潜艇机动性能对使用干扰器规避主动声自导鱼雷对抗效果的影响分析

杨真勇, 郑 援, 吕海平



潜艇机动性能对使用干扰器规避主动声自导鱼雷对抗效果的影响分析

杨真勇, 郑 援, 吕海平

(海军潜艇学院 水声中心, 山东 青岛, 266071)

潜艇的鱼雷防御性能主要包括潜艇的水声对抗性能和其自身性能。潜艇规避鱼雷时, 针对潜艇自身机动性能对潜艇生存概率的影响问题, 建立了仿真所需要的鱼雷声学模型和实体机动模型, 构建了干扰器作用下的鱼雷发现距离模型。通过仿真得到了不同最大航速、不同加速性能时潜艇的生存概率, 分析了潜艇机动性能对潜艇生存概率的影响, 结论是潜艇的机动性能对潜艇防御鱼雷有着一定的影响, 可以通过提高潜艇自身机动性能来提高潜艇防御鱼雷的能力。

声自导鱼雷; 潜艇; 干扰器; 水声对抗; 机动性能

0 引言

潜艇的机动性能是潜艇性能的重要指标, 潜艇的机动规避也是一种比较好的对抗鱼雷方式。潜艇使用噪声干扰器对抗主动声自导鱼雷的目的是以压制方式降低鱼雷自导作用距离, 为潜艇走出鱼雷自导搜索扇面争取时间。若潜艇具有较高的机动性能同样能够以较短的时间拉大垂距、摆脱鱼雷跟踪。前人在使用干扰器对抗鱼雷效果方面的仿真研究已经很多, 但考虑潜艇自身机动性能对对抗效果影响的较少。本文主要考虑潜艇机动因素, 仿真分析潜艇机动性能对规避主动声自导鱼雷效果的影响。

1 潜艇机动模型

潜艇机动模型主要包括直航模型[1]、转向模型[2]和加速模型[3], 文章采用3D坐标进行仿真实现, 机动模型如下。

1.1 直线运动模型

1.2 旋回运动模型

1.3 加速运动模型

计算出变速过程中每一时间点的航速值后, 代入式(1), 可递推求得潜艇在变速过程中的位置坐标。

2 鱼雷相关模型

2.1 鱼雷航行自噪声

美国MK46鱼雷航速45 kn时的航行自噪声可以用下式计算[2]

2.2 鱼雷主动声自导探测模型

噪声干扰器在鱼雷处的干扰噪声级为

当噪声干扰器没有工作或处于鱼雷自导接收扇面之外时, 鱼雷的干扰噪声来自海洋环境噪声和鱼雷航行自噪声, 此时鱼雷的干扰噪声级为

当干扰器工作且处于鱼雷自导接收扇面之内时, 鱼雷的干扰噪声来自海洋环境噪声、鱼雷航行自噪声和噪声干扰器在鱼雷处的干扰噪声, 此时鱼雷的干扰噪声级为[4]

根据主动声纳方程, 有

式(8)等价于

2.3 鱼雷弹道模型

在没有发现目标时, 鱼雷按蛇行搜索弹道进行搜索机动, 如果始终未发现目标, 则鱼雷航行至航程耗尽为止。

发现目标后, 鱼雷对潜艇进行跟踪, 直至命中目标。若鱼雷尾追丢失目标, 鱼雷就会进入环形再搜索弹道。

鱼雷进入环形再搜索弹道后, 若能发现目标, 鱼雷就进入尾追弹道; 若不能发现目标, 鱼雷以环形搜索弹道航行至航程耗尽为止。

3 其他声学模型

3.1 潜艇的目标强度

目标反射强度与目标的几何形状密切相关, 对于舰艇目标来说, 目标反射强度还随声波入射角变化而变化, 呈“蝴蝶形”分布[5]。

目标反射强度可以采用蝴蝶形分布曲线近似表示

3.2 传播损失

传播损失采用扩展加吸收损失进行估算[6]。

3.3 海洋环境噪声

海洋环境噪声级通常由实测数据确定, 仿真时可借助某些经验模型进行测算。对于浅海, 采用如下计算噪声谱级的公式[7]

