自航水雷攻擊水面艦艇建模及仿真研究

丁永忠

摘 ?要： 從潛艇占領布設陣位的可行性方面分析潛艇使用遠程自航水雷攻擊水面艦艇的作戰(zhàn)過程，提出了信息保障條件下潛艇布設遠程自航水雷打擊臺水面艦艇的作戰(zhàn)模型。依據不同的目標指示信息，得出潛艇使用自航水雷攻擊水面艦艇的戰(zhàn)斗行動方案。

關鍵詞： 潛艇; 自航水雷; 水面艦艇; 作戰(zhàn)模型

中圖分類號： TN96?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0061?04

Modeling and simulation research of SLMM attack on surface ships

DING Yong?zhong

（Equipment Department of the Navy， Houma 043000， China）

Abstract： The combat process of submarine attack on surface ships by the remote SLMM is analyzed in the feasibility to occupy SLMM emplaced position. A combat model that the submarine attacks surface ships by laying SLMM is proposed under the condition of ensuring information security. Combat action program of submarines attack on surface ships by SLMM is obtained depending on the target indication information.

Keywords： submarine; SLMM; surface ship; combat model

0 ?引 ?言

潛艇利用魚雷或導彈武器對水面艦艇進行攻擊，是目前潛艇主要的攻擊方式，但存在著容易暴露，攻擊完畢后不能及時撤離陣地，易遭受敵反潛兵力反擊等不利影響。

潛艇布設遠程自航水雷作為新型水雷，其性能優(yōu)越，主要用于封鎖港口、航道，當用于攻擊水面艦艇時可以在很大程度上減小潛艇的暴露率，提高潛艇生存概率，增強潛艇的突擊威力，在一定條件下可發(fā)揮其他武器無法替代的重要作用[1?3]。

本文從豐富和深化潛艇作戰(zhàn)理論的需求出發(fā)，研究潛艇使用自航水雷攻擊水面艦艇的作戰(zhàn)過程，重點解決潛艇占領自航水雷布設陣位的可行性問題，為潛艇未來實際運用自航水雷武器提供理論指導。

1 ?問題描述

信息保障條件下潛艇布設遠程自航水雷攻擊擊水面艦艇，所采用目標信息主要來源于指揮所通報，即目標指示信息，潛艇應在接受上級指示及獲取目標指示信息后，迅速制定可行方案，確定布設陣位。若水面艦在遠程自航水雷打擊范圍內且水雷布設方案可行，則潛艇直接進入布雷戰(zhàn)斗行動，布設自航水雷。否則潛艇應機動占領預定布設陣位[4?6]。

潛艇布設遠程自航水雷要求水雷必須事先隱蔽布設在水面艦艇航向線前方，因此水雷應布設在水面艦艇航向線前方水面艦艇能聽測水雷航行噪聲最大距離之前。以布設水雷時水面艦艇位置點前方距離[ΔDh]處為原點O，以水面艦艇的航向[Hss]為x軸的正向，垂直于水面艦艇航向的方向為y軸，建立坐標系，如圖1所示。其中，[ΔDh]為n批水雷布設時間內水面艦艇航行距離與水面艦艇能聽測水雷航行噪聲最大距離之和，即：[ΔDh=（（n-1）Δt+Ta）Vss]，[Δt]為潛艇布設各批次水雷的時間間隔，[Ta]為滿足條件所提前布設的時間。圖1中，[Hq]為潛艇航向，[H3]為水雷等效航向，[θ]為水雷等效航向線與水面艦艇航向線的夾角，用以表示等效航向的大小，等效航向線是指水雷發(fā)射位置點與就位點之間連線，[L]為等效航程，[α]為目標指示信息的水面艦艇的航向誤差，[Δθ]為水雷的航向誤差，T為航跡線。[T0]時刻，潛艇得到目標指示信息，向[S1]位置展開;[T1]時刻，潛艇于[S1]點再次得到[ty]時刻前的目標指示信息（[ty]為目標指示延遲時間）：位置點[D0]、航向[Hss]、速度[Vss]，并由此推測[T1]時刻目標信息：位置點[D1]、航向[Hss]、速度[Vss];開始發(fā)射水雷，水雷航向[H3]，速度[Vl]，水雷航向誤差為[Δθ]，速度誤差導致的航程誤差為[kL]，[k]為航程誤差系數，并分別于[（n-1）Δt]時刻發(fā)射第n批次水雷，重新裝填水雷期間潛艇航向[Hq]，航速[Vq]; [T2]時刻，水面艦艇位于點D2，第n批次水雷實際航行距離[Ln]，到達水面艦艇偵巡線前方預設就位點C;[T3]時刻，水面艦艇到達點D3，通過雷障，即到達水雷就位點C。

