基于二次攻擊模式的反魚雷魚雷彈道組織和動力推進模式

羅 凱, 李代金, 黨建軍, 王育才

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基于二次攻擊模式的反魚雷魚雷彈道組織和動力推進模式

羅 凱, 李代金, 黨建軍, 王育才

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

包括反魚雷魚雷(ATT)等硬殺傷手段在內的反魚雷作戰能力, 對于大型艦艇至關重要。針對ATT自來襲魚雷的前半球發起迎擊, 命中概率低, 提出了迎擊+追擊的二次攻擊模式, 并給出了彈道組織和理論分析方法。該二次攻擊模式可在迎擊失敗的條件下再進行追擊, 可顯著提高攔截命中概率。結合二次攻擊模式的理論彈道計算, 通過對火箭噴氣推進、常規渦輪機推進以及渦輪泵噴水推進等多種推進模式的對比分析, 給出了各種推進模式下ATT的理論作戰性能指標。采用渦輪泵推進, 可支持二次攻擊的允許發射距離超過20 cab, 是火箭推進模式允許發射距離的2.3倍。綜合考慮通用性、實現性和發展潛力等因素, 渦輪泵是適合于ATT使用的動力推進模式。

反魚雷魚雷; 二次攻擊; 命中概率; 推進模式; 渦輪泵

0 引言

包括反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)等硬殺傷手段在內的反魚雷作戰能力, 對大型水面艦艇至關重要[1]。與常規魚雷相比, ATT有以下特點: 1) ATT一般尺寸較小; 2) ATT一般在目標前半球發起攻擊, 采取迎擊模式; 3)考慮到ATT發射平臺的魚雷報警距離以及它的迎擊模式, ATT航程相對較小[2]。然而, 眾所周知, 采取在目標前半球發動的迎擊模式, 其命中概率是比較低的, 這就降低了ATT的作戰效能[3-4]。基于此, 本文擬就ATT的新型彈道組織模式及其與之配套的新型動力推進模式作初步討論, 提出了迎擊+追擊的二次攻擊模式, 以提高攔截命中概率。

1 迎擊+追擊的二次攻擊彈道模式

由于迎擊時ATT需用法向過載量大、脫靶量大、命中概率低, 可考慮在迎擊失敗的條件下再進行追擊, 實施迎擊+追擊的二次攻擊模式, 如圖1所示。ATT與目標相向運動并發生第一次迎擊交匯, 若迎擊失敗, 則開始回旋轉向機動至速度矢量指向來襲魚雷, 此后ATT以尾追法進行追蹤, 直至形成追擊交匯。

圖1 迎擊+追擊的二次攻擊彈道模式

如此組織的彈道模式將顯著提高命中概率。顯然, 形成二次攻擊要求ATT航速大于來襲魚雷, 且能夠擁有一定的航程以保證追擊交匯點距離ATT發射平臺有足夠的安全距離。該彈道模式有以下幾個關鍵的距離和時間特征量。

且滿足關系

此后, ATT以尾追法追蹤直至追擊交匯命中, 導引時間為[5]

追擊交匯點與ATT發射點間的距離為

ATT總航程

則對應ATT最大航程時最大迎擊交匯時刻

對應的最大迎擊+追擊發射距離為

對應的最小迎擊+追擊發射距離為

二次攻擊發射時機時間窗口為

如欲實施迎擊+追擊的二次攻擊模式, 速度比約1.5倍為最佳值, 考慮到自導等其他因素, 對于航速55 kn的來襲魚雷(如MK48), ATT航速以70 kn較適宜。以火箭噴氣推進為例進行理論計算, 計算條件: 來襲魚雷航速55 kn, ATT航速60/70 kn、航深15 m、口徑=180 mm、長細比10、動力艙段長6.5、燃燒室溫度2300 K、壓力30 MPa、外部過線方式, ATT彈道回轉半徑為8倍雷長, 最小安全距離150 m。表1給出了火箭推進模式下, ATT航速60/70 kn時的理論工作性能對比。可見, 在火箭推進模式下, ATT航速為60 kn時, 二次攻擊發射時機時間窗口理論值也不足5 s, 實際作戰條件下難以實現二次攻擊。

表1 火箭推進方式下ATT的理論工作性能對比

2 推進模式

對于口徑180 mm左右的ATT, 如欲具備迎擊+追擊的二次攻擊能力, 航速宜達到70 kn, 故其動力系統的功率負荷很大, 活塞機+推進器推進可暫不予考慮(推進器輸入功率約85 kW)。而若采用常規魚雷的液體推進劑+渦輪機+推進器的推進模式, 系統不僅構成復雜、成本高, 且由于渦輪尺寸小, 轉速甚高, 由此帶來的問題難以短時間內突破。

渦輪泵噴水推進系統是采用固體火藥推進劑,渦輪不經減速而直接拖動內流道中的小尺寸軸流水泵的推進模式, 內流道進水口開于雷體尾部殼體上, 排水口位于雷體尾部端面處。與常規推進器推進模式相比, 渦輪泵噴水推進系統構成簡單(無減速機構、無輔機)、無控制性瓶頸技術難題、工程實現容易、成本低、使用維護更方便。

渦輪泵推進系統不自帶發電機, 需另外攜帶電池進行全雷供電, 但由于可以采用燃氣舵機, 舵機驅動用電量很少。另外, 由于來襲魚雷的聲學反射截面積很小, 似采用被動聲自導為宜, 自導系統對雷上電源容量的要求也不至于很高[6]。

