多通道舰空导弹武器系统转火射击能力分析*

慎 龙 隋先辉 朱鹏磊 时筱惠

(海军大连舰艇学院1) 大连 116018)(辽宁师范大学外国语学院英语系2) 大连 116018)

1 引言

随着世界范围内采用众多高新技术的反舰导弹大量装备各国海军,舰空导弹作为从中远距离硬抗击来袭空中目标的主要手段面临着越来越多的压力。多层次、多批次、多方向远距离饱和攻击方式对于舰空导弹武器系统的拦截多目标能力提出了新的要求,这使得分析多通道舰空导弹武器系统的射击能力显得尤为重要。而在对多通道舰空导弹射击能力的研究中,很多指标都与转火射击能力有关。文献[1]以单面相控阵雷达制导的多通道防空导弹为例对这问题进行了讨论。然而对于“多制导装置-多目标通道”[2]舰空导弹武器系统其转火能力没有进行具体的研究。

2 转火射击的概念

在对同时或依次进入发射区的多批目标中的某一目标射击完毕后,重新指示其他目标进行射击的方法,称为转移火力射击,简称转火射击[1]。在防空作战中,当水面舰艇作战空域内有多个目标来袭时,在将某个目标击毁后,或在射击中发现有威胁更大的目标来袭,或者正在射击的目标已经逃离舰空导弹武器系统的发射区时,都应该进行转火射击。

舰空导弹射击时,导弹武器系统用于跟踪或照射目标的设备及其向导弹火控系统提供射击目标信息的通道,称为目标通道。在舰空导弹武器系统中,能够独立跟踪一个目标、并能对该目标发射和制导导弹的武器控制通道,称为舰空导弹的火力通道。在一次射击中,一个火力通道只能对一个目标射击。多通道舰空导弹武器系统是指具有多个目标通道和多个火力通道,能同时跟踪多批目标,并同时制导多枚导弹拦截多个目标的舰空导弹武器系统。

对于典型的“多制导装置-多目标通道”舰空导弹武器系统来说,如美国的标准Ⅱ舰空导弹等,其每个目标通道对应一个照射装置,其转火射击方法分为通道内转火射击和通道间转火射击两种情况。在防空作战中,转火射击能力是舰空导弹武器系统作战能力的一项重要指标,它决定了舰空导弹武器系统的拦截多目标能力和对抗饱和空袭的能力。

3 转火射击的方法

本文以半主动雷达制导体制“多制导装置-多目标通道”舰空导弹武器系统为例分析其转火射击能力。系统具有4个雷达照射制导装置,其照射方位以及在舰艇上的配置如图1所示。

图1 照射制导装置照射空域及舰艇配置图

3.1 通道内转火射击

由于“多制导装置-多目标通道”舰空导弹武器系统,不同于单面相控阵雷达制导的多通道舰空导弹武器系统,其不存在扇面转火射击的情况。通道内的转火射击相当于单通道舰空导弹武器系统的转火射击情况。其主要特点是通常在单个目标通道的作战空域(如扇面l1ol4)内,有多个目标时,按照舰艇指控系统的目标指示截获跟踪一个目标,当目标被消灭后,清除此通道,并在此通道对下一批舰艇指控系统下达的转火射击目标,进行截获跟踪后射击,该转移火力的方式是相对于一个目标通道而言的。称为通道内转火射击。

通道内转火射击的能力一般用一个目标通道的射击周期来表征,它表示了舰空导弹武器系统的快速反应能力以及连续射击后续目标的能力。射击周期,是舰空导弹武器系统最关键的性能之一,对于多通道舰空导弹武器系统来说,射击周期是指目标通道接收到目标指示后,照射装置稳定跟踪目标,发射n发导弹对一个目标进行一次射击所占用的时间,即从进行目标指示开始到观察射击效果完毕所占用的时间,用 Tsj表示。射击周期与舰空导弹的速度特性、目标的速度、目标航路捷径、导弹发射的时间等因素有关。

其中,tmz为火控系统对目标通道的目标指示时间;tzdz为目标通道的照射制导装置调转并稳定跟踪目标的时间;n为一次射击中发射的导弹数;tfs为从按下“发射”按钮开始至导弹起飞的时间;Δ t为齐射舰空导弹时,相邻两发导弹的发射间隔;tf x为最后一枚导弹飞到遭遇点所用的时间;tpg为评估射击效果所用的时间。

