水下爆炸對被動聲自導魚雷的干擾機理及仿真

曾星星, 顧曉輝, 成鳳生, 年 崗

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水下爆炸對被動聲自導魚雷的干擾機理及仿真

曾星星, 顧曉輝, 成鳳生, 年 崗

(南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京, 210094)

為了驗證水聲干擾子彈水下爆炸聲信號對抗聲自導魚雷的效果, 基于水下爆炸的聲信號具有聲源級高、覆蓋頻率寬的特點, 建立了水聲對抗數學模型, 并應用數學優化方法, 將對抗問題轉化為非線性有約束的目標優化函數, 得到了艦艇最佳規避角和干擾彈最佳落點位置, 且發現最佳發射角度變化較小。仿真結果表明, 水聲干擾子彈在最佳發射條件下, 能有效干擾聲自導魚雷。

聲自導魚雷; 水聲干擾子彈; 水下爆炸; 目標優化

0 引言

魚雷自問世以來, 在歷次海戰中立下赫赫戰功, 并逐步發展成為現代海軍的主戰武器。二戰后, 艦船防御魚雷的重要性越來越被各國所重視。隨之, 水聲對抗器材不斷發展起來。

針對目前大部分魚雷自導方式為聲自導, 軟殺傷水聲對抗器材成為首選, 如噪聲干擾器。噪聲干擾器主要通過電-聲轉換裝置發出強烈的噪音來掩蓋艦船真實信號, 以降低魚雷聲納系統對真實信號的識別能力, 為艦船規避爭取時機。不過, 噪聲干擾器最顯著的缺陷是電聲轉化效率低和“空化現象”[1]。鑒于此, 國內外開展了連續爆炸式水聲干擾子彈的研究[2]。研究表明, 彈藥水下爆炸具有很強的聲壓級, 且電-聲轉化效率很高。

目前, 針對噪聲干擾器和聲誘餌對魚雷干擾效果的研究成果較多[3-4], 而針對水聲干擾子彈干擾效果的探討在國內幾乎是空白。本文在子彈水下爆炸干擾機理的基礎上建立仿真模型, 并結合優化原理來研究水聲干擾子彈對魚雷的干擾效果。

1 水聲干擾子彈水下爆炸干擾原理

炸藥在無限水域中爆炸時, 會產生很強的沖擊波。與炸藥空中爆炸相比, 水中爆炸沖擊波初始壓力要大得多, 高達15 GPa[5], 且沖擊波壓力衰減要比空氣中爆炸迅速的多。彈藥水下爆炸時, 產生的水中強沖擊波在水中迅速衰減成強聲波, 形成很強的背景噪音, 該強噪音能掩蓋艦船的真實噪聲信號, 甚至能造成魚雷聲納系統飽和, 從而達到干擾魚雷的效果。這就是水聲干擾子彈干擾聲自導魚雷的基本原理。

1.1 炸藥水下爆炸沖擊波

水中沖擊波在其傳播過程中, 沖擊波壓力按指數衰減形式衰減, 其表達式為

式中:p為壓力峰值;為衰減系數。

水下爆炸符合爆炸相似率, 主要與爆炸藥量和距離有關。Cole[6]在做了大量TNT水下爆炸試驗后, 得出壓力峰值p和衰減系數的經驗公式

式中:0為球形裝藥的裝藥半徑。

水聲干擾子彈試驗裝藥為TNT炸藥, 藥量18.5 g。某次湖中水下爆炸試驗中, 單發子彈在水下40 m深度爆炸, 距爆心1 m處所采集的壓力信號如圖1所示。

圖1 裝藥量為18.5 g TNT水下爆炸距爆心1 m處沖擊波壓力時程

從圖1看出, 水聲干擾子彈水下爆炸時沖擊波持續時間很短, 大約只有0.1 ms左右。這個時間作為干擾聲源的持續時間是不夠長的。但是在海水中, 由于海水的不均勻性(且不均勻介質大量存在), 會產生各種混響。部分爆炸聲信號在水中遇到這些不均勻介質時會被散射, 形成散射聲場, 使得爆炸干擾聲在水中的持續時間大大增長, 遠大于沖擊波的持續時間。

