基于渦流導引的潛射魚雷反潛命中效能分析

武 寧 穆連運 李 偉

(海軍潛艇學院 青島 266000)

基于渦流導引的潛射魚雷反潛命中效能分析

武 寧 穆連運 李 偉

(海軍潛艇學院 青島 266000)

分析了基于渦流導引的魚雷反潛作戰的基本特征,建立了魚雷攻擊命中模型,通過仿真計算,獲得了渦流導引的潛射魚雷命中效能,研究得出相較于傳統導引方式,渦流導引魚雷具有更廣的攻擊角度和更好的命中穩定性。

渦流檢測; 導引; 魚雷; 效能

Class Number V279

1 引言

魚雷是潛艇實施反潛作戰的主要武器,其導引距離是決定其反潛能力的重要因素之一。目前,魚雷反潛主要采用聲學導引,即利用主、被動聲吶探測,發現目標后攻擊目標[1]。該導引方式易受聲信號傳播特性和目標特性的影響,導引距離受到很大限制,而且易受各種人工或自然假目標的干擾。因此需要尋求新的導引技術和實現途徑。隨著海洋物理理論和海洋探測技術的發展,渦流導引技術已經由理論研究向實際應用發展,利用其探測距離遠、抗干擾能力強的優勢,可有效提高魚雷導引距離,提升作戰性能。本文旨在研究基于渦流導引的潛射魚雷反潛命中效能,探索提升魚雷反潛作戰能力的新途徑。

2 渦流導引的反潛作戰概述

2.1 基本概念

潛艇在分層流體中運動時,艇體將巨大的動能傳遞給周圍的水介質,水介質與艇體的相互作用,導致艇體周圍形成繞艇體流動的渦流[2]。這種渦流尺度有數公里之巨,其衰減需要幾天時間,可延伸至上百海里[3]。基于渦流檢測技術導引的潛射魚雷反潛作戰是指發射平臺利用專門設備探測跟蹤這種聲異常渦流并導引渦流自導魚雷攻擊目標的一種作戰方式。

2.2 技術優勢

與常用的水下導引方式——聲學導引相比,采用渦流導引擁有諸多優勢,突出體現在以下兩點:

1) 探測距離遠

潛艇渦流尺度主要受海水的Brunt-Vaisala周期T決定(海洋中的量級為4×10-2S-1)[4],在水下滯留時間以天計算。長時間滯留,保持了潛艇后方尾流的連續性,這樣就可探測潛艇艇尾幾十甚至上百海里的渦流。

2) 受海洋環境影響小

潛艇渦流是艇體與水介質的相互作用而成,所形成的物理場不容易模擬實現,其受海面海況及海洋環境影響較小,因此,渦流導引方式抗干擾能力相對較強。

2.3 技術局限

1) 由于渦流位于航行潛艇的尾部延展區域,因此,渦流導引魚雷攻潛必須從目標的后部進行,無法迎擊和截擊目標。

2) 目前,渦流探測無法進行敵我目標識別,因此,在多艇配合反潛時,必須明確分配反潛陣地和搜索路徑。

3 渦流導引魚雷命中效能分析

3.1 模型建立

假定在指定的作戰海域,反潛方潛艇搭載渦流導引裝置,使用渦流自導魚雷實施反潛作戰。潛艇采取規則機動方法進行渦流反潛偵查,探測到目標方位后,通過解算目標信息獲得目標運動要素,采取適當的方式,迅速機動占領有利發射陣位,實施魚雷攻擊。為了保證魚雷渦流自導裝置有效地檢測到目標渦流,指控系統預先計算及輸出設定的魚雷射擊諸元時必須保證魚雷進入目標渦流的預定點在目標的有效渦流范圍內。

