不同導引方式下影響潛載魚雷命中概率的主要因素

曹慶剛, 田恒斗, 楊緒 , 房 毅

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不同導引方式下影響潛載魚雷命中概率的主要因素

曹慶剛, 田恒斗, 楊緒 , 房 毅

(中國人民解放軍91439部隊, 遼寧 大連, 116041)

魚雷命中概率是潛艇魚雷武器試驗中的一項重要指標, 其精度直接反映了魚雷武器的攻擊精度和作戰(zhàn)效果。從魚雷命中概率計算的基礎理論入手, 通過對不同導引方式下魚雷數(shù)學導引模型的仿真計算, 分析得出不同導引方式下影響魚雷命中概率的主要因素, 為潛艇魚雷武器試驗提供了一定理論依據(jù)。

魚雷; 導引方式; 命中概率

0 引言

魚雷命中概率是反映魚雷作戰(zhàn)能力最重要的戰(zhàn)技指標, 不僅與魚雷其他的主要戰(zhàn)技性能指標有關, 而且與導引方法、攻擊對象、發(fā)射平臺、系統(tǒng)性能及作戰(zhàn)環(huán)境的水文條件等多方面因素密切關聯(lián)。

在潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)處理過程中, 通常用2種方法進行命中概率計算, 一種叫解析法, 另一種叫模擬法, 也稱蒙特卡洛法[1]。要得到魚雷真實的命中概率是不合實際的, 一方面需要大量的樣本統(tǒng)計, 另一方面各種試驗條件和方法都難于實施。通常的方法是在精度試驗的前提下, 獲得大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù), 應用解析法和統(tǒng)計模擬法進行仿真計算。對尾流自導和線導魚雷來說, 一般采用模擬法能夠較真實地反映魚雷的攻擊效果, 而對聲自導魚雷來說, 因其彈道的特殊性, 可采用解析法和模擬法相結合的形式進行仿真計算。

由于潛艇試驗的項目繁多, 試驗組織復雜, 必須事先對影響魚雷命中概率的主要因素有清楚的了解, 才能通過有針對性的試驗方法和試驗實施方案, 達到提高魚雷命中概率的目的。

1 計算過程的理論依據(jù)

1.1 射擊誤差及其散布

通常射擊誤差及散布包含2方面內容[1]: 一是魚雷航行誤差及魚雷散布; 二是目標運動要素誤差及目標散布。散布是由各種誤差引起的, 任何射擊都不可避免地會產生誤差。產生誤差的原因很多, 如方法誤差、設備誤差、環(huán)境誤差和人員誤差等。

由各種誤差綜合作用的結果, 控制的魚雷航行彈道和測量計算目標運動參數(shù)與實際不相符, 使魚雷命中點偏離目標點, 這種現(xiàn)象稱為魚雷散布和目標散布。魚雷射擊中把散布中心相對目標中心的偏差稱為射擊諸元誤差, 常用正態(tài)分布描述散布的分布規(guī)律。

1.2 正態(tài)分布

在本計算方法研究過程中, 采用許多計算語言中都有標準正態(tài)分布隨機數(shù)的產生程序或函數(shù)來模擬正態(tài)分布。

1.3 誤差合成

1) 隨機誤差合成

2) 系統(tǒng)誤差合成

2 影響魚雷命中概率的主要因素

魚雷攻擊中主要有以下幾種導引方法[2]: 聲自導導引、尾流自導導引和線導導引。其中也可以2種導引方式同時使用。根據(jù)上述幾種基礎理論和魚雷的導引原理, 建立了針對不同導引方式的魚雷導引模型, 由于導引模型的公式比較繁雜, 這里不一一列舉。本文通過大量的建模和仿真計算, 分析得出影響不同導引方式下魚雷命中概率的主要因素。

由于魚雷命中概率實際上是魚雷捕獲概率和魚雷追蹤概率等概率迭加起來的復合概率, 因彈道的復雜性和其他不確定因素, 建模比較困難, 這里只討論魚雷的捕獲概率, 下文中命中概率均泛指捕獲概率。

