(huán)內(nèi)時,才可以對巡航導(dǎo)彈造成毀傷。Pd為命中概率,Ph為巡航導(dǎo)彈落入戰(zhàn)斗部破片飛散圓環(huán)內(nèi)同時被毀傷的概率。

4.1 單發(fā)便攜導(dǎo)彈的命中概率計算模型

便攜導(dǎo)彈對目標(biāo)射擊時,落彈點散布服從二維正態(tài)分布[8]。設(shè)便攜導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)點與目標(biāo)點重合,δy、δz為Y和Z軸方向上的射擊誤差,其散布中心為O′,y0和z0為Y和Z方向上的射擊誤差,其概率密度函數(shù)為:

(2)

φ(x/y,z)為便攜彈引爆點沿x軸散布的概率密度:

(3)

單發(fā)便攜導(dǎo)彈的命中概率Pd為:

Pd=?f(y,z)φ(x/y,z)dxdydz

(4)

4.2 便攜導(dǎo)彈的毀傷概率計算模型

(5)

式中:ni為第i艙段被命中的破片數(shù);Ai為巡航導(dǎo)彈各個艙段在交會面上的投影。由此可得整個巡航導(dǎo)彈每個艙段的毀傷概率為ρi=1-exp(-ni/nni),nni為此艙段被毀傷所需的破片期望值[5]。則巡航導(dǎo)彈的坐標(biāo)毀傷概率為:

(6)

由此可得,對該型巡航導(dǎo)彈整體毀傷的單發(fā)殺傷概率為pk=Pd·ph?？紤]到便攜導(dǎo)彈通常還采取雙發(fā)齊射和三發(fā)連射方式射擊巡航導(dǎo)彈,因此求得n發(fā)便攜導(dǎo)彈對巡航導(dǎo)彈的毀傷概率為:

pn=1-(1-ρk)n

(7)

5 仿真分析計算

5.1 仿真過程分析

已知該型巡航導(dǎo)彈有5個艙段,總呈現(xiàn)面積約為20。3個易損艙段,分別為燃料艙、控制艙和制導(dǎo)艙[7],其易損面積分別為7、3、2。其次是發(fā)動機(jī)艙,其易損面積取為5,最難損毀的是戰(zhàn)斗部艙,其易損面積為3。而取俄第三代某型便攜導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部引爆時條件如下:速度800 m/s,破片數(shù)N=3 000枚,破片初速約為2 200 m/s,破片飛散角為70°～120°,假設(shè)便攜導(dǎo)彈故障率為0,引戰(zhàn)配合100%,在Matlab工具上編制軟件進(jìn)行相關(guān)的仿真和計算。仿真流程圖見圖3所示。

圖3 毀傷過程仿真計算流程圖

5.2 破片對巡航導(dǎo)彈不同艙段的毀傷概率

破片依靠自身動能擊穿巡航導(dǎo)彈艙段造成巡航導(dǎo)彈失控墜毀,現(xiàn)模擬類似巡航導(dǎo)彈的不同厚度等效鋁合金飛行目標(biāo),計算得出不同質(zhì)量的飛散破片對其的擊穿概率。

表1 不同質(zhì)量破片對不同巡航導(dǎo)彈艙段的擊穿概率

由表1結(jié)果可以看出,初速為2 200 m/s、質(zhì)量為1 g的破片對燃料艙、控制艙和制導(dǎo)艙段的擊穿概率基本上可達(dá)93%以上,對于發(fā)動機(jī)艙段的擊穿概率為81.23%,除了較為堅固的戰(zhàn)斗部艙段外,對巡航導(dǎo)彈的擊穿概率基本超過80%。而從表1中質(zhì)量為5 g的破片來看,其對所有艙段的擊穿概率基本上可達(dá)92%左右,而破片質(zhì)量更大的擊穿概率更高,對于美軍該型亞音速隱身巡航導(dǎo)彈來講,便攜導(dǎo)彈破片撞上后足可以將其擊穿。

5.3 便攜導(dǎo)彈對巡航導(dǎo)彈的毀傷概率

假設(shè)便攜導(dǎo)彈單枚破片質(zhì)量取為5 g,破片數(shù)N=3 000枚，引爆點沿X軸散布的期望值Mx=3.5,均方差δx=2 m,射擊距離取1 000～5 000 m,高度取100 m,引爆時彈目距離d=8 m,最大飛散角θ1為120°,最小飛散角θ2為70°,便攜導(dǎo)彈對該型巡航導(dǎo)彈的毀傷概率結(jié)果如表2所示。

