艦載超空泡射彈反魚雷武器系統發展構想

洪 浩

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061）

0 引言

超空泡技術的出現源自空化理論。當航行體與水之間發生高速相對運動時，航行體表面附近的水因低壓而發生相變形成空泡，當空泡尺寸大到能夠覆蓋航行體大部分或全部表面時成為超空泡。由于航行體在水中的摩擦阻力約為在空氣中摩擦阻力的850倍，形成超空泡后，航行體在水中的阻力可減少90%左右[1]。超空泡水中兵器利用這一原理實現水下高速運動，如超空泡魚雷、超空泡射彈、超空泡深彈等。其水下運動速度可達100m/s～300m/s或更高。

超空泡射彈是一種可在水下高速航行的特殊炮彈，通過炮彈的特殊幾何形狀設計，可在水下高速運動時形成超空泡，從而使彈丸在水中的運動阻力大大減小，提高彈丸的水下末端存速、射程與對目標的侵徹能力。超空泡射彈可應用在水面艦艇上，與現有的大中小口徑艦炮共管發射，利用其高射速、高射頻、載彈量大、持續戰斗力強的特點，可擔負艦艇末端硬毀傷魚雷、水雷目標的使命任務。同時可對近區UUV、微型潛艇、蛙人等水下小目標實施硬毀傷。本文以將超空泡射彈應用于水面艦艇反魚雷作戰為例，介紹其武器系統基本組成、關鍵技術及應用前景等。

1 國外超空泡射彈武器發展現狀

近年來，超空泡技術得到快速發展，其高速運動產生的巨大動能足以使被攻擊的目標遭受毀滅性打擊。基于水下高速、高精度等特性，一些軍事強國將其運用到不同的軍事領域。其中美國、俄羅斯、德國、挪威等國表現的尤為突出，在超空泡射彈及武器系統的研究方面投入了大量的資源。

美國早在20世紀四五十年代就對高速、超高速入水空泡及水中彈道問題產生濃厚的興趣，對入水速度在90 m/s～2 130 m/s范圍內的空泡及彈道特性進行過深入細致的研究。對超空泡武器減阻技術的研究重點在小尺度防御型超空泡武器——超空泡射彈上。已于1995年成功研制出超空泡射彈武器系統——RAMICS機載快速滅雷系統。該系統以水雷戰為目標，以艦載直升機為平臺，通過機載火控子系統和MK44 30 mm火炮發射MK258 Mod1型超空泡射彈，能穿透并摧毀水下40 m處水雷。美海軍正在開發的另一種超空泡射彈是自適應高速水下彈藥（AHSUM），它由安裝在水面艦艇水下船體和潛艇上的全水下火炮發射，構成水下“密集陣”近程反魚雷武器系統，主要用于攔截尾流自導魚雷。

早在1960年，俄羅斯就開展了超空泡魚雷的研究工作，并于20世紀80年代研制成功第一代暴風超空泡魚雷，速度達到100 m/s。俄羅斯超空泡射彈試驗主要分為兩種：一種是約束模超空泡射彈試驗；另一種是自由飛行高速射彈試驗。約束模超空泡射彈試驗能夠保證穩定的試驗彈道，為研究穩定的超空泡流空泡的初生、發展、潰滅，以及在射彈入水階段的不穩定過程創造了可能性；約束模超空泡射彈試驗主要的速度范圍是50 m/s～150 m/s，并能夠完成較大尺度的超空泡射彈試驗研究。而自由飛行試驗能夠更加真實地再現射彈的工作環境，通常在真實海洋環境條件下進行。

德國在20世紀80年代中期，開始“梭魚”超空泡射彈的研制工作，并在20世紀末進行了多次水下射彈試驗。試驗結果表明，在某一恒定的水深上，射彈速度可保持在120 m/s，試驗航程的偏航誤差僅為0.5 m～0.8 m。另外，20世紀90年代初，德國人還提出了帶自導和轉向功能的超空泡水下火箭式射彈開發計劃，并取得了關鍵技術的突破[2]。

挪威DSG公司研究認為，其研發的MEA多環境超空泡射彈與高頻聲吶及火控系統配合使用時，將是對魚雷進行硬殺傷的最有效的方法。其研發的MEA多環境超空泡彈藥種類如圖1所示，彈藥口徑分為 5.56 mm、7.62 mm、12.7 mm、20 mm、30 mm 5種，用30 mm超空泡彈藥攔截MK-46型反潛魚雷的毀傷試驗效果如圖2所示。

