小口徑艦炮攔截超音速反艦導彈的特性分析*

劉 楊 張龍杰 謝曉方

(1.北京市西三環中路19號 北京 100841) (2.海軍航空工程學院兵器科學與技術系 煙臺 264001)

小口徑艦炮攔截超音速反艦導彈的特性分析*

劉 楊1張龍杰2謝曉方2

(1.北京市西三環中路19號 北京 100841) (2.海軍航空工程學院兵器科學與技術系 煙臺 264001)

探討小口徑艦炮對超音速反艦導彈的攔截問題。選取典型對象彈作為研究對象,利用Monte Carlo法仿真分析了小口徑艦炮對不同特性反艦導彈的命中彈數。根據仿真計算結果,對比分析了小口徑艦炮對亞音速反艦導彈和超音速反艦導彈的攔截效果,進一步探討了影響小口徑艦炮攔截超音速反艦導彈的有關影響因素,為小口徑艦炮的作戰使用提供參考。

火炮; 小口徑艦炮; 超音速反艦導彈

Class Number TJ391

1 引言

進入21世紀以來,隨著各國海軍艦艇部隊綜合防御能力的提高,常規亞音速反艦導彈逐漸無法滿足當前海戰的要求,各國在繼續升級改造現役亞音速反艦導彈的同時,正在加緊研制和引進機動能力強、飛行速度快的超音速反艦導彈[1]。

對于超音速反艦導彈,導彈防御系統的可用準備時間更短、最大可攔截次數更少,攔截難度也更高,在這種情況下,探討小口徑艦炮對超音速反艦導彈的攔截問題就非常必要。

本文首先仿真分析了小口徑艦炮對不同飛行速度和外形尺寸反艦導彈的命中彈數,通過對仿真結果的對比分析,深入剖析了影響小口徑艦炮攔截超音速反艦導彈的主要因素,對小口徑艦炮攔截超音速反艦導彈過程中出現的新特性進行了歸納總結,給出了結論。

2 艦炮對反艦導彈命中彈數的計算

由于小口徑艦炮對不同反艦導彈的命中彈數不是本文研究的重點,因此對這部分內容只簡要進行分析。

2.1 對象彈選取

選取3種類型的對象彈作為反艦導彈的原型,各對象彈詳細參數如表1所示。

表1 各對象彈基本參數

表1中,1號對象彈為中小型超音速反艦導彈,2號對像彈為中小型亞音速反艦導彈,3號對像彈為大中型超音速反艦導彈。

1號和2號對象彈主要用于對比分析小口徑艦炮對亞音速和超音速反艦導彈的命中彈數;1號和3號對象彈主要用于對比分析小口徑艦炮對不同尺寸超音速反艦導彈的命中彈數。

2.2 主要數學模型

誤差傳遞模型:主要考慮目標坐標的觀測誤差、估計誤差和預測誤差,彈道和氣象修正誤差,小口徑艦炮載體搖擺誤差,隨動系統跟蹤誤差,彈丸散布誤差。主要誤差的計算過程見文獻[2]和文獻[3]?；鹂亟馑隳Ｐ鸵娢墨I[3]和文獻[4]。導彈受彈判讀模型見文獻[3]。

2.3 仿真結果

采用Monte Carlo方法對1～3號對象彈進行受彈統計分析,仿真進行10000次,得到不同航路捷徑下各對象彈的受彈情況,如圖1所示。

圖1 各對象彈受彈統計分析結果

圖1中,橫坐標Lsc表示反艦導彈飛行航路捷徑的大小,縱坐標N為反艦導彈平均受彈數量的統計仿真分析結果。

3 影響艦炮命中能力的因素分析

分析圖1中的統計仿真分析結果,可得出以下幾點結論:

1) 對于小航路捷徑反艦導彈,航路捷徑不同時,導彈的受彈數量也不同。就選取的1～3號對象彈而言,亞音速反艦導彈的受彈數量最大,小型超音速反艦導彈的受彈數量最小。

2) 對比分析1號和2號對象彈的受彈統計結果,導彈飛行速度越快,末端攻擊過程中受彈數量越小;對比分析1號和3號對象彈的受彈統計結果,在相同飛行速度下,導彈彈體尺寸越大,受彈數量越大。

