聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)域分析

趙向濤, 寇 祝, 王佳婧, 石志軍

聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)域分析

趙向濤1, 寇 祝1, 王佳婧1, 石志軍2

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院 水武與防化系, 遼寧 大連, 116018; 2. 中國(guó)人民解放軍91184部隊(duì), 山東 青島, 266071)

針對(duì)水面艦艇遭受聲自導(dǎo)魚雷攻擊無法確定魚雷航向問題, 給出了聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)的定義, 提出了威脅航向范圍求解的迭代法和估算法。該方法從水面艦艇防御的角度出發(fā), 在概略估計(jì)魚雷位置及航速情況下, 直觀地給出聲自導(dǎo)魚雷有效攻擊航向范圍, 從而確定魚雷的威脅區(qū), 為水面艦艇魚雷防御決策提供理論依據(jù)。相比于以往僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷來襲魚雷信息, 論文方法可有效地縮小來襲魚雷威脅區(qū)范圍, 在艦艇火控系統(tǒng)中嵌入該算法可以實(shí)時(shí)判斷并顯示來襲魚雷的威脅區(qū), 從而提高水面艦艇水下攔截的效率。

聲自導(dǎo)魚雷; 水面艦艇; 魚雷防御; 威脅區(qū)

0 引言

水面艦艇防御潛射魚雷攻擊一直是水下防御的重點(diǎn)問題[1], 因涉及軍事信息, 所以相關(guān)領(lǐng)域的研究甚少公開。魚雷攻擊具有突然性, 這給防御魚雷帶來極大困難, 無論是采取規(guī)避機(jī)動(dòng)、攔截毀傷還是誘騙對(duì)抗, 都需要了解魚雷攻擊態(tài)勢(shì), 具體需要確定魚雷的方位、距離、航向和航速[2]。實(shí)際作戰(zhàn)過程中, 水面艦艇防御魚雷過程非常短暫, 通常在幾分鐘的時(shí)間, 在如此緊迫的形勢(shì)下, 要通過探測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確掌握目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)要素比較困難[3]。比如, 通過被動(dòng)魚雷預(yù)警探測(cè)距離較遠(yuǎn), 但是在只有方位信息條件下無法對(duì)魚雷準(zhǔn)確定位, 即使可以進(jìn)行定位也存在較大的誤差。如果進(jìn)一步通過平滑、濾波可以測(cè)得比較準(zhǔn)確的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素, 但又需要較長(zhǎng)的解算時(shí)間[4]。

基于上述原因, 從水面艦艇防御的角度考慮, 需要在概略估計(jì)魚雷位置及航速的情況下, 分析魚雷有效攻擊航向范圍[5], 為防御決策提供依據(jù)。

1 聲自導(dǎo)魚雷反艦攻擊彈道分析

潛射聲自導(dǎo)魚雷從發(fā)射到攻擊命中目標(biāo)全過程中, 其彈道主要包括發(fā)射管內(nèi)彈道、魚雷初始彈道(舵管制下非控航行彈道)、尋深和初始轉(zhuǎn)角程序彈道、搜索彈道、自導(dǎo)導(dǎo)引彈道、丟失后再搜索程序彈道等[6]。現(xiàn)代反艦魚雷一般航程在幾千米至幾十千米, 沒有線導(dǎo)的魚雷航程在10 km左右[7], 可見現(xiàn)代反艦魚雷都具有較遠(yuǎn)距離攻擊的能力, 從潛艇隱蔽實(shí)施反艦魚雷攻擊的角度來看, 在滿足魚雷攻擊概率條件下, 遠(yuǎn)距離反艦魚雷攻擊也是潛艇攻擊艦艇的優(yōu)先方案[8]。魚雷經(jīng)過內(nèi)彈道發(fā)射后, 經(jīng)過初始彈道和尋深轉(zhuǎn)角程序彈道后, 聲自導(dǎo)搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)前, 多數(shù)時(shí)間處于搜索彈道[9]。

從魚雷防御角度, 將聲自導(dǎo)魚雷攻擊劃分為2個(gè)主要階段: 1) 自導(dǎo)魚雷搜索階段, 魚雷發(fā)射后按照預(yù)定航向接近搜索水面艦艇目標(biāo), 在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)前通常處于直航狀態(tài); 2) 魚雷自導(dǎo)跟蹤階段, 自導(dǎo)魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)以后, 按照預(yù)定程序, 跟蹤目標(biāo)直至命中目標(biāo)。

