航母編隊中程防空艦艇掩護扇面分析

吉 澤,王義濤,韓 宇

(海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018)

航空母艦作為航母編隊的核心,是防空作戰中的首要保衛目標。做好航母編隊防空兵力配置工作是編隊指揮員優先考慮的問題之一。在航母編隊主要威脅方向(航母相對于主要威脅如敵機場、敵航母編隊等的方向),依據劃分的編隊防空作戰責任區域,部署相應的防空兵力,形成層次分明的防空體系,實現對突入防空作戰區內的敵空中目標實施有效攔截和干擾。對于已經突破航母編隊遠程防空區(通常由艦載戰斗機擔負該區域的防空作戰任務),進入中程防空區的敵突擊航空兵,由裝備中遠程艦空導彈的艦艇發射導彈實施攔截抗擊或干擾[1]。除此之外,中程防空艦艇還承擔為近程防空艦艇提供目標指示的任務。為保證航母的安全,中程防空艦艇應在敵機對我航母發射反艦導彈(或航空炸彈)前實施攔截,具體實施攔截的時機取決于防空艦艇的陣位、防空武器的殺傷區范圍、編隊的預警探測能力以及敵完成任務近界[2]等因素。

敵突擊航空兵的突擊戰術和機載武器的模糊性導致我對敵完成任務近界判斷的不確定性,此外,敵突擊航空兵力的數量和突擊方向的模糊性造成我防空兵力部署的被動性。在給定的裝備性能條件下,上述不利因素會制約我中程防空艦艇的作戰攔截效果。

1 單艦防空掩護扇面分析

為了盡早攔截已突擊進入或即將進入中程防空區的敵機,中程防空艦艇在敵機到達敵完成任務近界前,發射若干枚防空導彈將其擊毀,從而確保航母的安全。通常,編隊指揮員基于當前空中威脅態勢,判斷航母的掩護扇面需求,結合防空艦艇的綜合作戰性能,從而確定防空艦艇的前出距離。航母對掩護扇面的需求大小用掩護角來表示,同時,掩護角也是評價中程防空艦艇對空掩護能力的重要指標[3-7]之一。

為了方便分析中程防空艦艇的防空掩護態勢,作如下假設:1)敵機采取低空突防戰術突入我編隊防空區內,在臨近敵完成任務近界時突然拉升至一定高度H,發射反艦導彈(航空炸彈)對我航母實施打擊;2)為確保中程防空艦艇的艦載防空導彈不誤傷遠程防空區內的己方兵力,中程防空艦艇最遠前出至防空導彈的殺傷區遠界與中程防空區和遠程防空區的分界線相切;3)編隊的預警探測能力滿足中程防空區內防空作戰的需求;4)中程防空艦艇至少需要發射N枚防空導彈時,對敵機的攔截成功概率不低于規定值Plj。

1.1 建立模型

如圖1所示,以航母為原點,航母與主要威脅的連線為威脅軸,航母需求的防空掩護角為2φ,中程防空艦艇A沿威脅軸部署,該艦艇的前出距離為Dqc,防空導彈水平殺傷區為扇形陰影區域,殺傷區遠界為Rsy,殺傷區近界為Rsj,殺傷區扇面角為2α,敵完成任務近界為Rrw,可表示為

Rrw=r0+Rds+Lsc

(1)

式中，r0為我航母的等效半徑,Rds為敵反艦導彈(航空炸彈)的戰斗部殺傷半徑,Lsc為敵反艦導彈(航空炸彈)的最大射程。

圖1 掩護角分析示意圖

圖1(a)所示為中程防空艦艇所提供掩護角[8]的極限情形,在敵機到達敵完成任務近界之前,中程防空艦艇的艦載防空導彈剛好能對其射擊一次。此時,防空導彈的航路捷徑和艦艇的前出距離滿足如下關系:

Dqcsinφ=Rsysinα

(2)

并且Dqc此時取最大值,即

Dqcmax=Rsysinα/sinφ

(3)

