悬浮式深弹拦截不确定型鱼雷作战模型研究

姚奉亮, 贾 跃, 丁 贝



悬浮式深弹拦截不确定型鱼雷作战模型研究

姚奉亮1, 贾 跃2, 丁 贝1

(1. 海军大连舰艇学院 研究生1队, 辽宁 大连, 116018; 2. 海军大连舰艇学院 水武与防化系, 辽宁 大连, 116018)

水面舰艇如何使用悬浮式深弹拦截鱼雷是舰艇防御鱼雷的重要问题之一。该文通过利用模糊数学知识将鱼雷报警距离分为近、中、远3个模糊区域, 建立了鱼雷报警距离隶属函数关系, 预估了鱼雷目标航向、航速等运动要素, 最后建立了悬浮式深弹拦截不确定型鱼雷作战模型, 并对作战模型进行了计算机仿真。仿真结果表明, 舰艇在不能确定来袭鱼雷型号和自导方式时, 选择使用悬浮式深弹这一硬杀伤方式拦截鱼雷是最为可行的方案, 能够达到彻底毁伤鱼雷, 从而保护舰艇安全的最终目的。

鱼雷; 悬浮式深弹; 拦截策略; 水面舰鱼雷防御; 作战模型; 模糊; 仿真

0 引言

随着现代鱼雷技术的高速发展, 无论是鱼雷的航速、航程、自导作用距离等基本战技指标, 还是制导类型、智能程度、目标识别能力等都有了突飞猛进的发展, 从而对鱼雷防御技术提出了更高的要求。对于鱼雷防御方, 最重要的当然是第一时间对来袭的鱼雷进行目标报警、识别和定位,其中识别是指识别其型号或制导类型, 以便采取有针对性的防御方案。但在复杂多变的现代战场环境, 由于人员训练水平, 武器装备的限制, 或鱼雷突然来袭没有充分的时间识别来袭目标, 而又必须尽快采取必要的防御措施。那么, 对在未知来袭鱼雷制导类型的情况下, 研究相应的防御战术显得尤为重要。本文讨论使用悬浮式深弹拦截不确定型鱼雷, 就是基于该战术背景条件下的舰艇防御战术。

1 鱼雷报警距离估计

舰艇对鱼雷目标运动要素的确定主要是通过测定鱼雷的报警舷角Q与报警距离。然而由于本舰的鱼雷报警声纳仅能给出目标的方位信息, 无法测定目标的距离信息, 因此, 对距离只能通过声纳性能、水文条件等多种因素来进行预估[1]。鱼雷报警声纳在良好的水文条件下, 报警距离不小于8 km; 中等水文条件下, 报警距离不小于6 km; 恶劣水文条件下, 报警距离不小于3.5km。根据报警声纳的这些性能, 把鱼雷报警距离分为远、中、近3个模糊区域, 即

确定鱼雷报警距离的各模糊区域之后, 即可预估鱼雷报警距离。若各区域对应的隶属函数分别为

式中,()为输入报警距离为D区域时,D区域的隶属函数。

假设声纳最远报警距离不超过10km, 则D=3 500 m,D=6 000 m,D=8 000 m,D=10 km。

鱼雷位置的模糊区域划分如表1所示。

表1 一定舷角条件下模糊区域划分

2 鱼雷运动参数估计

2.1 鱼雷航向估计

按鱼雷制导类型分, 现服役的主战鱼雷包括直航鱼雷、声自导鱼雷、尾流自导鱼雷和线导鱼雷等4种类型。文献[2]详细介绍了各型鱼雷的特点、射击原理及模型等, 并对其命中概率进行了仿真计算。从中可以分析得到, 各型鱼雷由于瞄准点的不同, 鱼雷射击时的提前角有差异, 如直航鱼雷瞄准的是未来与目标相遇点, 其提前角最大, 记作max; 声自导鱼雷以有利提前角射击时, 是使声自导装置发现目标的概率最高, 其有利提前角的求解是通过使自导扇面遮盖中心与目标相遇实现的; 尾流自导鱼雷是使鱼雷与有效尾流和目标舰长度在内的有效长度中心相遇, 瞄准的是目标尾流某点, 可知其提前角最小, 记作min; 线导鱼雷通常采用零提前角、固定提前角和现时提前角3种射击方法。可以从中估算出来袭不确定型鱼雷的航向范围, 即可确定出来袭鱼雷提前角的范围,即min≤≤max, 这时鱼雷的可能航向就分布在min所确定的C1航向及max所确定的C2航向之间。

