潛艇使用兩枚自航式聲誘餌對抗魚雷問題研究*

李 峰 鄭 援 單廣超

(1.海軍潛艇學院 青島 266042)(2.海軍陸戰學院 廣州 510430)

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潛艇使用兩枚自航式聲誘餌對抗魚雷問題研究*

李 峰1鄭 援1單廣超2

(1.海軍潛艇學院 青島 266042)(2.海軍陸戰學院 廣州 510430)

針對潛艇使用單枚聲誘餌對抗魚雷效果不理想,分析了潛艇使用兩枚聲誘餌對抗魚雷使用方法。通過潛艇、聲誘餌和魚雷之間的運動關系,建立了潛艇使用兩枚聲誘餌對抗魚雷數學模型。利用仿真對比分析了采用單枚聲誘餌和兩枚聲誘餌不同對抗方法,得出了潛艇使用兩枚聲誘餌對抗魚雷的有效性。

潛艇; 聲誘餌; 魚雷

Class Number TB556

1 引言

來襲魚雷依然是潛艇的最大威脅,為此各國海軍競相完善其潛艇的水聲對抗系統,以提高其對抗魚雷的能力。自航式聲誘餌是一種欺騙性水聲對抗裝備,通過模擬潛艇的航行噪聲和對主動聲探測信號進行應答,對魚雷進行干擾、迷惑和誘離,從而達到提高潛艇生存概率的目的[1]。然而,由于潛艇機動能力差,使用一枚自航式聲誘餌對抗聲自導魚雷的效果有限。為此,本文建立了潛艇使用兩枚聲誘餌對抗魚雷的模型,通過仿真分析,為潛艇使用聲誘餌對抗魚雷提供了重要參考依據。

2 自航式聲誘餌對抗魚雷的方法

不管是使用單枚聲誘餌還是使用兩枚聲誘餌對抗魚雷,聲誘餌的使用要考慮發射時機、發射轉角、航速和潛艇規避機動等問題。

2.1 聲誘餌發射時機的選擇

聲誘餌的發射時機對聲誘餌的對抗效果有較大的影響。發射的時機過早,可能使魚雷過早穿過魚雷自導搜索帶,使魚雷發現不了聲誘餌;發射較晚,可能使魚雷在發現誘餌時,已經發現了潛艇,失去了聲誘餌誘騙的作用。

2.2 聲誘餌發射航向的選擇

聲誘餌航向的選擇應遵循原則[2]:一是保證魚雷先發現聲誘餌;二是魚雷在跟蹤聲誘餌過程中和追上聲誘餌進行再搜索時,離本艇越遠越好。對自航式聲誘餌來說,發射后應當盡量拉大魚雷與潛艇的距離,降低被魚雷再搜索發現的概率,達到擺脫魚雷的目的。

2.3 聲誘餌發射速度的選擇

聲誘餌航速通常可以分為高速和低速,高速航行時間一般較短,低速航行時間一般較長。聲誘餌航速的選取主要原則是在有效的航行時間內,盡量拉大魚雷與潛艇的距離[2]。隨著現代反潛魚雷航速越來越高,當潛艇魚雷報警時,魚雷與潛艇的距離較近,因此在對抗魚雷時航速一般選擇高速。

2.4 潛艇規避魚雷航向的選擇

潛艇發射單枚自航式聲誘餌對抗魚雷后,采取的戰術機動通常是立即轉向至聲誘餌航向的反航向進行規避,而對于潛艇同時使用兩枚聲誘餌對抗魚雷進行規避時,一般轉向至兩枚聲誘餌航向的角平分線的反方向(遠離魚雷的方向)進行規避,同時確保能夠將魚雷置于潛艇聲納可探測范圍內。

3 模型建立

依據潛艇使用自航式聲誘餌對抗魚雷的過程,應建立以下模型。

3.1 水聲環境模型

本文主要考慮聲傳播損失模型和海洋環境噪聲模型。

3.1.1 聲傳播損失模型

聲傳播損失模型[3]主要考慮擴展損失和吸收損失進行計算,其公式如下:

(1)