圖1 潛艇布設遠程自航水雷打擊臺水面艦艇偵

巡線絕對運動態(tài)勢圖

2 ?數學模型

2.1 ?潛艇機動模型

潛艇機動模型如下：

[Xqn=Xq0+ΔDqx+（n-1）ΔtVqsinHqYqn=Yq0+ΔDqy+（n-1）ΔtVqcosHq] （1）

式中：[Xq0] ，[Yq0]為潛艇發(fā)射第一批次水雷時的坐標;[Xqn] ，[Yqn]為潛艇發(fā)射第n批次水雷時的坐標;[Vq]，[Hq]為潛艇機動的速度和航向;[ΔDqx]，[ΔDqy]為潛艇艦位誤差在x，y軸的分量;[Δt]為潛艇發(fā)射第每批次水雷的時間間隔。

2.2 ?水面艦艇機動模型

水面艦艇機動模型如下：

[Yss=（Xss+tyVss+ΔDh）?tanα+ΔDssyΔDh=（2Δt+Ta）Vss] （2）

式中：[Xss]，[Yss]為t時刻水面艦艇的坐標;[Vss]為水面艦艇的機動速度;[ΔDssy]為水面艦艇的位置誤差即目標指示位置精度誤差在y軸上的分量;[α]為水面艦艇的航向誤差即目標指示航向精度誤差;[ty]為目標指示延遲時間;[2Δt]為潛艇發(fā)射第一批次與三批次水雷的時間間隔;[Ta]為防止水面艦艇能聽測到水雷航行噪聲所提前布設的時間。

2.3 ?水雷機動模型

水雷位置點坐標為：

[Xl=Xl0-Lcosθ+ΔDqx+ΔDcxYl=Yl0+Lsinθ+ΔDqy+ΔDcy] ?（3）

式中：[Xl]，[Y1]為水雷位置點坐標;[Xl0]，[Yl0]為潛艇發(fā)射水雷時潛艇位置點坐標;[L]為水雷的等效航程;[θ]為水雷的等效航向;[ΔDqx]，[ΔDqy]為潛艇艦位誤差在x，y軸的分量;[ΔDcx]，[ΔDcy]為水雷受海流沖擊造成的位置誤差在x，y軸的分量。

2.4 ?海流對水雷布設影響計算模型

水雷受海流沖擊影響，會偏離預設就位點，造成其位置誤差為：

[ΔDcy=tVcy（1-kc）t=Lr/Vl] （4）

式中：[ΔDcy]為水雷受海流沖擊造成的位置誤差在y軸的分量;[Vcy]為海流速度在y軸的分量;[Lr]為水雷采用相對速度導航的航程;[Vl]為水雷速度;[kc]為遠程自航水雷導航系統對海流的修正系數（以百分比表示）。

2.5 ?潛艇機動可行域計算模型

由于潛艇速度一般低于水面艦艇速度，所以潛艇可占位攻擊區(qū)域有限，僅限于在潛艇機動可行域內。潛艇機動可行域表示為：

[y+DsinXm≥-tgXml（x-DcosXm）y+DsinXm≤tgXml（x-DcosXm）Xml=arcsin ?VqVss， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vq≤Vss] （5）

式中：D，Xm為潛艇與原點的距離和舷角;Xml為潛艇以速度Vq能與目標接近至相遇的目標臨界舷角。

若Vq>Vss，不論潛艇處于目標初始相對位置，均可占領目標的任一相對位置點。潛艇機動可行域見圖2。

圖2 潛艇機動可行域示意圖

2.6 ?潛艇與水面艦艇相對態(tài)勢仿真模型

潛艇為避免被水面艦艇探測，應避免進入S0區(qū)域，即：

[y≥tgXml（x-LsoVqVss+ΔDh）y≤-tgXml（x-LsoVqVss+ΔDh）x≥-ΔDhXml=arcsinVqVssΔDh=（2Δt+Ta）Vss] （6）