圖1 挪威DSG公司研發的超空泡射彈種類

圖2 挪威DSG公司超空泡射彈對MK46型魚雷毀傷效果圖

2 超空泡射彈應用于水面艦艇反魚雷作戰需求分析

綜觀各國水面艦艇，反魚雷作戰可劃分為3個層次：

1）外層魚雷防御圈，在距艦艇3 km以外的范圍。在此距離范圍內，本艦聲吶可以對來襲魚雷進行探測、報警，具備對抗和攔截條件。對其防御主要以低頻噪聲干擾器材干擾魚雷導引聲吶和對魚雷的遠程攔截（如ATT反魚雷魚雷）為主，并配合本艦機動。

2）中層魚雷防御圈，在距艦艇1 km～3 km的范圍內。在這個距離范圍內，來襲魚雷的自導裝置已開機搜索目標，對其的防御主要以聲誘餌誘騙魚雷自導裝置和中程硬殺傷攔截為主，并配合本艦機動。

3）近層魚雷防御圈，在距艦艇1 km以內的范圍。這個距離范圍屬于魚雷防御的最末端，來襲魚雷的自導裝置已鎖定本艦，靠本艦機動，無法擺脫魚雷的追蹤。對其的防御主要以拖曳式聲誘餌誘騙和近程末端硬殺傷攔截為主。

水面艦艇魚雷防御層次劃分如下頁圖3所示。

圖3 水面艦艇魚雷防御層次劃分

魚雷相當于“水下導彈”，在現代海戰中的作戰價值非常高。現代魚雷呈現出靜音化、高速化、長航程、大威力和智能化的發展趨勢，是水面艦艇面臨的主要威脅源之一。在潛艇與水面艦艇的攻防對抗中，潛艇常采用單艇齊射魚雷或多艇多方位發射多枚魚雷攻擊水面艦艇的作戰樣式。水面艦艇應具備遠中近末完善的魚雷防御體系，具備有效對抗或攔截多批次來襲魚雷的作戰能力，才能保證戰時水面艦艇的生存力。水面艦艇通過聲吶探測來襲魚雷，但無論是反潛聲吶，還是魚雷報警聲吶，均對魚雷目標探測距離近、定位誤差較大，戰時存在敵魚雷突破中層防御圈進入艦艇末端的可能。從現有魚雷防御手段上看，一旦魚雷突破中層防御，在近層主要靠拖曳式聲誘餌以誘騙為主，缺乏有效的硬殺傷手段。但拖曳式聲誘餌只能對抗聲自導魚雷，對尾流自導魚雷、直航魚雷等不起作用。且拖曳式聲誘餌對智能化程度高，具備尺度、亮點等識別功能的高性能魚雷，對抗效果亦十分有限[3]。從世界范圍來看，潛艇與水面艦艇在1 000 m近程范圍內的防御問題一直是個薄弱環節，也一直受到各主要海軍大國的高度重視，而基于水下環境發射的超高速彈藥的出現則為海上作戰平臺的近程防御提供了全新的手段。從20世紀80年代起，美海軍水下戰中心等對小口徑水下高速彈藥武器進行了系統、深入的研究工作。研究結果表明：從能力和任務需求角度考慮，超空泡技術的作用十分顯著，超空泡射彈最有價值的應用方向是艦艇魚雷防御[4]。

3 艦載超空泡射彈反魚雷武器系統基本組成

反魚雷武器系統一般由探測分系統、指揮決策及火控分系統、對抗實施分系統3部分組成。

以小口徑艦炮為例，艦載超空泡射彈反魚雷武器系統基本組成如圖4所示。

圖4 艦載超空泡射彈反魚雷武器系統基本組成圖

3.1 探測分系統

探測分系統由魚雷報警聲吶、專用魚雷定位聲吶組成。魚雷報警聲吶要求在中遠程探測跟蹤上來襲魚雷，完成目標識別，確定報警方位。其主要特點是采用中低工作頻段（一般頻率范圍500 Hz～6 000 Hz）、探測距離較遠（中等水文條件下，探測距離＞6 km），但其不足一是無論采用純被動或主被動聯合工作方式，在中遠程只能分辨出魚雷方位，不能確定魚雷距離；二是探測精度較低，不能滿足超空泡射彈武器精確攔截魚雷目標作戰需求。專用魚雷定位聲吶與魚雷報警聲吶配合使用，根據魚雷報警聲吶探測的方位信息，在重點方向偵測來襲魚雷。其主要特點是采用高頻體制（頻率＞30 kHz）、在近距離上（＜1 km）實現對魚雷目標的高精度探測，為超空泡射彈武器的控制提供高精度探測數據[5]。

3.1.1 魚雷報警聲吶

一般采用拖曳線列陣聲吶，如美國SLR-24型專用探雷聲吶、法國ALBATROS型魚雷報警聲吶等。工作體制分為被動和主被動聯合兩種方式[6-8]。

由于魚雷的聲反射面積遠小于潛艇，而航行中魚雷的多普勒頻移又較大等特點，魚雷報警聲吶在技術實現和性能要求上與反潛線列陣聲吶有明顯不同。

1）頻率范圍：能覆蓋魚雷輻射噪聲的主要頻段。一般選為500 Hz～6 000 Hz；其中在1 000 Hz附近，包含有魚雷輻射噪聲中較豐富的線譜特征；2）具備左右舷分辨能力；3）具備高正確率的魚雷識別能力；4）能快速進行魚雷目標運動分析；5）初始報警距離≥6 km[3]。

