懸浮式航空自導(dǎo)深彈水下攻潛作戰(zhàn)效能分析

趙申東 ,野理聰 ,曹駿瀧 ,李居偉

(1.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū),山東 青島,266041;2.中國人民解放軍91566 部隊,遼寧 大連,116043)

0 引言

航空深彈作為傳統(tǒng)反潛武器,具有價格低廉、制造簡單、使用方便和裝藥填充系數(shù)高等特點[1-2]。隨著自導(dǎo)深彈的出現(xiàn),航空深彈攻潛的命中概率得到了很大提升。但是由于缺少動力,自導(dǎo)深彈很難在大范圍內(nèi)對潛艇實施攻擊,命中概率難以令人滿意。為了提高攔截魚雷的效果,水面艦艇裝備了懸浮式深彈[3-4]。航空平臺上同樣出現(xiàn)了懸浮式深彈,典型的如俄羅斯的“圍獵-2”懸浮式航空深彈以及德國的“海矛”自導(dǎo)深彈,它們使得攻潛效果得到了進一步的提升。其中,“海矛”自導(dǎo)深彈兼有深彈和魚雷的特點,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高[5],而“圍獵-2”懸浮式航空深彈只是在普通自導(dǎo)深彈的基礎(chǔ)上增加了懸浮裝置,結(jié)構(gòu)更為簡單、成本更為低廉[6],具備大量使用的條件。文中對懸浮式航空自導(dǎo)深彈水下攻潛效能進行分析,將其與常規(guī)自導(dǎo)深彈進行對比,總結(jié)出適合懸浮式航空自導(dǎo)深彈的使用場景及懸浮時間參數(shù)設(shè)定的一般原則。

1 懸浮式航空自導(dǎo)深彈水下攻潛工作方式

懸浮式航空自導(dǎo)深彈由飛機投放后,靠自身攜帶的降落傘減速下降,同時調(diào)整空中姿態(tài),使其近似垂直下落。當(dāng)彈體入水后,深彈攜帶的氣囊開始迅速充氣,并拋棄降落傘。氣囊充氣完畢后漂浮于水面,下方連接的深彈彈體懸浮于靠近水面的某一深度處,位于彈體彈頭位置的自導(dǎo)系統(tǒng)開始搜索目標。當(dāng)目標進入其探測范圍時,彈體會及時與氣囊脫離,通過操舵機構(gòu)調(diào)整彈道,在不超過最大下滑角的范圍內(nèi)對目標進行追擊,其追擊過程與常規(guī)無動力航空自導(dǎo)深彈相同。

2 懸浮式航空自導(dǎo)深彈水下攻潛模型

懸浮式航空自導(dǎo)深彈與常規(guī)無動力航空自導(dǎo)深彈水下攻潛的主要區(qū)別是懸浮時間的長短。常規(guī)無動力航空自導(dǎo)深彈無水中懸浮動作,可將懸浮時間視為0,深彈入水后立即下沉搜索攻擊潛艇;而懸浮式航空自導(dǎo)深彈會在靠近水面附近的某一深度處進行懸浮探測,其懸浮時間可根據(jù)需要進行設(shè)定。文中重點討論懸浮式航空自導(dǎo)深彈在深度上的運動規(guī)律。由于自導(dǎo)深彈自導(dǎo)距離一般在數(shù)百米范圍內(nèi),而下沉攻擊時會達到每秒十幾米的速度,追擊時間較短,潛艇一旦被深彈自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)就很難擺脫深彈的攻擊,文中用深彈的探測概率代替其命中概率。另外,深彈在攻擊潛艇時,可采用現(xiàn)在點攻擊或提前點攻擊2 種基本模式。提前點攻擊模式命中概率較高,需要獲取目標的運動速度和航向信息,其使用條件有時難以達成。現(xiàn)在點攻擊模式無其他條件限制,可實現(xiàn)對潛艇目標的快速攻擊,以下討論均基于現(xiàn)在點攻擊模式。