式中：[Lso]為水面艦艇聲納對潛艇的聽測距離;[Xml]為潛艇以速度[Vq]能與目標接近至相遇的目標臨界舷角。

潛艇可以機動穿越水面艦艇航向線的區(qū)域為S3區(qū)域，如圖3所示。

圖3 潛艇與水面艦艇相對態(tài)勢示意圖

2.7 ?潛布遠程自航水雷布設可行域計算模型

由于水雷需布設在水面艦艇位置點前方距離[ΔDh]處， 并且水雷可以在水面艦艇未到達之前進行先前布設，因此其布設可行域表示為：

[（x-mSj）2+y2≤Sj2， ? ? ? xmSjm=VssVl ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ] （7）

式中：[Vss]為水面艦艇速度;[Vl]為水雷速度; [Sj]為水雷有效極限航程。

水雷布設可行域示意圖如圖4所示。

3 ?模型分析并仿真

潛艇布設水雷時，受潛艇機動性能、安全性的影響，其布設區(qū)域受到限制;受水雷戰(zhàn)技性能的影響，水雷的攻擊范圍受到限制。根據相對態(tài)勢，在平面直角坐標系中可把相關作戰(zhàn)區(qū)域化分為S0～S7共8個區(qū)域，如圖5所示。圖5中各區(qū)域含義如下：

S0區(qū)域內潛艇將被水面艦艇探測到;

S1，S2區(qū)域內潛艇可以直接布設遠程自航水雷攻擊水面艦艇;

圖5 潛艇布設遠程自航水雷攻擊區(qū)域劃分

S3區(qū)域潛艇可以穿越水面艦艇航向線實施布雷;

S1，S2區(qū)域內潛艇可以直接布設遠程自航水雷攻擊水面

S4，S5區(qū)域潛艇可以機動到S1，S2區(qū)域實施布雷;

S6，S7區(qū)域潛艇可以機動到S3區(qū)域實施布雷。其中：

a1方程為：

[y=-tgXmlx-LsoVqVss+ΔDh]

a2方程為：

[y=tgXmlx-LsoVqVss+ΔDh]

b方程為：

[（x-mSj）2+y2=Sj2 ， ?x≤mSj+ΔDh]

c1方程為：

[y=-tgXmlx-Sj+mtgXmlSj]

c2方程為：

[y=tgXmlx+Sj-mtgXmlSj]

d1方程為：

[y=-Sj]

d1方程為：

[y=Sj]

仿真設置：潛艇速度為8 kn，水面艦艇聲納聽測潛艇距離為70 cab，潛艇發(fā)射兩批次水雷時間間隔為1 min，共發(fā)射三批水雷，在目標艦艇到達水雷預設就位點前10 min提前布設到預設就位點;水雷航速8 kn，水雷極限航程為35 km。

當潛艇位于目標艦艇不同初始距離、不同初始舷角及在不同目標速度、不同延遲時間時，潛艇占領布設陣位的可行性是不同的，本文分別選取目標艦艇速度為10 kn，目標指示延遲時間為0 min;目標速度為14 kn，目標指示延遲時間為10 min兩組具有代表性的數值進行計算分析，計算結果如表1～表4所示。

表1 目標速度10 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

表2 目標速度12 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

表3 目標速度14 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

在表1～表4中，2表示潛艇位于S2區(qū)域，潛艇可以直接布設遠程自航水雷攻擊水面艦艇;3表示潛艇位于 S3區(qū)域，潛艇可以穿越水面艦艇航向線實施布雷;5表示潛艇位于S5區(qū)域，潛艇可以機動到S2區(qū)域實施布雷;6表示潛艇位于S6區(qū)域，潛艇可以機動到S3區(qū)域實施布雷;0表示潛艇位于無關區(qū)域即潛艇無法布設水雷打擊水面艦艇，水面艦艇搜索不到潛艇。

表4 目標速度14 kn，目標指示延遲時間10 min時計算結果

4 ?結 ?語

通過對潛布自航水雷攻擊水面艦艇作戰(zhàn)過程的全面分析，用合理的方法對潛艇占領自航水雷布設可行陣位域問題進行數學抽象，研究了不同初始距離、初始舷角、目標艦艇速度、目標指示延遲時間情況下，潛艇占領布設陣位的可行性問題，建立解析模型用于確定各種目標指示信息下潛艇使用自航水雷攻擊水面艦艇的戰(zhàn)斗行動方案。

參考文獻

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[6] 梅風華，成建波.染色標志彈入水砰擊數值模擬[J].航空計算技術，2012，42（5）：13?16.

