潛艇規避對抗條件下的火箭助飛魚雷射擊方法*

李文哲,鄭亞波,周 明,張方方

(海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018)

艦載直升機引導水面艦艇使用火箭助飛魚雷攻潛是現代反潛作戰的主要樣式之一。艦機協同反潛作戰中,火箭助飛魚雷能否命中目標，除了與魚雷本身的戰術性能指標有關以外,還與直升機探測信息、潛艇對抗措施和魚雷作戰使用方法等密切相關[1-2]。實戰條件下,艦載直升機對潛搜索過程中,潛艇很有可能已經檢測到探測信號,當潛艇確信已被發現后,為擺脫直升機跟蹤和規避水面艦艇魚雷攻擊,一般會立即采取相應的反制措施,包括進行戰術規避機動和使用水聲對抗器材對魚雷進行誘騙。因此,開展潛艇規避對抗條件下火箭助飛魚雷射擊方法研究對于提高火箭助飛魚雷對潛攻擊效果具有重要的意義。

本文闡述了潛艇規避機動方法,建立了潛艇運動模型,仿真計算了不同航速、不同射擊距離條件下潛艇可能機動區域的散布,并在此基礎上建立了艦艇采用單雷射擊、雙雷相同瞄準點齊射和雙雷不同瞄準點齊射方法時火箭助飛魚雷射擊參數解算模型,仿真計算了各種射擊方法的命中概率。研究結論可豐富火箭助飛魚雷作戰使用理論,為部隊作戰使用提供參考。

1 潛艇規避機動模型

1.1 潛艇規避機動方法

1.1.1 擺脫吊放聲吶跟蹤機動方法

當潛艇發現敵機吊放聲吶工作信號增強,且持續工作不再間歇性停測時,應認為被敵機發現。潛艇判斷被敵機吊放聲吶發現后,一般會進行機動規避,減小潛艇目標反射強度,并盡快脫離聲吶探測范圍[3]。其規避方法是:立即潛入大深度,轉向置敵于艇艉可聽測舷角,以隱蔽航速機動脫離。當直升機吊放聲吶信號中斷時,應認為可能將遭到直升機或火箭助飛魚雷攻擊,一般采用大航速進行規避機動,以增大與暴露位置間的距離,減小敵方魚雷入水后的發現概率。

1.1.2 規避火箭助飛魚雷攻擊機動方法

當潛艇聽測到火箭助飛魚雷入水噪聲或通過其他技術手段發現來襲魚雷時,應立即轉入魚雷防御,并采取一切措施全力對抗來襲魚雷攻擊,包括進行規避機動和釋放水聲對抗器材。

潛艇規避來襲聲自導魚雷的方法主要有變深、變速和變向三種[4]。變深的目的是脫離自導魚雷垂直搜索傘面和視情進入溫躍層以減小魚雷發現概率,但由于常規動力潛艇變深速度較慢,因此,這種機動方式一般核動力潛艇使用較多。變速包括加速和減速兩種機動方式。減速可以降低潛艇輻射噪聲和自噪聲,對于規避被動聲自導魚雷具有一定的效果,但規避主動聲自導魚雷或主/被動聯合聲自導魚雷效果一般。加速可以迅速增大潛艇和魚雷的距離,使潛艇盡早避開魚雷自導搜索帶,但同時也會使潛艇輻射噪聲和自噪聲變大。變向的目的是減小潛艇目標反射強度和盡早脫離魚雷水平搜索扇面。潛艇一般綜合運用多種規避機動方式并結合使用水聲對抗器材對抗來襲魚雷襲擊。

考慮到我國周邊海區水深一般較淺,潛艇變深機動效果不好,且火箭助飛魚雷入水后一般采用主/被動聯合自導的方式,本文研究潛艇采用自航式聲誘餌和變向變速綜合對抗方式對抗魚雷攻擊。發射自航式聲誘餌后,潛艇采用向誘餌運動方向的反方向加速規避機動的方式規避來襲魚雷[5-6]。

1.2 潛艇運動模型

如圖1所示,艦載直升機發現潛艇目標后對其進行連續探測以測定目標運動要素,潛艇認定被吊放聲吶發現后立即進行規避機動以擺脫聲吶跟蹤,潛艇信號丟失于m0點,此時航向為Cm,航速為Vm。目標丟失后直升機立即引導水面艦艇進行火箭助飛魚雷攻擊。潛艇于m1點判斷敵攻擊企圖后,立即采用大航速進行規避機動以拉大與暴露點間的距離。當火箭助飛魚雷經過空中飛行時間tfx入水時,潛艇在m2點聽測到魚雷入水噪聲,經過反應時間t′后,潛艇在m3點向魚雷報警方位Bbj發射自航式聲誘餌,而后立即背向聲誘餌發射方向規避機動。以潛艇信號丟失位置m0點為坐標原點,正北為y軸,正東為x軸建立坐標系。