2.1 深度運動規(guī)律

懸浮式航空自導(dǎo)深彈在搜索潛艇的過程中,其水平位置基本保持不變,只有深度會隨時間變化,其深度z(t)的運動規(guī)律可分為3 段: 1) 在懸浮期間,深彈懸浮在靠近海面的某一深度zxf上;2) 懸浮時間txf到達后,深彈由速度為0 加速到最大下沉速度vmax,這一階段可視為加速度為a的勻加速運動;3) 深彈以最大下沉速度勻速下沉階段可表示為

深彈深度上的變化是計算深彈與潛艇間距所必需的,若攻潛時采取多枚深彈連投的方式,不同深彈的深度變化關(guān)系還應(yīng)考慮投彈間隔的影響。

2.2 命中條件分析

以探測到的水下目標潛艇初始位置在水平面的投影點O為坐標原點,以水面位置,即深度為0 的平面為xy平面,以潛艇航行方向為x軸的正方向,以豎直向下,即海深增加的方向為z軸正方向建立直角坐標系。令水下目標潛艇的坐標為S(xs,ys,zs),航空自導(dǎo)深彈落水后的位置坐標為h(xh,yh,zh)。考慮到探測的潛艇位置及航向均有一定的隨機誤差,假設(shè)x坐標的誤差為xs0,y軸的誤差為ys0,航向誤差為α,潛艇航行深度zs0不變。深彈與潛艇的目標位置如圖1 所示。

圖1 深彈與潛艇目標位置Fig.1 Positional relationship between depth charge and submarine

目標潛艇在水中航行的位置坐標是時間t的函數(shù),即

設(shè)自導(dǎo)深彈的最大探測距離為d0,最大下滑角為Φ0。若要使自導(dǎo)深彈能夠探測到水下目標潛艇,則需要滿足以下2 個條件: 1) 自導(dǎo)深彈與水下目標潛艇之間的距離d≤d0;2) 潛艇與自導(dǎo)深彈間的連線與向下垂直線的夾角 Φ ≤Φ0。可以按照式(3)判斷深彈是否命中目標。

3 仿真計算

文中采用蒙特卡洛方法對懸浮式航空自導(dǎo)深彈命中概率的影響因素進行仿真分析,該方法的應(yīng)用范圍幾乎沒有限制[7]。若采用多枚深彈連投的方式,可有效提高命中概率。為不失一般性,以下分析均以單枚深彈為例進行仿真計算。

3.1 仿真流程

懸浮式航空自導(dǎo)深彈的基本工作方式為先懸浮探測再下沉搜索攻擊,仿真流程如圖2 所示。

圖2 命中概率仿真流程圖Fig.2 Simulation flow chart of hit probability

3.2 懸浮時間、潛艇深度對命中概率的影響

懸浮式航空自導(dǎo)深彈與常規(guī)無動力航空自導(dǎo)深彈水下攻潛的主要區(qū)別在于懸浮時間,文中重點分析懸浮時間對命中概率的影響。若潛艇航行深度超過深彈自導(dǎo)作用距離,懸浮時深彈將無法探測到潛艇,因此潛艇航行深度也是影響命中概率的重要因素。圖3 給出了深彈懸浮時間、潛艇深度對命中概率影響的仿真結(jié)果。仿真時,設(shè)深彈的自導(dǎo)作用距離為200 m、水下懸浮深度為5 m,潛艇的深度活動范圍為50～300 m、航行速度為4 kn、航向誤差標準差為2°、位置誤差標準差為300 m。圖3 可以看出,當(dāng)潛艇深度在深彈自導(dǎo)作用距離以內(nèi)時,增加深彈的懸浮時間可以有效提升命中概率。但是當(dāng)潛艇深度在深彈自導(dǎo)作用距離以外時,增加深彈的懸浮時間反而會降低命中概率。從不同深度的平均結(jié)果來看,增加深彈的懸浮時間總體上要比常規(guī)無動力航空自導(dǎo)深彈的命中概率高,而懸浮時間的選取存在最佳區(qū)間,并非懸浮時間越長越好。

圖3 深彈懸浮時間、潛艇深度對命中概率的影響(自導(dǎo)作用距離200 m)Fig.3 Influence of suspension time of depth charge and submarine depth on hit probability(The self-guided range is 200 m)