對(duì)于水面艦艇來說, 魚雷處于搜索目標(biāo)過程中正是進(jìn)行防御作戰(zhàn)的最佳時(shí)期, 一旦魚雷捕捉到艦艇, 進(jìn)入近距離自導(dǎo)彈道階段, 應(yīng)采取規(guī)避機(jī)動(dòng)等對(duì)抗魚雷措施。

2 聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)

如果水面艦艇在聲自導(dǎo)魚雷直航搜索目標(biāo)階段發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 需要在假定魚雷距離和航速范圍的情況下, 分析其能夠搜索發(fā)現(xiàn)水面艦艇的可能航路范圍, 從而確定魚雷威脅區(qū), 以便進(jìn)一步采取對(duì)抗措施對(duì)抗魚雷, 保障水面艦艇安全。

假設(shè)聲自導(dǎo)魚雷與艦艇相對(duì)位置、魚雷航速、魚雷聲自導(dǎo)作用距離及自導(dǎo)搜索扇面已知, 則可以確定魚雷捕捉艦艇目標(biāo)可能航路范圍, 從而確定以魚雷位置為中心, 魚雷可能航向范圍所覆蓋的扇面, 稱之為聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)。

由聲自導(dǎo)魚雷命中原理[10]可知, 在已知魚雷相對(duì)艦艇位置(舷角、距離), 魚雷航速、自導(dǎo)扇面角度、自導(dǎo)距離和射擊提前角這些條件下, 可以確定艦艇相對(duì)魚雷航向, 根據(jù)艦艇相對(duì)航向線是否經(jīng)過魚雷自導(dǎo)扇面來判斷魚雷是否可以搜索捕捉艦艇。

2.1 威脅航路解算原理范圍

2.2 迭代法

1) 初始化

按照直航魚雷接近目標(biāo)原則, 確定初始射擊提前角為

其中, 右舷為+, 左舷為-。

2) 確定提前角取值范圍

3) 計(jì)算艦艇相對(duì)速度

圖2 聲自導(dǎo)魚雷提前角解算原理示意圖

進(jìn)一步通過正弦定理求得

相對(duì)速度方向位于艦艇的舷角為

5) 判斷退出

注意: 上述方法求解過程采用解析法, 一是要求魚雷速度大于艦艇速度, 二是要求魚雷與艦艇距離大于魚雷聲自導(dǎo)作用距離。

2.3 估算法

2) 求解自導(dǎo)扇面舷長(zhǎng)

3) 求威脅航向范圍的夾角

2.4 仿真驗(yàn)證

1) 算例1

目標(biāo)航向90°、航速12 kn, 魚雷位于目標(biāo)舷角70°、距離5 000 m、航速40 kn、聲自導(dǎo)作用距離1 500 m、自導(dǎo)扇面70°。

2) 算例2

目標(biāo)航向90°、航速12 kn, 魚雷位于目標(biāo)舷角30°、距離5 000 m、航速40 kn、聲自導(dǎo)作用距離1 500 m、自導(dǎo)扇面70°。

以上2個(gè)算例說明了估算法相較更為準(zhǔn)確。不同舷角態(tài)勢(shì)下, 在魚雷速度遠(yuǎn)大于艦艇速度的情況下, 魚雷搜索威脅航路角度范圍變化很小。如果艦艇速度較高, 魚雷處于尾追態(tài)勢(shì), 大舷角攻擊威脅區(qū)開角較小, 小舷角攻擊威脅區(qū)開角較大, 這主要是由魚雷捕捉到目標(biāo)前的航行距離較遠(yuǎn)造成。

3 仿真分析

3.1 魚雷航速影響

魚雷航速取值在一定范圍內(nèi), 對(duì)魚雷攻擊目標(biāo)有一定影響[11], 其搜索航路威脅區(qū)會(huì)發(fā)生變化, 主要是提前角不同。魚雷航速較高時(shí)射擊提前角絕對(duì)值較小, 航速比較低時(shí), 射擊提前角絕對(duì)值較大。故此, 在魚雷航速可能變化的情況下, 魚雷搜索航路威脅區(qū)開角將擴(kuò)大。

但是射擊提前角變化又與魚雷攻擊時(shí)所處的舷角有關(guān), 通過以下算例分析。

仿真條件: 目標(biāo)航向90°、航速12 kn、魚雷位于目標(biāo)舷角0~180°、距離5 000 m、航速30 kn、聲自導(dǎo)作用距離1 500 m、自導(dǎo)扇面70°, 魚雷航速分別為30、40和50 kn。仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1和圖4, 圖4中純色填充扇面為高速目標(biāo)威脅區(qū), 斜線填充扇面為低速目標(biāo)威脅區(qū)。

