懸浮式深彈攔截不確定型魚雷作戰模型研究

姚奉亮, 賈 躍, 丁 貝

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懸浮式深彈攔截不確定型魚雷作戰模型研究

姚奉亮1, 賈 躍2, 丁 貝1

(1. 海軍大連艦艇學院 研究生1隊, 遼寧 大連, 116018; 2. 海軍大連艦艇學院 水武與防化系, 遼寧 大連, 116018)

水面艦艇如何使用懸浮式深彈攔截魚雷是艦艇防御魚雷的重要問題之一。該文通過利用模糊數學知識將魚雷報警距離分為近、中、遠3個模糊區域, 建立了魚雷報警距離隸屬函數關系, 預估了魚雷目標航向、航速等運動要素, 最后建立了懸浮式深彈攔截不確定型魚雷作戰模型, 并對作戰模型進行了計算機仿真。仿真結果表明, 艦艇在不能確定來襲魚雷型號和自導方式時, 選擇使用懸浮式深彈這一硬殺傷方式攔截魚雷是最為可行的方案, 能夠達到徹底毀傷魚雷, 從而保護艦艇安全的最終目的。

魚雷; 懸浮式深彈; 攔截策略; 水面艦魚雷防御; 作戰模型; 模糊; 仿真

0 引言

隨著現代魚雷技術的高速發展, 無論是魚雷的航速、航程、自導作用距離等基本戰技指標, 還是制導類型、智能程度、目標識別能力等都有了突飛猛進的發展, 從而對魚雷防御技術提出了更高的要求。對于魚雷防御方, 最重要的當然是第一時間對來襲的魚雷進行目標報警、識別和定位,其中識別是指識別其型號或制導類型, 以便采取有針對性的防御方案。但在復雜多變的現代戰場環境, 由于人員訓練水平, 武器裝備的限制, 或魚雷突然來襲沒有充分的時間識別來襲目標, 而又必須盡快采取必要的防御措施。那么, 對在未知來襲魚雷制導類型的情況下, 研究相應的防御戰術顯得尤為重要。本文討論使用懸浮式深彈攔截不確定型魚雷, 就是基于該戰術背景條件下的艦艇防御戰術。

1 魚雷報警距離估計

艦艇對魚雷目標運動要素的確定主要是通過測定魚雷的報警舷角Q與報警距離。然而由于本艦的魚雷報警聲納僅能給出目標的方位信息, 無法測定目標的距離信息, 因此, 對距離只能通過聲納性能、水文條件等多種因素來進行預估[1]。魚雷報警聲納在良好的水文條件下, 報警距離不小于8 km; 中等水文條件下, 報警距離不小于6 km; 惡劣水文條件下, 報警距離不小于3.5km。根據報警聲納的這些性能, 把魚雷報警距離分為遠、中、近3個模糊區域, 即

確定魚雷報警距離的各模糊區域之后, 即可預估魚雷報警距離。若各區域對應的隸屬函數分別為

式中,()為輸入報警距離為D區域時,D區域的隸屬函數。

假設聲納最遠報警距離不超過10km, 則D=3 500 m,D=6 000 m,D=8 000 m,D=10 km。

魚雷位置的模糊區域劃分如表1所示。

表1 一定舷角條件下模糊區域劃分

2 魚雷運動參數估計

2.1 魚雷航向估計

按魚雷制導類型分, 現服役的主戰魚雷包括直航魚雷、聲自導魚雷、尾流自導魚雷和線導魚雷等4種類型。文獻[2]詳細介紹了各型魚雷的特點、射擊原理及模型等, 并對其命中概率進行了仿真計算。從中可以分析得到, 各型魚雷由于瞄準點的不同, 魚雷射擊時的提前角有差異, 如直航魚雷瞄準的是未來與目標相遇點, 其提前角最大, 記作max; 聲自導魚雷以有利提前角射擊時, 是使聲自導裝置發現目標的概率最高, 其有利提前角的求解是通過使自導扇面遮蓋中心與目標相遇實現的; 尾流自導魚雷是使魚雷與有效尾流和目標艦長度在內的有效長度中心相遇, 瞄準的是目標尾流某點, 可知其提前角最小, 記作min; 線導魚雷通常采用零提前角、固定提前角和現時提前角3種射擊方法。可以從中估算出來襲不確定型魚雷的航向范圍, 即可確定出來襲魚雷提前角的范圍,即min≤≤max, 這時魚雷的可能航向就分布在min所確定的C1航向及max所確定的C2航向之間。

