潛艇機動性能對使用干擾器規(guī)避主動聲自導(dǎo)魚雷對抗效果的影響分析

楊真勇, 鄭 援, 呂海平

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潛艇機動性能對使用干擾器規(guī)避主動聲自導(dǎo)魚雷對抗效果的影響分析

楊真勇, 鄭 援, 呂海平

(海軍潛艇學(xué)院 水聲中心, 山東 青島, 266071)

潛艇的魚雷防御性能主要包括潛艇的水聲對抗性能和其自身性能。潛艇規(guī)避魚雷時, 針對潛艇自身機動性能對潛艇生存概率的影響問題, 建立了仿真所需要的魚雷聲學(xué)模型和實體機動模型, 構(gòu)建了干擾器作用下的魚雷發(fā)現(xiàn)距離模型。通過仿真得到了不同最大航速、不同加速性能時潛艇的生存概率, 分析了潛艇機動性能對潛艇生存概率的影響, 結(jié)論是潛艇的機動性能對潛艇防御魚雷有著一定的影響, 可以通過提高潛艇自身機動性能來提高潛艇防御魚雷的能力。

聲自導(dǎo)魚雷; 潛艇; 干擾器; 水聲對抗; 機動性能

0 引言

潛艇的機動性能是潛艇性能的重要指標(biāo), 潛艇的機動規(guī)避也是一種比較好的對抗魚雷方式。潛艇使用噪聲干擾器對抗主動聲自導(dǎo)魚雷的目的是以壓制方式降低魚雷自導(dǎo)作用距離, 為潛艇走出魚雷自導(dǎo)搜索扇面爭取時間。若潛艇具有較高的機動性能同樣能夠以較短的時間拉大垂距、擺脫魚雷跟蹤。前人在使用干擾器對抗魚雷效果方面的仿真研究已經(jīng)很多, 但考慮潛艇自身機動性能對對抗效果影響的較少。本文主要考慮潛艇機動因素, 仿真分析潛艇機動性能對規(guī)避主動聲自導(dǎo)魚雷效果的影響。

1 潛艇機動模型

潛艇機動模型主要包括直航模型[1]、轉(zhuǎn)向模型[2]和加速模型[3], 文章采用3D坐標(biāo)進行仿真實現(xiàn), 機動模型如下。

1.1 直線運動模型

1.2 旋回運動模型

1.3 加速運動模型

計算出變速過程中每一時間點的航速值后, 代入式(1), 可遞推求得潛艇在變速過程中的位置坐標(biāo)。

2 魚雷相關(guān)模型

2.1 魚雷航行自噪聲

美國MK46魚雷航速45 kn時的航行自噪聲可以用下式計算[2]

2.2 魚雷主動聲自導(dǎo)探測模型

噪聲干擾器在魚雷處的干擾噪聲級為

當(dāng)噪聲干擾器沒有工作或處于魚雷自導(dǎo)接收扇面之外時, 魚雷的干擾噪聲來自海洋環(huán)境噪聲和魚雷航行自噪聲, 此時魚雷的干擾噪聲級為

當(dāng)干擾器工作且處于魚雷自導(dǎo)接收扇面之內(nèi)時, 魚雷的干擾噪聲來自海洋環(huán)境噪聲、魚雷航行自噪聲和噪聲干擾器在魚雷處的干擾噪聲, 此時魚雷的干擾噪聲級為[4]

根據(jù)主動聲納方程, 有

式(8)等價于

2.3 魚雷彈道模型

在沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時, 魚雷按蛇行搜索彈道進行搜索機動, 如果始終未發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 則魚雷航行至航程耗盡為止。

發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后, 魚雷對潛艇進行跟蹤, 直至命中目標(biāo)。若魚雷尾追丟失目標(biāo), 魚雷就會進入環(huán)形再搜索彈道。

魚雷進入環(huán)形再搜索彈道后, 若能發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 魚雷就進入尾追彈道; 若不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 魚雷以環(huán)形搜索彈道航行至航程耗盡為止。

3 其他聲學(xué)模型

3.1 潛艇的目標(biāo)強度

目標(biāo)反射強度與目標(biāo)的幾何形狀密切相關(guān), 對于艦艇目標(biāo)來說, 目標(biāo)反射強度還隨聲波入射角變化而變化, 呈“蝴蝶形”分布[5]。