舰空导弹一次射击发射导弹数一般不超过2枚。如果是单射,则n=1;如果是2发齐射,则n=2。tfx随着射击目标距离、目标的飞行速度、航路捷径等参数的不同,以及发射导弹数等参数的不同,该参数是变化的。tf x是影响舰空导弹武器系统转火射击能力的关键参数。

多通道舰空导弹武器系统能否进行通道内转火射击,主要取决于转火射击周期Tzh(即转火射击所需时间)和待转火射击目标的位置(即待转火目标是已经进入本目标通道的发射区内)。

从本次射击按下导弹“发射”按钮,到舰艇指控系统下达转火射击命令,完成转火射击准备并按下转火射击导弹的“发射”按钮的时间间隔,称为转火射击周期Tzh[4]。

转火射击周期Tzh取决于本次射击时间Tlj和转火射击准备时间Tzhzb,即

转火准备时间Tzhzb是指,在本次射击完成后,组织转火射击所需的准备时间为

式中:tzhjc为指挥员进行转火射击决策并下达转火射击命令的时间;tmz1为舰艇指控系统向舰空导弹火控系统下达目标指示的时间;tfa为在制导装置稳定跟踪目标后,操作手按下发射按钮的时间;Tlj是指本次导弹射击的射击时间,即指从按下“发射”按钮,到导弹与目标在杀伤区相遇并判断出射击效果。

最大通道内转火射击周期Tzhmax是指对位于舰空导弹发射区远界的目标射击后,对转火射击目标在其发射区近界发射舰空导弹拦截的转火射击时间间隔。

上式中,Tlj max指在发射区远界拦截目标的射击时间。

最小通道内转火射击周期Tzhmin是指对位于舰空导弹发射区近界的目标射击后,对转火射击目标在其发射区近界发射舰空导弹进行拦截的转火射击时间。

式中:Tlj min指在发射区近界拦截目标的射击时间。

3.2 通道间转火射击

通道间转火射击是指对于多通道舰空导弹武器系统中,在具有多个目标通道的作战空域内(如扇面l1ol2),出现的多个目标,分批进行射击的方法。其主要特点是:当来袭目标数小于作战空域内的目标通道数时,每个照射制导雷达可按照目标指示到达的先后顺序依次分别进行截获跟踪;而当作战空域内的目标通道均已被占用时,对后续目标的处理只能等某一目标通道空闲出来自后才能进行。当然,对于突然出现的重大威胁目标,或者指控系统要求转火射击另一目标时,也可清除已被占用的目标通道,优先处理重要的目标。该转移火力的方式是在不同的目标通道间进行的,因此称为通道间转火射击。通道间的转火射击能力可用一个目标通道接受目标指示并搜索截获跟踪目标的时间Tzh时间来表示。Tzh表征了整个多通道舰空导弹武器系统连续射击多目标的能力。

多通道舰空导弹武器系统能否进行通道间转火射击,主要取决于通道间转火射击周期 Ttzh(即通道间转火射击所需时间)和待转火射击目标的位置(即待转火目标是已经进入转火射击目标通道的发射区内)。

由于各个目标通道具有自己的照射制导装置,多通道舰空导弹武器系统的通道间转火射击具有,转火射击目标的截获跟踪过程可与前一个目标通道射击前一个目标的过程同时进行的特点,即各个目标通道的射击周期可相“重叠”。因此,通道间转火射击周期Ttzh就是从拦截第一个目标的目标通道按下“发射”按钮,舰艇指控系统下达转火射击命令,到转火射击的目标通道完成转火射击准备并按下转火射击导弹的“发射”按钮的时间间隔。

式中,Ttzhjc为指挥员进行通道间转火射击决策的时间。

4 转火射击能力计算

4.1 导弹拦截时间的计算

假设多通道舰空导弹采用的是比例导引法的导引方法。比例导引法它是指在导弹飞向目标的过程中,导弹速度矢量转动的角速度与弹目视线的转动角速度成正比。其导引方程为

式中,K为比例系数,建立舰空导弹拦截目标的差分方程模型[3]如下

式中,(xt,yt,zt)表示目标的空间位置,(xm,ym,zm)表示舰空导弹的空间位置,st表示目标在一个步长内的飞行距离,sm表示舰空导弹在一个步长内的飞行距离,c1分别表示舰空导弹到预测遭遇点的距离,c2表示目标到预测遭遇点的距离。