表2 便攜導(dǎo)彈對巡航導(dǎo)彈的毀傷概率

由表2計算結(jié)果可以看出,當(dāng)便攜導(dǎo)彈在2 000 m距離上攔截來襲美軍亞音速隱身巡航導(dǎo)彈時,無論是單發(fā)射擊還是雙發(fā)和三發(fā)射擊,尾追攻擊對巡航導(dǎo)彈的毀傷概率均高于迎攻和側(cè)向攔截毀傷概率。而當(dāng)射擊距離逐漸增大時,尾追射擊和側(cè)向射擊都會因射擊誤差和破片散布誤差的增大而導(dǎo)致毀傷概率降低,而迎攻射擊由于彈目相向飛行,彈目距離越來越近,制導(dǎo)精度反而越高,誤差越小,從而提高了毀傷概率。同時可以看出,雙發(fā)齊射和三發(fā)連射方式均在一定程度上提高了便攜導(dǎo)彈對巡航導(dǎo)彈的毀傷概率。因此可以得出結(jié)論,當(dāng)巡航導(dǎo)彈距離便攜導(dǎo)彈發(fā)射點3 km內(nèi)時,便攜導(dǎo)彈發(fā)射應(yīng)選擇尾追射擊對目標(biāo)的毀傷概率更高,當(dāng)巡航導(dǎo)彈距離便攜導(dǎo)彈發(fā)射點5 km以外向我陣地來襲時,在提前做好準(zhǔn)備的情況下,應(yīng)選擇迎攻射擊攔截巡航導(dǎo)彈,這種情況下,即使迎攻射擊脫靶,還有充分的時間對目標(biāo)進(jìn)行尾追射擊,在特殊情況下還可以采取雙發(fā)齊射或三發(fā)連射的方式射擊該型巡航導(dǎo)彈,以達(dá)到較好的射擊效果。

6 結(jié)束語

通過對美軍亞音速巡航導(dǎo)彈特性的對比分析,得出某型第三代便攜導(dǎo)彈具備攔截美軍亞音速隱身巡航導(dǎo)彈的能力。再從目標(biāo)的易損性、彈目交會情況進(jìn)行分析,建立毀傷效能數(shù)學(xué)模型仿真計算了不同發(fā)射距離、不同射擊條件下便攜導(dǎo)彈對美軍亞音速隱身巡航導(dǎo)彈的毀傷概率,為部隊運用便攜導(dǎo)彈抗擊此類目標(biāo)提供了有價值的應(yīng)用參考。

[1] 程建良, 李文盛. 近幾場局部戰(zhàn)爭中美軍巡航導(dǎo)彈的使用及啟示 [J]. 科技研究, 2005(5): 41-44.

[2] 鄭國民, 吳豫杰, 陳建宏. 便攜式地空導(dǎo)彈海上作戰(zhàn)使用研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2010, 30(2): 250-252.

[3] 文蘇麗, 陳英碩, 宋怡然. 2012年度國外飛航導(dǎo)彈主要技術(shù)發(fā)展動向 [J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2013(2): 10-14.

[4] 聶鵬, 曹兵. 破片式戰(zhàn)斗部對空中飛機(jī)的毀傷建模與仿真 [J]. 指揮控制與仿真, 2012, 34(6): 80-83.

[5] 張學(xué)鋒, 吳萍, 樂貴高, 等. 火箭武器對巡航導(dǎo)彈的毀傷效能研究 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2006, 18(3): 535-560.

[6] 王軍, 王興, 胡玉理, 等. 高能激光對巡航導(dǎo)彈毀傷效能評估與仿真 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2013, 33(1): 93-96.

[7] 葛海龍, 李青山. 外軍電子戰(zhàn)裝備與技術(shù) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[8] 王金云, 王孟軍, 紀(jì)政. 某型火箭彈對巡航導(dǎo)彈毀傷概率仿真分析 [J]. 指揮控制與仿真, 2012, 34(1): 92-95.

Research on Damage Effectiveness of Portable Missile Intercepting Stealth Cruise Missile

MA Hui,CHENG Yanjie,GUO Beibei,LIU Zhengtang

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Henan Luoyang 471000, China)

Cruise missile has become trump card for U.S. troops returning to Asia-Pacific. It poses a great threat to air defense system on the southeast coastal areas of our country. Firstly, feasibility of portable missile intercepting subsonic stealth cruise missile was analyzed overall Then the mathematical models were established and kill probability of intercepting cruise missile was simulated under different attack condition according to target vulnerability, missile meeting target and the kill probability.At last, effective conclusions were obtained that the third generation portable missile can intercept subsonic stealth cruise missile It’s useful to provide a reference for troops training.

portable missile; cruise missile; effectiveness; damage probability

2014-12-16

馬輝(1979-),男,山東平度人,工程師,碩士,研究方向:武器系統(tǒng)作戰(zhàn)運用及對抗。

E917

A