張林芳,劉 杰,劉冠杉
(1.海裝北京局駐北京地區第四軍事代表室,北京 100094;2.中國船舶集團有限公司系統工程研究院,北京 100094)
魚雷自誕生以來,因其具有毀傷力強、防御難度大的特點,一直作為水下攻防體系中最有效的水中兵器,曾在歷史上多次海戰中發揮了巨大作用,世界各國海軍也都一直極度重視魚雷武器裝備的發展和革新。隨著新技術在魚雷武器裝備中的快速應用,高航速、低噪音、遠航程、強毀傷力等新型魚雷層見疊出,魚雷的智能化程度和水聲對抗能力也不斷提高[1],對潛艇的水下生存空間構成了嚴重的威脅。因此如何有效地進行潛艇防御魚雷攻擊已成為各國海軍面臨的重大難題,世界各軍事強國均開始致力于反魚雷技術和裝備的研究和發展。
要對反潛魚雷進行有效防御,首先需要了解攻擊魚雷的戰術性能和魚雷攻擊過程的主要特性。目前,潛艇在水下面臨的魚雷威脅主要來自3個方面。
1)線導+聲自導重型魚雷。
重型魚雷一般由敵方潛艇距攻擊目標10 km外管裝發射,各國先進重型魚雷戰術如表1所示,可以發現國外重型魚雷最高航速均在50 kn以上,航程范圍在20~60 km,大部分采用噪音較小的泵噴推進裝置,采用線導+主被動聲自導的組合制導方式,具有較強的水聲對抗和目標探測能力。重型魚雷攻擊的過程為前期借助潛艇發射平臺的聲吶探測系統進行有線制導,來探測和跟蹤目標。后期當魚雷距離目標2~3 km的位置,切斷線導后依靠魚雷本身的聲自導系統快速接近和攻擊目標。重型魚雷對潛艇最大的威脅就是速度快且搭載大當量高能戰斗部毀傷威力大,只要潛艇進入其毀傷范圍區域就會對目標造成有效傷害和打擊。

表1 國外先進重型魚雷戰術性能指標[1-3]Table 1 Tactical performance index of foreign advanced heavy-weight torpedoes
2)聲自導輕型魚雷。
輕型魚雷一般由敵方水面艦艇管裝發射或反潛飛機空投使用,各國先進輕型魚雷戰術如表2所示,可以發現輕型魚雷航程均在10 km以上,最大航速在50 kn左右,均采用主被動聯合自導方式,也具有較強的水聲對抗能力。戰斗部裝藥量雖然比重型魚雷少,但是采用垂直命中技術和聚能裝藥仍可保證小當量戰斗部對潛艇造成有效毀傷??胀遏~雷的攻擊過程為通過直升機上的主動吊放聲吶對潛艇精確定位后,到達距離潛艇1 km左右的區域內投放魚雷,魚雷落水后十幾秒內即可通過自導裝置探測并跟蹤上潛艇。因此空投魚雷對潛艇最大的威脅就是潛艇采取有效對抗的時間很短,使潛艇規避魚雷攻擊的難度較大。

表2 國外先進輕型魚雷戰術性能指標[1,4-6]Table 2 Tactical performance index of foreign advanced light-weight torpedoes
3)助飛+聲自導魚雷。
助飛魚雷一般是水面艦艇通過火箭或渦噴發動機將魚雷投送至潛艇上方附近,再由魚雷入水搜索和攻擊潛艇。如表3所示,由于助飛魚雷的運載系統最大飛行速度均在1 000 km/h以上,最大射程大部分在20 km左右,所以只要水面艦艇探測聲吶發現了潛艇目標,便可對其進行中程的快速反潛攻擊。潛艇面臨的威脅與空投魚雷類似,即反魚雷對抗的時間較短。

表3 國外典型助飛魚雷戰術性能指標[1,7-8]Table 3 Tactical performance index of foreign typical rocket-assisted torpedoes