目標(biāo)反射強度可以采用蝴蝶形分布曲線近似表示

3.2 傳播損失

傳播損失采用擴展加吸收損失進行估算[6]。

3.3 海洋環(huán)境噪聲

海洋環(huán)境噪聲級通常由實測數(shù)據(jù)確定, 仿真時可借助某些經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行測算。對于淺海, 采用如下計算噪聲譜級的公式[7]

式中:為頻率;為海況等級(=0,1,2, …, 9)。

4 仿真流程

潛艇機動性能主要包括最高航速、加速性能、潛浮性能等, 本文以潛艇最高航速和加速性能對防御魚雷效果帶來的影響進行仿真。通過設(shè)定不同最大航速和機動系數(shù), 仿真統(tǒng)計不同情況下潛艇成功規(guī)避魚雷攻擊的次數(shù), 再與仿真次數(shù)相比, 得到潛艇生存概率, 仿真流程圖見圖1。

5 仿真結(jié)果與分析

設(shè)定海況3級, 潛艇航向0°, 初始航速6 kn, 潛艇魚雷相對深度40 m, 魚雷報警舷角0~150°, 距離10~40 Cab,魚雷初始搜索航向為有利提前角航向。設(shè)魚雷航速45 kn, 最大航程9 000 m, 搜索目標(biāo)時蛇行機動, 可在1 400 m處發(fā)現(xiàn)8 dB目標(biāo)反射回波, 水平自導(dǎo)扇面寬度為40°(不包含魚雷蛇形扇面), 垂直自導(dǎo)扇面寬度為30°。噪聲干擾器聲源級155 dB; 假設(shè)仿真開始干擾器已經(jīng)生效, 潛艇背雷轉(zhuǎn)向進行規(guī)避。

圖1 仿真流程圖

5.1 潛艇最佳規(guī)避方案選取

通過仿真固定參數(shù)下不同潛艇規(guī)避航向所產(chǎn)生的潛艇最大生存概率, 得出潛艇最佳規(guī)避航向。在后續(xù)分析潛艇機動因素的影響時, 采用最佳規(guī)避方案進行仿真。

設(shè)定潛艇機動系數(shù)70, 最大航速20 kn, 魚雷按有利提前角進行射擊[2]。

潛艇以與魚雷航向加固定角度的航向進行規(guī)避, 即

圖2為魚雷報警舷角120°, 距離21Cab,=+50°時的典型態(tài)勢。

圖2 典型態(tài)勢圖

魚雷報警時潛艇在組織水聲對抗的同時, 應(yīng)當(dāng)立即加速, 進行轉(zhuǎn)向變深機動。在使用干擾器對抗魚雷時, 潛艇應(yīng)當(dāng)在干擾器的有效作用時間內(nèi), 充分利用自身的機動性拉大垂距, 走出聲自導(dǎo)魚雷的自導(dǎo)捕捉扇面。

圖2為程序仿真一次典型態(tài)勢圖, 潛艇發(fā)射干擾器后, 先進行轉(zhuǎn)向規(guī)避, 以減小聲波反射面積; 然后以3°下潛角緊急下潛, 迅速走出魚雷搜索扇面。魚雷在段未發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 以蛇形彈道進行搜索; 魚雷在點時發(fā)現(xiàn)目標(biāo),段進入尾追彈道; 魚雷在點時丟失目標(biāo), 進入環(huán)形搜索彈道; 魚雷環(huán)形在搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后, 再次進入尾追彈道, 最后在點命中潛艇。

在典型態(tài)勢參數(shù)下, 以不同的潛艇規(guī)避航向進行仿真, 仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 方案選取概率

通過圖3可以看出, 潛艇規(guī)避航向采用+ 30°成功概率最大。在后續(xù)仿真分析潛艇最大航速和加速性能對水聲對抗效果的影響時, 潛艇采用該方案進行規(guī)避機動。

5.2 潛艇最大航速對水聲對抗效果的影響

潛艇最高航速是潛艇機動能力的重要體現(xiàn), 高航速潛艇在規(guī)避魚雷時具有較大的優(yōu)勢, 可以較容易降低魚雷自導(dǎo)裝置捕捉概率或使魚雷航程耗盡。本次仿真設(shè)定潛艇機動系數(shù)為70, 最大航速分別是15 kn, 20 kn, 25 kn。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 潛艇最大航速概率

