多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)火射擊能力分析*

慎 龍 隋先輝 朱鵬磊 時(shí)筱惠

(海軍大連艦艇學(xué)院1) 大連 116018)(遼寧師范大學(xué)外國(guó)語學(xué)院英語系2) 大連 116018)

1 引言

隨著世界范圍內(nèi)采用眾多高新技術(shù)的反艦導(dǎo)彈大量裝備各國(guó)海軍,艦空導(dǎo)彈作為從中遠(yuǎn)距離硬抗擊來襲空中目標(biāo)的主要手段面臨著越來越多的壓力。多層次、多批次、多方向遠(yuǎn)距離飽和攻擊方式對(duì)于艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的攔截多目標(biāo)能力提出了新的要求,這使得分析多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的射擊能力顯得尤為重要。而在對(duì)多通道艦空導(dǎo)彈射擊能力的研究中,很多指標(biāo)都與轉(zhuǎn)火射擊能力有關(guān)。文獻(xiàn)[1]以單面相控陣?yán)走_(dá)制導(dǎo)的多通道防空導(dǎo)彈為例對(duì)這問題進(jìn)行了討論。然而對(duì)于“多制導(dǎo)裝置-多目標(biāo)通道”[2]艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)其轉(zhuǎn)火能力沒有進(jìn)行具體的研究。

2 轉(zhuǎn)火射擊的概念

在對(duì)同時(shí)或依次進(jìn)入發(fā)射區(qū)的多批目標(biāo)中的某一目標(biāo)射擊完畢后,重新指示其他目標(biāo)進(jìn)行射擊的方法,稱為轉(zhuǎn)移火力射擊,簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)火射擊[1]。在防空作戰(zhàn)中,當(dāng)水面艦艇作戰(zhàn)空域內(nèi)有多個(gè)目標(biāo)來襲時(shí),在將某個(gè)目標(biāo)擊毀后,或在射擊中發(fā)現(xiàn)有威脅更大的目標(biāo)來襲,或者正在射擊的目標(biāo)已經(jīng)逃離艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)射區(qū)時(shí),都應(yīng)該進(jìn)行轉(zhuǎn)火射擊。

艦空導(dǎo)彈射擊時(shí),導(dǎo)彈武器系統(tǒng)用于跟蹤或照射目標(biāo)的設(shè)備及其向?qū)椈鹂叵到y(tǒng)提供射擊目標(biāo)信息的通道,稱為目標(biāo)通道。在艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中,能夠獨(dú)立跟蹤一個(gè)目標(biāo)、并能對(duì)該目標(biāo)發(fā)射和制導(dǎo)導(dǎo)彈的武器控制通道,稱為艦空導(dǎo)彈的火力通道。在一次射擊中,一個(gè)火力通道只能對(duì)一個(gè)目標(biāo)射擊。多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是指具有多個(gè)目標(biāo)通道和多個(gè)火力通道,能同時(shí)跟蹤多批目標(biāo),并同時(shí)制導(dǎo)多枚導(dǎo)彈攔截多個(gè)目標(biāo)的艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。

對(duì)于典型的“多制導(dǎo)裝置-多目標(biāo)通道”艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)來說,如美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ艦空導(dǎo)彈等,其每個(gè)目標(biāo)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)照射裝置,其轉(zhuǎn)火射擊方法分為通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊和通道間轉(zhuǎn)火射擊兩種情況。在防空作戰(zhàn)中,轉(zhuǎn)火射擊能力是艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo),它決定了艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的攔截多目標(biāo)能力和對(duì)抗飽和空襲的能力。

3 轉(zhuǎn)火射擊的方法

本文以半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)體制“多制導(dǎo)裝置-多目標(biāo)通道”艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為例分析其轉(zhuǎn)火射擊能力。系統(tǒng)具有4個(gè)雷達(dá)照射制導(dǎo)裝置,其照射方位以及在艦艇上的配置如圖1所示。