針對上述潛艇面臨的魚雷威脅,對潛艇反魚雷防御系統應提出下列要求:
1)盡可能遠距離的及早發現目標。潛艇受到魚雷威脅是三維全向的,可來自空中、水面或水下,因此潛艇的魚雷聲吶報警系統要能全方位精確探測和識別魚雷,為其反魚雷對抗爭取更多時間。
2)盡可能快速的反應和智能決策。敵方魚雷借助投放平臺的優勢可以在潛艇近距離范圍內對其進行快速攻擊,潛艇總反應時間短,因此指揮控制系統必須要在短時間內做出正確的防御決策。
3)盡可能有效的進行反魚雷對抗。潛艇處于水下,一方面,無法像水面艦艇通過快速運載手段遠距離施放反魚雷對抗裝備,加之潛艇內部空間有限,搭載的反魚雷器材數量有限;另一方面,來襲魚雷水聲對抗能力強且具備多次攻擊目標的能力,因此潛艇必須采取多層次和多批次的對抗措施。
潛艇實施規避機動和制定對抗措施前都需要獲取來襲魚雷的距離和方位信息,因此魚雷報警技術是潛艇反魚雷防御的基礎,但是由于來襲魚雷具有體積小和運動速度快的特點,潛艇配備的普通舷側聲吶和拖曳聲吶不能直接用于魚雷報警,必須開發專用的魚雷報警聲吶對高速小目標進行檢測,其關鍵技術就是對來襲魚雷進行遠程的快速識別和遠程的準確定位。針對潛艇防御的需求,目前魚雷聲吶報警技術經過多年的發展主要在以下3個方面實現了突破[9]。
1)利用寬頻帶、高頻率的拖線陣被動聲吶實現了魚雷遠程報警。其基本原理就是充分利用來襲高速魚雷在高頻工作頻帶上存在較多的線譜分量和較強的輻射噪聲信息,來提高對遠距離魚雷的識別和報警。比如法國研發的SLAT反魚雷系統[10-11],其配置的“信天翁”被動拖曳式魚雷報警器利用三元組水聽器陣能在較大的舷側扇面內自動分辨目標左右舷,工作頻段為1~6 kHz,能探測到10 km遠的低噪聲魚雷。采用全景波束選擇器對魚雷進行快速檢測和多級分類識別,在6 km以內范圍對目標分類和報警的概率可達到90%以上。魚雷報警聲吶可以通過增加聲吶的基元數、拓寬工作頻帶和集成化其它探測聲吶來增加探測距離。
2)利用主動拖曳陣聲吶實現了魚雷遠程定位。雖然被動拖曳陣聲吶實現了魚雷遠距離報警,但只能提供目標方位信息,對魚雷進行有效防御仍需要依靠主動聲吶來獲取來襲魚雷的距離信息。當魚雷目標在躍層下面處于艦殼聲吶聲影區時,變深聲吶仍可檢測到魚雷目標,因此主被動聯合的變深拖曳陣聲吶得以迅速發展,成為世界各國海軍艦艇防御的重要利器,比如美國的980系列低頻聲吶系統、英國的 ATAS V1主動拖曳陣聲吶和法國的 UMS 4320新一代主動變深聲吶等[10-11],主動工作頻率范圍為1~4 kHz,均具備主動探測目標和被動魚雷報警的功能。
3)綜合利用艦殼聲吶和拖曳聲吶實現了魚雷探測的全方位覆蓋。對于潛艇而言,敵方魚雷可能會從各個方向進行攻擊,魚雷報警系統必須具備全方位監視報警能力,單純依賴主被動拖曳聲吶克服了魚雷遠程報警和定位的難題,但是在艦首方向存在搜索盲區,因此各國海軍均在加強艇首方向的魚雷探測和報警能力,比如法國的UMS4110聲吶、德國的ASO 90系列聲吶和美國的AN/SQS-56系列聲吶等[10-11],將艏部艦殼聲吶和主被動聯合拖曳聲吶組成套裝,實現了魚雷探測的全方位覆蓋,極大提升了反魚雷防御能力。
潛艇在面臨敵方反潛魚雷來襲威脅時,特別是敵方空投魚雷可以借助投放平臺優勢在潛艇近距離范圍內對潛艇進行快速攻擊,潛艇總反應時間短,要想成功進行對抗防御,在利用魚雷專用報警聲吶對來襲目標進行快速識別和準確定位后,還需要潛艇魚雷防御系統具備快速反應和正確決策的能力。
