火箭助飞式声干扰器和悬浮式深弹协同对抗线导鱼雷建模与仿真

姚奉亮, 贾 跃, 丁 贝



火箭助飞式声干扰器和悬浮式深弹协同对抗线导鱼雷建模与仿真

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)

首次提出了使用火箭助飞式声干扰器和悬浮式深弹组合协同防御潜射线导鱼雷战术, 根据线导鱼雷射击原理, 仿真估算了导引艇的舷角, 建立了单枚火箭助飞式声干扰器和悬浮式深弹这一软硬反鱼雷武器组合协同防御潜射线导鱼雷的数学模型, 利用运筹学中的优化方法确定了两型武器的布放策略及舰艇的规避航向, 并对使用软硬武器协同对抗与单一软对抗的对抗成功概率进行了仿真比较, 结果表明, 使用软硬武器协同对抗效果显著, 较单一使用软对抗线导鱼雷的成功概率提高了20%~36%。

线导鱼雷; 火箭助飞式声干扰器; 悬浮式深弹; 对抗策略; 协同防御

0 引言

随着鱼雷技术的不断发展, 大型水面舰艇受到来自鱼雷的威胁日趋严重。为了提高水面舰艇的生存能力, 各国海军都努力发展软硬结合的多层鱼雷防御系统。水面舰艇对鱼雷的防御主要有“软杀伤”和“硬杀伤”两种方式。软杀伤的工作机理可以分为两大类: 一类为背景噪声干扰, 另一类为信号干扰。使用背景噪声干扰主要是压制和降低声纳以及鱼雷对目标的检测性能, 主要装备有噪声干扰器、气幕弹等; 使用信号干扰主要是以模拟目标信号形式诱骗鱼雷自导系统和声纳系统, 降低其检测到真实目标的概率, 使其产生误判而误跟踪假目标, 主要装备有拖曳式声诱饵和火箭助飞式声诱饵。“硬杀伤”的工作机理是直接毁伤鱼雷, 将其引爆或使其制导系统不能正常工作, 失去攻击能力, 主要装备有: 悬浮式深弹和反鱼雷鱼雷等[1-2]。

对抗线导鱼雷最有效的软杀伤武器是火箭助飞噪声干扰, 而从鱼雷防御效果看, 仅靠单一的软杀伤对抗鱼雷是远远不够的, 必须使用硬杀伤武器彻底毁伤鱼雷才能达到毁伤效果。所以本文提出布放火箭助飞式噪声干扰器及悬浮式深弹这一软硬杀伤组合对抗来袭线导鱼雷来弥补其各自单方面的不足。

1 导引艇舷角估计

噪声干扰器在发射入水后开始工作, 形成一个低频噪声源对潜艇声纳构成一个压制干扰扇面, 当舰艇在此压制干扰扇面内运动时, 干扰器就能对潜艇声纳进行有效干扰, 达到保护舰艇的目的。首先确定敌潜艇的概略方位, 将噪声干扰器布放于舰艇与潜艇的方位线上。水面舰艇发现线导鱼雷报警时, 仅能给出鱼雷方位信息, 无法测定导引艇的舷角。因此根据线导鱼雷射击原理, 估算导引艇的舷角。

下面通过仿真计算: 假设水面舰艇航向90°, 舰艇航速18 kn; 敌潜艇航向60°~90°, 间隔5°取值, 航速8 kn; 鱼雷航速55 kn, 最大航程20 000 m; 敌潜艇发射鱼雷时, 敌舷角-60°~-120°, 间隔10°取值, 潜艇初始距离10 000 m。每种态势下计算1 000次, 取平均值, 如表1所示。

图1 软硬武器对抗线导鱼雷示意图

表1 鱼雷报警距离为6 000时的a值

在潜艇位置未知的情况下, 根据现在方位导引法模拟的结果可知:值不定, 但大小变化不大。可以使用固定角度作为参考估算潜艇舷角。估算潜艇舷角为

式中,Q为鱼雷报警方位,=sgn(Q)。

2 鱼雷运动参数估计

悬浮式深弹是通过布放到鱼雷可能的航迹线上, 待鱼雷通过时从而毁伤鱼雷, 鱼雷目标状态参数预估的是否准确对拦截效果有很大的影响。鱼雷不同的报警距离, 决定了鱼雷对舰艇威胁程度的高低, 鱼雷不同的射击原理(或导引方法)决定了鱼雷不同的攻击航向和航速, 而这些都对决定悬浮式拦截弹所应采用的布阵方案至关重要。鱼雷目标状态参数包括鱼雷距离参数和鱼雷运动参数。

