潛艇對空投魚雷的防御模型研究

周雪松，程健慶，苗 艷

（中國船舶重工集團公司江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

反潛戰中，魚雷是水面艦艇或反潛直升機攻擊潛艇最有效的武器。現代聲自導魚雷能利用聲自導系統以32kn到50kn的速度追蹤潛艇。空投魚雷其入水點一般距潛艇較近，從入水到攻擊上1km范圍內的潛艇，僅需花費1-1.5min的時間[1]。潛艇單靠機動規避來擺脫空投魚雷的來襲比較困難。

當前防御空投魚雷的有效措施之一是使用噪聲干擾器切斷空投魚雷與潛艇的接觸，從而使魚雷自導系統迷盲，這就為潛艇爭取到規避魚雷的時間[2]由于噪聲干擾器只能對目標進行干擾、抑制，功能比較單一，一旦被魚雷穿越，將很快失去作用，此時潛艇生存概率很低，大約為15%（系統反應時間30s）[3]。為增強對抗效果，通常將噪聲干擾器與自航式聲誘餌配合使用。本論文以潛艇生存概率最大為指標，在典型的對抗態勢下，研究噪聲干擾器和自航式聲誘餌聯合使用的方法。

1 空投魚雷對潛艇的威脅

直升機發射空投魚雷一般出現在潛艇的近旁，要求是將魚雷投放到離潛艇1km左右的范圍內，以有利于魚雷聲自導系統的搜索和跟蹤。潛艇檢測到魚雷入水的瞬態信息并進行報警，給出魚雷的來襲方位，指揮員據此制定對抗方案。空投魚雷從空投入水的那一刻起，到魚雷依靠自導方式在某一設定深度上發現目標轉入跟蹤的時刻，大約需要花費15-45s的時間[4]。

目前空投魚雷的搜索多為環形機動搜索，潛艇只要走出魚雷的搜索范圍即可保證安全。以美國 MK46型空投輕型魚雷為例，它是一種高速、深潛、主動或主被動聲自導的反潛武器，其使命是搜索、探測、攻擊和摧毀潛艇。MK46空投魚雷入水后開始連續不斷地以s/10?向右轉圈環形搜索潛艇，當接收到一個或更多的有效回波時，就開始進入捕獲與攻擊階段，操縱魚雷向目標方向航行[5]。MK46型魚雷采用主動搜索方式，最大搜索半徑約為m1370 （7.4鏈）。當潛艇在較遠距離聽到空投魚雷的航行噪聲或魚雷主動聲信號時，應立即轉向，將魚雷置于艇尾可聽測舷角作遠離魚雷機動，爭取不進入魚雷環形搜索范圍。但是，空投魚雷其入水點一般距潛艇較近，潛艇單靠機動規避來擺脫魚雷的跟蹤比較困難。

潛艇在防御空投魚雷的過程中，主要是要求保持隱蔽，爭取先敵發現，利用變向、變速和變深靈活機動，并盡可能結合使用水聲對抗器材實施防御。防御空投魚雷對潛艇的威脅，最有效的方法就是聯合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌。噪聲干擾器的噪聲同時對目標和魚雷實施干擾，使魚雷自導作用距離下降，潛艇利用其強噪聲掩護脫離，潛艇在脫離過程中始終位于干擾器干擾扇面內，從而使魚雷無法發現并跟蹤潛艇。自航式聲誘餌主要用于誘騙聲自導魚雷，阻止魚雷繼續向潛艇接近，使魚雷盡可能遠離潛艇[3]。

2 噪聲干擾器干擾模型

噪聲干擾器是潛艇上普遍裝備的一種水聲軟對抗器材。當近距離發現魚雷來襲時，潛艇可立即投放噪聲干擾器，通過發射強功率寬帶噪聲，降低空投魚雷的作用距離和探測、跟蹤性能，中斷其對目標的聲接觸，進而使其致盲、丟失目標[6]。

當主動聲納檢測時，聲納方程為：SL?2TL+TS≥NL?DI+DT。當噪聲干擾器工作后，干擾器所在的魚雷或潛艇接收波束內的噪聲干擾級自噪聲項NL被干擾噪聲項NL′和NLj代替：

當潛艇發射噪聲干擾器后，即形成一個以魚雷為頂點與干擾器連線為角平分線的扇面區的魚雷聽測盲區，潛艇走出這個盲區就有可能被魚雷聲納發現。

圖1 噪聲干擾器干擾區域

潛艇發射干擾器后要將干擾器置于潛艇與對抗目標之間，利用干擾器所形成的干擾范圍，通過潛艇正確的戰術機動使對方聲納或魚雷丟失目標。噪聲干擾器通常為懸浮式，干擾器工作后即形成一個以散布點為中心的圓形壓制干擾區域，干擾圓的方程為：，r為干擾圓的有效干擾半徑。TE、TC為過魚雷T點通過干擾圓的兩條切線，∠CTE=2θ為干擾器對魚雷聲納的有效干擾扇面，潛艇處在干擾器有效扇面內時，噪聲干擾器對潛艇起到有效保護作用，即∠STD=α＜θ。