傳統的魚雷防御系統,主要是潛艇指揮員根據傳感器的探測信息、告警信息、指控輔助、潛艇自身性能和自身海上經驗選擇水聲對抗和機動規避的時機和方案,但是在此過程中一方面人工決策時間較長,會延誤最佳防御戰機;另一方面人工決策對抗方案的正確與否關系到攔截敵方魚雷的成功概率的大小。針對現有的利用人工方式進行指揮決策已無法滿足實時性和快速性防御的要求。
因此,潛艇作戰平臺應開發動態、自適應、智能的優化決策系統,降低人工干預的頻率,能夠根據魚雷報警信息,結合自身現有軟、硬殺傷武器裝備,動態自適應快速解算每一個戰術單元,在保證火力通道可用的條件下,自主智能地完成對抗方案的優化選擇、對抗武器通道的分配與發射參數的計算、水聲對抗裝備的控制發射和本艇自身規避機動導航等一系列決策與控制任務。這樣的一體化設計便于資源共享,簡化系統,降低成本,提高系統整體的信息綜合能力和快速反應能力。在一次對抗實施完成后,能夠快速對對抗方案進行效能評估,并將評估結果反饋給決策系統,從而進一步優化決策,構成從態勢感知、指控決策、對抗實施、效能反饋的閉合防御鏈,提升潛艇反魚雷的對抗能力和成功概率。
目前,從魚雷防御的角度,潛艇反魚雷對抗的手段大致分為被動防御對抗和主動防御對抗兩大類,其中主動防御對抗包括戰術防御對抗和反魚雷器材對抗,反魚雷器材對抗從對抗方式的原理又可細分為軟殺傷對抗和硬殺傷對抗2類。
2.3.1 被動防御對抗技術
潛艇被動防御是指不直接對抗魚雷,而是從潛艇自身出發提高其隱身性能和減振降噪 2個方面入手。理論上來講潛艇噪聲每降低 6 dB,受到攻擊的概率將減少一半。
潛艇提高隱身性能是通過在潛艇外殼涂吸聲材料吸收敵方聲吶的部分入射波并造成漫反射,影響聲吶識別潛艇的顯著特征,從而使聲吶探測和魚雷自導作用距離縮短,比如俄羅斯的臺風級核潛艇敷設了150 mm厚的吸聲瓦后[12],可使美國MK 48型魚雷的主動聲吶的探測距離減小到30%左右。
潛艇減振降噪一方面是從抑制噪聲源的角度出發來改進螺旋槳結構或者使用低噪音推進裝置,比如俄羅斯 949型核潛艇采用了七葉大側斜螺旋槳降噪[13],但潛艇在高速航行時螺旋槳負荷加大會提前出現空化氣泡,大幅降低了其靜音性能。隨后輻射噪聲更低、推進效率更高的泵噴推進得以發展并被西方各國潛艇裝備,比如美國的“海狼”級核攻擊潛艇在水下30 m以20 kn航速航行產生的輻射噪聲接近于海洋環境噪聲[14]。另一方面從抑制噪聲傳播途徑角度在潛艇上貼片、敷設橡膠等措施來減少潛艇內部噪聲向外輻射的強度,降低被敵方聲吶發現的概率,減少被敵魚雷命中的目的。
整體來講,潛艇的被動防御對抗技術雖然在潛艇隱身降噪方面取得了很好的效果,降低了潛艇被魚雷攻擊的概率,但是潛艇無法做到完全隱身和完全靜音,以及敵方反潛新技術的大力發展和應用,只采用被動防御對于潛艇反魚雷是遠遠不夠的。
2.3.2 主動防御對抗技術
2.3.2.1 戰術防御對抗
潛艇戰術防御對抗是指魚雷報警系統發現來襲魚雷之后,通過改變潛艇的航向、航速和航深的措施來規避直航魚雷的彈道和聲自導魚雷的探測,延長采取其它對抗措施的時間,從而避免被敵魚雷擊中。潛艇規避機動依靠推進裝置和操縱裝置實現的技術難度較小,但是潛艇規避策略的制定較為困難[15],需要綜合考慮敵我態勢、潛艇機動性、作戰環境和戰術要求等各方面的因素。潛艇戰術防御對抗可以采取如下措施提高規避成功的概率。