圖1 反潛作戰雙方相對位置圖

如圖1,潛艇獲得的目標信息是-tp之前的目標位置與運動要素信息,即獲得-tp時刻目標觀測值位于P-tp點,距離D2。根據本艇經緯度坐標,可以得到-tp時刻目標與潛艇之間的方位距離,將P-tp點轉化為平面直角坐標系上的(X2,Y2)點。潛艇指控系統通過連續接收目標信息,對目標建立航跡,計算出目標航向Hm,目標速度Vm。則經tp后,目標航行至P0(X1,Y1)點,即0時刻目標與潛艇之間的距離為Dm,舷角為Qm。以潛艇0時刻的位置點為原點O,正北方向為N(y)軸,正東方向為E(x)軸,建立直角坐標系。此時潛艇發射魚雷,設瞄準點S為目標有效渦流長度中距目標艇尾某一距離處,b為S到目標艇尾的距離。魚雷直航段速度Vl1,魚雷出管直航距離,魚雷出管直航時間t0,魚雷最大航程Smax。魚雷射擊參數根據所提供的目標指示信息進行計算,魚雷射擊有利提前角為a。

由于目標位置信息與運動要素信息存在誤差,假設-tp時刻目標的真實位置點位于P-tp0(X20,Y20)點,目標的真實航向Hm0,目標的真實速度Vm0,經tp后,目標航行至P00(X10,Y10)點,目標與潛艇之間的距離為Dmo,目標舷角為Qmo,目標速度誤差為0均值正態分布隨機誤差的均分差σvm,目標航向誤差為0均值正態分布隨機誤差的均分差σHm,目標初始經緯度為0均值正態分布隨機誤差的均分差(σλD,σφD),魚雷直航時航向誤差為0均值正態分布隨機誤差的均分差σHl,魚雷直航時速度誤差為0均值正態分布隨機誤差的均分差σVl。

本文假定目標定速定向直航,在圖1中,根據遠程目標指示系統提供的觀測目標信息,目標以速度Vm沿Hm航向做直航運動,其任一時刻ti觀測目標的位置點為

(1)

式中:

(2)

由此可以求出0時刻觀測目標的位置點、觀測目標與潛艇的距離及觀測目標所處潛艇舷角,見式(3)～(5)。

(3)

(4)

(5)

由于目標指示信息存在誤差,-tp時刻目標真實位置位于P-tp0(X20,Y20)點,目標以真實速度Vm0沿Hm0航向做直航運動,其任一時刻ti目標的真實位置點為

(6)

式中:X20=X2+ΔXm,Y20=Y2+ΔYm,Hm0=Hm+ΔHm,Vm0=Vm+ΔVm。

由此可以求出0時刻真實目標的位置點、真實目標與潛艇的距離及真實目標所處潛艇舷角,見式(7)～(9)。

(7)

(8)

Qm0=Q20+β

(9)

假設,渦流自導魚雷有效渦流探測距離1h×目標航速。

見圖1,0時刻魚雷位于原點,魚雷出管后慣性直航,航行了距離a,于t0時刻位于T0點,然后以Vl1速度沿方向Hl直航運動,則此后的任一時刻ti魚雷的位置坐標為

(10)

式中:

(11)

由正弦定理可得

(12)

則

(13)

式中α為魚雷射擊有利提前角。

魚雷進行渦流自導航行時,魚雷渦流自導彈道基本類似于振幅遞減阻尼振蕩曲線,終止于魚雷命中目標或魚雷航程終了或魚雷丟失目標渦流。因此,魚雷沿目標渦流自導追蹤時在目標尾流航向上的投影速度將是一個復雜的遞增的變量。在滿足不影響魚雷追蹤命中目標精度的前提下,按照渦流進入角大小不同,渦流自導段魚雷速度損失為15%～20%。

因此,在魚雷跟蹤渦流直至命中目標的航程與航速的關系為

航行時間

t=La/2(k·Vl2-Vm)

(14)

魚雷跟蹤渦流航程

S2=Vl·t=La/2/(k·Vl2-Vm)·Vl

(15)

式(15)中La為渦流長度,k為魚雷在目標航向上的速度損失,Vl2為魚雷在渦流跟蹤段速度,Vm為目標速度。

3.2 參數計算

1) 有利提前角計算

有利提前角的計算原則就是要使魚雷與有效渦流和目標艦長度在內的有效長度中心相遇。據此,可以推導渦流自導魚雷射擊的有利提前角。

由正弦定理可得

(16)

相對于瞄準點S的等效初始射距為

(17)

又由

(18)

得

(19)

2) 魚雷航跡與目標航向線相交時參數計算

魚雷航跡與目標航線相交時魚雷運動了t0+tG的時間

-2D20[Vmo(t0+tG+tp)-b]cosQ20

(20)