圖1 照射制導(dǎo)裝置照射空域及艦艇配置圖

3.1 通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊

由于“多制導(dǎo)裝置-多目標(biāo)通道”艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng),不同于單面相控陣?yán)走_(dá)制導(dǎo)的多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng),其不存在扇面轉(zhuǎn)火射擊的情況。通道內(nèi)的轉(zhuǎn)火射擊相當(dāng)于單通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)火射擊情況。其主要特點(diǎn)是通常在單個(gè)目標(biāo)通道的作戰(zhàn)空域(如扇面l1ol4)內(nèi),有多個(gè)目標(biāo)時(shí),按照艦艇指控系統(tǒng)的目標(biāo)指示截獲跟蹤一個(gè)目標(biāo),當(dāng)目標(biāo)被消滅后,清除此通道,并在此通道對(duì)下一批艦艇指控系統(tǒng)下達(dá)的轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo),進(jìn)行截獲跟蹤后射擊,該轉(zhuǎn)移火力的方式是相對(duì)于一個(gè)目標(biāo)通道而言的。稱為通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊。

通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊的能力一般用一個(gè)目標(biāo)通道的射擊周期來表征,它表示了艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力以及連續(xù)射擊后續(xù)目標(biāo)的能力。射擊周期,是艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)最關(guān)鍵的性能之一,對(duì)于多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)來說,射擊周期是指目標(biāo)通道接收到目標(biāo)指示后,照射裝置穩(wěn)定跟蹤目標(biāo),發(fā)射n發(fā)導(dǎo)彈對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行一次射擊所占用的時(shí)間,即從進(jìn)行目標(biāo)指示開始到觀察射擊效果完畢所占用的時(shí)間,用 Tsj表示。射擊周期與艦空導(dǎo)彈的速度特性、目標(biāo)的速度、目標(biāo)航路捷徑、導(dǎo)彈發(fā)射的時(shí)間等因素有關(guān)。

其中,tmz為火控系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)通道的目標(biāo)指示時(shí)間;tzdz為目標(biāo)通道的照射制導(dǎo)裝置調(diào)轉(zhuǎn)并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的時(shí)間;n為一次射擊中發(fā)射的導(dǎo)彈數(shù);tfs為從按下“發(fā)射”按鈕開始至導(dǎo)彈起飛的時(shí)間;Δ t為齊射艦空導(dǎo)彈時(shí),相鄰兩發(fā)導(dǎo)彈的發(fā)射間隔;tf x為最后一枚導(dǎo)彈飛到遭遇點(diǎn)所用的時(shí)間;tpg為評(píng)估射擊效果所用的時(shí)間。

艦空導(dǎo)彈一次射擊發(fā)射導(dǎo)彈數(shù)一般不超過2枚。如果是單射,則n=1;如果是2發(fā)齊射,則n=2。tfx隨著射擊目標(biāo)距離、目標(biāo)的飛行速度、航路捷徑等參數(shù)的不同,以及發(fā)射導(dǎo)彈數(shù)等參數(shù)的不同,該參數(shù)是變化的。tf x是影響艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)火射擊能力的關(guān)鍵參數(shù)。

多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)能否進(jìn)行通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊,主要取決于轉(zhuǎn)火射擊周期Tzh(即轉(zhuǎn)火射擊所需時(shí)間)和待轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo)的位置(即待轉(zhuǎn)火目標(biāo)是已經(jīng)進(jìn)入本目標(biāo)通道的發(fā)射區(qū)內(nèi))。

從本次射擊按下導(dǎo)彈“發(fā)射”按鈕,到艦艇指控系統(tǒng)下達(dá)轉(zhuǎn)火射擊命令,完成轉(zhuǎn)火射擊準(zhǔn)備并按下轉(zhuǎn)火射擊導(dǎo)彈的“發(fā)射”按鈕的時(shí)間間隔,稱為轉(zhuǎn)火射擊周期Tzh[4]。