1)充分利用所處海洋環境的優勢。比如潛艇可以利用聲波經過溫躍層時會產生強烈折射和能量損失,航行到海洋躍變層另一側來躲避敵方聲吶,或者利用聲波在海底會被強烈反射形成高噪聲背景,靠近海底航行來干擾敵方聲吶準確識別潛艇。還有就是利用海洋中天然的聲影區來隱藏潛艇,從而達到對抗敵方聲吶探測的目的。
2)充分發揮潛艇自身的機動性能。比如提高潛艇航速來擺脫來襲魚雷或者消耗魚雷的航程,合理改變潛艇航向來減少聲波反射面積,適當改變航深來消耗敵方聲波能量躲避魚雷聲自導探測。
整體來講,隨著近年來新型反潛魚雷智能化程度和導引方式多樣化的發展,潛艇僅僅依靠簡單的戰術規避機動很難防御來襲魚雷的攻擊。
2.3.2.2 軟殺傷防御對抗
潛艇軟殺傷防御對抗是指利用噪聲或者信號發生器來對敵方魚雷進行干擾和誘導,軟對抗器材主要包括氣幕彈、噪聲干擾器和聲誘餌3大類[16]。第1類氣幕彈是潛艇早期對抗魚雷的裝備,對抗原理是利用化學試劑與水反應制造大量不溶于水的氣泡,氣泡諧振頻率接近聲自導魚雷工作頻段,會最大程度地對聲波進行吸收和反射,既衰減了敵方聲吶聲波能量,又遮蔽了本艇的輻射噪聲,從而降低了來襲魚雷的探測能力;第2類噪聲干擾器是通過發射寬頻帶、大功率的噪聲來干擾自導魚雷或聲吶探測,使其致盲或瞬時丟失目標;第3類聲誘餌是一種通過模擬潛艇輻射噪聲、目標尺度特征和機動運動的欺騙性對抗裝備。
軟殺傷防御對抗技術的發展相對而言比較成熟,其中自航式聲誘餌以良好的偽裝誘騙能力、靈活的機動能力等優勢被許多專家認為是水聲對抗器材中最有效的對抗方式之一。但是傳統的以軟殺傷為主,非殺傷為輔的對抗手段難以滿足潛艇防御要求。目前,軟殺傷防御對抗技術主要存在以下幾個方面的問題。
1)無動力軟殺傷對抗器材無法被快速遠距離進行投放。對于潛艇而言無法像水面艦船借助直升機或火箭等快速運載手段施放水聲對抗器材,加之潛艇航速相對較低,當來襲魚雷未被成功干擾和誘騙,穿過氣幕或者噪聲干擾器后距離潛艇距離不會太遠,因此這2種暴露性大的水聲對抗器材對于被動聲自導魚雷來說會為其提供一個明確的潛艇位置,使潛艇處于防御的不利局面。
2)魚雷智能化程度提高,降低了軟殺傷對抗的有效性和成功率。比如來襲魚雷可以根據氣幕散射聲波比真實目標回波大的特點,使用先進的信號處理手段識別假回波,加之氣幕或者噪聲干擾器大多無動力,幾乎屬于靜止目標,很容易被具有多普勒檢測能力的聲自導魚雷識破;對于聲誘餌來講可以逼真地模擬潛艇的噪聲特征,但是智能魚雷可以通過尺度識別的差別判斷真假目標,直接穿過水聲對抗器材,進而搜索真正目標。
3)軟殺傷器材由于其工作原理導致無法全面覆蓋所有來襲魚雷。軟殺傷防御對抗技術都是基于聲學對抗原理,只能對抗主被動聲自導魚雷,無法對抗直航魚雷、線導魚雷和超空泡魚雷。
2.3.2.3 硬殺傷防御對抗
潛艇硬殺傷防御對抗是指使用反魚雷武器對來襲魚雷進行攔截,將其摧毀喪失攻擊能力,或者在其附近爆炸產生沖擊波,使其內部電子器件因強烈振動而失效。潛艇硬殺傷反魚雷武器主要包括防魚雷網、引爆式聲誘餌和反魚雷魚雷[17-19]。第 1種防魚雷網是潛艇在來襲魚雷快要逼近時,從尾部魚雷發射管發射后定時張開網,通過引爆炸藥將闖入的魚雷摧毀,比如美國為了對付前蘇聯的65型尾流自導魚雷采用火箭助飛系統可快速布放防魚雷網到艦艇尾流區域,有效攔截面積最大可達幾十平方米。