水面艦艇純機動規避被動聲自導魚雷效能仿真分析?

（上海船舶電子設備研究所 上海 201108）

1 引言

隨著我國多批量新型號軍用艦艇的建造以及逐步的裝備相關部隊，海軍正加快發展成為一支艦艇種類基本齊全、可實現多兵種作戰的較強的海上軍事力量［1］，艦艇多兵種作戰能力的進一步提升為我國海軍的戰略性轉型提供了必要的保證。與此同時，隨著潛艇隱身技術的不斷進步，以及魚雷向著大航程、低噪聲和智能化的方向發展［2］，我國面臨的水下威脅與日俱增，因此加強艦艇對水下魚雷尤其是潛射魚雷的防御能力十分重要。

魚雷作為一種用來攻擊水面艦艇的主要水下武器，其中潛射聲自導魚雷具有高航速、射擊陣位廣、發射后潛艇即可躲避搜索等特點［3］，因此常被潛艇用來攻擊水面艦艇。在對抗聲自導魚雷的多種方式中，水面艦的機動規避方法對于對抗水下魚雷攻擊具有重要作用，是結合使用其他對抗器材手段的基本策略［4］。在利用機動規避對抗聲自導魚雷的研究中，文獻［5～6］主要考慮了一定小范圍內的規避航向對于對抗效能的影響，本文在其基礎上進一步研究了當聲納探測到魚雷從水面艦小舷角一定方向來襲并報警后，水面艦采取迎雷或背雷的所有可能規避航向上的對抗效能，同時考慮水面艦的聲納報警距離、航速和規避航向變化這些敏感因素對于水面艦生存概率的影響。所得結論對于水聲對抗系統的設計優化及作戰策略研究具有重要的參考價值。

2 對抗態勢與機動模型

2.1 作戰態勢描述

聲自導魚雷攻擊水面艦艇時大多會采取相對于水面艦艇的大舷角或小舷角方位來襲［7］，本文以小舷角魚雷攻擊為例，對單個聲自導魚雷攻擊水面艦艇進行對抗分析。

敵潛艇發射聲自導魚雷以小舷角攻擊水面艦時，水面艦利用機動規避防御聲自導魚雷的作戰態勢如圖1所示。假設水面艦在聲納報警前以一定速度v1沿著航向θ=0°方向勻速直航，探測到某小舷角方位有魚雷目標后，在一定反應時間內執行如圖所示的多種機動規避方式，方式1）：以當前速度，按照最終航向θ1(0°≤θ1≤180°)進行背雷轉向后再直航規避；方式2）：以當前速度，按照最終航向θ2(-90°≤θ2≤-180°)進行迎雷轉向后再直航規避；方式3）：直航加速到v2，再進行轉彎后按照最終航向θ1或θ2直航規避。

圖1 水面艦機動規避二維作戰態勢圖

2.2 水面艦機動規避模型

水面艦在轉彎前后按一定航向直航，因此可按照直線方程較容易得到水面艦位置信息，這里主要給出水面艦轉彎前后的位置變化信息以及轉彎結束后直航過程中的位置變化。假設水面艦轉彎機動前處于P1=(x1'y1)位置，其中y1=0，在此t1時刻，水面艦速度為vz，航向為θk，轉向角速度與艦艇船長有關，取為一定值ω，轉彎結束時刻為t2，轉完后的直航航向為θz，則水面艦轉向時間?t1=t2-t1和轉彎半徑Rs為

水面艦轉彎結束即處于t2時刻的位置P2=(x2，y2)的坐標：

轉彎后即按照一定的速度和航向直航規避，在t3時刻的位置P3=(x3，y3)坐標：

上式中，?t2=t3-t2。

2.3 魚雷機動及性能模型

聲自導魚雷按自導方式的不同分為主動、被動和主被動聯合三種魚雷聲自導類型［8］，本文主要分析被動聲自導魚雷模型。

2.3.1 魚雷被動聲自導檢測模型

對于被動聲自導魚雷，其在搜索水面艦時使用的檢測模型采用的是被動聲納方程［9］：

式中，DT為檢測域，SSL為艦艇輻射噪聲級，TL為聲波傳播損失，NL為魚雷干擾噪聲級，DI為魚雷自導接受指向性指數，單位為dB。

由上式可知魚雷的被動聲自導距離與水面艦的輻射噪聲級有很大的關系，艦船的航速主要影響著其自身輻射噪聲的大小從而影響魚雷的被動聲自導距離［10］，按照文獻［8］中的經驗公式：

