使用航空深彈驅趕潛艇建模與仿真

孫明太, 任東彥, 李居偉, 王云翔

?

使用航空深彈驅趕潛艇建模與仿真

孫明太, 任東彥, 李居偉, 王云翔

(海軍航空工程學院青島分院, 山東青島, 266041)

非戰爭時期, 驅趕可疑潛艇是航空深彈的主要作戰任務, 也是其自身特點和優勢體現。首先, 在分析驅趕潛艇作戰原則的基礎上, 利用航空深彈爆炸威力模型和潛艇殼體抗沖擊模型, 給出了深彈起爆時距離目標的安全半徑和最大有效半徑; 然后, 根據投彈散布模型和目標定位模型, 提出了驅趕潛艇目標的投彈瞄準點位置, 通過權衡完成驅趕目標任務概率和對目標潛艇造成毀傷的概率, 確定投彈瞄準點。最后, 針對聲納系統和磁探儀的不同目標定位條件, 仿真分析了具體算例。仿真結果表明, 較高的投彈精度和水下目標定位精度能更好地控制作戰效果。

航空反潛; 航空深彈; 驅趕潛艇; 投彈瞄準點位置; 定位精度

0 引言

各國海洋權益之爭日益激烈, 一國潛艇入侵另一國領海的事件不斷增多。既保護海洋權益, 又不至使沖突升級, 必須使用一定手段對敵水下活動進行有效控制——驅趕或迫使其上浮, 這正是反潛飛機使用航空深彈的作戰任務之一。特別在和平時期, 或敵我對抗不明朗的時候, 不宜使用魚雷將其擊沉。反潛飛機使用航空深彈對可疑潛艇進行警告和驅離, 是航空反潛的優勢體現, 也是航空深彈自身特點賦予的主要作戰任務之一。

1 驅趕潛艇的作戰原則

驅趕潛艇和以毀傷為目的的反潛作戰不同, “驅趕”的目的是在不對可疑潛艇造成嚴重損傷的前提下, 干擾其活動計劃的實施、阻止其進一步的行動。作戰中, 根據目標的類型、深度、航速和航向等信息, 可以通過控制深彈投放時的入水點和爆炸深度來實現上述作戰效果。即, 若設深彈起爆時與目標的距離為, 則考慮不對目標造成嚴重毀傷時,應越大越好; 同時, 考慮到對可疑目標的警告作用,不宜太大。

2 建立計算模型

2.1 航空深彈爆炸威力模型

航空深彈水中爆炸對潛艇的破壞作用表現為兩種形式, 一是沖擊波, 爆炸瞬間產生強大超壓; 二是爆炸后產生的氣泡脈動壓力波, 以及由此壓力波產生的水流運動(動流)。

其中, 沖擊波的能量與到爆炸中心的距離的平方成反比, 沖擊波最大壓強、裝藥量與到爆心距離的關系

而氣泡脈動壓力波的最大壓力一般僅有沖擊波的10~20%, 但持續時間更長, 且更靠近水面, 對爆炸中心上方的目標, 特別是處于爆炸氣泡的第2次膨脹附近的目標, 破壞作用較為明顯。但氣泡脈動壓力波距離爆心較近, 如450 kg TNT當量的炸藥水下30 m爆炸時, 氣泡脈動壓力波的破壞距離不大于10 m, 遠小于下文中的安全半徑(見表1)。因此, 在控制驅趕潛艇的作戰效果時, 主要考慮沖擊波對目標的破壞作用。

表1 潛艇深度與安全半徑的關系

2.2 潛艇殼體抗沖擊模型

根據式(1)水中深彈爆炸威力模型, 以及對潛艇殼體可承受爆炸壓力的研究, 圓筒形潛艇殼體的安全半徑為

(3)

(4)

該函數可通過查表求解。

又有

因此, 根據式(2)~式(4)可采用逐次逼近的方法求得比較精確的潛艇安全半徑的值。該安全半徑是使用深彈驅趕潛艇時, 深彈爆炸時與目標距離的最小允許值, 即

(6)