當(dāng)前懸浮式航空自導(dǎo)深彈的探測距離可達450 m,可覆蓋世界上大多數(shù)潛艇大多數(shù)時間的活動深度[8]。圖4 給出了深彈自導(dǎo)作用距離為450 m、潛艇深度活動范圍為50～450 m 時的仿真結(jié)果。可以看出,此時增加深彈懸浮時間,可以獲得更高的命中概率,且懸浮時間越長,概率越高。

圖4 深彈懸浮時間、潛艇深度對命中概率的影響(自導(dǎo)作用距離450 m)Fig.4 Influence of suspension time of depth charge and submarine depth on hit probability (The self-guided range is 450 m)

3.3 懸浮時間、潛艇定位誤差對命中概率的影響

不論采用何種探測手段,得到的潛艇位置或航向總會有一定的誤差,一般認為其服從正態(tài)分布[9-10]。在不同的懸浮時間下,潛艇定位誤差對深彈命中概率有顯著影響,圖5 給出了深彈不同懸浮時間、潛艇不同定位誤差對命中概率影響的仿真結(jié)果。仿真時,假設(shè)深彈的自導(dǎo)作用距離為200 m、水下懸浮深度為5 m,潛艇航行深度為250 m、航行速度為4 kn、航向誤差標準差為2°。圖5(a)給出了潛艇深度200 m 時的命中概率。可以看出,當(dāng)潛艇航行深度較大時(200 m 附近),增加深彈的懸浮時間反而會降低深彈的命中概率,且懸浮時間越長,命中概率越低。隨著潛艇定位誤差的加大,不同懸浮時間深彈命中概率的差別變小。這種情況的出現(xiàn)是因為當(dāng)潛艇航行深度較大時,深彈發(fā)現(xiàn)目標更加困難,此時若深彈仍采用懸浮搜索,潛艇將有更多時間逃離深彈搜索區(qū)域。當(dāng)定位潛艇的誤差較大時,如果采用懸浮搜索方式,潛艇重新進入深彈搜潛區(qū)域的可能性會有所增加,這時不同懸浮時間對命中概率帶來的影響差異會變小。這說明懸浮深彈更適合潛艇定位誤差大的場景。圖5(b)給出了潛艇深度100 m(其他參數(shù)不變)時的命中概率。可以看出,當(dāng)潛艇航行深度較小時(100 m 附近),增加深彈的懸浮時間會增加命中概率,一般懸浮時間越長,命中概率越高。這說明,懸浮深彈更適合潛艇航行深度較小的場景。在淺海環(huán)境下,采用懸浮深彈攻擊潛艇十分有利。

圖5 深彈懸浮時間、潛艇定位誤差對命中概率的影響(自導(dǎo)距離200 m)Fig.5 Influence of suspension time of depth charge and submarine positioning error on hit probability(The self-guided range is 200 m)

4 結(jié)論

文中通過分析懸浮式航空自導(dǎo)深彈的工作流程,給出其深度運動規(guī)律和命中潛艇目標的條件。利用蒙特卡洛方法對影響懸浮式航空自導(dǎo)深彈命中概率的主要因素進行了仿真分析,并得出如下結(jié)論。

1) 懸浮式航空自導(dǎo)深彈通過增加懸浮裝置,總體上有利于提高深彈的命中概率。盡管增加懸浮裝置會使深彈的成本有所增加,但考慮到深彈在懸浮狀態(tài)探測目標時不受自身運動的影響,同等技術(shù)條件下,其自導(dǎo)作用距離會有所增加,這將進一步提升命中概率。

2) 懸浮式航空自導(dǎo)深彈更適用于潛艇定位誤差大、潛艇航行深度較小的場景。當(dāng)潛艇航行深度超過了深彈自導(dǎo)作用距離時,增加懸浮深度反而會降低深彈的命中概率。由于懸浮式深彈可以靈活設(shè)置懸浮時間,所以在實際使用中,需要根據(jù)目標和海區(qū)的實際情況合理設(shè)定這一參數(shù)。