2.1 影響聲自導魚雷命中概率的主要因素

聲自導魚雷命中概率計算中, 針對魚雷不同的自導作用距離、速度、速度誤差、航向誤差和目標速度、舷角、距離及其有關誤差, 分別用解析法和統(tǒng)計模擬法2種模型[3]共約4 000多個不同的組合姿態(tài)計算了聲自導魚雷的命中概率。為具體確定命中概率和某一具體參數(shù)的關系, 每次模擬僅變化其中一個參數(shù)。通過仿真計算得到以下結論。

1) 魚雷自導作用距離對命中概率的影響

圖1 自導作用距離、目標舷角與命中概率的關系

Fig. 1 Relationship among homing range, target board angle and hit probability

2) 魚雷自導扇面角對命中概率的影響

圖2 自導扇面角與命中概率的關系

3) 魚雷速度對命中概率的影響

圖3 雷速與命中概率的關系

4) 魚雷方向概率誤差對命中概率的影響

圖3中曲線3和曲線4分別為魚雷航向誤差和4°及瞄準誤差1°時的命中概率曲線, 曲線1和曲線2分別為將魚雷航向誤差和瞄準誤差分別增大到10°和4°時的命中概率曲線, 結果表明, 隨著這些誤差的增大, 魚雷命中概率會降低。

5) 目標舷角對命中概率的影響

目標舷角對魚雷命中概率有顯著影響, 圖1結果表明: 小舷角比大舷角更易命中目標, 且差別明顯。這充分說明占領有利射擊陣位的重要性。

6) 目標速度對命中概率的影響

目標速度對魚雷命中概率的影響也和魚雷速度對其命中概率類似, 同一種速度在不同的舷角狀態(tài)下, 對應著不同的魚雷命中概率, 如圖4所示, 但總體趨勢是目標速度越大, 魚雷命中概率越小, 越是容易躲避攻擊。

圖4 目標速度對魚雷命中概率的影響

7) 目標機動半徑對命中概率的影響

如圖5所示, 魚雷對目標的命中概率隨著目標機動半徑的增加而增加。這是因為, 目標機動半徑越大, 機動性越差, 離理論的目標和魚雷相遇點越近, 也就越難逃逸。這一結果同時也表明, 不管是魚雷還是艦艇, 具有越小的機動半徑, 自身運動也就越靈活。

圖5 目標機動半徑對命中概率的影響

8) 目標機動距離對命中概率的影響

如圖6所示, 目標機動距離越遠, 即越早發(fā)現(xiàn)魚雷對自己的跟蹤或攻擊, 并采取有利于自己的方向機動, 遭到魚雷命中的機率就越小。

9) 目標機動距離對魚雷命中概率的影響

仿真結果證明, 隨著目標距離的增大, 魚雷命中概率隨之下降, 只是下降幅度與距離的不同有所不同。同時, 目標距離對魚雷命中概率的影響與目標舷角、速度存在較大關系: 目標舷角較小, 速度適中的情況下, 在較遠距離上魚雷也可以有很高的命中概率; 在目標舷角較大, 速度也較大的情況下, 只有很近距離上魚雷才有較高的命中概率, 一旦越過距離臨界值, 命中概率很快趨于零。

圖6 目標機動距離對魚雷命中概率的影響

通過上述分析, 對聲自導魚雷可以得出以下結論。

a. 對魚雷來說自導作用距離和自導扇面角是影響聲自導魚雷命中概率的主要因素, 另外還應考慮魚雷速度和方向概率誤差的影響。

b. 對目標來說, 目標的方位角是影響聲自導魚雷命中概率的主要因素, 同時目標的速度、目標機動距離和目標機動半徑對命中概率也有一定的影響。

c. 在目標舷角較大、速度較大的情況下, 要注意目標距離存在的某一臨界值, 如果距離超過這一臨界值, 很有可能造成命中概率為零的狀況。

2.2 影響線導魚雷命中概率的主要因素

線導魚雷命中概率計算一般采用現(xiàn)在方位導引法和前置點導引法2種方式[4]。前置點導引法又可以細分為前置點重心導引法和前置點形心導引法。假設1組航路參數(shù), 只改變1組相應的值, 通過對2種導引方式的仿真, 得到以下結論。