下面結合統計仿真分析情況,對影響亞音速以及超音速反艦導彈受彈數量的主要因素進行分析。

3.1 命中機理發生變化

小口徑艦炮對空作戰攔截方式[5]主要分為跟蹤集火攔截和彈幕攔截[6～9]兩種。傳統小口徑艦炮對空作戰大都采用跟蹤集火攔截方式,近年來,隨著小口徑艦炮射速的提高,彈幕攔截方式逐步得到推廣。

彈幕攔截主要是指在目標航路上形成“彈丸飽和空間”并保證目標與彈丸相遇[5],如果目標能夠順利穿越“彈丸飽和空間”,就不能稱作是彈幕攔截。

對于亞音速反艦導彈,彈幕攔截方式是有效的,對于超音速反艦導彈,已經無法達到彈幕攔截的條件,下面進行詳細分析。

小口徑艦炮反導作戰過程中,考慮彈丸和反艦導彈彈體大小的情況下,艦炮彈丸飛行軌跡與反艦導彈運動軌跡的空間位置關系可歸結為三種情況:

1) 艦炮彈丸飛行軌跡偏離反艦導彈前置點,與反艦導彈的運動軌跡沒有交匯點。

2) 從飛行軌跡看,艦炮彈丸飛行軌跡與反艦導彈的運動軌跡存在交匯點,但是艦炮彈丸與反艦導彈穿越交匯點的時間節點不同。

3) 彈丸飛行軌跡與反艦導彈運動軌跡出現交匯點,并且在同一時間節點內。

在第1)和第2)種情況下,不論反艦導彈的飛行速度多大,艦炮彈丸都無法命中反艦導彈,只有在第3)種情況下,艦炮彈丸才有可能命中反艦導彈。下面針對第3)種情況,分析亞音速反艦導彈和超音速反艦導彈穿越艦炮彈幕的過程。

第1步:分析亞音速反艦導彈和超音速反艦導彈的穿越能力。

假設前后兩枚連續發射的彈丸C1與C2之間的平均時間間隔為tc0,它們穿越同一點(彈丸C1的尾部飛越某一點到彈丸C2的頭部到達該點)的時間間隔為

tc12=tc0-lc/vc

式中:vc為艦炮彈丸遭遇反艦導彈時刻的存速,lc為艦炮彈丸長度。在tc12時間內,反艦導彈運動的距離:

lm=vm·tc12

根據小口徑艦炮的射速、艦炮彈丸的尺寸以及飛行速度,計算得到亞音速反艦導彈(2號對象彈)在tc12時間內的運動距離lym=2.0m,超音速反艦導彈(1號和3號對象彈)在tc12時間內的運動距離lcm=5.6m。

第2步:根據艦炮彈丸與反艦導彈遭遇時的交匯角,分兩種情況分析亞音速反艦導彈和超音速反艦導彈穿越艦炮彈幕的過程。

情況1 彈丸與反艦導彈以接近90°角交匯

圖2 亞音速反艦導彈以接近90°角與彈丸交匯

圖2為亞音速反艦導彈(2號對象彈)與彈丸以接近90°角遭遇時的位置關系圖。假設在時間區間[t1,t2]內,反艦導彈穿越交匯點OMC,同時在該時間區間內,艦炮彈丸陸續穿越交匯點OMC,t1時刻對應反艦導彈彈體頭部到達交匯點OMC的時刻,t2時刻為第二枚彈丸到達交匯點OMC的時刻。

要想順利避開艦炮彈丸的打擊,最理想的情況是反艦導彈彈體頭部飛抵交匯點OMC的時刻恰好有彈丸C1飛越交匯點OMC,如圖2(a)所示。

圖2(b)為t2時刻的交匯態勢圖。根據前述計算,亞音速反艦導彈(2號對象彈)在此時間段內飛行的距離明顯低于彈體長度,必然會被后續彈丸命中,因此彈丸的散布相對反艦導彈而言是“飽和的”,所以即使在誤差條件適中的情況下,亞音速反艦導彈也很難突破艦炮彈丸的攔截。

圖3為超音速反艦導彈與彈丸以接近90°角遭遇時的位置關系圖,圖中各參數含義同圖2。

由圖3,對于1號超音速反艦導彈,在前后兩枚彈丸穿越交匯點OMC的時間內,導彈飛行的距離大于彈體長度,能夠順利穿越彈丸攔截區;對于3號超音速反艦導彈,在前后兩枚彈丸穿越交匯點OMC的時間內,導彈飛行的距離小于彈體長度,無法穿越彈丸攔截區。

