火箭助飛式反魚雷魚雷性能仿真

王光宇1, 彭 佩2

?

火箭助飛式反魚雷魚雷性能仿真

王光宇, 彭 佩

(1. 海軍裝備部, 北京, 100161; 2. 海軍裝備研究院, 北京, 100161)

依據火箭助飛式反魚雷魚雷典型作戰態勢, 建立了相關模型, 仿真了火箭助飛式反魚雷魚雷的作戰過程。仿真結果表明, 航速和航程對火箭助飛式反魚雷魚雷攔截概率有較大影響, 自導作用距離不小于水下航程可以保證較高的攔截概率。

火箭助飛式反魚雷魚雷; 攔截概率; 作戰過程

0 引言

德國“海蜘蛛”(sea spider)反魚雷魚雷直徑210 mm, 長2 260 mm, 重115 kg, 采用主/被動自導, 自導作用距離數百米, 于水面艦艇發射時可采用火箭助飛, 以彈道式飛行至入水點, 水下采用高可靠性的固體推進劑水下火箭, 速度快, 用以實施主動快速精確攔截來襲魚雷。文中從火箭助飛式反魚雷魚雷攔截來襲魚雷過程出發, 建立了水下彈道模型、自導檢測判據、命中目標判據, 依據水面艦艇、來襲魚雷和反魚雷魚雷的相關技術參數, 對反魚雷魚雷作戰效能采用蒙特卡洛法進行計算機仿真, 得出量化的反魚雷效能結論。通過仿真結果分析得出航速、航程和自導作用距離等核心指標數據對命中概率的影響。

1 反魚雷作戰過程

以水面艦艇報警聲納發現來襲魚雷開始點為原點, 水面艦艇沿軸直航, 如圖l 建立直角坐標系, 坐標系中以軸為基準線。

根據圖1, 由命中三角形可以建立航行水平面內的攔截幾何關系

式中:為雷目距離;為目標瞄準線與攻擊平面內基準線之間的夾角, 稱為目標線方位角;分別為反魚雷魚雷和來襲魚雷的速度矢量;分別為反魚雷魚雷、來襲魚雷速度矢量與基準線之間的夾角, 稱之為反魚雷魚雷彈道角和目標航向角;分別為反魚雷魚雷、來襲魚雷速度矢量與目標瞄準線之間的夾角。

2 模型及判據建立

2.1 彈道模型

2.1.1 落點散布模型

計算反魚雷魚雷的落點坐標, 是以觀測來襲魚雷運動要素為基礎的, 反魚雷魚雷按解算出的目標要素取捷徑航行至來襲魚雷的預計主航向上, 以此確定發射角, 根據指控系統設定的空中飛行平均速度和空中航程, 從而求出平均彈道入水點的坐標(即散布中心坐標), 最后求出每發反魚雷魚雷的散布坐標。

散布中心坐標

(3)

則落點散布坐標為

2.1.2 直航搜索段彈道模型

反魚雷魚雷在點落水, 通過二次轉角沿解算的來襲魚雷主航向進行反向搜索, 當反魚雷魚雷的自導系統未發現來襲魚雷時進行直航搜索

2.1.3 跟蹤導引段彈道模型

當反魚雷魚雷自導系統發現來襲魚雷時, 按照設定導引律進行導引跟蹤

2.2 來襲魚雷彈道模型

來襲魚雷按照機動方式其彈道模型

2.3 自導檢測判據

反魚雷魚雷采用主被動聯合自導, 在魚雷搜索期間, 要想使自導裝置捕獲目標, 必須使目標進入自導裝置有效作用范圍內, 即目標落入到自導扇面中, 需滿足相對距離和相對方位的約束條件。

反魚雷魚雷與來襲魚雷的相對距離

來襲魚雷相對反魚雷魚雷的方位

(9)