3.1.2 專用魚雷定位聲吶

專用魚雷定位聲吶與魚雷報警聲吶配合使用。魚雷報警聲吶用于中遠程探測，專用魚雷定位聲吶用于近程精確定位。專用魚雷定位聲吶可將魚雷報警聲吶探測的魚雷目標方位、距離參數作為導引參數，引導該聲吶對近程來襲魚雷進行精確測距、測向、測深。

專用魚雷定位聲吶一般采用垂直窄波束發射、水平窄波束接收的基陣形式，以最大限度抑制界面混響，提高近水面目標的檢測能力；并采用較高的工作頻率，以提高對目標方位、距離測量精度。

3.2 指揮決策與火控分系統

指揮決策與火控分系統接收聲吶探測的魚雷目標方位、距離、徑向速度、深度等信息，解算魚雷運動參數。在此基礎上，完成攔雷作戰戰術指揮決策與火力控制兩部分功能。

戰術指揮決策：對魚雷目標，進行威脅判斷，確定待攔截目標。根據艦炮配置情況，指定執行攔截任務的艦炮裝置。對多批次魚雷目標，制定轉火攔截預案。

火力控制：完成超空泡射彈空中和水下彈道處理，計算艦炮射擊諸元，確定開停火時機，控制艦炮在來襲魚雷航路上連續發射超空泡射彈實現對魚雷目標的精確攔截。

3.3 對抗實施分系統

對抗實施分系統由小口徑艦炮和超空泡射彈組成。

3.3.1 小口徑艦炮

國內外水面艦艇一般均配備有小口徑艦炮，執行防空反導使命任務。可在原有技術狀態基礎上，增加俯仰負角射擊范圍等，以適應打擊水下魚雷目標的需求。

要求艦炮射速：≥300發/min；彈箱容量：≥100發。

3.3.2 超空泡射彈

超空泡射彈需在氣（汽）、水多介質環境中保持穩定高速彈道，通過基于水流場匹配高效減阻與結構設計（超空泡匹配外形減阻、彈道結構減阻、水下輔助減阻等）來實現彈藥水下射程及水中存速能力的大幅提升。如何實現彈丸在水下保持高速穩定運動并達到戰斗力需要的水下射程及存速，是超空泡射彈步入實戰化的基礎。1）超空泡射彈入水初速＞1 000 m/s；2）雷彈交匯點處，射彈末端存速＞150m/s。

4 系統及主要組成設備關鍵技術

4.1 艦載超空泡射彈反魚雷武器系統關鍵技術

4.1.1 水下彈道處理技術

水下超空泡射彈包括撞擊、流動形成、開空泡、空泡閉合等過程。涉及空氣、水和彈體三者之間的相互作用和不定常運動問題。現階段水下彈道停留在工程近似處理上。試驗研究在水下彈道的研究中占有重要地位。美國海軍水下戰中心超空泡項目大量的工作重點放在對超空泡武器水下彈道的準確測量、預報與處理技術方面。

4.1.2 預警、探測、決策、控制、攔截一體化技術

魚雷防御強調快速性。系統應采用一體化設計技術，將魚雷防御的各環節緊密銜接，形成“預警、探測、決策、控制、攔截”完整的快速“火力打擊鏈”。

在集成編隊水下目標信息基礎上，重點監測敵潛艇所在方位，根據魚雷輻射噪聲的頻譜特征、出管時的瞬態特征、位變率距變率等運動特征實時監測魚雷目標，形成對潛射魚雷的預警能力。當魚雷報警聲吶探測到魚雷后，快速進行目標運動分析，引導專用魚雷定位聲吶在魚雷來襲航向上精確跟蹤魚雷。同時系統生成攔截目標批號，武器使用決策方案，解算武器射擊諸元，控制小口徑艦炮在魚雷來襲航向上連續發射超空泡射彈實施硬毀傷攔截。

4.1.3 武器系統試驗方法研究

由于水下環境的復雜性，不同水文條件對聲吶探測性能影響較大。海水中溫、鹽、深等因素對射彈的水中超空泡效應及其水下彈道亦有嚴重影響。在系統、彈藥、各組成設備研制過程中，需采用數字仿真、水靶道、湖試、海試相結合的方式開展相關試驗。重點解決水下彈道測量、魚雷及環境噪聲測量、魚雷及制導方式模擬、武器毀傷效應評估、末端防御效能評估、真實海洋環境下聲吶指標測試及系統聯動測試等多項試驗關鍵技術，提高武器系統試驗、測試及驗證的能力與水平[9]。