實際上,防空艦艇A在滿足掩護角為2φ的前提下,可適當調整前出距離。如圖1(b)所示,此情形為艦艇最小前出距離的臨界情況。由余弦定理可得

(4)

整理式(4)，可得關于Dqcmin的求解表達式,即

(5)

舍棄不合理根后,可得

(6)

顯然,由式(6)分析可知,Dqcmin的取值與Rsy和Rrw之間的相互關系有關。

1)當Rsy

2)當Rsy=Rrwsinφ時,該防空艦艇的前出距離Dqc=Rrwcosφ,且φ+α=π/2;

4)當Rsy>Rrw時,該防空艦艇最小前出距離為Dqcmin=Rrw-Rsy。此時Dqcmin為負,表明防空艦艇部署在航母的后方也可實現對航母的有效掩護。

綜上所述,中程防空艦艇前出距離可由下述模型表示:

(7)

在航母指定掩護需求的情況下,防空艦艇的前出距離是可動態調整的,為防空兵力實現梯次配置、縱深攔截提供了彈性空間。

1.2 仿真分析

1)仿真目的

根據航母編隊作戰任務需求,在給定的條件下,探討不同掩護角需求下的防空艦艇前出距離,為中程防空艦艇的陣位配置提供參考。

2)條件設置

航母需求的掩護角2φ∈[60°,120°],中程防空艦艇的艦載防空導彈的水平殺傷區遠界Rsy∈[90 km,170 km],殺傷區扇面角2α=[60°,120°],敵完成任務近界Rrw∈[150 km,250 km]。

3)結果分析

表1給出了不同條件下中程防空艦艇前出距離的范圍,以及不同性能防空導彈對不同掩護角需求和敵完成任務近界的適應能力。

表1 不同條件下的中程防空艦艇前出距離范圍(單位km)

注:1、“-”表示沒有滿足條件的取值;2、負數取值表示防空艦艇部署在航母后方也能完成航母的防空掩護需求

根據表1數據分析可得,在給定條件下，有

1)對于防空艦艇的防空導彈殺傷區遠界Rsy<110 km,只能適應掩護角需求2φ≤60°的情形;而防空艦艇的防空導彈殺傷區遠界Rsy≥150 km時,能適應掩護角需求2φ≤120°的情形。

2)對于相同的防空態勢下,當防空導彈的殺傷區遠界一定時,防空艦艇的可部署范圍與導彈殺傷區扇面角呈正相關。例如,殺傷區扇面角2α=120°的防空艦艇的可部署空間范圍比殺傷區扇面角2α=60°的防空導彈的艦艇的可部署空間范圍大65.9 km以上。

3)當防空導彈性能一定時,防空艦艇能適應的敵完成任務近界范圍,隨著掩護角需求的增大而變小。當2φ=120°時,殺傷區遠界Rsy≥150 km的防空艦艇只能適應敵完成任務近界Rrw=150 km的情形。

4)當航母編隊中程防空艦艇的部署距離要求為150 km時,只有裝備殺傷區遠界為Rsy≥130 km導彈的防空艦艇才對掩護角需求2φ>60°和敵完成任務近界Rrw>150 km的情形有較強的適應性。

實際上,通過查詢上表數據,指揮員能夠得到在應對不同任務需求時,裝備不同性能防空導彈的艦艇的前出距離的參考范圍。

2 單艦機動防空扇面分析

當航母的掩護角需求比較大,一艘中程防空艦艇的掩護能力難以滿足需求,而防空艦艇的數量又有限時,防空艦艇可以嘗試通過戰術機動完成防空掩護任務。這種情況通常發生在我方能夠有效探測到敵機。