式中，Vs為水面艦航速，T為水面艦的排水噸位，f為接收機中心頻率。

2.3.2 魚雷運動攻擊模型

根據文獻［11～12］，潛艇沿著某一方位向水面艦發射被動聲自導魚雷后，魚雷先按照一定初始速度沿著既定航向進行直航自導搜索，當檢測到目標并確定為敵方后立即加速到最大速度并通過轉彎調整航向向目標自導追蹤；若在跟蹤階段魚雷丟失目標，則魚雷采取定深直航以及旋回的彈道模式進入再搜索階段；若魚雷搜索過程中在計算的預定點未發現目標，則轉而攻擊自導扇面中可能存在的另一個目標或采取旋回彈道重新捕獲搜索；直到魚雷擊中目標或其自身航程耗盡。

魚雷轉彎、旋回前后的位置變化可參考水面艦機動規避模型，這里主要的區別是魚雷具有更大的角速度，更小的轉彎半徑。

4 對抗效能仿真分析

本文中采用系統仿真的方式，針對某一固定小舷角魚雷來襲方位條件，重點研究水面艦的機動策略對被動聲自導魚雷對抗效果的影響。在明確前文分析的機動、攻擊模型的情況下，改變水面艦機動規避策略，利用水聲對抗效能仿真系統通過蒙特卡洛仿真方法得到對應的效能結果，對影響水聲對抗作戰效果的敏感要素進行分析。

4.1 初始條件與策略

假設水面艦在最開始以18kn（巡航速度）、25kn（中高速）、30kn（高速）沿著0°航向直航行進，敵潛艇在本艦右舷一定小舷角，距本艦一定距離處發射具有一定航程的被動聲自導魚雷對水面艦實施攻擊。本艦聲納在近、中、遠三種不同的報警距離發現目標進行報警后，水面艦保持當前速度或者經過一段加速時間達到最大航速，然后在一定的反應時間內進行轉向規避，轉向完畢后保持最終航向直航行進。對抗過程的各策略流程圖如圖2所示。

圖2 對抗過程策略流程圖

4.2 對抗仿真結果

基于上述模型與流程，對被動聲自導魚雷進行蒙特卡洛對抗效能推演仿真，結果如下所示。其中，圖3、4是報警距離一定的條件下，水面艦以不同航速進行不同航向轉彎規避的仿真結果；圖5、6是航速一定的條件下，水面艦在不同報警距離進行不同航向轉彎規避的仿真結果。

圖3 不同航速下背雷規避成功率隨航向變化曲線

圖4 不同航速下迎雷規避成功率隨航向變化曲線

圖5 不同報警距離下背雷規避成功率隨航向變化曲線

4.3 結果分析

對仿真得到的結果進行分析可知：

1）對于被動聲自導魚雷而言，本艦機動規避的目的是使水面艦艇盡快脫離魚雷自導接收扇面，拉開與來襲魚雷之間的距離。被動聲自導魚雷發射時通常是遵循有利提前角的原則，所以從轉彎航向變化上的對抗效能可知本艦實施轉彎規避較直航規避更能有效規避魚雷的攻擊，且當魚雷從小舷角向水面艦來襲時，水面艦不轉彎直航的方式或采取0°附近一定航向的純規避對抗成功率近乎為0%。

圖6 不同報警距離下迎雷規避成功率隨航向變化曲線

2）在聲納報警距離一定的情況下，水面艦航速越高，進行改變航向的機動對抗效能越高，其中水面艦以巡航速度采取任意航向規避對抗的效能為0，當水面艦由低航速到高航速的加速規避或采取保持原中高速及以上航速進行規避時會得到比較大的對抗效能提升，并在70°～165°范圍航向上的對抗成功率為100%。

3）在水面艦航速一定的情況下，水面艦聲納報警距離越遠，進行機動規避的對抗效能越高，其中對于背雷規避的60°～140°范圍航向上，報警距離中、遠條件下的規避對抗成功率比報警距離近的條件下的規避對抗成功率高近85%。

4）水面艦只有在具有高航速且報警距離盡量遠的情況下的一定小范圍航向迎雷規避的對抗效能較高。因此當對抗小舷角來襲的被動聲自導魚雷時，水面艦應盡量采取背雷航向的機動規避以獲得盡可能大的對抗成功率。

5 結語

本文利用水聲對抗推演及效能評估系統對被動聲自導魚雷進行了純機動規避對抗效能仿真。在仿真過程中，明確了水面艦機動規避模型、魚雷聲自導及機動攻擊模型，在此基礎上，對不同報警距離下水面艦不同機動規避策略的對抗效能進行了仿真。本文研究了水面艦機動模型、被動聲自導魚雷的自導原理及運動攻擊模型，仿真得到艦船規避機動策略對水面艦對抗魚雷效能的影響，對影響效能的規避航速和航向、聲納報警距離因素進行了分析，得到的結論對水面艦艇水聲對抗系統對抗聲自導魚雷的策略研究具有一定的參考意義，優化水聲對抗系統防御末端魚雷攻擊的對抗方案，提高艦艇在反魚雷攻擊中的生存能力。