魚雷航跡與目標航向線相交時魚雷搜索彈道航程計算:

魚雷搜索彈道航程

S1=a+tGVl1

(21)

魚雷航跡與目標航向線相交時目標與魚雷位置點計算:

相交時目標位置點

(22)

相交時魚雷位置點

(23)

3) 魚雷進入目標渦流判斷

判斷魚雷航跡與目標航向線相交時魚雷是否進入目標渦流

|XlG-XmG|<|XmG|+|La·sinHm|

(24)

4) 魚雷渦流進入角計算

θ=Hl+π-Hm

(25)

式中:θ為魚雷渦流進入角;Hl為魚雷航向;Hm為目標航向。

5) 雷命中目標判斷

魚雷命中目標分為兩種情況,一種情況是魚雷經過搜索彈道后,以要求的渦流進入角進入目標渦流,然后經跟蹤目標渦流彈道命中目標;另一種情況是魚雷經過搜索彈道直接命中目標;兩種情況都要求魚雷走過的總航程小于它的最大航程。

其中由式(15)計算S2,由式(20)計算S1。

若魚雷能同時滿足以下三個條件,則魚雷能夠命中目標,否則為不能命中目標。

1)S1+S2≤Smax;

2) |XlG-XmG|<|XmG|+|La·sinHm|;

3) 30°≤θ≤150°。

3.3 仿真分析

取目標速度8kn,目標航向90°,潛艇與目標初始距離30km,信息傳遞老化時間1min,魚雷航速36kn,渦流探測距離1h×目標航速,觀察潛艇所處目標舷角Q(0°～180°)對魚雷命中概率P的影響,見表1、2。

表1 目標舷角對尾流自導魚雷命中概率影響

表2 目標舷角對渦流自導魚雷命中概率影響

從表中可以看到,渦流自導魚雷的命中概率舷角范圍60°～170°,而尾流自導魚雷命中概率舷角范圍在20°～90°,可攻擊范圍大大增加。

取目標速度8kn,目標航向90°,觀察潛艇所處目標舷角70°,信息傳遞老化時間1min,魚雷航速36kn,渦流探測距離1h×目標航速,最大航程50km,潛艇與目標初始距離30km～50km對魚雷命中概率P的影響,見表3。

表3 不同發射距離對渦流自導魚雷命中概率影響

與目標初始距離的增加,命中概率隨著減小,初始距離從30km增加到50km,命中概率減小70%。

4 結語

本文對潛艇利用渦流檢測技術導引魚雷的攻潛的命中效能進行了研究,通過仿真計算表明渦流導引魚雷反潛具有更廣的攻擊角度和更好的命中穩定性。根據這一結果,進一步探索研究運用渦流檢測技術實施超遠距離反潛作戰的新方式,可為提高潛艇反潛能力提供新方向。

[1] 高永琪,劉洪,張毅.魚雷制導體制的現狀與發展趨勢[J].艦船科學技術,2003(02):2-5.

[2] 張軍,張效慈,趙峰,等.源于水動力學的潛艇尾跡非聲探測技術研究之進展[J].船舶力學,2003,7(2):121-128.

[3] Lillberg E, Alin N, Fureby C. A computational study of wakes behind submarines and surface ships[J]. Defence research establishment weapons and protection division,2000:131-147.

[4] 張效慈,張軍.潛艇內波波跡一航空獵潛的新對象[J].船舶力學,2007,11(4):508-513.

Hitting Efficiency Analysis of Submarine-launched Torpedo Based on Vortex Guidance

WU Ning MU Lianyun LI Wei

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266000)

The basic characteristics of the torpedo anti submarine warfare are analyzed based on the guidance of vortex. And the model of torpedo attack and hit is established. The hitting efficiency of submarine-launched torpedo which guided by vortex is achieved by simulation calculation. Compared with the traditional guiding method, the torpedo based on vortex guidance has a wider angle of attack and better stability. And the conclusion has been proved in the research.

eddy current testing, guidance, torpedo, efficiency

2016年8月3日,

2016年9月27日

武寧,男,碩士研究生,研究方向:軍事裝備學。穆連運,男,碩士,教授,研究方向:水中兵器發射理論。李偉,男,博士,教授,研究方向:魚雷制導工程。

V279

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.025