混響強度與信號本身的特性有關, 其強度隨信號的功率增大、帶寬的增加而增大, 爆炸聲作為一種高功率、寬頻帶的聲源, 混響的存在對于爆炸聲干擾魚雷來說是有利的。

1.2 子彈爆炸水下聲能譜

由于水下爆炸聲信號在遠距離傳播時存在多途徑傳播, 會存在引起信號波形的變形。為了避免由此引起的困難, 有必要研究爆炸聲源的能流密度和功率譜。

對于無限大的海面來講, 爆炸點可看成一個質點, 這里把爆炸聲波簡化成平面波來研究。對于平面聲波而言, 其能流密度計算式如下

式中:為水下爆炸沖擊波時域信號;為海水密度(1 000 kg/m3);為海水聲速, 取為1 500 m/s。將式(1)中壓力代入上式中, 積分得

水下聲波傳播與聲信號本身特性有關系, 吸收衰減和混響都與聲波頻率關系密切, 而且對于魚雷而言, 只有在特定頻段的噪聲才能對其產生干擾效果。

由于爆炸聲是一個覆蓋頻率很廣的聲源, 因此研究爆炸聲的功率譜非常必要。對于峰值壓力和衰減系數都已知的指數脈沖來說, 其能流譜密度可由傅里葉變換如下

式中: pm, θ分別由式(2)和式(3)得出。裝藥18.5 gTNT的子彈水下爆炸, 距爆炸點1 m處沖擊波能流密度譜如圖2所示。

從圖2看出, 子彈在水下爆炸具有很高的聲功率, 而且在各個頻段都有很強的聲功率。從圖中可知, 水下爆炸在低頻段的聲功率明顯高于高頻段, 在165 dB以上, 高頻段的聲功率也比較高, 因此在150 dB水下爆炸聲信號足以干擾工作在從高頻到低頻各個頻段的魚雷聲納系統。

連續爆炸式聲干擾彈母彈中攜帶480枚子彈, 只要控制好子彈爆炸時序, 設定好合理的時間間隔, 就能在比較長的時間里持續干擾魚雷聲納系統, 為艦艇規避爭取時間。

2 魚雷對抗仿真

2.1 問題描述

在建立模型之前, 先作2個假定:

1) 假定艦艇在未發現魚雷之前, 以較低的速度保持勻速直航, 在發現魚雷之后, 以最大航速0轉向規避。

2) 假定魚雷在搜索范圍內, 經聲納系統探測到一個目標時, 則魚雷跟蹤該目標; 如果在該搜索范圍內搜索出2個或多個目標時, 則魚雷跟蹤捕捉噪聲最大的目標并進行跟蹤。

建立以點為原點的直角坐標系,軸正方向為真北方向, 如圖3所示。為發現來襲魚雷時艦艇所在位置,為艦艇初始航向,為艦艇初始航向角。艦艇在點探測到魚雷之后, 掌握了魚雷的一些航行參數: 魚雷所在位置為, 且與艦艇相距0, 以勻速T航行, 魚雷位于艦艇的舷角為, 其航向為, 航向角為, 提前角。航向角和都是以軸正向為參考方向, 順時針與航向線之間的夾角為正, 反之為負。

圖3 艦艇和魚雷初始位置示意圖

由圖3可得魚雷所在位置的坐標為

隨之, 要建立模型以研究艦艇在發現目標之后應該往什么方向規避以及往何處發射連續爆炸式干擾彈, 使得艦艇獲得最大的生存概率。

2.2 數學模型的建立

艦艇在點發現來襲魚雷之后, 勢必要對魚雷進行規避。忽略艦艇發現魚雷到做出決策這段時間, 即艦艇在點探測到魚雷之后立刻規避, 并在規避一段時間后投放連續爆炸式水聲干擾彈進行干擾。艦艇根據已經掌握的魚雷參數, 確定魚雷將在處歷經時間到達0處, 并在0點開啟聲自導裝置進行目標搜索。艦艇要達到最佳的規避效果, 則應當魚雷自導系統開啟時, 魚雷與艦艇距離最遠[7]。

