艦船規避對追蹤段魚雷彈道散布規律的影響

盧孟維,　馬　峰,　魏繼鋒,　王樹山

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京, 100081)

艦船規避對追蹤段魚雷彈道散布規律的影響

盧孟維,馬峰,魏繼鋒,王樹山

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京, 100081)

機動規避是水面艦船對魚雷防御的基礎和前提, 文中通過對處于自導追蹤段的聲自導魚雷戰場態勢的分析, 建立了水面艦船與聲自導魚雷規避對抗的數學模型, 選取水面艦船將大舷角來襲魚雷置于艦尾高速脫離的規避策略, 分析了在艦船規避影響下的魚雷攻擊彈道散布特性, 最后分別針對不同硬殺傷反魚雷武器提出了決策依據, 其結果可為提高水面艦船的生存能力及反魚雷作戰決策提供參考。

艦船規避; 魚雷防御; 彈道散布

0　引言

如何實行艦船規避以及如何進行魚雷攔截是艦船反魚雷作戰的核心論題。從規避方式到攔截措施, 需要進行諸多的技術研究和系統分析[1-3]。

面對來襲魚雷, 任何對抗方式都是以魚雷預警距離和方位為決策依據。目前對魚雷的定位方法主要是利用聲吶進行, 該方法僅能給出方位變化信息, 距離信息則誤差較大, 制約了艦船對魚雷的對抗成功率[4]。同時, 水面艦船在根據聲吶作出規避反應的同時也在改變著魚雷軌跡。改變運動軌跡, 可降低聲吶探測誤差所帶來的魚雷位置不確定性, 若配合硬殺傷武器, 還可提高對魚雷的毀傷概率[5]。

文中針對水面艦船反聲自導魚雷技術研究,通過分析導引律特點、規避方式, 探討并論證機動規避與硬殺傷攔截結合的可行性及有效性, 并提出該類反魚雷技術的作戰運用方法。

1　自導追蹤段魚雷的對抗方式分析

聲自導魚雷的導引方式主要有尾追法、固定提前角法、平行接近法和比例接近法[6]。無論魚雷采用何種導引方式, 可以確定的是魚雷航速都要大于水面艦船航速。一旦水面艦船被魚雷捕獲,無論水面艦船采取何種規避方式, 只要不能擺脫魚雷的聲吶跟蹤, 也就無法改變魚雷沿著雷-艦方位不斷逼近的事實, 這就很難通過純機動規避方式走出魚雷的自導探測范圍[7]。

文獻[8]對水面艦船的純規避策略進行了系統闡述, 指出: 水面艦船通過純機動規避能否擺脫敵魚雷聲吶跟蹤具有很大的不確定性; 然而,通過迅速背敵轉向, 將魚雷方位置于艦尾180°舷角高速脫離卻可達到另一個確定性的戰術意圖,即最大程度地消耗魚雷航程, 延緩被魚雷捕獲的時間, 進而為軟硬對抗的實施爭取時間。

將魚雷置于艦尾這種規避方式, 還可發揮水面艦船艦尾反射強度弱、輻射噪聲小的優勢, 如圖1所示。這將降低艦船被魚雷聲吶捕獲的概率,提高走出聲吶探測范圍的可能性。因此從聲學角度考慮, 這種規避策略是可行的。文中選取180°背敵轉向規避方式和保持直航狀態兩種情況進行仿真計算和對比分析。

圖1　艦船噪聲分布示意圖Fig. 1　Schematic of vessel radiated noise distribution

2　導引彈道數學模型

2.1對抗模式

初始時刻艦船位于A點, 航向為X軸正方向,航速為V0; 接受預警時, 魚雷位于T點, θ為預警舷角; 預警后, 艦船迅速180°背敵轉向進入規避航向, 并向預估的魚雷航跡上布置軟硬對抗武器,對來襲魚雷進行攔截。