对鱼雷报警距离的估计, 假设根据声纳性能、水文条件等多种因素预估鱼雷的报警距离为D; 对鱼雷运动参数的估计, 通过分析线导雷所采用的射击原理(或导引方法), 可估计鱼雷的概略航向

式中:C为鱼雷航向;Q为鱼雷报警舷角;为鱼雷射击的有利提前角;V为舰艇航速;V为鱼雷航速, 并根据目前国外现役线导鱼雷的航速给出一个预估值。

3 对抗模型

3.1 使用火箭助飞式噪声干扰器与悬浮式深弹对抗线导+声自导鱼雷

如图1所示, 建立以0为原点, 正北为轴, 正东为轴的直角坐标系, 假设我舰以C航向航行, 在0时刻舰艇位于0, 图中0,1,2和0,1,2分别为时刻0,1,2时舰艇和潜艇的位置。假设舰艇在0点鱼雷报警, 并判定来袭的是线导鱼雷, 此时舰艇应立即组织使用声干扰器和悬浮式深弹对敌进行层层对抗。经过t系统反应时间, 当舰艇航行至W点布放火箭助飞式噪声干扰器于点, 在舰艇和鱼雷的方位线上垂直布放悬浮式深弹阵于12。此时, 舰艇在确认噪声干扰器水下工作之前一般不进行规避机动, 以免潜艇了解我舰机动情况。当干扰器开始工作形成强噪声场, 导致敌潜艇搜索声纳丢失目标, 不能准确确定舰艇方位信息, 潜艇将切断导线(这里假设线导雷立即切断线导控制, 忽略敌潜艇切断线导导引的系统反应时间), 此时我舰开始转向规避, 鱼雷转入声自导状态, 可能跟踪舰艇, 待鱼雷航行至悬浮式深弹引信起爆范围之内时, 悬浮式深弹起爆毁伤鱼雷, 从而保证我舰安全。

3.2 使用火箭助飞式噪声干扰器与悬浮式深弹对抗线导鱼雷对抗模型

火箭助飞式噪声干扰器是无动力的有源水声软对抗武器, 它一旦工作会立即被被动声纳发现, 并且噪声干扰器所在位置一般也就是施放平台所在地, 所以一旦使用不当, 不仅会影响干扰效果, 甚至可能暴露自己的位置。此外其只能对潜艇声纳进行干扰, 而线导鱼雷在导引平台受到干扰后, 鱼雷声自导装置将立即接替线导工作, 由末段声自导装置控制鱼雷搜索、追踪直到命中目标, 舰艇仍然遭受严重的威胁。悬浮式深弹是硬杀伤武器, 是舰艇防御鱼雷的最后一层防护网,能够达到彻底毁伤鱼雷且解除鱼雷威胁的目的, 所以在对抗过程中, 应先布放远程火箭助飞式噪声干扰器在悬浮式深弹阵的前方干扰敌潜艇声纳正常工作, 而后再布放悬浮式深弹阵, 拦截并毁伤鱼雷, 达到干扰并拦截的双重对抗效果, 这样能有效地提高对抗成功概率, 从而提高舰艇的生存概率。

3.2.1 布放噪声干扰器射击参数计算模型

当鱼雷报警声纳报警时, 鱼雷一般还处于线导阶段, 舰艇应立即组织发射噪声干扰器。如图1所示, 若水面舰艇在0点鱼雷报警后, 经过系统反应时间t, 舰艇在W点发射噪声干扰器, 经过干扰器的空中飞行时间和入水后的开始工作延迟时间t, 舰艇继续航行至W点时, 声干扰器开始工作, 估算潜艇方位信息, 使其正好位于舰艇与潜艇目标之间, 且距离目标距离最近。

鱼雷报警时鱼雷位置点0和舰艇航行至W时鱼雷期望导引到的位置点L的坐标分别由式(4)和式(5)确定

则t时刻, 鱼雷方位Q由下式确定

由式(2)可计算出潜艇方位为B=Q-,=sgn(Q)。

声干扰器落点(x,y)坐标由下式确定

式中,max为干扰器最大发射距离, (x,y)为发射声干扰器时舰艇位置点W坐标, 则W点坐标分别由下式确定

根据坐标以及W,W点坐标, 可以确定发射声干扰器的射击参数(Q,D), 其中D为发射距离, 一般取噪声干扰器最大发射距离max;Q为发射舷角, 由下式确定

3.2.2 舰艇发射悬浮式深弹参数计算模型

t时刻, 布放的悬浮式深弹于舰艇的位置点W和鱼雷位置点L的连线上, 形成一拦截线12, 中点在d与d的连线上, 并以中点作为布阵基准点, 其发射舷角即由式(6)确定的鱼雷的方位Q, 发射距离取最大发射距离。