如圖2所示,在給定態勢下艦艇能夠提供的最大掩護角為∠NOM,但實際上編隊需要艦艇A承擔的掩護角為∠NOM′,超出了防空艦艇的最大掩護能力。故而,當編隊發現有敵機沿M′O方向突襲時,為完成掩護任務,在點A處的艦艇需要通過快速機動至點A′處,發射一枚防空導彈,并且導彈在點M′處(即敵完成任務近界)與敵機遭遇。所以,對艦艇機動防空的可行性的探討應基于防空艦艇的最大掩護能力和艦艇的機動能力。

圖2 艦艇機動防空分析示意圖

2.1 建立模型

由圖2分析可得:1)當Rsy≥Rrw時,艦艇A配置在航母附近,就可以對各個方向來襲的敵機于敵完成任務近界前實施攔截。此時最大掩護角和前出距離為

(8)

2)當Rrwcosα≤Rsy

(9)

3)當Rsy

(10)

綜上分析,當Rsy

設艦艇航速為Vw,∠NOM′為2φ′,敵機平均速度為Vd,艦載防空導彈平均速度為Vfk,點A到點A′的距離為LAA′,可表示為

LAA′=2Dqcsin(φ′-φ)

(11)

式中，φ為防空艦艇提供的掩護角的一半,滿足φ≤φmax。

那么,在上述機動掩護過程中,艦艇A最遲發現敵機時,敵機到航母的距離為Ld,滿足式(12):

(12)

式中，Txt為防空導彈發射決策時間、發射命令下達時間、導彈系統反應時間之和。

把式(11)代入式(12)中,整理可得

(13)

式中，Ld≤Rty,Rty為編隊預警探測遠界。

2.2 仿真分析

1)仿真目的

在給定條件下,探討防空艦艇機動防空的可行性和適用范圍。

2)條件設置

結合1.3節的仿真結果,設置如下條件:航母需求的掩護角為2φ′,防空艦艇提供的掩護角為2φ,編隊預警探測遠界Rty=500 km,中程防空艦艇的最大航行速度Vw=32 kn,艦載防空導彈的水平殺傷區遠界Rsy∈[130 km,195 km],殺傷區扇面角2α=100°,防空導彈平均飛行速度Vfk=2400 km/h,導彈發射系統時間Txt=12 s,敵完成任務近界Rrw=200 km,敵機平均速度Vd=1 200 km/h。

3)結果分析

表2給出了不同條件下,防空艦艇機動防空的各參數范圍。防空艦艇機動防空各參數之間存在三角函數關系等許多非線性關系,其各參數之間并非線性對應,該表只是概略給出了各參數的范圍。

表2 不同條件下防空艦艇機動防空參數范圍

根據表2數據可得,在給定條件下，有

1)當防空導彈殺傷區遠界Rsy<190 km時,防空艦艇通過機動提供的掩護角比防空艦艇提供的最大掩護角提升8°～9°,提升幅度達10%;而當Rsy≥190 km時,防空艦艇通過機動提供的掩護角增加十分顯著。由此可見,對于防空導彈殺傷區遠界較小的防空艦艇,其通過機動增加的防空扇面范圍很有限,而對于防空導彈殺傷區遠界與敵完成任務近界相當的防空艦艇,其通過小范圍機動即可實現增加較大防空扇面的效果。

2)防空艦艇機動防空時,須在敵機距離航母300 km～500 km就要對其進行可靠跟蹤,該區域一般是我編隊的遠程防空區和預警探測區;此外,對敵機可靠跟蹤的最遠距離受制于編隊的探測能力。

3)防空艦艇機動防空時,其機動距離范圍為3.7 km～21.5 km之間,且隨著防空導彈殺傷遠界的增大范圍逐漸減小。

4)當Rsy<190 km時,防空艦艇的前出距離范圍隨導彈殺傷區遠界增加而增大,其最小前出距離在50.7 km～103.6 km之間,最大前出距離在156.3 km～163.4 km之間;當Rsy≥190 km時,防空艦艇的前出距離范圍隨導彈殺傷區遠界增加而減小,其最小前出距離在5.9 km～8.8 km之間,最大前出距離在18.5 km～18.8 km之間。防空導彈殺傷區遠界接近敵完成任務近界時,防空艦艇前出較小的距離即可滿足任務需求。

