尾流自導魚雷經典三波束彈道導引律設計優化?

謝 攀 謝志強 潘元璋

（中國人民解放軍91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

尾流自導追蹤對象是艦船尾流，其抗干擾能力強，自導裝置簡單可靠，檢測并捕獲目標的概率高，是現代魚雷反艦的重要手段［1～3］。各主要海軍國家對其開展了廣泛研究，通過優化導引彈道從而減小魚雷航程損失是其中一項關鍵技術［4］。

目前尾流自導魚雷多采用經典導引方法，導引律的設計思想比較簡單，所用輸入導引信息為魚雷進/出尾流的標志位，輸出命令為魚雷回旋角度和魚雷回旋角速度，導引彈道航程/速度損失較大［5］。對此，本文將以三波束導引機制為基礎，充分利用各檢測通道所獲導引信息，設計優化彈道導引律，進而改善彈道品質，減小航程損失，可為尾流自導魚雷彈道設計提供一定參考。

2 尾流自導彈道設計初始條件

2.1 尾流平面幾何模型

尾流自導屬于單平面自導，因此本文僅建立尾流的平面幾何模型，其主要特征參數主要包括長度、寬度和船尾部水平面內尾流的擴展角和擴展速度。如圖1所示，尾流在水平面內自水面船尾沿航行反方向逐漸擴散，在船尾的寬度約為船寬一半，隨后以約30°～60°線性發散；尾流擴散到一定距離L后，發散角急劇減小至10以內，此時的尾流寬度約為艦船寬度2.5倍［6］。

圖1 尾流平面幾何模型

尾流有效長度Lw為

式中CA為尾流壽命，三級海況下一般為180s，VM為艦船速度。

尾流寬度Ww為

式中B為艦船寬度，λ為尾流船尾處的擴散角。

對于已捕獲尾流的魚雷，尾流寬度Ww是影響其自導彈道特性的主要外部因素。

2.2 約束條件

為保證尾流自導魚雷攻擊水面目標時能夠穩定地沿尾流自主導引追蹤目標，魚雷進入尾流時刻，其進入距離和進入角必須在一定值域范圍內［7～8］。其基本要求為［9］

式中Din為尾流進入距離，指魚雷進入目標尾流時刻魚雷與目標艦尾的距離，θin為進入角，指魚雷進入目標尾流時刻魚雷反航向與目標航向的夾角。

2.3 魚雷出/入尾流夾角測算方法

1）回旋法

艦船直航時，其尾流近似直線。如圖2，魚雷出尾流后，以恒定角速度回旋直至再次進入尾流，其回旋角度為2α，由幾何關系可計算出為α。

圖2 回旋法示意圖

回旋法測得的魚雷出/入尾流夾角精度較高，但是要求魚雷通過完整的尾流外回旋過程，從而無法實時獲得魚雷出/入尾流夾角。并且大多數情況下尾流回旋的角速度是變化的，將造成測量誤差。另外，當目標機動導致尾流形狀發生變化時，該方法所測結果也存在誤差。

2）邊界直航法

邊界直航法的基本原理是在魚雷直航態勢下，當魚雷出/入尾流時，通過測量三個通道檢測到尾流的時間差，實時測得魚雷航向與尾流的夾角。

如圖3，魚雷入尾流時，當左舷通道b檢測到尾流時，記錄該時刻，此時魚雷開始直航，直到a點、c點都檢測到尾流時，記錄時間，算出時間差和直航距離，由于b點和c點距離已知，根據三角函數可計算出魚雷航向與尾流夾角。同理，當魚雷出尾流時，也可求出魚雷航向與尾流夾角。

圖3 邊界直航法示意圖

3 經典三波束彈道導引律設計與優化

主動聲尾流自導可分為單波束、雙波束和三波束聲尾流自導，以三波束導引機制的自導彈道應用最廣［10］。經典三波束導引彈道，分為：1）自適應調整確定門限和搜索彈道；2）第一次穿越尾流彈道；3）尾流外回旋搜索彈道；4）尾流內導引彈道；5）再搜索彈道。其設計思想是使魚雷航向盡快朝尾流方向上收斂。