其中,r為聲源到聲納的距離,單位為m;a為吸收系數,單位為dB/km,其值與聲納信號頻率有關,對于特定的聲納信號為固定值。

3.1.2 海洋環境噪聲模型

海洋環境噪聲級通常由實測數據確定,仿真時可借助某些經驗模型進行測算。對于淺海,采用如下計算噪聲譜級的公式[4]

NL=10lgf-1.7+6S+55

(2)

式中,f為頻率(kHz),S為海況等級(S=0,1,2,…,9)。

3.2 對抗實體的聲學特性模型

3.2.1 潛艇目標強度

潛艇目標強度描述的是整個潛艇對聲波的反射能力[5]。目標反射強度與目標的幾何形狀密切相關,對于艦艇目標來說,目標反射強度還隨聲波入射角變化而變化,呈“蝴蝶形”分布[6]。

目標反射強度可以采用蝴蝶形分布曲線近似表示:

TS(a)=TS0(16.17-2.98cos2a-3.083cos6a)/22.233

(3)

式中,a為聲波入射舷角,TS0為目標正橫反射強度,一般取為20dB～25dB。

3.2.2 潛艇輻射噪聲

計算潛艇輻射噪聲強度的經驗公式[4]為

SL=60lgV+9lgT-20lgfz+35.8

(4)

式中,SL為潛艇輻射噪聲譜級(dB);V為潛艇航速(kn);T為潛艇噸位(t);fz為噪聲頻率(kHz)。

3.2.3 魚雷自噪聲

魚雷自噪聲的產生機理與輻射噪聲相似,主要與魚雷的動力類型、航速、航行深度以及系統結構等有關,但航速、航深對其影響最大,魚雷自噪聲在魚雷聲探測中表現為噪聲級NL項。

在魚雷接收頻段內的魚雷自噪聲經驗公式為[4]

NLz= -14+96lgV-33lgfy

+20lg(5.1/T1.175)+10lgΔf

(5)

式中,V為魚雷速度(kn);fy為魚雷自導接收工作頻率(kHz);Δf為帶寬(kHz);T為魚雷航行深度(m)。

3.3 對抗實體機動模型

3.3.1 潛艇機動模型

潛艇的機動模型主要包括直線運動模型、旋回運動模型和變速模型,機動模型如下:

1) 潛艇直線運動坐標模型

潛艇在直線運動過程中任意位置的坐標為

(6)

式中,x(t)、y(t)、z(t)分別代表t時刻潛艇的位置坐標;h(t)代表潛艇的航向;v(t)代表潛艇航速;dt代表仿真時間步長;θ代表潛艇縱傾角。

2) 潛艇轉向坐標模型

潛艇轉向過程中任意位置的坐標為

(7)

式中,R代表潛艇旋回半徑,v代表潛艇航速(kn),旋回半徑公式:R=10·v+150(m);ω代表潛艇旋回角速度,h(t)為潛艇轉向時航向,hq0為潛艇轉向前航向,h(t)=hq0+ω·t。

3) 潛艇變速模型

設t時刻潛艇開始變速,則在t+ndt時刻,潛艇航速[7]為

(8)

式中,Kv=1為潛艇加速,Kv=-1時為潛艇降速;C為潛艇機動系數,C越小,則潛艇的機動性能越好;V0為開始變速時的航速,即V0=V(t);V為變速后的航速。

計算出變速過程中每一時間點的航速值后,代入式(1),可遞推求得潛艇在變速過程中的位置坐標。

3.3.2 魚雷機動模型

在沒有發現目標時,魚雷按蛇行搜索彈道進行搜索機動,如果始終未發現目標,則魚雷航行至航程耗盡為止。

發現目標后,魚雷對潛艇進行跟蹤,直至命中目標。若魚雷尾追丟失目標,魚雷就會進入環形再搜索彈道。

魚雷進入環形再搜索彈道后,若能發現目標,魚雷就進入尾追彈道;若不能發現目標,魚雷以環形搜索彈道航行至航程耗盡為止[8]。

3.3.3 聲誘餌對抗模型

1) 聲誘餌主動對抗模型

聲誘餌是通過應答主動脈沖信號來模擬目標的反射特性的。當下面不等式成立時,魚雷發現聲誘餌[9]:

