基于相對運(yùn)動考慮海流影響的攔截彈布放方法

任 磊,賈 躍,施 帆

(1.海軍大連艦艇學(xué)院水武與防化系,遼寧大連116018；2.中國人民解放軍92681部隊(duì),上海200940)

0 引言

使用懸浮式深彈攔截來襲魚雷時(shí)，需要盡可能將其布放在來襲魚雷將要經(jīng)過的航線上，使其懸浮在水中等待魚雷經(jīng)過，檢測到目標(biāo)后通過爆炸實(shí)施毀傷，其布放位置的準(zhǔn)確性直接影響到攔截魚雷的效果[1]。由于海流的存在，懸浮式深彈的布放位置會不斷發(fā)生改變，這種改變可能使其偏移來襲魚雷將要經(jīng)過的航線，也就無法檢測并毀傷目標(biāo)。所以，海流是可能影響懸浮式深彈攔雷效果不可忽視的重要因素之一。雖然，海流同樣會對來襲魚雷的運(yùn)動航跡產(chǎn)生影響[2]，但目前潛射反艦魚雷在發(fā)射之前能夠根據(jù)事先掌握的作戰(zhàn)海區(qū)海流大小和方向，對雷體進(jìn)行海流參數(shù)的裝訂，從而修正魚雷的航行軌跡；所以，為了保障艦艇自身安全，充分發(fā)揮懸浮式深彈的防御作用，同樣需要對海流影響下的懸浮式深彈布放參數(shù)進(jìn)行修正。這就是本文所要研究和解決的主要問題。

1 海流影響的簡化模型

如圖1所示，懸浮式深彈通過氣囊作用實(shí)現(xiàn)在水中懸浮，故懸浮氣囊、承重電纜、換能器和分離后的彈體組成了一個(gè)海洋纜系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)在水平方向的運(yùn)動受到海流等自然因素的共同影響，但是由于氣囊的受力面積較小，并且系統(tǒng)的質(zhì)量集中在水下部分，所以這里進(jìn)行簡化處理，僅考慮海流對懸浮式深彈布放位置的影響。

圖1 懸浮式深彈水中懸浮姿態(tài)示意圖Fig.1 Attitude schematic diagram of suspended depth charge

圖2 懸浮式深彈布放位置受海流影響變化示意圖Fig.2 Change of suspended depth charge’s position influenced by ocean current

從圖1可以看到，懸浮式深彈作為一個(gè)海洋纜系統(tǒng)在海水中受到海流影響姿態(tài)發(fā)生改變，其姿態(tài)改變以后水平方向受到的力和力矩也會隨海流的方向和大小發(fā)生變化。

但是，從理論上說，當(dāng)海流的大小和方向均穩(wěn)定的情況下，該系統(tǒng)最終將作勻速直線運(yùn)動，處于一種平衡的狀態(tài)。因此，可以通過試驗(yàn)測量出在不同大小的海流作用下懸浮式深彈的運(yùn)動速度，通過內(nèi)插和擬和得到海流大小與懸浮式深彈運(yùn)動速度之間的數(shù)值關(guān)系。這里先做簡化處理，即認(rèn)為懸浮式深彈的布放位置隨海流做同向同速運(yùn)動。

如圖2所示，以艦艇魚雷報(bào)警時(shí)刻的位置W0為坐標(biāo)原點(diǎn)O，X和Y軸的取向同前，建立直角坐標(biāo)系。假設(shè)海流的大小為Vhl，方向?yàn)镃hl，懸浮式深彈布放數(shù)量為n，則第i枚懸浮式深彈的布放位置Pi將隨其懸浮時(shí)間tx發(fā)生變化，如式(1)所示。

2 非標(biāo)準(zhǔn)條件修正方法修正海流的問題

根據(jù)海流對懸浮式深彈布放位置影響的簡化模型可知，懸浮式深彈入水后在海流作用下運(yùn)動，其布放位置隨時(shí)間一直在變化，所以除了海流的大小和方向，懸浮式深彈布放位置的偏移幅度與懸浮式深彈等待魚雷經(jīng)過的懸浮時(shí)間密切相關(guān)。考慮到聲吶主動工作方式下目標(biāo)魚雷的距離已經(jīng)很近，魚雷接近的時(shí)間非常短；所以這里只研究聲吶被動工作方式下的海流修正問題。這種情況下，懸浮式深彈通常按照“雙側(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)”方法實(shí)施布放[4]，所以對懸浮式深彈進(jìn)行的海流影響修正也針對其雙側(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)展開，便于確定其布放方案。