4.2 魚雷報警聲吶關鍵技術

魚雷報警聲吶完成魚雷探測、分類、定位3項功能。不僅需解決常規拖曳陣中的一些關鍵技術，還需針對魚雷報警的特殊性，解決由此帶來的技術問題。關鍵技術概括如下：1）常規拖曳陣中的關鍵技術：拖船噪聲自適應抵消技術；拖曳陣成形技術；拖曳陣減振降噪技術；收放/存儲絞車技術；大規模數字信號處理技術；2）三基元集束基陣拖曳平衡技術；3）左右舷分辨技術；4）主動報警聲吶收發分置及信號處理技術；5）高正確率魚雷分類技術；6）快速目標運動要素估計技術。

4.3 專用魚雷定位聲吶關鍵技術

4.3.1 魚雷目標測深技術

由于超空泡射彈采用直接命中侵徹方式毀傷來襲魚雷，需要聲吶提供魚雷距離、方位和航行深度三維全向信息。魚雷航行深度不同，艦炮的發射角、射彈的入水角皆不同。深度測量精度直接制約魚雷防御的成功概率。但水面艦艇配裝的反潛聲吶和魚雷報警聲吶一般對水下目標無測深能力。所以對專用魚雷定位聲吶，具備測深能力是其一項基本功能要求。可通過對聲吶波束的形成、控制與專用信號處理，測量出聲基陣與魚雷航行體之間的俯仰角度，進而得出魚雷航行深度。

4.3.2 高精度魚雷目標定位技術

同所有軟硬武器一樣，聲吶對水下目標的定位精度很大程度上決定超空泡彈藥武器系統的防御效能。而超空泡射彈采用“點對點”直接命中毀傷機制攔截魚雷目標，聲吶對目標的高精度定位尤顯重要。魚雷聲反射面積小，而來襲魚雷一旦進入艦艇防御末端，一般航深較淺（距本艦100 m～1 000 m，航深5 m～30 m），海面界面混響較大，這些都嚴重影響聲吶探測能力。

為提高魚雷目標定位精度，需采用以下關鍵技術：1）采用分裂波束形成及自適應波束形成處理技術；2）采用高頻探測技術；3）應用現代控制理論中的狀態反饋控制方法：火控分系統利用濾波估值計算出目標位置、速度等，由聲吶信號處理機向火控分系統送出波束跟蹤偏差，火控分系統計算下一波束中心點指向位置，并用此參數導引聲吶跟蹤目標，實現對聲吶波束的邊跟蹤邊控制，以有效提高聲吶測量精度。

4.4 超空泡射彈關鍵技術

4.4.1 高效減阻技術

彈藥水中減阻技術直接影響超空泡形成和水中存速能力高低，主要包括降低射彈超大法向入射角高速入水速度損耗、優化超空泡匹配外形、彈道結構減阻、輔助減阻技術等。

4.4.2 超大法向入射角高速入水及“雙高”彈道穩定性技術

提高射彈法向入射角，能延伸系統有效攔截距離。通過抗傾覆結構設計等技術，增強射彈尾翼空化效能，優化空泡包絡層形成歷程，改進射彈水中自穩特性，保證射彈最大法向入射角≥85°。并保證空中和水下“雙高速”彈道穩定性。

4.4.3 對魚雷高效毀傷技術

采用爆炸碎片和疊加沖擊波等方式破壞魚雷內部結構，使之失去動力、制導控制失靈或局部解體甚至引爆魚雷炸藥[10]。

5 系統作戰流程

艦載超空泡射彈反魚雷武器系統作戰流程可分為目標探測、目標信息處理、指揮決策、射擊諸元計算、發射控制及射后處理等。

系統作戰流程如圖5所示。

6 發展前景

圖5 系統作戰流程

艦載超空泡射彈反魚雷武器系統具有攔截快速、高效等性能優勢。超空泡射彈在水下初速可以達到1 000 m/s以上，遠遠高于魚雷速度，可實現快速攔截；備彈量充足，可以實施多次連射，并可以迅速轉火攔截，攔截多批次魚雷目標。反魚雷超空泡射彈武器系統主要負責1 000 m范圍內的末端防御，與現有水聲對抗器材、包括反魚雷在內的硬殺傷魚雷防御武器形成層次互補，構建水下分層防御體系，承擔艦艇末端防御、水下“守門員”職責。超空泡射彈武器系統除毀傷魚雷目標外，對水雷、UUV、蛙人、微型潛艇等水下近程目標具備有效打擊或毀傷能力。總體攔截毀傷效能高、使用范圍廣，且成本較低，展示出巨大的軍事應用前景。