圖2　艦船規避態勢Fig. 2　Situation of vessel evasion

2.2彈道仿真數學建模

根據上述雷-艦對抗狀態, 構建出魚雷在水平面追蹤目標的彈道數學模型, 不考慮魚雷的橫滾和俯仰運動[9]。魚雷的水平運動在地面坐標系內, 魚雷發現目標后采用固定提前角(提前角為零時即尾追法)導引方式, 彈道仿真系統結構框圖如圖3所示。

圖3　彈道仿真數學模型框圖Fig. 3　Block diagram of trajectory simulation model

選取某型魚雷, 其側向運動動力學數學模型為

式中: β, ωv, δr, θ, φ, Vm, Xe, Ze分別為魚雷的側滑角、回旋角速度、直舵角、航向角、彈道偏角、速度, 以及地面坐標系中的X軸和Z軸坐標。

艦船的運動學模型可簡化為

式中: θT, ωT, XT, ZT分別為目標彈道偏角、回旋角速度、縱向距離和側向距離。

魚雷與目標的相對距離為

魚雷尾追法的操舵規律為

式中, η為雷體系中的提前角。

測量噪聲δu為魚雷自導頭的角度測量噪聲,在仿真中設定δu為零均值, 方差0.5°的正態隨機噪聲。

3　仿真結果及分析

依據構建的數學模型, 在Matlab/Simulink中建立魚雷彈道系統仿真框圖。設置目標、魚雷和魚雷導引規律的模塊參數值, 選擇變步長解法器為ode45, 最小步長自動調整, 最大步長為0.05 s,進行仿真計算。

假定水面艦船預警距離為2 500 m, 艦船航速為30 kn, 魚雷航速為60 kn, 由于聲吶探測存在一定誤差, 仿真過程中取報警舷角標準差為2°的正態隨機分布, 預警距離標準差為200 m的正態隨機分布。魚雷采用尾追法導引彈道, 分別對180°背敵轉向和保持直航狀態2種規避方式, 通過設定不同的報警舷角來運行仿真程序。

3.1不同報警舷角下艦船規避魚雷彈道情況

當報警舷角小于90°時, 魚雷軌跡受魚雷位置、魚雷提前角設定以及艦船和魚雷航速影響,規避方式的選擇要綜合考慮以上因素, 尤其是魚雷導引提前角的值是艦船無法得到的, 艦船無法僅基于報警舷角和預警距離選擇規避方式, 故不在文中列舉討論。

設定預警舷角為100°~170°, 間隔為10°, 依此進行仿真計算。

圖4給出了魚雷報警舷角為120°時的彈道仿真結果, 可以看出, 艦船采用180°背敵轉向的規避方式時, 魚雷彈道隨著與艦船距離的縮短收斂明顯; 在保持直航狀態時, 魚雷彈道收斂較慢。

圖4　120°預警舷角時不同規避方式下魚雷彈道散布Fig. 4　Curves of torpedo trajectory dispersion under different evasion modes when alarming board angle is 120°

圖5　背敵轉向時魚雷彈道散布特性Fig. 5　Characteristics of torpedo trajectory dispersion when a vessel turns back to a torpedo

針對魚雷彈道的收斂速度, 在直角坐標系下對不同時刻魚雷的散布范圍進行計算, 可以看出,當艦船進行背敵轉向規避時, 魚雷可能位置范圍會隨著雷-艦距離的縮短逐漸減小, 其彈道散布特性如圖5所示。將仿真終點設為2 500步, 此時魚雷位置均值為(500, 512), 雷-艦距離約為1 200 m, Xe的標準差為109 m, Ze的標準差為167 m, 同時2個坐標方向的位置方差均在航程前半段快速收斂。

當采用直航方式時, 其彈道散布特性如圖6所示。將仿真終點設為2 500步, 魚雷終點位置均值為(1 100, –205), 雷艦距離約為1 000 m, Xe的標準差為161 m, 并呈發散狀態, 值得注意的是Xe在航行過程中存在極值點, Ze的標準差為94 m, 且只在航程后半段才快速收斂。