1) 仿真次數(shù)對命中概率的影響

從表1中可以看出, 隨著仿真次數(shù)的增加, 發(fā)現(xiàn)概率在一定值附近波動, 且幅度很小。即符合統(tǒng)計學原理, 隨著試驗次數(shù)(仿真次數(shù))的增加并趨于無窮大, 事件出現(xiàn)的頻率(命中概率)呈小幅波動并趨于概率真值。

表1 仿真次數(shù)對命中概率的影響

2) 射距對命中概率的影響分析

從表2中可以看出, 隨著射距的增大, 發(fā)現(xiàn)概率不斷減小。

3) 自導作用距離和自導扇面角對命中概率的影響分析

4) 各項均方差對魚雷命中概率的影響分析

表2 射距對命中概率的影響

表3 自導作用距離和自導扇面角對命中概率的影響

通過上述分析, 對線導魚雷命中概率可以得出以下結論。

a. 線導魚雷的導引效果(命中概率)主要依賴系統(tǒng)的探測精度, 特別是被動聲納測向精度, 試驗中應引起足夠重視。

b. 魚雷本身性能對命中概率影響不大, 模擬運算時可當作常數(shù)處理。

c. 線導魚雷可以適應更遠的射距, 試驗中可適當選取我艇與目標距離較遠的航路。

表4 各項均方差對命中概率的影響

2.3 影響尾流自導魚雷命中概率的主要因素

在尾流自導魚雷命中概率的計算中, 利用統(tǒng)計模擬法進行解算。在給定航路參數(shù)的基礎上, 針對不同的尾流自導作用距離、魚雷進入目標尾流的角度、魚雷追擊速度等關鍵參數(shù), 進行了尾流自導魚雷命中概率計算, 通過仿真可以得到以下結論。

1) 魚雷進入尾流的各種攻擊態(tài)勢對命中概率的影響

魚雷進入尾流的各種攻擊態(tài)勢由魚雷進入尾流的距離及不同角度組合而成。尾流自導魚雷攻擊面很窄, 易于被攔截[5], 為確保魚雷發(fā)現(xiàn)并穩(wěn)定跟蹤目標尾流, 并盡可能節(jié)省魚雷的追蹤航程, 應控制魚雷在一定的距離上, 以一定的角度進入尾流, 從而提高射擊命中概率。

對于不同的進入距離, 有幾個典型的分段, 即: 進入艦船下方、進入艦船尾部尾流的非穩(wěn)定段、進入與尾流非穩(wěn)定段相鄰的尾流穩(wěn)定段、進入尾流中部的尾流段及進入尾流后部的消失段。如果魚雷進入尾流或尾流后部的消失段, 都可能造成魚雷檢測不到目標尾流, 從而丟失目標。因此, 進入距離最好選擇在尾流的中部區(qū)域。一般來說, 將選目標尾流的中點進入。

對于不同的進入角度, 有3種典型情況, 即以迎擊狀態(tài)進入尾流、以垂直狀態(tài)進入尾流、以尾追狀態(tài)進入尾流。通過仿真發(fā)現(xiàn), 要確保魚雷的攻擊命中概率, 應選擇相對大的進入角進入尾流, 一般為30°~150°。

2) 魚雷追擊速度對命中概率的影響

對30 kn左右的目標艦船, 如果追擊速度過小, 即使魚雷進入目標尾流, 也追不到目標。通過仿真計算發(fā)現(xiàn), 當魚雷的追擊速度大于45 kn時, 如果不附加誤差, 命中概率就是1, 而如果魚雷的追擊速度設為小于45 kn時, 計算出來的概率會發(fā)生隨機變化, 在許多速度下, 命中概率都是零, 這跟理論上計算的速度值基本吻合。