5)防空艦艇機動范圍隨敵機速度的增大而減小,當敵機達到某一速度時,防空艦艇將不能完成機動防空的任務。

3 多艦協同掩護扇面分析

受制于防空艦艇的機動性能、艦載防空導彈性能、敵機突襲方向和速度,機動防空的適用范圍比較有限。若航母受到來自多個方向敵機威脅的時候,防空艦艇機動防空的方法無法滿足航母的防空掩護需求時,可以增加防空艦艇數量,通過多艦協同掩護的方式來實現對航母的有效保護。

如圖3所示,設航母的掩護角需求為ψ,在艦艇A和艦艇B(兩艘艦艇各性能完全一樣)的防空導彈殺傷區結合部,兩艘艦艇均能射擊一次,此時艦艇需求數量Nzc為

(14)

圖3 雙艦協同防空掩護角分析示意圖1

通過2.1節分析可知,若防空艦艇以圖3所示陣位進行配置,則多艦協同掩護就會失去戰術的機動性、靈活性,協同防空火力的耦合性、封閉性會大大折扣。綜合考慮防空艦艇前出部署的機動性,艦艇之間的協同以及中程防空艦艇防空火力與其他層次防空火力的銜接,單艘防空艦艇可提供的掩護角取值應是一個有效的角度范圍。

在滿足防空需求的前提下,多艘防空艦艇按如圖4所示陣位進行配置,有如下幾點好處:第一,防空艦艇提供的掩護角2φ<2φmax,艦艇的前出距離是一個距離區間而非定值,明顯提升了艦艇部署的靈活性;第二,相鄰防空艦艇的防空導彈殺傷區可構成一次耦合殺傷區[2],提高了對重點方向來襲敵機的攔截效果,體現協同防空的優勢;第三,由于防空艦艇前出距離是一個距離范圍,在主要威脅方向上,相鄰防空艦艇的防空火力可前后配置,從而增強對敵機的持續抗擊能力。

圖4 雙艦協同防空掩護角分析示意圖2

由式(14)計算得到防空艦艇的需求數量后,由式(15)確定每艘防空艦艇實際承擔的掩護范圍2φ：

2φ=ψ/Nzc

(15)

這樣,多艦協同掩護問題就分解成為單艦防空掩護問題進行分析。此時,參考1.2節分析結果,可以得到不同掩護需求下,裝備不同性能防空導彈的防空艦艇的前出距離范圍。

如表3所示,給出了在給定條件下,多艦協同掩護中防空艦艇的需求數量及實際承擔的掩護范圍。

表3 不同條件下多艦協同掩護中防空艦艇的各參數值

由表3可得,在給定條件下

1)當航母編隊正面防空威脅扇面(掩護角需求)為180°時,2～3艘中程防空艦艇即可滿足任務需求,當威脅扇面為360°時,3～5艘中程防空艦艇即可滿足任務需求。

2)當航母編隊正面威脅扇面不足180°,而中程防空艦艇的數量在2艘以上時,把中程防空艦艇部署于威脅正面,減少防空艦艇的艦艦間距,進而增強一次耦合殺傷區的耦合度;或者把防空艦艇均勻交叉配置形成二次耦合殺傷區[2],從而增強系統對敵機的封閉性。

4 結束語

航母編隊中程防空艦艇的合理配置,是保持編隊戰斗堅持力[9]的重要措施之一。對于攔截來襲敵機,應立足于“先敵打擊”和“縱深攔截”等積極的防御思想。但是“先敵打擊”和“縱深攔截”都需要防空艦艇增大前出距離,而增大前出距離則會導致掩護扇面減小。顯然,這是相互矛盾的,需要在戰場信息和能量交換過程中追求動態的平衡,考驗的是指揮員在實際作戰中根據戰場態勢合理決策、科學部署的能力和魄力。這也是后續重點研究的內容之一。