3 自航式聲誘餌發射扇面模型

由于潛艇對魚雷報警距離有限，一旦發現來襲魚雷，選擇合適的自航式聲誘餌發射方向是確定潛艇反魚雷水聲對抗方案的首要環節。在聯合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌后，自航式聲誘餌的發射方向顯得更為重要，自航式聲誘餌在此種情況下確定發射方向的原則是：聲誘餌能盡早穿越噪聲干擾器的干擾扇面，盡早被聲自導魚雷發現，誘騙魚雷遠離潛艇。自航式聲誘餌發射扇面就是誘餌發射后，保證魚雷先發現誘餌的可發射航向范圍。

自航式聲誘餌發射扇面如圖2所示。圖中魚雷報警時，潛艇和魚雷分別位于S和T點，首先在魚雷報警方位線上截取SO作為魚雷航速，那么以O點為圓心，以聲誘餌航速大小為半徑作一個圓，過S點做圓的兩條切線，分別與圓相切于A與B兩點，Q為潛艇報警舷角。保證自航式聲誘餌發射出管后，先于潛艇被空投魚雷搜索扇面捕捉到，自航式聲誘餌相對于魚雷的運動方向必須滿足一定的條件，即誘餌發射方向扇面角滿足：。由于空投魚雷入水后向右偏轉環形機動搜索潛艇，在模型中還應考慮魚雷環形搜索偏離報警方位線的夾角α，如圖3所示，誘餌發射方向扇面夾角為SAB′∠ 即

圖2 魚雷報警時聲誘餌發射扇面

圖3 魚雷環搜時聲誘餌發射扇面

4 仿真計算及結果分析

在仿真實驗中選取典型的對抗態勢進行計算：假定魚雷報警時，潛艇的初始位置為坐標原點，以初速6kn勻速向正東方向航行，即航向90°。為利于魚雷搜索，魚雷初始航向朝向潛艇的初始位置。潛艇規避時首先向魚雷來襲方位發射噪聲干擾器并根據魚雷報警信息計算誘餌發射方向，潛艇的規避機動，轉向背對

4.1 對抗態勢描述

著聲誘餌發射方向并加速。

圖4 潛艇—魚雷對抗態勢圖

在魚雷報警后，潛艇、自航式聲誘餌和魚雷的運動狀態如圖4所示。在圖中顯示了潛艇、自航式聲誘餌和魚雷的運動狀態變量。

潛艇在報警時刻的位置為,(XS,YS)，潛艇速度為

魚雷入水位置為(XT,YT)，魚雷速度為

自航式聲誘餌的發射位置為潛艇位置，速度為

潛艇—魚雷的相對運動狀態方程為

自航式聲誘餌—魚雷的相對運動狀態方程為

在仿真實驗中，魚雷的檢測門限可由聲納方程得到，SL?NL+DI?DT≥2TL?TS。方程右端為一固定值，可理解為魚雷檢測目標時的最大允許能量損失，將其作為模擬檢測門限 PowMax。在仿真中，實時計算魚雷到目標的距離 R和相對舷角Q，令PowAct= 2TL(R)?TS(Q)。當PowAct≤PowMax，則認為主動檢測到目標，否則檢測不到目標。

4.2 仿真計算條件

1）潛艇為常規動力潛艇，潛艇加速度為0.05m/s2，轉彎半徑為 1 20m，最大規避速度范圍為10到20kn之間[7]。

2）魚雷為輕型反潛魚雷，魚雷速度36～45kn之間的均勻分布，搜索扇面為沿中心線各45?，自導作用距離為1500m[7]。

3）文中仿真計算取噪聲干擾器頻率 30kHZ，干擾器作用范圍近似看作半徑為r（m900～600）的球體；誘餌模擬的目標強度 26dB，誘餌航速 12kn；海況3級，水深400m；魚雷、聲誘餌和噪聲干擾器工作可靠性均為100%。

4）魚雷報警方位與本艇聲納參數有關，取方差為3?正態分布；魚雷落水位置距離潛艇D0=800～1200m，誤差取方差為 0.1*D0正態分布；魚雷落水位置位于潛艇右舷 30?～120?，間隔30?，取方差為2?正態分布。