2.2 鱼雷航速估计

从表2[3-4]的数据可以得到, 国外反舰鱼雷航速主要集中在30～55 kn范围内, 仿真时可以假设来袭鱼雷的航速在此范围内均匀分布。

表2 国外反舰鱼雷性能参数

3 拦截不确定型鱼雷作战模型

3.1 舰艇拦截过程概述

设舰艇向东航行, 以舰艇航向为轴, 鱼雷报警时刻舰艇位置点点为坐标原点, 建立坐标系。鱼雷报警声纳报警后, 经过系统反应时间t, 舰艇到达1点发射悬浮式深弹。舰艇使用悬浮式深弹拦截来袭鱼雷时很有可能不能确定来袭鱼雷的型号、自导方式。若来袭鱼雷为尾流自导鱼雷, 由于其瞄准点为舰艇尾流, 其射击提前角最小为min; 若来袭鱼雷为直航鱼雷, 其提前角最大为max。鱼雷的可能航向就分布在min所确定的C1航向及max所确定的C2航向之间。为了尽可能覆盖鱼雷的可能航向范围, 这时将悬浮式深弹布放到C1,C2航向夹角ÐC1PC2平分线上, 其布放基准点为1。布放位置如图1所示。

图1 不确定雷型时深弹布放示意图

3.2 悬浮式深弹发射时机确定

鱼雷报警声纳报警后, 若舰艇经过系统反应时间t发射悬浮式深弹, 深弹飞行时间为t, 深弹从入水到开始工作时间为t, 深弹水中悬浮时间为t, 深弹引信作用半径为¢, 则可以确定出一个深弹可拦截鱼雷的最近和最远拦截距离范围拦min和拦max, 其可由下式表示[5]

发射悬浮式深弹, 首先必须根据鱼雷报警距离的近、中、远, 判断其报警区域的远端是否在深弹的拦截距离范围之内(根据鱼雷报警声纳的性能可知, 鱼雷的报警距离都大于深弹拦雷的最近距离, 判断鱼雷是否在深弹的拦截范围之内, 主要判断鱼雷报警距离是否在深弹拦雷的最远距离之内), 即判断预警是否满足拦min<预警<拦max(当报警距离为近时预警=D, 当报警距离为中时预警=D, 当报警距离为远时预警=D); 其次, 当鱼雷在深弹的拦截距离范围内时, 判断射击距离11是否在深弹的射界(min,max)之内(主要考虑11是否小于最大射界), 判断公式可由下式确定

式中：C为舰艇航向, 这里假设舰艇向东航行,C为0°;Q为鱼雷报警方位;x1和y1分别为舰艇横纵坐标;max为悬浮式深弹最大有效射界;D为鱼雷报警距离预估区域;max为报警距离最大时的提前角。

通过判断式(6)是否有根, 来判断射击距离11是否在最大布放距离max之内。

3.3 悬浮式深弹布阵方案

3.3.1 深弹布放基准点及布放长度

式中：x1和y1分别为深弹布放位置点1坐标;min为报警距离最小时的鱼雷射击提前角; (,)为C1反向延长线与C2的交点的坐标。,,x1,y1,R可由下式求得

当报警距离为近时，D=D,D=1; 当报警距离为中时，D=D,D=2; 当报警距离为远时，D=D,D=3。

其中，x1和y1分别为舰艇经过系统反应时间t后航行到1点的坐标。

拦截宽度12为, 则

3.3.2 深弹布放个数与间隔

根据拦截线的长度及布放间隔就可以确定需要发射的悬浮式深弹的数量, 要完全覆盖理论拦截线长度所需的发射数量

式中:为拦截线布放长度;为深弹破坏半径;为深弹间距比例系数。

射击时, 为了保证尽可能宽的拦截阵面, 又能保证尽可能高的对鱼雷毁伤概率,的取值为0.8～1.5。选取合适的使得拦截鱼雷的概率最大。

3.3.3 转向航向的确定

水面舰艇按照以上布阵方案布放悬浮式深弹, 并立刻进行背转鱼雷加速规避。由于潜艇是靠观测我舰的方位引导鱼雷的, 因此舰艇规避时, 只要使鱼雷方位线始终穿过拦截阵, 就能将鱼雷引向拦截阵, 从而毁伤鱼雷。根据上述原理, 则舰艇规避转向角可由下式确定

4 仿真计算与结果分析

4.1 仿真计算条件

舰艇航行初速18kn, 航向90°, 决策反应时间为30s, 若舰艇进行机动规避, 则舰艇操纵反应时间为5s, 规避机动航速30 kn, 舰艇规避角速度3.0°/s, 旋回半径450 s。鱼雷速度30～55 kn, 航程18 000 m。悬浮式深弹最大发射数量为12枚, 从发射到入水后正常工作时间不超过25 s。当本舰以18 kn航速拖曳鱼雷报警声纳航行, 鱼雷报警声纳声阵中心与本舰距离为1000 m, 声纳对来袭鱼雷报警正确率不小于80%, 在2 km距离上漏报率不大于40%。