3) 魚雷射擊方法對命中概率的影響

尾流自導魚雷的射擊方式一般是用于攻擊8~30 kn的水面目標艦船的, 主要發(fā)射方式有以下幾種: 兩雷平行航向齊射、魚雷帶角射擊、魚雷2次轉角射擊及指控系統(tǒng)故障時的尾流自導射擊[6]。其中兩雷平行航向齊射是最常用的也是命中概率最高的射擊方式。而魚雷帶角射擊則是用于命中角過大或過小的情況下, 為了保證命中概率而采取的發(fā)射方式, 但這種發(fā)射方式對目標運動要素的精度要求較高, 實際中應盡量少用。單雷2 次轉角射擊同兩雷平行齊射方式相比命中概率較低, 但在某些特定的情況下(如限制裝雷數(shù)), 如果尾流命中角較為理想, 仍可以采用。指控系統(tǒng)故障情況下的尾流自導射擊, 是在指控系統(tǒng)故障, 不能進行其他方式發(fā)射時, 通過手動查表來獲得射擊參數(shù)的一種射擊方法, 但這種射擊方法的命中概率也不高。

通過上述分析, 對尾流自導魚雷可以得出以下結論。

a. 魚雷進入尾流的距離和進入尾流的角度是影響尾流自導魚雷命中概率的主要因素之一。如果進入尾流的距離較大或進入尾流的角度超過30°~150°的范圍, 命中概率將受到很大的影響。

b. 魚雷追擊速度是影響尾流自導魚雷命中概率的另一主要因素。仿真結果表明, 如果魚雷速度小于45 kn, 則命中概率將極低。

c. 魚雷射擊方法對命中概率也有一定的影響。通過對幾種射擊方法比較, 雙雷平行齊射的射擊方法, 是命中概率最高的射擊方法。

3 結束語

魚雷命中概率是潛艇魚雷武器試驗中的一項重要指標。本文所闡述的觀點, 是基于對通用仿真模型進行計算基礎上得出的結論, 在數(shù)學模型上同試驗中所用的數(shù)學模型可能有些出入, 但對主要因素的判斷應該是符合實際情況的。試驗中應該重點研究這些主要因素對命中概率的影響, 在試驗的組織指揮和實施方法上做出相應的決策和判斷。

[1] 孟慶玉, 張靜遠, 宋保維. 魚雷作戰(zhàn)效能分析[M]. 國防工業(yè)出版社, 2003.

[2] 張宇文. 魚雷彈道與彈道設計[M]. 西北工業(yè)大學出版社, 1999.

[3] 楊緒升, 劉建兵, 周慶飛. 聲自導魚雷射擊諸元及誤差對其捕獲概率的影響[J]. 指揮控制與仿真, 2009, 31 (5): 93-97. Yang Xu-sheng, Liu Jian-bin, Zhou Qing-fei. Effect on Acoustic Homing Torpedo Capture Probability of Fire Elements and Errors[J]. Command Control& Simulation, 2009, 31(5): 93-97.

[4] 楊大偉, 張培培. 線導魚雷導引方法綜述[J]. 艦船科學技術, 2010, 32(10): 140-143.Yang Da-wei, Zhang Pei-pei. Guidance Methods for the Wire-guidance Torpedo[J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(10): 140-143.

[5] 梁國龍, 惠俊英, 冀邦杰, 等. 關于魚雷自導技術發(fā)展的幾點思考[J]. 魚雷技術, 1999, 7(2): 10-13.

[6] SanfordM J. Ship Wake Signature Suppressor: US, 5787048 A[P]. 1998-07-28.

(責任編輯: 許 妍)

Main Factors Influencing Submarine-Borne Torpedo Hit Probability in Different Guidance Modes

CAO Qing-gangTIAN Heng-douYANG Xu-shengFANG Yi

(91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116041,China)

As an important index in submarine-borne torpedo weapon test, hit probability directly reflects the attack accuracy and operational effectiveness of torpedo weapon. Based on the basic theory of calculating torpedo hit probability, we establish some guidance models for different torpedo guidance modes. The main factors influencing the hit probability are analyzed through simulation and calculation to provide a theoretical reference for submarine-borne torpedo weapon test.

torpedo; guidance mode; hit probability

TJ630.1

A

1673-1948(2014)03-0204-06

2014-02-19;

2014-03-25.

曹慶剛(1968-), 男, 工程師, 主要從事魚雷試驗總體方面研究.