圖3 超音速反艦導彈以接近90°角與彈丸交匯

下面以外形尺寸相同的1號和2號對象彈為例,分析更一般的情況。

圖4 反艦導彈以 大角度與彈丸交匯

如圖4所示,假設超音速反艦導彈彈體頭部到達交匯點OMC時,彈丸C1已經飛越交匯點OMC一段距離lc1,要保證在彈丸C2飛抵交匯點OMC之前導彈能夠完全穿越交匯點OMC,彈丸C2飛抵交匯點OMC的時間tc2必須大于反艦導彈穿越交匯點OMC的時間tm,即

tc2≤tm

而

綜合以上兩式,結合艦炮彈丸的有關參數,得到lc1≤2.1m?？梢钥闯?只要超音速反艦導彈彈體頭部到達交匯點OMC時,第一枚彈丸飛越交匯點OMC的距離小于2.1m,導彈就能夠完全突破彈丸的攔截。對于亞音速導彈,無論如何都無法安全穿越彈丸散布區。

情況2 彈丸與反艦導彈以接近0°角交匯

艦炮彈丸以接近0°角與攔截反艦導彈時,可將彈丸速度分解為沿導彈飛行方向反方向的速度vcn和垂直導彈飛行速度方向的分速度vcτ,如圖5所示。

圖5 反艦導彈以小角度角與彈丸交匯

由于交匯角很小,圖5中沿x軸方向反艦導彈穿越彈丸C1與C2之間的空隙區的時間:

tx=vc·tc0/(vcn+vm)

由于交匯角接近0°,因此與vcn相比,彈丸vcτ比較小,對于亞音速反艦導彈,由上式計算得亞音速反艦導彈在x軸方向穿越彈丸C1與C2之間的空隙區的時間tx1=5.4ms。對于超音速反艦導彈,由上式計算得亞音速反艦導彈在x軸方向穿越彈丸C1與C2之間的空隙區的時間tx2=3.8ms。

由于不論對于亞音速反艦導彈還是超音速反艦導彈,彈丸分速度vcn和vcτ是相同的。這樣,在反艦導彈沿x軸方向(見圖5)穿越的過程中,對于亞音速反艦導彈,艦炮彈丸沿y軸方向(見圖5)的偏移量lc1=tx1vcτ,對于超音速反艦導彈,艦炮彈丸沿y軸方向的偏移量lc2=tx2vcτ。則反艦導彈沿x軸方向穿越的過程中,對于亞音速反艦導彈和超音速反艦導彈,艦炮彈丸沿y軸方向運動的偏移量的比值:

I=lc1/lc2=1.4

即在選定的1號和2號對象彈的條件下,亞音速導彈穿越過程中艦炮彈丸沿y軸方向的偏移量是超音速導彈的1.4倍,相當于彈丸沿反艦導彈橫切面方向(圖5中的y軸方向)的切割長度更大,更容易命中目標。

綜合分析圖2～圖5,對于亞音速反艦導彈(2號對象彈),小口徑艦炮的攔截方式本質上屬于彈幕攔截;對于中小型超音速反艦導彈(1號對象彈),艦炮彈丸已經無法形成密集彈幕,小口徑艦炮的攔截方式已經轉變為集火射擊模式;對于大中型超音速反艦導彈(3號對象彈),艦炮彈丸的彈幕攔截方式在交匯角較大時仍然適用,但是在交匯角較小時,由于彈體尺寸較大,小口徑艦炮的攔截方式已經轉變為集火射擊。

3.2 艦炮隨動系統性能限制

下面結合圖1的統計分析結果和文獻[2]中對隨動系統跟蹤誤差的計算結果,分析隨動系統對小口徑艦炮攔截超音速反艦導彈能力的影響。

1) 航路捷徑較小的情況(小于400m)

航路捷徑較小時,隨著目標接近,艦炮隨動系統的動態跟蹤誤差快速增加,目標未到達艦炮射擊近界時隨動系統的跟蹤能力已經飽和,出現無法有效跟蹤目標的情況,導致射擊誤差增大,命中彈數降低。