轉(zhuǎn)火射擊周期Tzh取決于本次射擊時(shí)間Tlj和轉(zhuǎn)火射擊準(zhǔn)備時(shí)間Tzhzb,即

轉(zhuǎn)火準(zhǔn)備時(shí)間Tzhzb是指,在本次射擊完成后,組織轉(zhuǎn)火射擊所需的準(zhǔn)備時(shí)間為

式中:tzhjc為指揮員進(jìn)行轉(zhuǎn)火射擊決策并下達(dá)轉(zhuǎn)火射擊命令的時(shí)間;tmz1為艦艇指控系統(tǒng)向艦空導(dǎo)彈火控系統(tǒng)下達(dá)目標(biāo)指示的時(shí)間;tfa為在制導(dǎo)裝置穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后,操作手按下發(fā)射按鈕的時(shí)間;Tlj是指本次導(dǎo)彈射擊的射擊時(shí)間,即指從按下“發(fā)射”按鈕,到導(dǎo)彈與目標(biāo)在殺傷區(qū)相遇并判斷出射擊效果。

最大通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊周期Tzhmax是指對(duì)位于艦空導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界的目標(biāo)射擊后,對(duì)轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo)在其發(fā)射區(qū)近界發(fā)射艦空導(dǎo)彈攔截的轉(zhuǎn)火射擊時(shí)間間隔。

上式中,Tlj max指在發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界攔截目標(biāo)的射擊時(shí)間。

最小通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊周期Tzhmin是指對(duì)位于艦空導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)近界的目標(biāo)射擊后,對(duì)轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo)在其發(fā)射區(qū)近界發(fā)射艦空導(dǎo)彈進(jìn)行攔截的轉(zhuǎn)火射擊時(shí)間。

式中:Tlj min指在發(fā)射區(qū)近界攔截目標(biāo)的射擊時(shí)間。

3.2 通道間轉(zhuǎn)火射擊

通道間轉(zhuǎn)火射擊是指對(duì)于多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中,在具有多個(gè)目標(biāo)通道的作戰(zhàn)空域內(nèi)(如扇面l1ol2),出現(xiàn)的多個(gè)目標(biāo),分批進(jìn)行射擊的方法。其主要特點(diǎn)是:當(dāng)來襲目標(biāo)數(shù)小于作戰(zhàn)空域內(nèi)的目標(biāo)通道數(shù)時(shí),每個(gè)照射制導(dǎo)雷達(dá)可按照目標(biāo)指示到達(dá)的先后順序依次分別進(jìn)行截獲跟蹤;而當(dāng)作戰(zhàn)空域內(nèi)的目標(biāo)通道均已被占用時(shí),對(duì)后續(xù)目標(biāo)的處理只能等某一目標(biāo)通道空閑出來自后才能進(jìn)行。當(dāng)然,對(duì)于突然出現(xiàn)的重大威脅目標(biāo),或者指控系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)火射擊另一目標(biāo)時(shí),也可清除已被占用的目標(biāo)通道,優(yōu)先處理重要的目標(biāo)。該轉(zhuǎn)移火力的方式是在不同的目標(biāo)通道間進(jìn)行的,因此稱為通道間轉(zhuǎn)火射擊。通道間的轉(zhuǎn)火射擊能力可用一個(gè)目標(biāo)通道接受目標(biāo)指示并搜索截獲跟蹤目標(biāo)的時(shí)間Tzh時(shí)間來表示。Tzh表征了整個(gè)多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)連續(xù)射擊多目標(biāo)的能力。

多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)能否進(jìn)行通道間轉(zhuǎn)火射擊,主要取決于通道間轉(zhuǎn)火射擊周期 Ttzh(即通道間轉(zhuǎn)火射擊所需時(shí)間)和待轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo)的位置(即待轉(zhuǎn)火目標(biāo)是已經(jīng)進(jìn)入轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo)通道的發(fā)射區(qū)內(nèi))。