圖1 潛艇規避機動示意圖

假設t時刻潛艇在xoy平面上的位置為(xmi,ymi),航向為Cmi,航速為Vmi,則經過Δt后潛艇位置為

(1)

其中，

Cmi=Cmi-1+ωm×Δt

(2)

式中:ωm為目標潛艇旋回角速度。

若發射自航式聲誘餌時潛艇位置為m3(xm3,ym3),經過Δt′后聲誘餌位置為

(3)

式中:VD為自航式聲誘餌速度。

通過逐點累加仿真計算,可求得火箭助飛魚雷入水時刻潛艇位置m2點的坐標值,由此可以確定火箭助飛魚雷入水時刻潛艇可能機動區域的范圍。圖2為火箭助飛魚雷射距D=20 km,潛艇初始航向Cm=0°,最大航速Vm=24 kn,旋回角速度ωm=4°/s,機動后航向Cm1為0°至360°內的隨機值,吊放聲吶丟失目標到火箭助飛魚雷發射所需時間為3 min,潛艇判斷敵攻擊企圖反應時間最少2 min時,采用統計模擬法進行仿真,得出的潛艇可能機動區域圖。由仿真結果可以看出潛艇可能機動區域為一個近似橢圓,該近似橢圓長軸長4 526 m,短軸長4 171 m,長、短軸相差約355 m,可能機動區域中心點O位于潛艇初始航向前方,與m1點的距離為175 m。

圖2 魚雷落水時目標位置的可能區域仿真圖

根據潛艇的機動特性和旋回機動參數,對艦艇采用不同發射距離時潛艇可能機動區域進行仿真計算,得到潛艇的可能機動區域長軸長度數據如圖3所示。

圖3 潛艇可能機動區域長軸長度仿真圖

由仿真數據可知,潛艇可能機動區域長軸長度隨火箭助飛魚雷射距和潛艇最大航速的增大而增大。當潛艇規避最大航速較小且火箭助飛魚雷射擊距離較近時,潛艇可能機動區域較小,火箭助飛魚雷搜索攻擊區域可以覆蓋潛艇可能機動區域,這時應采用單雷射擊或向同一瞄準點齊射的射擊方法。當潛艇規避最大航速較大且火箭助飛魚雷射擊距離較遠時,潛艇可能機動區域較大,火箭助飛魚雷搜索攻擊區域不能完全覆蓋潛艇可能機動區域,這時應采用向不同瞄準點齊射的射擊方法。

2 射擊參數解算模型

2.1 單雷射擊參數解算模型

由于潛艇可能機動區域是一個類似橢圓,為保證火箭助飛魚雷水下自導搜索區域盡量大地覆蓋潛艇可能機動區域,單雷射擊時射擊瞄準點應取該區域的散布中心點,進而求出魚雷的射擊參數。

2.2 雙雷齊射射擊參數解算模型

當向潛艇可能機動區域齊射火箭助飛魚雷時,為使魚雷水下作戰范圍更多地覆蓋潛艇機動區域,兩個瞄準點應位于橢圓的長軸并分布于中心點的兩側,且應盡量接近中心點。兩個瞄準點的位置主要根據潛艇可能機動區域長軸長度和火箭助飛魚雷水下自導作用距離確定。另外,在確定雙雷齊射射擊瞄準點時還應注意:火箭助飛魚雷入水后的搜索攻擊區域近似于以落水點為圓心,自導作用距離為半徑的圓。對該區域的計算要充分估計水文條件對魚雷自導作用距離的影響,要考慮魚雷水下環形搜索一周引起的潛艇可能區域的增大而導致瞄準點位置的改變。

圖4為水面艦艇齊射火箭助飛魚雷示意圖,其中A點和B點分別為兩雷的射擊瞄準點,L為魚雷水下環形搜索一周后潛艇可能區域長軸長度的一半,R為魚雷自導作用距離。

圖4 雙雷齊射射擊瞄準點計算示意圖

如圖4(a)所示,當L≤R時,火箭助飛魚雷的搜索攻擊區域可以覆蓋潛艇的可能機動區域,此時,應以O為瞄準點向相同瞄準點齊射。

通過上述方法確定兩枚魚雷射擊瞄準點后,即可解算出各自的射擊參數。

3 火箭助飛魚雷命中概率仿真

3.1 仿真計算參數設定

1)潛艇：初始航向為0°,最大航速24 kn,旋回角速度4°/s,潛艇魚雷報警方位均方差10°,潛艇判斷敵攻擊企圖最短反應時間為2 min,從魚雷報警到發射聲誘餌對抗來襲魚雷的反應時間是30 s。

2)直升機：使用吊放聲吶對潛搜索,吊放聲吶測距均方差2%·D,測方位均方差3°,解算目標航向均方差3°,解算目標航速均方差3 kn,吊放聲吶丟失目標到火箭助飛魚雷發射的系統反應時間為3 min。