另外,航路捷徑Lsc較小時,彈丸與導彈遭遇時的交匯角q相對減小,相同誤差條件下增大了彈丸脫靶量,如圖6所示。

圖6 不同遭遇角下的距離誤差

圖6中:M為導彈的質心點位置;S1和S2為航路捷徑不同的兩個射擊點,并且S1M=S2M,γ1=γ2;q1和q2為對應的交匯角;Lsc1和Lsc2為對應的航路捷徑大小。

由圖6可以看出,在攔截距離和射擊誤差相同的情況下,由于Lsc2MM2,最終在航路捷徑為Lsc1時艦炮彈丸命中導彈,而航路捷徑為Lsc2時艦炮彈丸脫靶。

2) 航路捷徑適中的情況(400m～700m)

航路捷徑在400m～700m時,目標距離適中,艦炮最大可持續射擊時間較長,隨動系統動態跟蹤誤差相對較低,在艦炮射擊近界附近仍然能夠有效的跟蹤目標,導彈的受彈數量也相對較高。

3) 航路捷徑較大的情況(大于700m)

目標航路捷徑超過700m以后,雖然隨動系統跟蹤誤差較小,但是艦炮可用射擊時間太短,過大的彈目距離增加了彈丸的線性偏移量,導致反艦導彈受彈數量很低。

4 結語

利用小口徑艦炮攔截超音速反艦導彈時,會出現一些新的問題。一方面針對亞音速反艦導彈設計的彈幕攔截方式可能無法應用到對超音速反艦導彈的攔截作戰中。另一方面,攔截超音速反艦導彈要求艦炮隨動系統具有更快的響應能力和更高的隨動精度,對艦炮的俯仰、旋回加速度和俯仰、旋回速度提出了更高的要求,而片面增大隨動功率,將使艦炮變得十分笨重,喪失應有的機動性、貽誤戰機,同時會提高裝備訂購和使用成本,增加維修保障的負擔。因此,必須綜合考慮,統籌分析,針對出現的新問題、新特點,探討可行的解決方案。

[1] 王誠成,謝曉方,張龍杰,等.國外反艦導彈裝備現狀及發展趨勢研究[J].飛航導彈,2013(2):20-24.

[2] 張龍杰,謝曉方,孫濤,等.艦載CIWS對小航路捷徑超音速導彈的攔截射擊分析[J].哈爾濱工程大學學報,2013,30(1):123-130.

[3] 張龍杰,謝曉方,孫濤,等.艦艇搖擺對小口徑艦炮射擊精度的影響分析[J].火炮發射與控制學報,2013(1):11-15.

[4] 張龍杰,謝曉方.密集陣攔截高超音速導彈有效性分析[J].彈道學報,2012,24(4):37-41.

[5] 王學軍,潘志剛.高速導彈的飽和攔截[J].火炮發射與控制學報,2006(1):69-72.

[6] 孫世巖,邱志明,王航宇,等.攔阻面彈丸散布中心配置方法[J].彈道學報,2008,20(4):16-19.

[7] 胡金春,郭治.未來空域窗的數學描述[J].兵工學報,1998,19(4):293-297.

[8] Sun Shi-yan, Wang Liang, Qiu Zhi-ming, et al. Research on disposition method of barrage firing curtain[C]//2007 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics,2007:477-482.

[9] 胡炎,楊斌,蘇卿,等.小口徑艦炮武器系統射擊方式比較[J].艦船電子工程,2010,30(6):24-27.

Interception Characteristic Analysis of Small Caliber Naval Gun to Supersonic Anti-ship Missile

LIU Yang1ZHANG Longjie2XIE Xiaofang2

(1. No. 19 Xisanhuan Central Road, Beijing 100841) (2. Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

In order to study the interception ability of small caliber naval gun to supersonic anti-ship missile, after adopting typical model missiles as target, the hit counts of small caliber naval gun to different anti-ship missiles were calculated by Monte Carlo method. Based on the simulation result, the interception effect to subsonic anti-ship missile and supersonic anti-ship missile was studied comparatively, as well as the influence factors to interception ability of small caliber naval gun to supersonic anti-ship missile, which has much reference value for the combat applications of small caliber naval gun.

gun, small caliber naval gun, supersonic anti-ship missile

2013年7月9日,

2013年8月20日

劉楊,男,高級工程師,研究方向:裝備技術管理。張龍杰,男,講師,研究方向:武器系統建模優化與仿真。謝曉方,男,教授,研究方向:武器系統建模優化與仿真。

TJ391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.008