顯然, 最佳規避航向應為0的連線并且遠離魚雷的方向, 即1方向, 其航向角為, 如圖4所示。

圖4 艦艇與魚雷對抗態勢圖

由圖4可得到魚雷在時間內的航程

則魚雷所在位置0的坐標

在點處, 艦艇根據掌握的魚雷參數, 立即轉向規避, 回轉角度為, 由最佳規避距離最遠的原則可知T，，1這3點在同一直線上, 則回轉角度取值如下

式中,值為“+”代表順時針轉, 反之逆時針轉。

歷經時刻后魚雷達到0點, 艦艇經過轉向規避后以最大速度max航行, 在經過時間后達到1點,1點坐標為

魚雷在探測到干擾彈爆炸信號之后, 將追蹤干擾彈, 歷經1時刻后魚雷到達點時, 艦艇此時從1運動到2點。則

由此可計算出2點的坐標

魚雷在到達干擾彈所在位置之后, 會發現自己跟蹤了一個假目標, 隨后進行重新搜索、跟蹤目標, 因此, 要使魚雷到達干擾彈時, 艦艇與魚雷的距離最遠, 即

式(15)即是要優化的目標函數。同時, 干擾子彈欲起到干擾效果, 其落點必須位于半徑為R和0兩圓的公共區域內, 即應該滿足2個約束方程

2.3 參數的確定及仿真

由前面的分析所知, 干擾彈須落在以0為圓心0為半徑的圓域內, 而0的大小必須滿足聲納方程。從聲納方程可知, 干擾彈欲對魚雷進行有效干擾, 必須滿足的條件如下

式中:彈為干擾彈水下爆炸產生的聲壓級;魚雷為魚雷航行自噪聲;目為艦艇輻射噪聲或反射目標強度;為海水介質吸收系數, 根據魚雷工作頻率取為6 dB/km;0為掃描損耗, 一般為3~5 dB, 這里取為4 dB;為加權系數, 取值范圍為0~1。為魚雷與干擾彈之間的距離, 即

為魚雷與艦艇之間的距離, 且

由上述公式, 選取合適的參數, 就可得到的最大取值0。

在對所建模型進行仿真之前, 必須取得魚雷、目標艦船和干擾彈的一些參數, 參數選取如下。

1) 魚雷參數: 航速V=60 kn, 自噪聲級魚雷= 65 dB, 指向性系數=20 dB, 檢測閥=0 dB。

2) 干擾彈參數: 最大發射距離R=4 000 m, 干擾噪聲級根據1.2 kn, 可取為彈=165 dB。

3) 艦艇參數: 初始航向角=0°, 最大航速max=40 kn, 艦艇輻射噪聲級目=130 dB。

4) 其他參數: 艦船對來襲魚雷報警距離0= 4 000 m, 魚雷開啟自導時魚雷與目標的預定距離1=3 000 m。

根據所建模型, 取舷角分別為120°, 90°, 75°, 60°, 45°和30°, 魚雷提前角分別為10°, 15°, 20°, 25°, 30°和35°, 利用MATLAB優化工具箱[8]進行仿真計算, 仿真結果見表1。

表1 模型仿真結果

3 結論

由以上分析, 可得如下結論: 1) 水聲干擾子彈水下爆炸有很強的聲源級, 基本在200 dB以上, 且覆蓋的頻段很寬, 從幾十Hz到幾十kHz都有很高的聲功率級, 在150 dB以上, 能夠很好地干擾工作在各個頻段的魚雷。2) 從仿真結果看出, 干擾彈的最佳發射位置一般存在2個, 這在實際操作中非常有實用價值, 具體的最佳發射點應根據其他條件確定。3) 從發射舷角可看出, 最優發射舷角隨魚雷的報警舷角和提前角的改變變化不大, 集中在±118°左右, 在實戰中完全可以按固定角±118°緊急發射, 也能達到近乎最優的干擾效果。

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Interference Mechanism and Simulation on Underwater Explosion Against Passive Acoustic Homing Torpedo

ZENG Xing-xing, GU Xiao-hui, CHENG Feng-sheng, NIAN Gang

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Acoustic interference ammunition is a kind of new concept munitions. To verify its effect of underwater explosion signal on acoustic homing torpedo, we establish an acoustic countermeasure model by making use of the features of high source-level and wide bandwidth of the signal for a ship to evade acoustic homing torpedo, and translate countermeasure problem into a nonlinear and constrained target optimization function by mathematical optimization methods. As a result, the optimal evasion angle and the perfect location of acoustic interference ammunition are obtained, and smaller variation of optimal launch angle is achieved. Simulation results show that acoustic interference ammunition can interfere acoustic homing torpedo effectively under optimal launching condition.

acoustic homing torpedo; acoustic interference ammunition; underwater explosion; target optimization

TJ630.34；TB561；O382.1

A

1673-1948(2012)02-0090-05

2011-06-04;

2011-06-26.

曾星星(1987-), 男, 在讀碩士, 研究方向為火炮、自動武器與彈藥工程.

(責任編輯: 楊力軍)