第2種引爆式聲誘餌是在軟對抗器材的基礎上增加了硬殺傷功能,首先誘騙魚雷到其毀傷范圍內,通過聲引信引爆自身,使魚雷自導或控制系統失效,比如美國艾默森公司研制的ADC-MK2-1型懸浮式引爆聲誘餌,既可發射模擬潛艇噪聲的聲信號進行誘騙,也可接收到來襲魚雷探測信號時發出回聲模擬信號誘導魚雷接近對其進行擊毀。第3種反魚雷魚雷是空中反導概念在水下作戰空間的自然延伸,反魚雷魚雷從潛艇發射后依靠自導系統捕獲來襲魚雷并在兩雷最近時自爆,使敵方魚雷損毀或攻擊失效。比如法國-意大利聯合改裝研制的MU90-HK反魚雷魚雷,只進行了初步的數學仿真和方案論證;德國研制的“海蜘蛛”反魚雷魚雷,目前處于原理樣機研制和試驗階段[20]。
硬殺傷防御對抗技術的發展相對而言起步較晚且大多數裝備仍處于論證和研制階段,其中反魚雷魚雷由于具備積極主動搜索、對抗時間短、攔截概率高和可對抗魚雷種類多的優點成為未來較為理想的硬對抗方式[21-22],反魚雷魚雷目前需要攻克的關鍵技術主要有:
1)高速小目標測距和定位技術。來襲魚雷體積小且運動速度快,反射面小導致精確探測難度較大,因此反魚雷魚雷的自導系統必須提高對高速運動小目標的定位能力,從而快速接近來襲魚雷;同時,來襲魚雷被直接命中的概率相對較小,反魚雷魚雷的引信系統必須具備精確測距的能力,確保在其有效殺傷半徑內自爆,從而摧毀來襲魚雷或使其攻擊失效。
2)反魚雷彈道有效攔截技術。由于來襲魚雷速度快,可用攻擊時間短,和反魚雷魚雷相向運動視線角變化大,常規魚雷彈道無法適用反魚雷彈道,因此反魚雷彈道要能夠針對來襲魚雷的類型制定相應的導引策略,確保短時間內以較高的攔截概率摧毀來襲魚雷。
3)高機動性和快速響應技術。反魚雷魚雷在攔截高速大機動性魚雷時需要不斷改變航向,這就需要其操縱裝置最大可用過載滿足機動靈活性的要求,同時需要控制系統和執行機構能夠快速實時響應,這樣才能達到有效跟蹤和攔截魚雷的目的。
根據上述潛艇反魚雷防御的發展現狀可以發現,在第二次世界大戰結束后相當長的時期內,世界各國均把反魚雷軟硬對抗器材的發展作為研發重點,但是隨著敵方聲吶和聲自導魚雷的抗干擾能力的增強,未來潛艇僅僅依靠提升防御裝備的性能還遠遠無法滿足實際作戰的需求,將對抗裝備與實際作戰使用的戰術策略相結合變得尤其重,從而實現從提升防御裝備技術向提升防御對抗能力的轉變。關于潛艇反魚雷防御的未來發展方向與思考主要包括以下3個方面。
潛艇無論是主動防御對抗還是被動防御對抗措施,每種反魚雷對抗手段均存在各自的優勢和不足,面對新型智能魚雷反欺騙和反對抗能力的提高,傳統依靠單一的、單次的反魚雷對抗措施很難保證潛艇的安全[22],因此可以根據來襲魚雷與本艇的距離進行多層次的反魚雷對抗,第1層是遠程防御階段,魚雷報警器在足夠遠的距離探測到來襲魚雷并發出預警,同時潛艇根據實戰態勢采取合理的戰術規避機動措施,為潛艇實施后續的軟硬對抗爭取更多的時間;第2層是中層防御階段,即采取單一的規避機動無法擺脫來襲魚雷時,快速施放各種軟殺傷對抗器材,在多個位置形成多源的干擾點或誘騙假目標,同時本艇進行機動規避,有效消耗來襲魚雷的航程繼續為后續可能的魚雷防御爭取時間;第3層是近程防御階段,即來襲魚雷與潛艇距離已十分接近時,實施硬殺傷手段徹底摧毀魚雷,或者同時施放軟硬對抗器材提升攔截概率。這種多層次的反魚雷防御策略,一方面能充分發揮每種對抗技術的優勢,有效利用潛艇有限的反對抗裝備;另一方面則可以對抗敵方多枚來襲魚雷攻擊,使潛艇反魚雷防御體系更為全面和完善。