3.1 第一次穿越尾流彈道設計優化

假設目標艦船位于魚雷右舷，當魚雷結束自適應彈道后第一次檢測到尾流時，在保證快速穿越的基礎上，為使其能夠從正橫方向出尾流，根據邊界直航法測得或預估的入射角α0的不同，進行彈道調整，分三種情況。

1）逆向進入：入射角0°≤ α0≤ 60°時，魚雷以順時針角速度偏轉60°后直航至出尾流；2）正橫進入：入射角60°≤α0≤120°時，魚雷直航至檢測出尾流；3）追擊進入：入射角120°≤ α0≤ 180°時，魚雷以逆時針角速度偏轉60°后直航至出尾流。

當魚雷執行第一次穿越彈道將出尾流時，利用邊界直航法測得出尾流角度α，然后輸出命令控制其回旋角度α。出尾流角度α越大，回旋角速度越大。在魚雷再次入尾流之前，若回旋結束，則回旋角速度降低，回旋角度增加。

3.2 尾流內追蹤彈道設計與優化

尾流內追蹤彈道分為入尾流調整彈道、尾流夾角測量、出尾流調整彈道三部分，目的是保證魚雷航行于尾流內。為降低魚雷航程損失，保證其航向與尾流方向盡可能收斂，魚雷將隨時調整彈道。

1）入尾流調整彈道

魚雷尾流外回旋將要進入尾流時，魚雷轉為直航，同時利用邊界直航法測得入尾流角度α，可知此時魚雷航向與尾流方向夾角為α。進入尾流后，魚雷開始執行入尾流調整彈道，并以較大角速度回旋α，回旋方向與魚雷尾流外回旋方向相反，以保證魚雷航向與尾流方向一致。

2）出尾流調整彈道［5］

魚雷經過入尾流調整彈道后，其航向理論上與尾流方向相同，但由于目標機動、回旋誤差及海流影響等原因，魚雷仍可能會出尾流。出尾流調整彈道的作用是在魚雷將要出尾流時，通過校正彈道，避免魚雷出尾流。

根據三波束導引機制，若三個檢測通道中一個或兩個檢測不到尾流時，則認為魚雷處在尾流邊緣將要出尾流，此時魚雷航向一般與尾流方向夾角較小，魚雷需調整回旋角速度不大。若左（右）舷通道先檢測不到尾流，則輸出命令控制魚雷順（逆）時針方向回旋，直至三個通道均檢測到尾流后，則可認為魚雷未出尾流。計算回旋角度為2α，由回旋法可知此時魚雷航向與尾流方向的夾角為α，隨后輸出命令魚雷以不變角速度逆（順）時針回旋α角度，然后直航。

4 結語

如何調整彈道降低航程損失，是尾流自導魚雷彈道設計的基本要求和主要方向。本文提出了一種利用魚雷出入尾流角度信息對經典三波束導引律進行設計優化的方案，其可使魚雷航向收斂于尾流方向，保持魚雷盡可能地航行于尾流內，從而降低航程損失。但是由于該導引律的設計是基于目標直航，依然無法克服魚雷獨立使用尾流制導對機動目標攻擊效果差的不足。魚雷出管后，一旦目標艦船進行戰術機動，勢必引起尾流幾何形狀及聲學特性發生較大變化，容易造成魚雷對尾流產生誤判，航程加大甚至丟失目標［11～12］。

本文所做研究較為粗淺，設計優化的導引律效果尚需進一步驗證。同時，如何進一步優化尾流自導彈道導引律，增強對機動目標的攻擊效果，如何根據作戰實際，合理搭配各種制導方式，克服尾流自導魚雷的的弱點，值得持續深入研究。