圖6　保持直航時魚雷彈道散布特性Fig. 6　Characteristics of torpedo trajectory dispersion when a vessel keeps direct route

通過彈道計算可以看出, 在2種方式艦船機動過程中, 隨著雷-艦距離的縮短, 魚雷的散布誤差均有不同程度的收斂, 不同的是, 在背敵轉向方式下航跡末段, 魚雷位置橫縱坐標的方差均不斷收斂, 并趨于穩定, 可認為魚雷的可能散布范圍在彈道末段存在最小值; 在保持直航狀態下,在航跡中段魚雷位置橫坐標方差存在最小值, 之后不斷發散。由此可見規避方式的不同影響著魚雷彈道收斂趨勢的不同。

3.2魚雷攔截寬度及預估命中時間計算

上節中, 對魚雷彈道散布特性的分析是以時間為基準進行的, 但并未直觀反映出魚雷彈道在空間中的散布特性。

在艦船采用反魚雷懸浮式深彈的對抗模式下,通常選取垂直于雷艦間連線的深彈攔截線L0作為有效攔截面。在不同報警舷角下, 文中統一選取能夠覆蓋3.1節中所有魚雷彈道的有效攔截面作為魚雷攔截寬度如圖7所示, 并將魚雷平均命中時間的一半所對應的魚雷位置作為彈道中段。

計算出不同舷角下彈道中段攔截寬度和平均命中時間, 如圖8和圖9所示。當報警舷角大于90°、規避方式為180°背敵轉向時, 其彈道中段攔截寬度比直航狀態有明顯減小,彈道中段的攔截寬度在70~100 m間。同時, 隨著艦船報警舷角的增大, 艦船通過背敵轉向規避方式來增大魚雷命中時間的效果也隨之減小, 可以看出盲目的轉向規避并不能有效延長魚雷命中時間。艦船應根據報警舷角的大小, 做出不同的機動規避策略。

圖7　魚雷進入攔截區域示意圖Fig. 7　Schematic of torpedo entering into intercept area

圖9　不同舷角下魚雷平均命中時間Fig. 9　Average hitting time of a torpedo with different board angle

4　結論

水面艦船在實際對抗過程中, 以文中計算結果為基礎, 結合艦船反魚雷武器的實際狀況可以得到如下結論。

1) 針對報警舷角大于90°的來襲聲自導魚雷應選擇180°背敵轉向的規避策略, 在規避過程中可以獲得更多時間來進行“軟硬”殺傷對抗。

當艦船使用火箭深彈反魚雷武器時可以參考不同時刻下魚雷彈道散布特性, 綜合分布范圍和雷-艦距離兩方面因素進行射擊攔截; 當采用懸浮式反魚雷深彈時, 要依照魚雷彈道空間散布特性進行布置, 在深彈裝藥量一定時, 因攔截寬度的減小, 可以增大深彈陣的分布密度, 從而提高深彈陣的攔截成功率。為反魚雷作戰決策帶來了可預見性, 使得反應時間有所縮短。

2) 當來襲魚雷報警舷角小于90°時, 不應盲目調轉艦船航向, 不恰當的轉向規避方式會增加艦船的聲吶反射強度, 同時還可能加速減小雷-艦距離, 降低艦船的生存概率。

聲自導魚雷防御技術涉及的影響因素較多,單純運用仿真手段難以全面深入的描述。文中綜合分析了魚雷導引規律、戰場態勢變化等影響因素, 結合水面艦船應將聲自導魚雷置于艦尾180°進行背敵轉向的規避方式, 借助仿真計算, 揭示了魚雷彈道的變化規律, 并論證了這一機動規避策略結合軟硬殺傷武器對抗的可行性, 對于提高水面艦船的生存能力具有參考價值。

[1] 肖昌美, 李恒, 彭佩. 國外水面艦艇魚雷防御系統發展現狀及趨勢[J]. 魚雷技術, 2014, 22(2): 150-156.