通過圖4可以看出, 最大航速從15 kn變化到25 kn時, 潛艇成功規(guī)避魚雷概率有了逐步的提高, 特別是報警舷角在130°~150°之間時, 潛艇聲波反射面積較小, 魚雷聲自導(dǎo)作用距離較近, 為潛艇規(guī)避魚雷爭取了更多時間, 有助于潛艇成功規(guī)避魚雷。潛艇最大航速越大越有利于潛艇在較短的時間內(nèi)與魚雷拉大垂距, 可以有效降低魚雷自導(dǎo)裝置的捕捉概率, 即便魚雷能夠以較大的距離、較小的速度差捕捉目標(biāo), 但其航程也難以滿足命中目標(biāo), 因此, 潛艇的最大航速對潛艇防御魚雷效果有著重要的影響。

5.3 潛艇加速性能對水聲對抗效果的影響

潛艇加速性能也是潛艇機動性的重要指標(biāo), 高加速性能可以讓潛艇更好地利用最大航速優(yōu)勢, 能夠在更短的時間內(nèi)以最大航速機動規(guī)避。本次仿真設(shè)定潛艇最大航速25 kn, 機動系數(shù)分別是50, 70, 90。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 潛艇加速性能概率

仿真模型中機動系數(shù)越小, 潛艇的加速性能越好。從圖5可以看出, 潛艇的加速性能越好, 潛艇規(guī)避魚雷成功概率越高, 尤其是報警舷角在110°~150°時, 潛艇聲波反射面積較小, 潛艇生存概率變化更為明顯。加速性能好的潛艇可以在較短時間內(nèi)加速到最大航速, 使?jié)撏軌蚋玫乩酶吆剿賰?yōu)勢規(guī)避魚雷。相反, 若加速性能不好, 即使最大航速再高, 對于近距魚雷報警時, 潛艇也很難以最大航速規(guī)避魚雷。因此, 潛艇加速性能對潛艇防御有著一定的影響, 是提高潛艇防御魚雷能力不能忽視的指標(biāo)。

6 結(jié)束語

潛艇的機動性能對潛艇防御有著一定的影響, 要提高潛艇防御聲自導(dǎo)魚雷的能力, 不僅可以通過提高水聲對抗器材的性能來實現(xiàn), 還可以通過增強潛艇自身機動性能來達到這一目的。高機動性潛艇在對抗魚雷過程中有很多優(yōu)勢, 在對抗方案選擇上就會有更多的靈活性, 有著更高的防御能力。

[1] 周智超, 劉永輝. 水面艦艇防潛作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練的計算機仿真研究[J]. 計算機仿真, 2002. 19(3): 1-4. Zhou Zhi-chao, Liu Yong-hui. Research of Computer Simula- tion on Surface Ship Anti-Submarine Defence Imitative Training[J]. Computer Simulation, 2002, 19(3): 1-4.

[3] 陳建華. 艦艇作戰(zhàn)模擬理論與實踐[M]. 國防工業(yè)出版社, 2002.

[4] 胡言峰. 潛艇噪聲干擾器對抗主動聲自導(dǎo)魚雷效能仿真分析[J]. 魚雷技術(shù), 2007, 15(5): 55-57.Hu Yan- feng. Simulation Analysis of Countermeasure Effect of Noise Jammer in Submarine on Active Acoustic Homing Torpedo [J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 55-57.

[5] 陸銘華. 艦艇作戰(zhàn)模擬理論與方法[M]. 北京: 海洋出版社, 2000.

[6] Waite A D. 實用聲納技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

[7] 劉孟庵, 連立民. 水聲工程[M]. 杭州: 浙江科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

Effects of Submarine′s Maneuverability onEvading Active Acoustic Homing Torpedo with Jammer

YANG Zhen-yong, ZHENG Yuan, Lü Hai-ping

(Underwater Acoustic Research Center, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

Aiming at the effects of submarine′s maneuverability on its survival probability while evading torpedo，acoustic model of an active homing torpedo and maneuver model of entity are established. And a detection range model of torpedo is also built up when the acoustic jammer is working. The survival probabilities of submarine under different maximum speed and acceleration capability are gained through simulation. The effects of submarine′s different maneuverability on its survival probability are analyzed. The conclusion is drawn that the submarine′s anti-torpedo defense capability can be enhanced via improving maneuverability of submarine.

acoustic homing torpedo; submarine; jammer; acoustic countermeasure; maneuverability

TJ630; TN972

A

1673-1948(2011)02-0129-05

2010-05-11;

2010-06-07.

楊真勇(1986-), 男, 山東臨沂人, 碩士, 主要研究方向為水聲對抗仿真.

(責(zé)任編輯: 許 妍)