由于各個(gè)目標(biāo)通道具有自己的照射制導(dǎo)裝置,多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的通道間轉(zhuǎn)火射擊具有,轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo)的截獲跟蹤過程可與前一個(gè)目標(biāo)通道射擊前一個(gè)目標(biāo)的過程同時(shí)進(jìn)行的特點(diǎn),即各個(gè)目標(biāo)通道的射擊周期可相“重疊”。因此,通道間轉(zhuǎn)火射擊周期Ttzh就是從攔截第一個(gè)目標(biāo)的目標(biāo)通道按下“發(fā)射”按鈕,艦艇指控系統(tǒng)下達(dá)轉(zhuǎn)火射擊命令,到轉(zhuǎn)火射擊的目標(biāo)通道完成轉(zhuǎn)火射擊準(zhǔn)備并按下轉(zhuǎn)火射擊導(dǎo)彈的“發(fā)射”按鈕的時(shí)間間隔。

式中,Ttzhjc為指揮員進(jìn)行通道間轉(zhuǎn)火射擊決策的時(shí)間。

4 轉(zhuǎn)火射擊能力計(jì)算

4.1 導(dǎo)彈攔截時(shí)間的計(jì)算

假設(shè)多通道艦空導(dǎo)彈采用的是比例導(dǎo)引法的導(dǎo)引方法。比例導(dǎo)引法它是指在導(dǎo)彈飛向目標(biāo)的過程中,導(dǎo)彈速度矢量轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與彈目視線的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成正比。其導(dǎo)引方程為

式中,K為比例系數(shù),建立艦空導(dǎo)彈攔截目標(biāo)的差分方程模型[3]如下

式中,(xt,yt,zt)表示目標(biāo)的空間位置,(xm,ym,zm)表示艦空導(dǎo)彈的空間位置,st表示目標(biāo)在一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)的飛行距離,sm表示艦空導(dǎo)彈在一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)的飛行距離,c1分別表示艦空導(dǎo)彈到預(yù)測(cè)遭遇點(diǎn)的距離,c2表示目標(biāo)到預(yù)測(cè)遭遇點(diǎn)的距離。

根據(jù)以上方程,設(shè)定目標(biāo)參數(shù)等初始參數(shù),運(yùn)用MATLAB進(jìn)行艦空導(dǎo)彈攔截目標(biāo)的三維彈道仿真模型,可以計(jì)算出導(dǎo)彈攔截時(shí)間。

4.2 轉(zhuǎn)火射擊周期計(jì)算

假設(shè)在以下條件進(jìn)行計(jì)算:

1)多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的殺傷區(qū)為遠(yuǎn)界Rmax=40km,近界Rmin=10km,艦空導(dǎo)彈的平均速度為Vm=1.1km/s,艦空導(dǎo)彈的殺傷半徑為60m。

2)目標(biāo)的飛行速度為Vt=0.42km/s,做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

3)tfs平均時(shí)間 1.5s,Δ t=1s,tpg平均時(shí)間 1～3s。

4)tmz1=1s,tzhjc=1s,tfa=1s,tzdz=3s,tmz=1s,Ttzhjc=1s。

根據(jù)4.1節(jié),仿真計(jì)算出導(dǎo)彈在發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界攔截目標(biāo)時(shí),tfxmax=21.3s,因此根據(jù)假設(shè)得出

所以當(dāng)雙發(fā)齊射在殺傷區(qū)遠(yuǎn)界攔截目標(biāo)(n=2)時(shí),Tzhmax=32.3～34.3s;當(dāng)單發(fā)攔截目標(biāo)時(shí)(n=1時(shí)),Tzhmin=31.3～33.3s,其仿真彈道如圖2所示。