4.2 布放悬浮式深弹参数计算

舰艇进行背转鱼雷规避, 则可分别算得不同态势情况下舰艇规避转向角/(°), 布放悬浮式深弹得布放距离R/m, 布放方位B/(°), 表3所示。

表3 不同报警距离下悬浮式深弹布放参数

Table 3 Parameters of hovering depth charges deploy- ment in different alarming distance

4.3 悬浮式深弹拦截效果

从图2可知, 报警距离为近时拦截概率最高, 报警距离为远时拦截概率最低, 而深弹拦截概率受报警舷角的影响较小。

图2 深弹拦截未知雷型鱼雷的概率

4.4 舰艇规避时生存概率

由图3可知, 舰艇生存概率随着报警舷角和报警距离的不同而不同。报警舷角对舰艇生存概率的影响是: 随着报警舷角的增大, 舰艇生存概率不断增加, 报警舷角30°时为0.61, 报警舷角150°时为0.825。对于不同报警距离, 可以得到类似的结论。

报警距离对舰艇生存概率的影响是: 随着报警距离的增加, 舰艇的生存概率不断增加。以报警舷角90°时为例, 当鱼雷报警距离为近时舰艇生存概率为0.73; 当报警距离为中时, 舰艇生存概率为0.77; 报警距离为远时, 舰艇生存概率为0.865。

图3 深弹拦截未知雷型鱼雷时舰船生存概率

5 结论

在实际作战中, 水面舰艇很有可能不能确定来袭鱼雷的型号和自导方式。这时, 选择使用悬浮式深弹这一硬杀伤方式拦截鱼雷是最为可行的方案, 适用于任何制导类型的鱼雷, 达到彻底毁伤鱼雷或是鱼雷自导和控制系统失灵, 不能有效攻击, 从而达到保护舰艇安全的最终目的。那么, 可以根据文中所确定的拦截策略进行布放, 当舰艇进行规避机动时舰艇能获得较高的生存概率, 特别是对于大舷角的情况, 这时舰艇平均生存概率可达到80%以上。

[1] 陈春玉. 反鱼雷技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006: 38-59.

[2] 孟庆玉, 张静远, 宋保维. 鱼雷作战效能分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003: 91-107.

[3] 陈耀娟, 韩明连. 舰艇鱼雷防御技术现状及发展趋势[J]. 舰船科学技术, 2002(S1): 12-14.

Chen Yao-juan, Han Ming-lian. State-of-the-Art and Trend of Surface Ship Torpedo Defence Technology[J]. Ship Science and Technology, 2002(S1): 12-14.

[4] Bowling B. Penn State Lab Develops Torpedo Counter- measures[N]. Pittsburgh Tribune-Review, 2005-01-09.

[5] 贾跃, 宋保维, 李文哲. 火箭深弹拦截鱼雷理论与方法研究[J]. 系统工程理论与实践, 2004 (4): 137-140.

Jia Yue, Song Bao-wei, Li Wen-zhe. Theory and Method of Intercepting Torpedo Using Rocket Depth Charges[J]. Systems Engineering-theory & Practice, 2004 (4): 137- 140.

Operational Model for Intercepting Uncertain Type of Torpedo with Hovering Depth Charge

YAO Feng-liang1, JIA Yue2, DING Bei1

(1. No.1 Graduate Team, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2.Department of Underwater Weaponry and Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

How to use hovering depth charge to intercept torpedo is one of the main problems in surface ship torpedo defense. Fuzzy mathematics knowledge is used in this paper for dividing a torpedo warning distance into near, middle, and far fields to establish torpedo warning distance functions and estimate torpedo course and speed. Hence, an operational model for surface ship to intercept uncertain type of torpedo with hovering depth charge is constructed. Simulation via the Monte-Carlo method is performed, and the result shows that intercepting uncertain type of torpedo with hovering depth chargeis the most available measure, which can achieve the purpose of completely damaging the torpedo and ensuring the safety of surface ship.

torpedo; hovering depth charge; intercepting strategy; surface ship torpedo defense; operational model; fuzzy; simulation

TJ630; TJ650.1

A

1673-1948(2011)01-0063-05

2010-01-06;

2010-01-25.

姚奉亮(1986-), 男, 在读硕士, 主要从事兵种战术、反潜武器作战运用等方面的研究.

(责任编辑: 陈 曦)