艦艇正橫附近魚雷攻擊提前角大于艦艇首尾方向魚雷攻擊提前角, 所以不同航速魚雷攻擊艦艇的搜索航路威脅區(qū)在正橫附近影響較大, 而在首尾方向影響較小。

表1 聲自導(dǎo)魚雷攻擊舷角、航速與搜索航路威脅區(qū)統(tǒng)計(jì)

圖4 不同舷角魚雷威脅區(qū)示意圖

1) 正橫來襲魚雷, 提前角開角變化不大, 但是方向(以中值為方向)變化較大, 綜合考慮不同航速, 開角合并后范圍略有增大, 主要原因是魚雷攻擊方向變化引起。

2) 首部來襲魚雷, 低速魚雷接近時(shí)捕捉目標(biāo)航行距離較近, 提前角開角最大, 航向無偏差, 綜合考慮不同航速, 低速魚雷開角范圍覆蓋高速魚雷航向范圍。

3) 尾部來襲魚雷, 高速魚雷接近時(shí)捕捉目標(biāo)航行距離較近, 提前角開角最大, 航向無偏差, 綜合考慮不同航速, 高速魚雷開角范圍覆蓋低速魚雷航向范圍。

4) 大、小舷角來襲魚雷, 綜合考慮不同航速引起航向偏差, 高速魚雷最小提前角和低速魚雷最大提前角之間開角最大。

綜合分析, 尾部來襲魚雷搜索航路威脅區(qū)最小, 正橫最大, 首部比正橫略小。

3.2 魚雷距離影響

仿真基本條件同3.1節(jié), 圖5為魚雷來襲舷角分別為0、60、120和180°, 魚雷距艦艇分別為3000、5000和7000 m時(shí)的魚雷其搜索航路威脅區(qū)統(tǒng)計(jì)如所示。由于自導(dǎo)距離不同, 射擊距離的比例不同, 射擊提前角隨著魚雷射擊距離增大而增大, 魚雷搜索航路威脅區(qū)開角減小, 并且由于目標(biāo)距離不同, 威脅區(qū)的起始基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生了變化, 按照估算法可以理解, 由于預(yù)計(jì)捕捉目標(biāo)相遇點(diǎn)隨距離增加趨向艦艇前方距離增加, 故不同距離上的魚雷攻擊時(shí), 魚雷搜索航路威脅區(qū)不同, 在空間上呈分布狀態(tài)。

圖5 不同舷角、不同距離下聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)

4 結(jié)束語

水面艦艇在接收到聲吶報(bào)警并判斷是聲自導(dǎo)魚雷后, 可以運(yùn)用文中提出的迭代法和估算法分析計(jì)算來襲魚雷的航路范圍, 從而確定魚雷的威脅區(qū), 進(jìn)而采取相應(yīng)的措施對(duì)抗魚雷, 保障自身安全。文中提出聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)的概念, 而且通過建模與分析, 給出了不同舷角、航速、距離下的魚雷威脅區(qū)。相較于以往僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷來襲魚雷信息, 所提方法可縮小來襲魚雷威脅區(qū)范圍, 因此該方法可為水面艦艇防御來襲聲自導(dǎo)魚雷決策提供有力的目標(biāo)要素分析手段, 解決實(shí)際作戰(zhàn)問題。

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Analysis of Acoustic Homing Torpedo Searching Threat Area

ZHANG Xiang-tao1, KOU Zhu1, WANG Jia-jing1, SHI Zhi-jun2

(1. Underwater Weapons & Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. 91184thUnit, The People’s Liberation Army of China, Qingdao 266071, China)

Against the background of acoustic homing torpedo attacks on surface ships, this study presents a definition of an acoustic homing torpedo searching the threat area, and then solves the threat range using an iteration method and an estimated method. From the perspective of surface ship defense, in the brief estimation of torpedo position and speed, the intuitively gives acoustic homing torpedo effective attack course range, to determine the threat area of torpedo, and provides a theoretical basis for torpedo defense decisions of surface ships. Compared to the experience estimate, the method in this study can effectively reduce the scope of the torpedo threat area, and embedding the algorithm in the ship fire control system can judge and display the threat area of the incoming torpedo in real time, increasing the efficiency of the surface ship undersea interception.

acoustic homing torpedo; surface ships; torpedo defense; threat area

TJ630.1; E843

A

2096-3920(2021)03-0344-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.015

趙向濤, 寇祝, 王佳婧, 等. 聲自導(dǎo)魚雷搜索航路威脅區(qū)域分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(3): 344-349.

2020-07-29;

2020-08-18.

趙向濤(1969-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向?yàn)榉礉摴シ缿?zhàn)術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)