圖1 潛艇多層次反魚雷對抗防御體系Fig.1 Submarine multi-level anti-torpedo defense system
潛艇在面對來襲魚雷的威脅時,如何有效整合聲吶探測的目標信息、本艇自身的運動信息和所處海洋環境信息合理選擇對抗時機進行最為有效的對抗措施,僅僅依靠潛艇指揮員人為地指控決策往往難以達到上述潛艇安全防御的要求。近年來隨著人工智能技術的發展,將神經網絡、機器學習、深度學習和智能優化等技術融入潛艇反魚雷對抗系統中構建人機協同的智能反魚雷對抗體系[23],該智能對抗體系可以對來襲魚雷進行智能態勢感知和智能指揮決策。其中智能態勢感知主要包括對敵方平臺、來襲魚雷當前時刻方位信息和運動信息的態勢覺察,基于態勢大數據庫對來襲魚雷攻擊意圖的態勢理解,對來襲魚雷和敵方發射平臺下一時刻運動方位、進入我方對抗防御圈時間的態勢預測,以及來襲魚雷和發射平臺發現本艇概率、對本艇威脅程度的態勢評估。而智能指揮決策根據智能態勢感知獲取的有用信息采用智能算法選取最優的潛艇機動規避策略和反魚雷對抗方案。該反魚雷防御體系整體以機器決策為主,人工決策為輔,保證反魚雷對抗決策的快速性、高效性和可靠性。

圖2 潛艇人機協同的智能反魚雷對抗框架Fig.2 Intelligent anti-torpedo countermeasure framework with submarine man-machine cooperation
近年來隨著反潛技術和裝備的不斷發展,未來的水下作戰已不再是單一武器與武器、單一平臺與平臺之間的對抗,而是轉變為體系與體系之間的對抗[24],因此潛艇防御體系為了適應未來這種水下體系化作戰的趨勢,應該聯合其它陸、海、空、天基的作戰平臺進行一體化、網絡化的水下反魚雷對抗。而潛艇與 UUV組成異構協同的對抗防御體系[25],潛艇作為后方遙控指揮和遠程打擊的核心,一方面利用UUV自主控制、機動靈活和可在水下長時間、大范圍工作的優點將其作為潛艇的遠程預警系統或者與其它作戰平臺的水下通信中繼節點,對各平臺獲取的信息通過UUV傳輸到潛艇指控系統進行融合,形成精確、實時和統一的戰場態勢圖像,全方位感知敵方作戰平臺或來襲魚雷,確保潛艇先敵發現并迅速有效地做出決策;另一個方面UUV可以與軟硬水聲對抗器材進行集成化設計,實現對敵方平臺和來襲魚雷的遠距離干擾和攔截,大大拓展了潛艇的防御半徑和能力。

圖3 潛艇和UUV協同網絡化對抗防御體系Fig.3 Networked countermeasure defense system with submarine and UUV cooperation
本文主要從潛艇反魚雷防御的角度出發,主要介紹和分析了包括潛艇面臨的魚雷威脅和反魚雷防御要求的戰術背景、潛艇魚雷報警聲吶、主動和被動對抗措施的發展現狀,以及對潛艇反魚雷防御體系的未來展望3個方面的內容。隨著魚雷技術和反潛技術的不斷發展,對潛艇反魚雷防御提出了更高的要求,從最開始僅僅依靠自身隱蔽性和機動性能,發展到各種軟、硬殺傷反對抗技術的聯合使用,可以發現潛艇攻防技術的界限正在日益模糊且逐漸融為一體,正在突破潛艇自身的總體性能和武器系統,還會充分利用其它作戰平臺的優勢進行綜合體系防御,形成以潛艇為網絡中心的多層次、多平臺、有人無人協同的智能化反魚雷對抗防御體系,對于提高潛艇與敵方潛艇、水面和空中力量對抗中的生存和獲勝概率具有十分重要的軍事意義。