2.4 命中目標判據

反魚雷魚雷發現捕獲目標后, 按照一定的導引律追蹤目標, 在追蹤段能否命中目標與本身戰術技術性能有關, 為了簡化計算, 可以通過判斷來襲魚雷是否在反魚雷魚雷毀傷半徑作用范圍之內來判斷是否被命中, 具體模型如下。

式中:為反魚雷魚雷與來襲魚雷之間的距離;l為反魚雷魚雷毀傷半徑, 當符合條件時, 認為攔截成功。

3 仿真想定

3.1 仿真思路

以水面艦艇、來襲魚雷、反魚雷魚雷的相關技術參數為初始條件, 基于蒙特卡洛法建立命中概率仿真計算模型。根據反魚雷魚雷作戰過程分析及上述彈道模型, 采用龍格庫塔算法解來襲魚雷對我方艦艇以及反魚雷魚雷對來襲魚雷之間的攔截幾何關系, 得到三者的實時坐標, 進而根據相關判據, 得到攔截概率。

3.2 誤差取值

反魚雷魚雷落點散布區域為一橢圓, 為了簡化計算, 把它看成一個圓形區域。散布區域以瞄準點為圓心, 落點散布均方差為半徑, 散布方向0°到360°均勻分布。根據一般的經驗確定計算中涉及的一些誤差取值, 對于具體武器使用研究, 應根據具體武器系統的試驗參數來確定, 仿真中的主要參數的誤差取值略。

4 仿真結果與分析

4.1 攔截彈道仿真

圖2為反魚雷魚雷成功攔截來襲魚雷彈道仿真示意圖, 圖3為反魚雷魚雷未成功攔截來襲魚雷彈道仿真示意圖。

圖2中, 由于指控系統求解得到的射擊諸元較準確, 反魚雷魚雷成功占位來襲魚雷航向, 并且自導成功捕獲來襲魚雷, 當雷目距離小于某一值時, 魚雷命中來襲魚雷, 攔截成功。

圖3中, 由于各種隨機誤差的存在, 導致求解得到的反魚雷魚雷射擊諸元不準確, 在某一距離處, 來襲魚雷逃離了反魚雷魚雷自導扇面的搜索, 最終來襲魚雷捕獲并命中艦艇目標, 而反魚雷魚雷則在搜索航向上丟失目標, 直至航程耗盡, 攔截失敗。

4.2 攔截概率仿真

4.2.1 水下航速對攔截概率的影響

圖4為在設定的仿真計算參數下, 反魚雷魚雷攔截概率隨水下航速的變化趨勢。

如圖4所示, 在一定范圍內自導作用距離不變的情況下, 水下航速對反魚雷魚雷攔截概率影響明顯, 武器速度越高打擊效果越好, 速度越高接敵時間越短, 目標誤差散布越小, 攔截概率就越高。

4.2.2 航程對攔截概率的影響

圖5、圖6 分別為在設定的仿真計算參數下,反魚雷魚雷攔截概率隨助飛段航程和水下航程的變化趨勢。

如圖5所示, 當指控系統解算完畢立即發射魚雷, 在水下航程固定的情況下, 助飛段航程小于data2或大于data8時攔截概率小于0.75, 前者是由于助飛段航程太小, 導致水下航程不足以跟蹤摧毀目標, 后者是設定的助飛段航程太大, 助飛魚雷落水時刻來襲魚雷已越過該區域, 助飛魚雷搜索不到目標。

如圖6所示, 在助飛段航程取某一固定數據的情況下, 當水下段航程由data1到data2時, 攔截概率急劇上升, 當水下航程大于data2時, 攔截概率變化比較平緩, 并保持較高的攔截概率。

4.2.3 自導作用距離對攔截概率的影響

圖7為在設定的仿真計算參數下, 反魚雷魚雷攔截概率隨自導作用距離變化趨勢。

如圖7所示, 當自導作用距離達到data5 時, 攔截概率達到了0.8以上, 比較圖6和圖7可以發現, 自導作用距離data5 基本覆蓋了水下航程data2。這樣一來, 反魚雷魚雷在落水調姿完畢后就可以探測到來襲魚雷, 可以最大程度增加自導捕獲概率, 進而保證較高的攔截既率。