2.2 魚雷航速估計

從表2[3-4]的數據可以得到, 國外反艦魚雷航速主要集中在30～55 kn范圍內, 仿真時可以假設來襲魚雷的航速在此范圍內均勻分布。

表2 國外反艦魚雷性能參數

3 攔截不確定型魚雷作戰模型

3.1 艦艇攔截過程概述

設艦艇向東航行, 以艦艇航向為軸, 魚雷報警時刻艦艇位置點點為坐標原點, 建立坐標系。魚雷報警聲納報警后, 經過系統反應時間t, 艦艇到達1點發射懸浮式深彈。艦艇使用懸浮式深彈攔截來襲魚雷時很有可能不能確定來襲魚雷的型號、自導方式。若來襲魚雷為尾流自導魚雷, 由于其瞄準點為艦艇尾流, 其射擊提前角最小為min; 若來襲魚雷為直航魚雷, 其提前角最大為max。魚雷的可能航向就分布在min所確定的C1航向及max所確定的C2航向之間。為了盡可能覆蓋魚雷的可能航向范圍, 這時將懸浮式深彈布放到C1,C2航向夾角DC1PC2平分線上, 其布放基準點為1。布放位置如圖1所示。

圖1 不確定雷型時深彈布放示意圖

3.2 懸浮式深彈發射時機確定

魚雷報警聲納報警后, 若艦艇經過系統反應時間t發射懸浮式深彈, 深彈飛行時間為t, 深彈從入水到開始工作時間為t, 深彈水中懸浮時間為t, 深彈引信作用半徑為￠, 則可以確定出一個深彈可攔截魚雷的最近和最遠攔截距離范圍攔min和攔max, 其可由下式表示[5]

發射懸浮式深彈, 首先必須根據魚雷報警距離的近、中、遠, 判斷其報警區域的遠端是否在深彈的攔截距離范圍之內(根據魚雷報警聲納的性能可知, 魚雷的報警距離都大于深彈攔雷的最近距離, 判斷魚雷是否在深彈的攔截范圍之內, 主要判斷魚雷報警距離是否在深彈攔雷的最遠距離之內), 即判斷預警是否滿足攔min<預警<攔max(當報警距離為近時預警=D, 當報警距離為中時預警=D, 當報警距離為遠時預警=D); 其次, 當魚雷在深彈的攔截距離范圍內時, 判斷射擊距離11是否在深彈的射界(min,max)之內(主要考慮11是否小于最大射界), 判斷公式可由下式確定

式中：C為艦艇航向, 這里假設艦艇向東航行,C為0°;Q為魚雷報警方位;x1和y1分別為艦艇橫縱坐標;max為懸浮式深彈最大有效射界;D為魚雷報警距離預估區域;max為報警距離最大時的提前角。

通過判斷式(6)是否有根, 來判斷射擊距離11是否在最大布放距離max之內。

3.3 懸浮式深彈布陣方案

3.3.1 深彈布放基準點及布放長度

式中：x1和y1分別為深彈布放位置點1坐標;min為報警距離最小時的魚雷射擊提前角; (,)為C1反向延長線與C2的交點的坐標。,,x1,y1,R可由下式求得

當報警距離為近時，D=D,D=1; 當報警距離為中時，D=D,D=2; 當報警距離為遠時，D=D,D=3。

其中，x1和y1分別為艦艇經過系統反應時間t后航行到1點的坐標。

攔截寬度12為, 則

3.3.2 深彈布放個數與間隔

根據攔截線的長度及布放間隔就可以確定需要發射的懸浮式深彈的數量, 要完全覆蓋理論攔截線長度所需的發射數量

式中:為攔截線布放長度;為深彈破壞半徑;為深彈間距比例系數。

射擊時, 為了保證盡可能寬的攔截陣面, 又能保證盡可能高的對魚雷毀傷概率,的取值為0.8～1.5。選取合適的使得攔截魚雷的概率最大。

3.3.3 轉向航向的確定

水面艦艇按照以上布陣方案布放懸浮式深彈, 并立刻進行背轉魚雷加速規避。由于潛艇是靠觀測我艦的方位引導魚雷的, 因此艦艇規避時, 只要使魚雷方位線始終穿過攔截陣, 就能將魚雷引向攔截陣, 從而毀傷魚雷。根據上述原理, 則艦艇規避轉向角可由下式確定

4 仿真計算與結果分析

4.1 仿真計算條件

艦艇航行初速18kn, 航向90°, 決策反應時間為30s, 若艦艇進行機動規避, 則艦艇操縱反應時間為5s, 規避機動航速30 kn, 艦艇規避角速度3.0°/s, 旋回半徑450 s。魚雷速度30～55 kn, 航程18 000 m。懸浮式深彈最大發射數量為12枚, 從發射到入水后正常工作時間不超過25 s。當本艦以18 kn航速拖曳魚雷報警聲納航行, 魚雷報警聲納聲陣中心與本艦距離為1000 m, 聲納對來襲魚雷報警正確率不小于80%, 在2 km距離上漏報率不大于40%。