Xiao Chang-mei, Li Heng, Peng Pei. Development of Torpedo Defence Systems of Foreign Surface Ships[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(2): 150-156.

[2] 陳顏輝, 李海英. 兩種懸浮深彈攔截尾流自導魚雷的應用[J]. 艦船科學技術, 2011, 33(1): 85-94.

Chen Yan-hui, Li Hai-ying. Research on Applying Two Types of Poised Depth Charge to Intercept Wake Homing Torpedo[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(1): 85-94.

[3] 潘新祥, 陳顏輝, 洪浩. 水面艦艇規避線導魚雷策略[J].艦船科學技術, 2011, 33(11): 100-103.

Pan Xin-xiang, Chen Yan-hui, Hong Hao. Strategy Research on Surface Ship Eluding Wire-guided Torpedo[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(11): 100-103.

[4] 賈躍, 宋保維, 趙向濤, 等. 水面艦船對聲自導魚雷防御機動方法研究[J]. 火力與指揮控制, 2009, 34(1): 45-48.

Jia Yue, Song Bao-wei, Zhao Xiang-tao, et al. A Study on Vessel Evading Method to Acoustic Homing Torpedo[J]. Fire Control and Command Control, 2009, 34(1): 45-48.

[5] 錢東, 張少悟. 魚雷防御技術的發展與展望[J]. 魚雷技術, 2005, 13(2): 1-6.

Qian Dong, Zhang Shao-wu. History and Developmental Trend of Torpedo Defense Technologies[J]. Torpedo Technology, 2005, 13(2): 1-6.

[6] 張洪剛, 王鵬, 張靜遠. 機動規避條件下尾流自導魚雷射擊瞄點選取方法[J]. 魚雷技術, 2015, 23(2): 145-149, 156.

Zhang Hong-gang, Wang Peng, Zhang Jing-yuan. An Aiming Point Selection Method for Wake Homing Torpedo Against Elusive Maneuver[J]. Torpedo Technology, 2015, 23(2): 145-149, 156.

[7] 陳春玉. 反魚雷技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

[8] 陳顏輝, 谷秀明. 水面艦艇純機動規避線導魚雷航向研究[J]. 指揮控制與仿真, 2013, 35(1): 38-41.

Chen Yan-hui, Gu Xiu-ming. Research on Eluding Course for Surface Ship Against Wire-guided Torpedo[J]. Command Control & Simulation, 2013, 35(1): 38-41.

[9] 李文哲, 張宇文, 范輝, 等. 基于matlab的魚雷水下彈道仿真[J]. 計算機仿真, 2008, 25(12): 35-37.

Li Wen-zhe, Zhang Yu-wen, Fan Hui, et al. Torpedo Underwater Trajectory Simulation Based on MATLAB[J]. Computer Simulation, 2008, 25(12): 35-37.

(責任編輯: 許妍)

Influence of Vessel Evasion on the Dispersion Law of Torpedo Trajectory in Tracking Section

LU Meng-wei,MA Feng,WEI Ji-feng,WANG Shu-shan
(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Evasive maneuver is the foundation and prerequisite of a vessel defense against a torpedo. By analyzing the battlefield situation in homing tracking section of an acoustic homing torpedo, this paper establishes a mathematical model of a vessel defending against an acoustic homing torpedo, and selects the evasion strategies for a vessel rapidly running away from the large board angle incoming torpedo by placing in the stern direction, then analyzes the dispersion characteristics of torpedo attack trajectory in the influence of vessel evasion. Moreover, this paper provides a decision-making basis according to different anti-torpedo hard killing weapons. This study may provide a reference for improving the survival ability of a vessel and for decision making in anti-torpedo operation.

vessel evasion; torpedo defense; trajectory dispersion

TJ630.1

A

1673-1948(2015)05-0379-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.011

2015-07-25;

2015-08-13.

盧孟維(1992-), 男, 在讀碩士, 研究方向為水下航行器總體技術.