要修正懸浮式深彈的布放位置，首先需要計(jì)算懸浮式深彈從開始受到海流影響到與來襲魚雷相遇的懸浮時(shí)間。但是，由于布放在2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的懸浮式深彈是分別針對魚雷報(bào)警范圍遠(yuǎn)、近端的來襲魚雷布放的，所以這里考慮的是布放在2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的懸浮式深彈從開始受到海流影響到與遠(yuǎn)、近端來襲魚雷相遇的懸浮時(shí)間。

如圖3所示，如果忽略各枚懸浮式深彈的發(fā)射間隔，那么從魚雷報(bào)警時(shí)刻開始，經(jīng)過系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、武器空中飛行時(shí)間，布放在2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的懸浮式深彈是同時(shí)入水的。也就是說，從魚雷報(bào)警時(shí)刻開始，到布放在2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的懸浮式深彈入水，魚雷報(bào)警距離范圍遠(yuǎn)、近端的魚雷航行時(shí)間相同，假設(shè)兩者航速均估計(jì)為50 kn，則兩者航行的距離相同。假設(shè)魚雷報(bào)警距離范圍遠(yuǎn)、近端的魚雷當(dāng)懸浮式深彈入水時(shí)分別航行至 T′1、T′2，則有魚雷報(bào)警距離范圍遠(yuǎn)端魚雷可能位置到懸浮式深彈最大射程圓的距離大于近端魚雷可能位置到懸浮式深彈最大射程圓的距離[5]，即 T′1P1＞T′2P2。 所以，布放在遠(yuǎn)端基準(zhǔn)點(diǎn)的懸浮式深彈海流修正時(shí)間要大于布放在近端基準(zhǔn)點(diǎn)的懸浮式深彈海流修正時(shí)間，布放基準(zhǔn)點(diǎn) P1、P2分別修正到 P′1、P′2點(diǎn)，其它懸浮式深彈則按照相等間隔布放在P′1和P′2之間。

圖3 按非標(biāo)準(zhǔn)射擊條件修正方法修正海流影響示意圖Fig.3 Schematic diagram of correcting ocean current influence using nonstandard condition correction method

這種修正海流影響的懸浮式深彈布放方法類似于非標(biāo)準(zhǔn)射擊條件的修正[6]，即按照海流產(chǎn)生的武器入水點(diǎn)偏差進(jìn)行反向修正。這種方法雖然簡單易行，但是存在2個(gè)方面的問題：1)修正精度存在問題。由于懸浮式深彈發(fā)射以后在空中的飛行時(shí)間與其射程存在一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)懸浮式深彈按照上述方法進(jìn)行海流影響修正后，其落點(diǎn)位置的發(fā)射距離不再是其最大射程，所以當(dāng)魚雷經(jīng)過最大射程圓時(shí)，懸浮式深彈受海流影響運(yùn)動的位置不在其期望修正的位置，這就使海流影響的修正存在誤差，將直接影響到懸浮式深彈對來襲魚雷的攔截概率。2)修正位置可能超出懸浮式深彈的射程范圍。由于魚雷報(bào)警距離遠(yuǎn)時(shí)，懸浮式深彈的布放基準(zhǔn)點(diǎn)通常取在其最大射程圓上。如果此時(shí)海流使懸浮式深彈存在向其發(fā)射位置點(diǎn)移動的趨勢，那么按照上述方法進(jìn)行修正后，懸浮式深彈的布放位置將會超出武器的最大射程。這種情況下，懸浮式深彈武器系統(tǒng)的火控設(shè)備無法計(jì)算射擊諸元。綜合以上2點(diǎn)看，直接按照非標(biāo)準(zhǔn)射擊條件的修正方法對懸浮式深彈布放位置實(shí)施修正不是最佳選擇，所以下面研究了基于相對運(yùn)動的海流修正方法。

3 基于相對運(yùn)動的海流修正方法

如圖4所示，以水面艦艇的魚雷報(bào)警位置W0為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以正北方向?yàn)閅軸正向建立直角坐標(biāo)系。水面艦艇航向?yàn)镃w，魚雷報(bào)警舷角為Qw，魚雷報(bào)警距離范圍的最遠(yuǎn)和最近端位置分別為T1和T2，最遠(yuǎn)和最近端位置的魚雷航向分別為Cm1和Cm2，懸浮式深彈的最大射程和最小射程分別用Rmax和Rmin表示。經(jīng)過系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間后，水面艦艇于W1點(diǎn)發(fā)射懸浮式深彈。布放海區(qū)的海流方向?yàn)镃hl，海流速度為 Vhl。