4 仿真结果与分析

4.1 仿真条件

1) 舰艇

舰艇航行初速18 kn, 航向90°, 决策反应时间为30 s, 若舰艇进行机动规避, 则舰艇操纵反应时间为5 s, 规避机动航速30 kn, 舰艇规避角速度3°/s, 旋回半径450 m, 潜舰估计距离为10 000 m。

2) 鱼雷

3) 悬浮式深弹

4) 火箭助飞式噪声干扰器

4.2 噪声干扰器和悬浮式深弹发射参数

使用上述模型计算干扰器和悬浮式深弹的布放舷角如表2所示。

表2 软硬武器布放参数表

表2为舰艇布放噪声干扰器和悬浮式深弹的布放舷角参数表。分析表格数据可以得出以下结论:

1) 表2为舰艇右舷鱼雷报警时布放噪声干扰器和悬浮式深弹的发射参数表, 由对称性原理可推, 参数表同样适用于舰艇左舷鱼雷报警时对抗武器发射参数的确定;

2) 干扰器布放舷角提前于鱼雷报警舷角2°~26°, 鱼雷报警舷角越大, 干扰器布放提前角越小;

4.3 对抗成功概率比较

图2为舰艇单独使用噪声干扰器对抗和使用噪声干扰器组合悬浮式深弹协同对抗鱼雷成功概率。分析图2可以看出, 舰艇单独使用噪声干扰器对抗成功概率为20%~40%, 使用噪声干扰器组合悬浮式深弹协同对抗鱼雷成功概率为42.6%~ 76.6%, 大大提高了对抗成功概率, 效果明显。

图2 舰艇对抗鱼雷成功概率

5 结束语

综上所述, 水面舰艇使用火箭助飞式干扰器和悬浮式深弹协同对抗来袭线导+声自导鱼雷, 软硬兼施, 层层对抗, 较单一使用噪声干扰器对抗效果显著。这个结论对舰载反鱼雷武器协同使用多层次对抗来袭鱼雷有一定的参考价值。

[1] 徐海刚, 林平, 许友国. 舰用水声对抗系统对抗线导鱼雷战术运用分析[J]. 指挥控制与仿真, 2006. 28(5): 51-55. Xu Hai-gang, Lin Ping, Xu You-guo. Tactical Application of Vessel Hydro-Acoustic Countermeasure System Against Line Guided Torpedoes[J]. Command Control & Simulation, 2006, 28(5): 51-55.

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Modeling and Simulation of Cooperative Defense Against Wire-guided Torpedo with Rocket Assisted Noise-jammer and Hovering Depth Charge

YAO Feng-liang1, JIA Yue2, DING Bei1

(1. Postgraduate Team 1, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. Department of Underwater Weapon and Chemical defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

We propose a torpedo defense tactic for a vessel cooperative defense against wire-guided torpedo with a rocket assisted noise-jammer and a hovering depth charge, named hard-kill and soft-kill anti-torpedo weapons. We simulate the board angle of guided submarine based on firing principle of wire-guided torpedo, establish a model of cooperative defense against submarine-launched wire-guided torpedo using a single rocket-assisted noise-jammer and a hovering depth charge, determine the deploying strategy of hard-kill and soft-kill anti-torpedo weapons and evading course of surface ship through the optimization method in operational research, and compare the success probabilities of the cooperative defense with hard-kill and soft-kill anti-torpedo weapons and the defense with single rocket-assisted noise-jammer via simulations. The results show that the proposed tactic can increase success probability by 20% ~36% compared with only using a rocket assisted noise-jammer.

wire-guided torpedo; rocket assisted noise-jammer; hovering depth charge; countermeasure strategy; cooperative defense

TJ631.4; TJ650.1

A

1673-1948(2011)04-0307-05

2010-03-17;

2010-04-27.

姚奉亮(1986-), 男, 硕士, 主要研究方向为兵种战术、反潜武器作战运用等.

(责任编辑: 许 妍)