5）在一定的水聲環境條件下，采用蒙特卡洛法，對魚雷攻擊目標的典型態勢進行計算，仿真計算次數500次。

4.3 仿真結果分析

潛艇使用噪聲干擾器規避主動聲自導魚雷攻擊時，強干擾噪聲壓低了魚雷主動接收機的信噪比，從而大大縮減了其自導作用距離，為潛艇走出魚雷搜索帶爭取了寶貴時間。魚雷報警后，經過系統反應時間（30s）即向魚雷來襲方向發射噪聲干擾器。圖5顯示了在噪聲干擾器與魚雷不同距離下，噪聲干擾器干擾噪聲級對魚雷主動自導作用距離的影響，當干擾噪聲級小于120（dB）時，對魚雷干擾作用是很小，但是隨著噪聲干擾器噪聲級的增加，魚雷自導作用距離明顯下降；隨著魚雷與噪聲干擾器之間距離的縮小，干擾器對魚雷作用距離影響也越明顯，為潛艇近距離擺脫魚雷跟蹤提供了機會。

圖5 噪聲干擾器對魚雷自導作用距離的影響

在計算聲誘餌發射方向的仿真實驗中，取噪聲干擾器干擾噪聲級為140dB，潛艇規避速度18kn進行計算。當魚雷投放位置距離潛艇小于1000m時，潛艇的生存概率很低（接近于 0），這種情況下的數據不再作進一步的分析。

考慮魚雷落水位置距離潛艇為1200m時進行計算，由圖6可知：當魚雷位于潛艇大、中舷角時，誘餌發射方向與魚雷方位線的夾角為70°～100°為宜。當誘餌發射方向小于70?時，是向魚雷來襲方向發射誘餌，雖然能使誘餌最早駛出噪聲干擾器干擾扇面盡快被魚雷發現，但是誘騙時間太短，魚雷在識別誘餌后能及時發現潛艇；當誘餌發射方向大于100?時，是背離魚雷來襲方向發射誘餌，誘餌需要花很長時間才能離開噪聲干擾器的干擾扇面，魚雷還未捕獲誘餌時，就已經穿越噪聲干擾器發現潛艇，達不到誘騙魚雷的效果。當魚雷位于潛艇小舷角時，潛艇生存概率最低，主要是此時魚雷和潛艇處于迎擊狀態，潛艇規避時間較長。

圖6 自航式聲誘餌發射方向對潛艇生存概率的影響

圖7 潛艇規避速度對生存概率的影響

MK46型魚雷通常采用主動搜索方式，潛艇在規避過程中通常采用最大速度。當魚雷處于潛艇右舷120?時，潛艇采用上述結論中誘餌最優發射方向（90?）后，潛艇規避轉向背對著聲誘餌方向并加速。從圖7可以得知：在聯合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌后，隨著潛艇規避速度的提高，對潛艇的生存概率有很大的改善。

魚雷識別誘餌后，必然對潛艇進行再搜索，這將對潛艇造成極大的威脅。所以，潛艇在聯合使用誘餌和干擾器后，在規避過程中應始終位于干擾器干擾扇面內，時刻監視魚雷動向，并做好再次對抗的準備，利用各種有利的水文環境，使潛艇盡快駛離魚雷搜索范圍，提高潛艇規避成功的概率。

5 結束語

本文從噪聲掩蔽條件下的主動聲納方程出發，仿真計算了噪聲干擾器干擾噪聲級對魚雷主動自導作用距離的影響；采用模擬統計的方法仿真分析了潛艇在聯合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌時，自航式聲誘餌的發射方向和潛艇規避速度對潛艇生存概率的影響。仿真結果表明：潛艇聯合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌比單純使用噪聲干擾器能有效提高潛艇生存概率。研究結果對潛艇防御空投魚雷具有一定的參考價值。

由于空投魚雷入水位置距離潛艇近，防御難度大，即使聯合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌，潛艇生存概率仍然不是很高。為最大限度提高潛艇生存概率，潛艇應盡早發現敵反潛直升機的活動，采取有效的防御手段，使直升機難以穩定跟蹤和攻擊。

[1]劉平香，姚藍.反魚雷水聲對抗技術的現狀和發展[J].聲學技術，2001，24（4）：183-187.

[2]姚藍，韓明連.潛艇對抗空投魚雷系統技術研究[J].聲學技術，2002，21(1):88-90.

[3]Ko-Hsin Liang,Kuei-Ming Wang.Using simulation and evolutionary algorithms to evaluate the design of mix strategies of decoy and jammers in anti-Torpedo tactics[C].Proceeding of the 2006 Winter Simulation Conference：1299-1306.

[4]李耀波，黃海明，陳炳鋒.淺談反魚雷水聲對抗技術[J].水雷戰與艦船防護，2004，(4):33-37.

[5]閻福旺.水聲對抗技術[M].北京：海洋出版社，2003.

[6]高學強，楊日杰，楊春英.噪聲干擾器對抗魚雷的作戰效能建模與仿真[J].聲學與電子工程，2009，3（95）：11-13.

[7]Armo,K.R.2000.The relationship between a submarine’s maximum speed and its evasive capability[D].Master’s Thesis, Operations Research Department,Naval Postgraduate School,Monterey,CA.