4.2 布放懸浮式深彈參數計算

艦艇進行背轉魚雷規避, 則可分別算得不同態勢情況下艦艇規避轉向角/(°), 布放懸浮式深彈得布放距離R/m, 布放方位B/(°), 表3所示。

表3 不同報警距離下懸浮式深彈布放參數

Table 3 Parameters of hovering depth charges deploy- ment in different alarming distance

4.3 懸浮式深彈攔截效果

從圖2可知, 報警距離為近時攔截概率最高, 報警距離為遠時攔截概率最低, 而深彈攔截概率受報警舷角的影響較小。

圖2 深彈攔截未知雷型魚雷的概率

4.4 艦艇規避時生存概率

由圖3可知, 艦艇生存概率隨著報警舷角和報警距離的不同而不同。報警舷角對艦艇生存概率的影響是: 隨著報警舷角的增大, 艦艇生存概率不斷增加, 報警舷角30°時為0.61, 報警舷角150°時為0.825。對于不同報警距離, 可以得到類似的結論。

報警距離對艦艇生存概率的影響是: 隨著報警距離的增加, 艦艇的生存概率不斷增加。以報警舷角90°時為例, 當魚雷報警距離為近時艦艇生存概率為0.73; 當報警距離為中時, 艦艇生存概率為0.77; 報警距離為遠時, 艦艇生存概率為0.865。

圖3 深彈攔截未知雷型魚雷時艦船生存概率

5 結論

在實際作戰中, 水面艦艇很有可能不能確定來襲魚雷的型號和自導方式。這時, 選擇使用懸浮式深彈這一硬殺傷方式攔截魚雷是最為可行的方案, 適用于任何制導類型的魚雷, 達到徹底毀傷魚雷或是魚雷自導和控制系統失靈, 不能有效攻擊, 從而達到保護艦艇安全的最終目的。那么, 可以根據文中所確定的攔截策略進行布放, 當艦艇進行規避機動時艦艇能獲得較高的生存概率, 特別是對于大舷角的情況, 這時艦艇平均生存概率可達到80%以上。

[1] 陳春玉. 反魚雷技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006: 38-59.

[2] 孟慶玉, 張靜遠, 宋保維. 魚雷作戰效能分析[M]. 北京: 國防工業出版社, 2003: 91-107.

[3] 陳耀娟, 韓明連. 艦艇魚雷防御技術現狀及發展趨勢[J]. 艦船科學技術, 2002(S1): 12-14.

Chen Yao-juan, Han Ming-lian. State-of-the-Art and Trend of Surface Ship Torpedo Defence Technology[J]. Ship Science and Technology, 2002(S1): 12-14.

[4] Bowling B. Penn State Lab Develops Torpedo Counter- measures[N]. Pittsburgh Tribune-Review, 2005-01-09.

[5] 賈躍, 宋保維, 李文哲. 火箭深彈攔截魚雷理論與方法研究[J]. 系統工程理論與實踐, 2004 (4): 137-140.

Jia Yue, Song Bao-wei, Li Wen-zhe. Theory and Method of Intercepting Torpedo Using Rocket Depth Charges[J]. Systems Engineering-theory & Practice, 2004 (4): 137- 140.

Operational Model for Intercepting Uncertain Type of Torpedo with Hovering Depth Charge

YAO Feng-liang1, JIA Yue2, DING Bei1

(1. No.1 Graduate Team, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2.Department of Underwater Weaponry and Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

How to use hovering depth charge to intercept torpedo is one of the main problems in surface ship torpedo defense. Fuzzy mathematics knowledge is used in this paper for dividing a torpedo warning distance into near, middle, and far fields to establish torpedo warning distance functions and estimate torpedo course and speed. Hence, an operational model for surface ship to intercept uncertain type of torpedo with hovering depth charge is constructed. Simulation via the Monte-Carlo method is performed, and the result shows that intercepting uncertain type of torpedo with hovering depth chargeis the most available measure, which can achieve the purpose of completely damaging the torpedo and ensuring the safety of surface ship.

torpedo; hovering depth charge; intercepting strategy; surface ship torpedo defense; operational model; fuzzy; simulation

TJ630; TJ650.1

A

1673-1948(2011)01-0063-05

2010-01-06;

2010-01-25.

姚奉亮(1986-), 男, 在讀碩士, 主要從事兵種戰術、反潛武器作戰運用等方面的研究.

(責任編輯: 陳 曦)