式中:为频率;为海况等级(=0,1,2, …, 9)。

4 仿真流程

潜艇机动性能主要包括最高航速、加速性能、潜浮性能等, 本文以潜艇最高航速和加速性能对防御鱼雷效果带来的影响进行仿真。通过设定不同最大航速和机动系数, 仿真统计不同情况下潜艇成功规避鱼雷攻击的次数, 再与仿真次数相比, 得到潜艇生存概率, 仿真流程图见图1。

5 仿真结果与分析

设定海况3级, 潜艇航向0°, 初始航速6 kn, 潜艇鱼雷相对深度40 m, 鱼雷报警舷角0~150°, 距离10~40 Cab,鱼雷初始搜索航向为有利提前角航向。设鱼雷航速45 kn, 最大航程9 000 m, 搜索目标时蛇行机动, 可在1 400 m处发现8 dB目标反射回波, 水平自导扇面宽度为40°(不包含鱼雷蛇形扇面), 垂直自导扇面宽度为30°。噪声干扰器声源级155 dB; 假设仿真开始干扰器已经生效, 潜艇背雷转向进行规避。

图1 仿真流程图

5.1 潜艇最佳规避方案选取

通过仿真固定参数下不同潜艇规避航向所产生的潜艇最大生存概率, 得出潜艇最佳规避航向。在后续分析潜艇机动因素的影响时, 采用最佳规避方案进行仿真。

设定潜艇机动系数70, 最大航速20 kn, 鱼雷按有利提前角进行射击[2]。

潜艇以与鱼雷航向加固定角度的航向进行规避, 即

图2为鱼雷报警舷角120°, 距离21Cab,=+50°时的典型态势。

图2 典型态势图

鱼雷报警时潜艇在组织水声对抗的同时, 应当立即加速, 进行转向变深机动。在使用干扰器对抗鱼雷时, 潜艇应当在干扰器的有效作用时间内, 充分利用自身的机动性拉大垂距, 走出声自导鱼雷的自导捕捉扇面。

图2为程序仿真一次典型态势图, 潜艇发射干扰器后, 先进行转向规避, 以减小声波反射面积; 然后以3°下潜角紧急下潜, 迅速走出鱼雷搜索扇面。鱼雷在段未发现目标, 以蛇形弹道进行搜索; 鱼雷在点时发现目标,段进入尾追弹道; 鱼雷在点时丢失目标, 进入环形搜索弹道; 鱼雷环形在搜索发现目标后, 再次进入尾追弹道, 最后在点命中潜艇。

在典型态势参数下, 以不同的潜艇规避航向进行仿真, 仿真结果如图3所示。

图3 方案选取概率

通过图3可以看出, 潜艇规避航向采用+ 30°成功概率最大。在后续仿真分析潜艇最大航速和加速性能对水声对抗效果的影响时, 潜艇采用该方案进行规避机动。

5.2 潜艇最大航速对水声对抗效果的影响

潜艇最高航速是潜艇机动能力的重要体现, 高航速潜艇在规避鱼雷时具有较大的优势, 可以较容易降低鱼雷自导装置捕捉概率或使鱼雷航程耗尽。本次仿真设定潜艇机动系数为70, 最大航速分别是15 kn, 20 kn, 25 kn。仿真结果如图4所示。

图4 潜艇最大航速概率

通过图4可以看出, 最大航速从15 kn变化到25 kn时, 潜艇成功规避鱼雷概率有了逐步的提高, 特别是报警舷角在130°~150°之间时, 潜艇声波反射面积较小, 鱼雷声自导作用距离较近, 为潜艇规避鱼雷争取了更多时间, 有助于潜艇成功规避鱼雷。潜艇最大航速越大越有利于潜艇在较短的时间内与鱼雷拉大垂距, 可以有效降低鱼雷自导装置的捕捉概率, 即便鱼雷能够以较大的距离、较小的速度差捕捉目标, 但其航程也难以满足命中目标, 因此, 潜艇的最大航速对潜艇防御鱼雷效果有着重要的影响。