3)自航式聲誘餌：從發射到入水工作時間間隔為10 s,水中最大工作時間為120 min,航速8 kn,航向均方差2°,航速均方差1 kn。

4)火箭助飛魚雷:射程5 km～40 km,落水點橫、縱軸散布誤差300 m,空中飛行時間均方差3 s。魚雷水下航速45 kn,航程10 km,旋回角速度10°/s,自導作用距離2 000 m,自導波束水平扇面角90°,魚雷水下不互導,水下航向均方差2°,航速均方差2 kn,航程均方差600 m,自導搜索傘面均方差5°,自導搜索半徑均方差200 m。

根據圖3中潛艇可能機動區域與射擊距離的關系以及火箭助飛魚雷的性能,在射擊距離小于15 km時采用向相同瞄準點齊射的射擊方法,射擊距離大于15 km時采用向不同瞄準點齊射的射擊方法。

3.2 對抗流程設定

直升機吊放聲吶探測到潛艇后保持穩定跟蹤并解算目標運動要素,在此過程中,潛艇探測到吊放聲吶跟蹤信號并進行隱蔽機動以擺脫聲吶跟蹤。吊放聲吶丟失目標后,水面艦艇立即依據現有的目標位置和運動要素解算火箭助飛魚雷射擊諸元,發射火箭助飛魚雷對潛攻擊。潛艇擺脫跟蹤后繼續保持觀測,當發現吊放聲吶信號消失時,應考慮敵方可能將對潛艇實施攻擊,此時潛艇立即進行高速機動以增大與暴露位置間的距離。火箭助飛魚雷入水時,潛艇聽測到入水噪聲,立即釋放自航式聲誘餌,并以最大航速轉入規避機動,對抗來襲魚雷。如圖5所示。

圖5 對抗流程圖

3.3 仿真結果分析

根據上述模型、參數和對抗流程,運用Matlab進行仿真,仿真實驗次數設定為2 000次,得到火箭助飛魚雷分別采用單雷射擊、雙雷相同瞄準點齊射、雙雷不同瞄準點齊射命中概率與射擊距離的關系如圖6所示。

圖6 命中概率與射擊距離關系圖

從仿真數據可以看出:

1)由于受到對抗器材和潛艇機動規避的影響,火箭助飛魚雷命中概率較低,命中概率隨射擊距離的增大而減小。單雷射擊命中概率在76%以下,且隨射擊距離的增加快速減小,當射擊距離大于14 km時,命中概率降至50%以下;雙雷齊射命中概率相對較高。

2)雙雷不同瞄準點齊射相對于雙雷相同瞄準點齊射而言具有較高的命中概率,尤其是射擊距離較大時,雙雷不同瞄準點齊射相對于雙雷相同瞄準點齊射的優勢更加明顯。這是因為雙雷不同瞄準點齊射能夠覆蓋更大的攻擊區域,并且雙雷相同瞄準點齊射時兩枚魚雷瞄準點相同,落水點位置相差并不遠,當潛艇探測到魚雷入水噪聲并釋放自航式聲誘餌進行對抗時,很可能對兩枚魚雷都造成了誘騙,消耗了魚雷的航程,降低了命中概率,而雙雷不同瞄準點齊射時,由于兩枚魚雷落水點位于潛艇可能機動區域中心的兩側,當潛艇探測到先入水的魚雷噪聲并釋放自航式聲誘餌進行對抗時,誘餌往往只能對先入水的魚雷造成誘騙,而當目標潛艇轉入規避航向時,很可能進入了另一枚魚雷的搜索區域。

3)雙雷不同瞄準點齊射的命中概率隨射擊距離的增加先增大后減小,當射擊距離為20 km時,命中概率最高。這是因為射擊距離小于20 km時,潛艇的可能機動區域較小,當采用雙雷不同瞄準點齊射時,兩枚魚雷落水點位置距離較近,被自航式聲誘餌同時誘騙的概率隨射擊距離變大逐漸減小,所以命中概率隨射擊距離增大。當射擊距離大于20 km時,兩枚魚雷被自航式聲誘餌同時誘騙的概率將變得很小,所以命中概率將隨射距的增大而減小。

由此可見,對采用機動規避和聲誘餌進行綜合對抗的潛艇目標實施直升機引導火箭助飛魚雷攻擊時,為保證較高的命中概率,在發射條件允許的情況下,應盡量采用雙雷齊射射擊方法。齊射射擊方法應根據潛艇可能機動區域和魚雷搜索攻擊區域的大小來確定,當潛艇最大航速較小或射擊距離較近時,采用向相同點齊射的射擊方法,當潛艇最大航速較大或射擊距離較遠時,采用向不同點齊射的射擊方法。

4 結束語

火箭助飛魚雷的命中概率除了與魚雷本身性能有關外,還與潛艇的戰術對抗動作、水文環境密切相關,本文在研究火箭助飛魚雷作戰使用方法時充分考慮到潛艇機動規避和使用水聲對抗器材的影響,通過計算機仿真計算了不同射擊方法的命中概率,研究結論更貼近實戰,可為水面艦艇使用火箭助飛魚雷反潛提供理論指導。