同理,運(yùn)用MATLAB仿真計(jì)算導(dǎo)彈在發(fā)射區(qū)近界攔截目標(biāo)時(shí),tfxmin=7.2s,因此

可得,雙發(fā)齊射在殺傷區(qū)近界攔截目標(biāo)(n=2)時(shí),Tzhmin=18.2～20.2;當(dāng)單發(fā)攔截目標(biāo)時(shí)(n=1時(shí)),Tzhmin=17.2～19.2s,其仿真彈道如圖3所示。

由此可知通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊時(shí),轉(zhuǎn)火射擊周期的變化范圍為

當(dāng)要在對(duì)來襲的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊必須滿足以目標(biāo)來襲間隔時(shí)間t不小于Tzhmin的條件。

根據(jù)假設(shè)條件計(jì)算,同理計(jì)算通道間轉(zhuǎn)火射擊周期可得

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上分析計(jì)算可知,對(duì)于同時(shí)位于多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)射區(qū)域的多批目標(biāo),當(dāng)先后兩批目標(biāo)的來襲間隔時(shí)間t不小于必須的最小通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊周期Tzhmin并且大于通道z時(shí)實(shí)施射擊。當(dāng)先后兩批目標(biāo)的來襲間隔時(shí)間t同時(shí)小于最小通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊周期Tzhmin和大于通道間轉(zhuǎn)火射擊周期Ttzh時(shí),多通道艦空武器系統(tǒng)不能進(jìn)行轉(zhuǎn)火射擊。根據(jù)仿真實(shí)例可知,通道間轉(zhuǎn)火射擊時(shí)間遠(yuǎn)小于通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊時(shí)間,因此通道間轉(zhuǎn)火射擊是多通道艦空導(dǎo)彈火力單元的基本轉(zhuǎn)火射擊方法。

在實(shí)際的防空作戰(zhàn)中,形式復(fù)雜多變,上述計(jì)算是在理想情況下進(jìn)行的,進(jìn)一步分析多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)火射擊能力,還應(yīng)考慮到以下因素:各個(gè)目標(biāo)通道的發(fā)射區(qū)域的不同以及照射裝置的實(shí)際調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)間等。

5 結(jié)語

根據(jù)對(duì)多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)火射擊能力的分析可以看出,通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊與通道間轉(zhuǎn)火射擊的區(qū)別在于后者的各個(gè)目標(biāo)通道間的射擊周期可以相重疊,而通道內(nèi)轉(zhuǎn)火射擊時(shí),對(duì)轉(zhuǎn)火射擊目標(biāo)的截獲跟蹤不能與射擊前一個(gè)目標(biāo)的過程同時(shí)進(jìn)行。本文給出了通過對(duì)艦空導(dǎo)彈進(jìn)行三維彈道仿真的方法,精確計(jì)算多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)火射擊能力的方法。根據(jù)計(jì)算實(shí)例可知,通道間轉(zhuǎn)火射擊是多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)火射擊的基本方法。在防空作戰(zhàn)中,為了盡可能地提高系統(tǒng)的射擊能力,可以采取增加目標(biāo)通道數(shù)或縮短射擊時(shí)間,或者提高指揮員以及操作人員的熟練水平的措施。另一方面,可以根據(jù)本文的轉(zhuǎn)火射擊周期的計(jì)算方法,優(yōu)化彈道仿真計(jì)算導(dǎo)彈攔截時(shí)間的模型,在導(dǎo)彈火控系統(tǒng)直接計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示對(duì)多批目標(biāo)的轉(zhuǎn)火射擊可能性。

[1]原超,金釗,徐奕航.多通道艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)火射擊能力研究[J].火力與指揮控制,2007(增刊)

[2]陽曙光,李為民.多目標(biāo)通道地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)抗擊效率模型[J].火力與指揮控制,2004(12)

[3]馬其東,王磊,金釗.比例導(dǎo)引法三維彈道仿真分析[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2008(3)

[4]馬其東,周俊,樊繼功.艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)火射擊能力研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2005(2)

[5]王家文,李仰軍.M ATLAB 7.0圖形圖像處理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006,6