此外, 為了使水下爆炸對潛艇目標起到一定的威脅作用, 深彈爆炸時與目標的距離不應過大, 要小于最大有效半徑。在這個距離內潛艇受到的沖擊較為顯著, 可以使艇內人員感到明顯震動。此時, 可以使用水下爆炸的沖擊因子來表達對潛艇的沖擊效果, 根據文獻[4]和[5]的研究, 沖擊因子的計算主要從潛艇自身特性考慮, 沒有涉及潛艇所處深度的信息。而潛艇承受沖擊的能力與深度密切相關, 此處暫定最大有效半徑為5, 即

2.3 投彈散布模型

,(9)

2.4 目標分布模型

反潛飛機定位目標的主要設備是聲納系統(包括浮標聲納和吊放聲納)和磁探儀。

使用磁探儀定位目標時, 一般認為目標在如圖1(a)所示的范圍內服從均勻分布。圖1(b)為垂直剖面圖。圖中,為飛機投彈時的高度;為磁探儀探測距離;為隨深度變化的探測寬度;為目標深度。并有

一般情況下聲納系統和磁探儀都無法測得目標深度, 因此都假設目標深度在上服從均勻分布, 其中,是一個定值, 即目標潛艇的最小安全深度,為目標的最大可能深度。

3 驅趕潛艇的投彈標準

3.1 聲納系統定位目標

使用聲納系統定位目標時, 為實現驅趕威懾潛艇的目的, 深彈爆炸時與目標的距離應滿足(見圖2)。

設

(12)

表示能夠實現驅趕潛艇目的的概率

表示未能實現驅趕目的時, 對目標潛艇造成了毀傷的概率。將和作為評定作戰效果的因素。

則當目標分布情況、投彈水平散布情況和引信設定深度一定時,和為主要取決于投彈瞄準點與目標分布中心的距離(即為圖2中的虛線)的大小。因此, 可以通過控制投彈瞄準點與目標分布中心的距離控制作戰效果。

3.2 磁探儀定位目標

使用磁探儀定位目標時, 投彈標準與使用聲納系統時相同, 僅有目標的分布情況不同。認為目標在如圖1(a)所示的半球體范圍內均勻分布。

4 算例分析

設航空深彈的裝藥量為100 kg TNT當量, 目標潛艇的鋼質殼體半徑為1.71 m, 殼板厚度為1.1 cm,臨界壓力為25.78 kg/cm。由于潛艇深度與安全半徑的關系密切, 并且計算中需要使用查表數據和逐次逼近的方法, 過程較為復雜。因此, 仿真計算時, 首先算得一組數據(基本符合指數關系, 見表1。=), 然后進行曲線擬合, 得到潛艇深度與安全半徑之間的近似函數關系, 見式(14)。由此, 在下文蒙特卡洛法仿真方法的使用中, 減少了計算復雜度。

4.1 聲納系統定位目標的一次仿真結果

表2 計算數據

采用表2所示的聲納定位目標數據, 編制4000次蒙特卡洛仿真計算程序, 得到平均值為=0.8598, 即完成驅趕任務的概率約為85%;=0.0983, 即對目標潛艇造成毀傷的概率約為10%。

下文將距離不同投彈瞄準點對作戰效果的影響, 為確定最佳投彈瞄準點位置提供依據。

4.2 投彈瞄準點位置對作戰效果的影響

圖3中顯示投彈瞄準點與目標分布中心的距離=150 m時,>0.85,<0.05, 是比較合適的選擇。

圖4是在浮標定位目標數據不變的情況下, 不同投彈散布對的影響。其中, 投彈散布1的散布均方差; 投彈散布2的散布均方差。圖中投彈散布1的散布均方差較小, 而的最大值更大, 這表明, 投彈精度越高, 作戰效果更易控制。

由圖4、圖5可知, 較高的投彈精度和目標定位精度有利于完成驅趕潛艇的任務。

4.3 磁探儀定位目標

反潛飛機使用磁探儀定位目標數據見表3。

表3 磁探儀定位目標時的仿真數據

圖6中顯示, 當使用磁探儀定位目標時, 投放深彈對目標造成毀傷的概率很小, 這是由于事先假設了目標在圖1(a)所示的半球形內服從均勻分布, 且范圍很大。此時, 使用1枚深彈能夠毀傷目標的概率很低, 這樣的結論與文獻[1]關于深彈攻潛命中概率的研究相符。