對于輕型或更小口徑的高航速航行器, 渦輪泵系統的總效率相對較低, 但由于系統簡單、推進劑可用艙段長度大、推進劑裝填體積利用率高、裝藥密度大, 其航程指標與常規渦輪機動力系統接近。例如, 以MK46外形為例進行計算, 燃料艙+尾段+推進器長度均取5.5D, 70 kn航速, 15 m航深下渦輪泵與常規渦輪機動力系統推進的重要性能指標對比如表2所示。

表2 渦輪泵與常規渦輪機系統推進性能對比

渦輪泵噴水推進系統的內外流道速度場、壓力場分布如圖2~圖4所示。

以下對火箭噴氣推進、渦輪泵噴水推進作初步對比理論計算, 計算條件為: 渦輪泵推進燃燒室溫度1 600 K、壓力30 MPa, 其余條件與表1計算條件相同。ATT理論性能指標對比見表3。

圖2 壓力云圖

圖3 外殼體壓力分布

圖4 內流道壓力分布

表3 艦用180 mm口徑ATT的理論工作性能對比

可見, 渦輪泵推進模式的性能顯著超出火箭推進, 最大迎擊+追擊發射距離達到火箭推進的2.3倍。渦輪泵推進模式可支持ATT在大于20 cab的距離上發射并實現迎擊+追擊的二次攻擊作戰模式。

另外, 盡管火箭推進模式可勉強實現艦用ATT的二次攻擊, 但從艦用、潛用的通用性以及技術發展潛力的角度來看, 它并不適合[7]。表4給出了在500 m航深下的ATT理論性能對比。

表4 潛用180 mm口徑ATT的理論工作性能對比

可見, 180 mm口徑的潛用ATT, 若采用火箭推進模式, 二次攻擊發射時機時間窗口理論值也不足8 s, 實際作戰條件下實現二次攻擊非常勉強。而采用渦輪泵推進則還能夠支持15 cab左右的發射距離, 其性能指標可以接受。

另外, 若ATT能夠采用低速迎擊+高速追擊的變速攻擊模式, 則命中概率會有所提高, 且發射距離可以顯著增大[8]。渦輪泵系統可以支持此種變速彈道, 而火箭推進則不能。

若艦用ATT采用324 mm口徑, 則性能還會顯著提高, 以MK46的總長度為例, 采用渦輪泵推進的ATT理論性能指標如表5所示, 其余計算條件同表3。

表5 艦用324 mm口徑ATT的理論工作性能

可見, 渦輪泵推進模式可以支持324 mm口徑ATT在大于30 cab的距離上發射并實現迎擊+追擊的二次攻擊作戰模式, 這已經達到了魚雷報警距離的量值, 可以實現對來襲魚雷發現即發射的作戰模式, 性能非常理想。

3 結論

1) 由于ATT是在目標前半球發起攻擊, 命中概率低, 可考慮在迎擊失敗的條件下再進行追擊, 實施迎擊+追擊的二次攻擊模式, 命中概率會顯著提高。

2) 如欲實施迎擊+追擊的二次攻擊模式, ATT航速以70 kn為宜。

3) 若ATT采用180 mm口徑, 對于艦用ATT, 盡管火箭推進模式可勉強實現二次攻擊, 但渦輪泵推進模式更適合, 其性能指標超出甚多。

4) 對于潛用ATT, 火箭推進模式支持二次攻擊非常勉強, 而渦輪泵推進模式能夠勝任。

5) 渦輪泵系統可以支持低速迎擊+高速追擊的變速ATT攔截攻擊模式。

6) 若ATT采用324 mm口徑, 配置渦輪泵推進系統, 其性能指標將非常理想。

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Trajectory Organization and Propulsion Mode of Anti-torpedo Torpedo Based on double Attack Mode

LUO Kai, LI Dai-jin, DANG Jian-jun, WANG Yu-cai

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnicial University, Xi′an 710072, China )

The operational capacity of hard killing anti-torpedo weaponry, such as anti-torpedo torpedo, is essential for heavyweight warships. The hit probability of an anti-torpedo torpedo is low since it attacks from the fore-hemisphere of an incoming torpedo. This paper proposes a double attack mode including attacking and chasing, and provides trajectory organization and theoretical analysis method. This double attack mode can pursuit the target in the case of attack failure and improve the intercept hit probability significantly. Through theoretical trajectory calculation of the double attack mode, the theoretical operational performance indexes of an anti-torpedo torpedo with various propulsion modes are obtained via comparative analysis of the rocket jet propulsion, conventional turbine engine propulsion, turbine pump water jet propulsion and other propulsion modes. The allowable launch distance is more than 20 cab in turbine pump propulsion mode, which is 2.3 times of the allowable launch distance in rocket propulsion mode. By considering generality, reliability, developmental potential and other factors, the turbine pump is the best power propulsion mode for an anti-torpedo torpedo.

anti-torpedo torpedo; double attack; hit probability; propulsion mode; turbine pump

TJ630.1

A

1673-1948(2013)05-0321-05

2012-08-28;

2013-06-12.

羅 凱(1972-), 男, 副教授, 博士后, 主要研究方向為水下動力系統、液壓系統以及自動控制.

(責任編輯: 陳 曦)