假設(shè)懸浮式深彈發(fā)射后經(jīng)過空中飛行時(shí)間后入水，此時(shí)魚雷報(bào)警范圍最遠(yuǎn)和最近端魚雷分別航行至 T′1和 T′2點(diǎn)。 分別以 T′1和 T′2點(diǎn)為起點(diǎn)，以海流的流向和流速做出矢量T′1H1和T′2H2，以魚雷的航向 Cm1和 Cm2分別做出矢量 T′1H′1和T′2H′2。 再分別以H1和H2為起點(diǎn)，以H′1和H′2為終點(diǎn)，連接 H1H′1和 H2H′2。 矢量 H1H′1和 H2H′2的方向分別用C′m1和C′m2表示，即魚雷相對于海流的速度方向。 分別以 T′1和 T′2點(diǎn)為起點(diǎn)，以C′m1和C′m2為射向的射線與懸浮式深彈最大射程圓的交點(diǎn)P′1和P′2即修正海流影響后武器的布放基準(zhǔn)點(diǎn)。各枚懸浮式深彈即按照相等間隔布放在P′1和P′2之間，構(gòu)成修正海流影響的布放攔截陣列，這就是基于相對運(yùn)動的海流影響修正方法。實(shí)際上這種方法就是將懸浮式深彈入水之后，其與來襲魚雷的運(yùn)動進(jìn)行矢量合成，將海流對懸浮式深彈的影響轉(zhuǎn)化為對魚雷運(yùn)動的影響，將懸浮式深彈作為靜止的物體，即作為相對運(yùn)動的基本參照系[7]，通過相遇三角形來求取修正后的懸浮式深彈布放位置。假設(shè)懸浮式深彈的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為tsys，武器發(fā)射距離為最大射程圓的空中飛行時(shí)間為tfmax，魚雷航速為Vm，則T′1和T′2的坐標(biāo)位置由式(2)和式(3)求得：

圖4 基于相對運(yùn)動的懸浮式深彈修正海流布放示意圖Fig.4 Laying schematic diagram of suspended depth charge correcting ocean current based on relativemotion

根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算T′1H1和T′2H2終點(diǎn)坐標(biāo)：

根據(jù)式(6) 和式(7) 計(jì)算 T′1H′1和 T′2H′2終點(diǎn)坐標(biāo)：

H1H′1和 H2H′2的方向即 C′m1和 C′m2：

采用基于相對運(yùn)動的海流誤差修正方法雖然計(jì)算方法上比較繁瑣，但是能夠有效解決按照位移簡單修正的精度較低以及武器修正位置超出武器最大射程的2點(diǎn)問題。

4 仿真算例檢驗(yàn)

針對魚雷報(bào)警距離遠(yuǎn)時(shí)，根據(jù)海流速度的不同，分別在不考慮海流影響、考慮海流對懸浮式深彈布放位置影響但不修正、考慮并修正海流對懸浮式深彈布放位置影響3種情況下仿真計(jì)算懸浮式深彈的攔雷概率。其中艦艇初始航向Cw為90°，航速Vw為18 kn，目標(biāo)魚雷為線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚雷，速度50 kn[8]。

圖5 報(bào)警距離為遠(yuǎn)流速3 kn時(shí)的攔截概率Fig.5 Interception probability when warning distance is far and current speed 3 kn

圖6 報(bào)警距離為遠(yuǎn)流速2 kn時(shí)的攔截概率Fig.6 Interception probability when warning distance is far and current speed 2 kn

從圖5-7可以看出，當(dāng)海流速度達(dá)到3 kn時(shí)，其對懸浮式深彈的作戰(zhàn)能力影響顯著。當(dāng)魚雷報(bào)警距離遠(yuǎn)時(shí)，懸浮式深彈按照修正海流影響的布放參數(shù)布放時(shí)其作戰(zhàn)能力得到提升，其攔截概率可提高10%～20%。由此可見，在魚雷報(bào)警距離較遠(yuǎn)，且海流速度達(dá)到3 kn的作戰(zhàn)海區(qū)布放懸浮式深彈時(shí)，必須考慮并修正海流對其布放位置的影響。

圖7 報(bào)警距離為遠(yuǎn)流速1 kn時(shí)的攔截概率Fig.7 Interception probability when warning distance is far and current speed 1 kn

5 結(jié)束語

對于考慮海流影響的懸浮式深彈布放參數(shù)修正方法同樣可以適用于深彈入水后其它自然因素(如海面風(fēng)等)對懸浮式深彈布放位置的影響，但這是在其海區(qū)自然環(huán)境信息已經(jīng)掌握前提下進(jìn)行的。實(shí)際上，海區(qū)的海流方向和速度是實(shí)時(shí)改變的，在此情況下如何修正懸浮式深彈的布放參數(shù)，以求更大幅度地提高其攔截概率是懸浮式深彈作戰(zhàn)使用環(huán)節(jié)需要進(jìn)一步研究的問題。