同時, 隨著瞄準點偏離目標分布中心的程度增加, 落在半球外的投彈點越來越多。當>220 m時, 瞄準點已經偏離到目標分布范圍(例中目標分布最大半徑為223.61 m)之外, 使得可能對潛艇目標造成毀傷的概率迅速降低。此時, 可在綜合考慮和的情況下, 作出投彈瞄準點的選擇=200 m。此時, 對目標造成毀傷的概率小于0.05, 而完成驅趕目標任務的概率不低于0.7, 是比較合適的選擇。

5 結束語

本文依據反潛飛機對水下潛艇目標的定位情況、投放航空深彈的散布情況、航空深彈爆炸威力模型和潛艇抗毀能力模型, 給出了使用航空深彈驅趕潛艇作戰的投彈標準: 通過權衡完成任務的概率和對目標潛艇造成毀傷的概率, 進而確定投彈瞄準點。能夠為使用航空深彈驅趕潛艇作戰提供理論依據。仿真結果也證實了該方法的有效性。同時, 仿真結果也表明, 雖然驅趕潛艇不是以“摧毀”為目標, 但和以毀傷為目的的反潛戰一樣, 都需要保證較高的投彈精度和水下目標定位精度, 以便更好地控制作戰效果。

[1] 孫明太. 航空反潛概論[M]. 北京: 國防工業出版社, 1998: 210-212.

[2] 孫承緯. 應用爆轟物理[M]. 北京: 國防工業出版社, 2000.

[3] 孟祥嶺. 水雷兵器總體設計原理[M]. 海軍工程學院, 1982: 22-31.

[4] 許維軍, 姚熊亮, 梁德利. 水下爆炸沖擊載荷作用下潛艇沖擊環境仿真研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2006, 27(3): 372-376.

Xu Wei-jun, Yao Xiong-liang, Liang De-li. Research on Si- mulation of Underwater Shock Environment of Submarine Subjected to Underwater Explosion Impact Loads[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2006, 27(3): 372-376.

[5] 姚熊亮, 郭君, 曹宇, 等. 在水下爆炸沖擊波作用下的新型沖擊因子[J]. 中國造船, 2008, 49(2): 52-60.

Yao Xiong-liang, Guo Jun, Cao Yu, et al. A New Impulsive Factors on the Underwater Shock Load[J]. Ship Building of China, 2008, 49(2): 52-60.

[6] 王敏毅, 何寶國. 無動力導向航空自導深彈攻潛效能分析[J]. 水雷戰與艦船防護, 2004(1): 37-40.

[7] 孫明太. 航空反潛戰術[M]. 北京: 軍事科學出版社, 2003: 99-101.

(責任編輯: 許 妍)

Modeling and Simulation of Airborne Depth Charge for Driving out Submarine

SUN Ming-tai, REN Dong-yan, LI Ju-wei, WANG Yun-xiang

(Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041, China)

The underwater blast power model of an airborne depth charge and the resisting shock wave model of a submarine hull are employed to compute the safe-radius to the depth charge and the largest effective-radius based on the analysis of driving out submarine principle. A method to ascertain the bomb-dropping aiming point position is proposed according to the bomb-dropping dispersion model and the target location model, namely, the aiming point of bomb-dropping is determined by weighing the probability of accomplishing driving out target mission and the probability of destroying a submarine. In addition, some examples with different target location conditions of sonobuoy and magnetic anomaly detector are simulated, and the results indicate that better operational effectiveness control can be achieved based on higher precisions of bomb-dropping and underwater target location.

airborne anti-submarine; airborne depth charge; driving out submarine; bomb-dropping aiming point position; location accuracy

TJ650.1

A

1673-1948(2012)06-0449-05

2012-3-15;

2012-5-10.

孫明太(1961-), 男, 教授, 博士生導師, 研究方向為航空反潛裝備及作戰使用.