仿真設置：潛艇速度為8 kn，水面艦艇聲納聽測潛艇距離為70 cab，潛艇發(fā)射兩批次水雷時間間隔為1 min，共發(fā)射三批水雷，在目標艦艇到達水雷預設就位點前10 min提前布設到預設就位點;水雷航速8 kn，水雷極限航程為35 km。

當潛艇位于目標艦艇不同初始距離、不同初始舷角及在不同目標速度、不同延遲時間時，潛艇占領布設陣位的可行性是不同的，本文分別選取目標艦艇速度為10 kn，目標指示延遲時間為0 min;目標速度為14 kn，目標指示延遲時間為10 min兩組具有代表性的數值進行計算分析，計算結果如表1～表4所示。

表1 目標速度10 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

表2 目標速度12 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

表3 目標速度14 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

在表1～表4中，2表示潛艇位于S2區(qū)域，潛艇可以直接布設遠程自航水雷攻擊水面艦艇;3表示潛艇位于 S3區(qū)域，潛艇可以穿越水面艦艇航向線實施布雷;5表示潛艇位于S5區(qū)域，潛艇可以機動到S2區(qū)域實施布雷;6表示潛艇位于S6區(qū)域，潛艇可以機動到S3區(qū)域實施布雷;0表示潛艇位于無關區(qū)域即潛艇無法布設水雷打擊水面艦艇，水面艦艇搜索不到潛艇。

表4 目標速度14 kn，目標指示延遲時間10 min時計算結果

4 ?結 ?語

通過對潛布自航水雷攻擊水面艦艇作戰(zhàn)過程的全面分析，用合理的方法對潛艇占領自航水雷布設可行陣位域問題進行數學抽象，研究了不同初始距離、初始舷角、目標艦艇速度、目標指示延遲時間情況下，潛艇占領布設陣位的可行性問題，建立解析模型用于確定各種目標指示信息下潛艇使用自航水雷攻擊水面艦艇的戰(zhàn)斗行動方案。

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當潛艇位于目標艦艇不同初始距離、不同初始舷角及在不同目標速度、不同延遲時間時，潛艇占領布設陣位的可行性是不同的，本文分別選取目標艦艇速度為10 kn，目標指示延遲時間為0 min;目標速度為14 kn，目標指示延遲時間為10 min兩組具有代表性的數值進行計算分析，計算結果如表1～表4所示。

表1 目標速度10 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

表2 目標速度12 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

表3 目標速度14 kn，目標指示延遲時間0 min時計算結果

在表1～表4中，2表示潛艇位于S2區(qū)域，潛艇可以直接布設遠程自航水雷攻擊水面艦艇;3表示潛艇位于 S3區(qū)域，潛艇可以穿越水面艦艇航向線實施布雷;5表示潛艇位于S5區(qū)域，潛艇可以機動到S2區(qū)域實施布雷;6表示潛艇位于S6區(qū)域，潛艇可以機動到S3區(qū)域實施布雷;0表示潛艇位于無關區(qū)域即潛艇無法布設水雷打擊水面艦艇，水面艦艇搜索不到潛艇。

表4 目標速度14 kn，目標指示延遲時間10 min時計算結果

4 ?結 ?語

通過對潛布自航水雷攻擊水面艦艇作戰(zhàn)過程的全面分析，用合理的方法對潛艇占領自航水雷布設可行陣位域問題進行數學抽象，研究了不同初始距離、初始舷角、目標艦艇速度、目標指示延遲時間情況下，潛艇占領布設陣位的可行性問題，建立解析模型用于確定各種目標指示信息下潛艇使用自航水雷攻擊水面艦艇的戰(zhàn)斗行動方案。

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