5.3 潜艇加速性能对水声对抗效果的影响

潜艇加速性能也是潜艇机动性的重要指标, 高加速性能可以让潜艇更好地利用最大航速优势, 能够在更短的时间内以最大航速机动规避。本次仿真设定潜艇最大航速25 kn, 机动系数分别是50, 70, 90。仿真结果如图5所示。

图5 潜艇加速性能概率

仿真模型中机动系数越小, 潜艇的加速性能越好。从图5可以看出, 潜艇的加速性能越好, 潜艇规避鱼雷成功概率越高, 尤其是报警舷角在110°~150°时, 潜艇声波反射面积较小, 潜艇生存概率变化更为明显。加速性能好的潜艇可以在较短时间内加速到最大航速, 使潜艇能够更好地利用高航速优势规避鱼雷。相反, 若加速性能不好, 即使最大航速再高, 对于近距鱼雷报警时, 潜艇也很难以最大航速规避鱼雷。因此, 潜艇加速性能对潜艇防御有着一定的影响, 是提高潜艇防御鱼雷能力不能忽视的指标。

6 结束语

潜艇的机动性能对潜艇防御有着一定的影响, 要提高潜艇防御声自导鱼雷的能力, 不仅可以通过提高水声对抗器材的性能来实现, 还可以通过增强潜艇自身机动性能来达到这一目的。高机动性潜艇在对抗鱼雷过程中有很多优势, 在对抗方案选择上就会有更多的灵活性, 有着更高的防御能力。

[1] 周智超, 刘永辉. 水面舰艇防潜作战模拟训练的计算机仿真研究[J]. 计算机仿真, 2002. 19(3): 1-4. Zhou Zhi-chao, Liu Yong-hui. Research of Computer Simula- tion on Surface Ship Anti-Submarine Defence Imitative Training[J]. Computer Simulation, 2002, 19(3): 1-4.

[3] 陈建华. 舰艇作战模拟理论与实践[M]. 国防工业出版社, 2002.

[4] 胡言峰. 潜艇噪声干扰器对抗主动声自导鱼雷效能仿真分析[J]. 鱼雷技术, 2007, 15(5): 55-57.Hu Yan- feng. Simulation Analysis of Countermeasure Effect of Noise Jammer in Submarine on Active Acoustic Homing Torpedo [J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 55-57.

[5] 陆铭华. 舰艇作战模拟理论与方法[M]. 北京: 海洋出版社, 2000.

[6] Waite A D. 实用声纳技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[7] 刘孟庵, 连立民. 水声工程[M]. 杭州: 浙江科学技术出版社, 2002.

Effects of Submarine′s Maneuverability onEvading Active Acoustic Homing Torpedo with Jammer

YANG Zhen-yong, ZHENG Yuan, LÜ Hai-ping

(Underwater Acoustic Research Center, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

Aiming at the effects of submarine′s maneuverability on its survival probability while evading torpedo，acoustic model of an active homing torpedo and maneuver model of entity are established. And a detection range model of torpedo is also built up when the acoustic jammer is working. The survival probabilities of submarine under different maximum speed and acceleration capability are gained through simulation. The effects of submarine′s different maneuverability on its survival probability are analyzed. The conclusion is drawn that the submarine′s anti-torpedo defense capability can be enhanced via improving maneuverability of submarine.

acoustic homing torpedo; submarine; jammer; acoustic countermeasure; maneuverability

TJ630; TN972

A

1673-1948(2011)02-0129-05

2010-05-11;

2010-06-07.

杨真勇(1986-), 男, 山东临沂人, 硕士, 主要研究方向为水声对抗仿真.

(责任编辑: 许 妍)