5 結束語

以上通過對火箭助飛式反魚雷魚雷攔截來襲魚雷作戰過程的研究, 建立了基于蒙特卡洛法的仿真計算模型。通過仿真計算, 模擬了攔截彈道, 并定量分析了主要指標對攔截概率的影響, 得到了如下結論。

1) 由于武器系統對來襲魚雷運動要素的解算存在誤差以及來襲魚雷近程跟蹤彈道會受到我艦機動的影響, 反魚雷魚雷自導捕獲目標時所處位置與目標實際航向之間可能存在較大的橫向偏差, 使之處于不利陣位, 高航速有利于反魚雷魚雷在追蹤導引過程中更快地接近目標航向, 以避免最后的尾追或近程時丟失目標。

2) 助飛段航程的設定既要使水下段航程足以捕獲跟蹤并摧毀目標又要避免助飛段航程過大, 造成由于火箭助飛式魚雷落點誤差使魚雷尾追來襲魚雷或者丟失目標, 水下航程必須大于某一特定值(圖6中的data2)才能保證較高的攔截概率。

3) 為保證較高的攔截概率, 反魚雷魚雷自導作用距離應不小于水下航程。

[1] 周徐昌, 黃文玲, 高永祺. 魚雷控制系統分析與設計[M]．武漢: 海軍工程學院, 1995.

[2] 林賢杰, 賈躍, 趙學濤, 等. 航空自導深彈攻潛效能模型與仿真[J]. 彈箭與制導學報, 2008, 28(4): 131-134.Lin Xian-jie, Jia Yue, Zhao Xue-tao, et al. Anti-submarine Operational Effectiveness Model and Simulation of Aviation Homing Depth Charge[J]. Journal of Projectiles, Rocket, Missiles and Guidance, 2008, 28(4): 131-134.

[3] 張靜遠, 孟慶玉. 魚雷戰斗使用與作戰性能評定[M]．武漢: 海軍工程學院, 1995.

[4] 姜凱峰, 周明, 林宗祥. 艦載反魚雷魚雷作戰效率仿真研究[J]. 計算機仿真, 2011, 28 (06): 9-12. Jiang Kai-feng, Zhou Ming, Lin Zong-xiang. Operational Efficiency Based on Simulation of Shipboard Anti-torpedo torpedo[J]. Computer Simulation, 2011, 28 (6): 9-12.

[5] 范作娥, 顧文錦, 姜鵬, 等. 基于蒙特卡洛法的反艦導彈末端機動突防效果研究[J]. 海軍航空工程學院學報, 2010 , 25(3): 241-246.

[6] 周明, 徐德明. 火箭助飛式反魚雷魚雷彈道的仿真實現與應用研究[J]. 彈箭與制導學報, 2007, 27(2): 235-238.Zhou Ming, Xu De-ming. Infection of Impact Dispersion to the Rocket Assisted Torpedo Detection Probability[J]. Journal of Projectiles, Rocket, Missiles and Guidance, 2007, 27(2): 235-238.

(責任編輯: 許 妍)

Performance Simulation of Rocket-Assisted Anti-Torpedo Torpedo

WANG Guang-yu, PENG Pei

(1. Naval Armament Department, Beijing 100161, China; 2. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Some models of typical operations of a rocket-assisted anti-torpedo torpedo(RATT) are established to simulate the intercept trajectory of a RATT. Simulation results show that the speed and range impose significant influences on the interception probability of a RATT, and the RATT can gain higher interception probability when homing range is no less than the underwater range.

rocket-assisted anti-torpedo torpedo; interception probability; operational process

TJ63

A

1673-1948(2013)06-0469-05

2013-07-01;

2013-08-11.

王光宇(1970-), 男, 研究方向為魚雷總體技術.