SL-2TL(Dd)+TSd≥NL-DI+DT

(9)

式中,SL為魚雷自導發射聲源級;Dd為聲誘餌到魚雷的距離;TSd為聲誘餌模擬的目標強度。

2) 聲誘餌被動對抗模型

當下面不等式成立時,魚雷發現聲誘餌[6]:

SLd-TL(Dd)≥NL-DI+DT

(10)

式中,SLd為聲誘餌輻射噪聲級;Dd為聲誘餌到自導魚雷的距離。

4 仿真流程

當魚雷進入潛艇報警距離內時,發出魚雷報警信息,分析報警信息,制定出對抗方案,然后對魚雷實施對抗,潛艇進行規避[10]。當自航式聲誘餌發射后,魚雷將對跟蹤目標進行識別,如果判斷其目標是假目標,則進入再搜索階段。只有當魚雷航程耗盡或者魚雷與潛艇之間的距離達到一定的范圍而判定魚雷擊中目標時,仿真程序才可以結束。

通過仿真統計潛艇成功規避魚雷攻擊的次數k,k與仿真次數N的比值即為潛艇成功規避魚雷的概率。本文取每種態勢下仿真次數1000次(即N=1000),記錄潛艇對抗成功次數k,從而得到潛艇成功規避魚雷的概率,具體流程如圖1所示。

圖1 仿真流程圖

5 仿真結果分析

假設海況3級,魚雷航速45kn,最大航程為50km,魚雷自導作用距離為1200m,魚雷識別目標距離為800m,魚雷報警距離為30Cab,報警舷角分別為0°、30°、60°,潛艇航向90°,初始航速6kn,最大速度為20kn,潛艇規避航向固定,以聲誘餌發射轉角為變量進行仿真。假設潛艇魚雷報警時魚雷剩余航程為30km,仿真中實時計算魚雷航程,當魚雷達到其最大航程時,仿真結束,記潛艇規避成功一次。通過仿真對比潛艇采用單枚聲誘餌(如圖2)和兩枚聲誘餌(如圖3)不同對抗方案時,潛艇成功規避概率,從而檢驗不同對抗方法的對抗效果,仿真結果如表1所示。

表1 潛艇使用不同對抗方案的仿真結果

圖2 潛艇使用單枚聲誘餌對抗魚雷示意圖

圖3 潛艇使用兩枚聲誘餌對抗魚雷示意圖

通過分析表1的仿真數據,可以看出潛艇在擺脫魚雷攻擊過程中,當潛艇規避航向一定的情況下,相比潛艇使用單枚聲誘餌的對抗方案,采用兩枚聲誘餌對抗魚雷的方案成功規避魚雷的概率高于前者,在一定程度上有效提高了潛艇生存概率。

6 結語

本文建立了潛艇、自航式聲誘餌和魚雷的數學模型,利用仿真對比分析潛艇使用單枚聲誘餌和兩枚聲誘餌不同對抗方案情況下潛艇的生存概率,從而驗證了潛艇使用兩枚聲誘餌對抗魚雷的有效性,為潛艇使用自航式聲誘餌防御來襲魚雷提供了新的思路。

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Usage of Double Acoustic Decoys in Defending Torpedo by Submarine

LI Feng1ZHENG Yuan1SHAN Guangchao2

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266042)(2. Navy Marine Academy, Guangzhou 510430)

To solve the problem that using single mobile acoustic decoy to counter torpedo is not so efficient by submarine, this article analyses the method of using double mobile acoustic decoys to counter torpedo. The mathematical model of double mobile acoustic decoys against torpedo, based on the relationship of movement geometry among the submarine, acoustic decoy and torpedo, is established in the process. The result of simulation shows that the presented method is more efficient by comparing and analyzing various against method.

submarine, acoustic decoy, torpedo

2014年10月15日,

2014年11月30日

李峰,男,碩士研究生,研究方向:兵種戰術學。

TB556

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.040