根据以上方程,设定目标参数等初始参数,运用MATLAB进行舰空导弹拦截目标的三维弹道仿真模型,可以计算出导弹拦截时间。

4.2 转火射击周期计算

假设在以下条件进行计算:

1)多通道舰空导弹武器系统的杀伤区为远界Rmax=40km,近界Rmin=10km,舰空导弹的平均速度为Vm=1.1km/s,舰空导弹的杀伤半径为60m。

2)目标的飞行速度为Vt=0.42km/s,做匀速直线运动。

3)tfs平均时间 1.5s,Δ t=1s,tpg平均时间 1～3s。

4)tmz1=1s,tzhjc=1s,tfa=1s,tzdz=3s,tmz=1s,Ttzhjc=1s。

根据4.1节,仿真计算出导弹在发射区远界拦截目标时,tfxmax=21.3s,因此根据假设得出

所以当双发齐射在杀伤区远界拦截目标(n=2)时,Tzhmax=32.3～34.3s;当单发拦截目标时(n=1时),Tzhmin=31.3～33.3s,其仿真弹道如图2所示。

同理,运用MATLAB仿真计算导弹在发射区近界拦截目标时,tfxmin=7.2s,因此

可得,双发齐射在杀伤区近界拦截目标(n=2)时,Tzhmin=18.2～20.2;当单发拦截目标时(n=1时),Tzhmin=17.2～19.2s,其仿真弹道如图3所示。

由此可知通道内转火射击时,转火射击周期的变化范围为

当要在对来袭的多个目标进行通道内转火射击必须满足以目标来袭间隔时间t不小于Tzhmin的条件。

根据假设条件计算,同理计算通道间转火射击周期可得

4.3 计算结果分析

根据以上分析计算可知,对于同时位于多通道舰空导弹武器系统的发射区域的多批目标,当先后两批目标的来袭间隔时间t不小于必须的最小通道内转火射击周期Tzhmin并且大于通道z时实施射击。当先后两批目标的来袭间隔时间t同时小于最小通道内转火射击周期Tzhmin和大于通道间转火射击周期Ttzh时,多通道舰空武器系统不能进行转火射击。根据仿真实例可知,通道间转火射击时间远小于通道内转火射击时间,因此通道间转火射击是多通道舰空导弹火力单元的基本转火射击方法。

在实际的防空作战中,形式复杂多变,上述计算是在理想情况下进行的,进一步分析多通道舰空导弹武器系统的转火射击能力,还应考虑到以下因素:各个目标通道的发射区域的不同以及照射装置的实际调转时间等。

5 结语

根据对多通道舰空导弹武器系统的转火射击能力的分析可以看出,通道内转火射击与通道间转火射击的区别在于后者的各个目标通道间的射击周期可以相重叠,而通道内转火射击时,对转火射击目标的截获跟踪不能与射击前一个目标的过程同时进行。本文给出了通过对舰空导弹进行三维弹道仿真的方法,精确计算多通道舰空导弹武器系统转火射击能力的方法。根据计算实例可知,通道间转火射击是多通道舰空导弹武器系统转火射击的基本方法。在防空作战中,为了尽可能地提高系统的射击能力,可以采取增加目标通道数或缩短射击时间,或者提高指挥员以及操作人员的熟练水平的措施。另一方面,可以根据本文的转火射击周期的计算方法,优化弹道仿真计算导弹拦截时间的模型,在导弹火控系统直接计算并实时显示对多批目标的转火射击可能性。

[1]原超,金钊,徐奕航.多通道舰空导弹武器系统转火射击能力研究[J].火力与指挥控制,2007(增刊)

[2]阳曙光,李为民.多目标通道地空导弹武器系统抗击效率模型[J].火力与指挥控制,2004(12)

[3]马其东,王磊,金钊.比例导引法三维弹道仿真分析[J].战术导弹技术,2008(3)

[4]马其东,周俊,樊继功.舰空导弹武器系统转火射击能力研究[J].现代防御技术,2005(2)

[5]王家文,李仰军.M ATLAB 7.0图形图像处理[M].北京:国防工业出版社,2006,6