不同导引方式下影响潜载鱼雷命中概率的主要因素

曹庆刚, 田恒斗, 杨绪 , 房 毅



不同导引方式下影响潜载鱼雷命中概率的主要因素

曹庆刚, 田恒斗, 杨绪 , 房 毅

(中国人民解放军91439部队, 辽宁 大连, 116041)

鱼雷命中概率是潜艇鱼雷武器试验中的一项重要指标, 其精度直接反映了鱼雷武器的攻击精度和作战效果。从鱼雷命中概率计算的基础理论入手, 通过对不同导引方式下鱼雷数学导引模型的仿真计算, 分析得出不同导引方式下影响鱼雷命中概率的主要因素, 为潜艇鱼雷武器试验提供了一定理论依据。

鱼雷; 导引方式; 命中概率

0 引言

鱼雷命中概率是反映鱼雷作战能力最重要的战技指标, 不仅与鱼雷其他的主要战技性能指标有关, 而且与导引方法、攻击对象、发射平台、系统性能及作战环境的水文条件等多方面因素密切关联。

在潜艇作战系统试验数据处理过程中, 通常用2种方法进行命中概率计算, 一种叫解析法, 另一种叫模拟法, 也称蒙特卡洛法[1]。要得到鱼雷真实的命中概率是不合实际的, 一方面需要大量的样本统计, 另一方面各种试验条件和方法都难于实施。通常的方法是在精度试验的前提下, 获得大量的统计数据, 应用解析法和统计模拟法进行仿真计算。对尾流自导和线导鱼雷来说, 一般采用模拟法能够较真实地反映鱼雷的攻击效果, 而对声自导鱼雷来说, 因其弹道的特殊性, 可采用解析法和模拟法相结合的形式进行仿真计算。

由于潜艇试验的项目繁多, 试验组织复杂, 必须事先对影响鱼雷命中概率的主要因素有清楚的了解, 才能通过有针对性的试验方法和试验实施方案, 达到提高鱼雷命中概率的目的。

1 计算过程的理论依据

1.1 射击误差及其散布

通常射击误差及散布包含2方面内容[1]: 一是鱼雷航行误差及鱼雷散布; 二是目标运动要素误差及目标散布。散布是由各种误差引起的, 任何射击都不可避免地会产生误差。产生误差的原因很多, 如方法误差、设备误差、环境误差和人员误差等。

由各种误差综合作用的结果, 控制的鱼雷航行弹道和测量计算目标运动参数与实际不相符, 使鱼雷命中点偏离目标点, 这种现象称为鱼雷散布和目标散布。鱼雷射击中把散布中心相对目标中心的偏差称为射击诸元误差, 常用正态分布描述散布的分布规律。

1.2 正态分布

在本计算方法研究过程中, 采用许多计算语言中都有标准正态分布随机数的产生程序或函数来模拟正态分布。

1.3 误差合成

1) 随机误差合成

2) 系统误差合成

2 影响鱼雷命中概率的主要因素

鱼雷攻击中主要有以下几种导引方法[2]: 声自导导引、尾流自导导引和线导导引。其中也可以2种导引方式同时使用。根据上述几种基础理论和鱼雷的导引原理, 建立了针对不同导引方式的鱼雷导引模型, 由于导引模型的公式比较繁杂, 这里不一一列举。本文通过大量的建模和仿真计算, 分析得出影响不同导引方式下鱼雷命中概率的主要因素。

由于鱼雷命中概率实际上是鱼雷捕获概率和鱼雷追踪概率等概率迭加起来的复合概率, 因弹道的复杂性和其他不确定因素, 建模比较困难, 这里只讨论鱼雷的捕获概率, 下文中命中概率均泛指捕获概率。

2.1 影响声自导鱼雷命中概率的主要因素

声自导鱼雷命中概率计算中, 针对鱼雷不同的自导作用距离、速度、速度误差、航向误差和目标速度、舷角、距离及其有关误差, 分别用解析法和统计模拟法2种模型[3]共约4 000多个不同的组合姿态计算了声自导鱼雷的命中概率。为具体确定命中概率和某一具体参数的关系, 每次模拟仅变化其中一个参数。通过仿真计算得到以下结论。

1) 鱼雷自导作用距离对命中概率的影响

图1 自导作用距离、目标舷角与命中概率的关系

Fig. 1 Relationship among homing range, target board angle and hit probability

2) 鱼雷自导扇面角对命中概率的影响

图2 自导扇面角与命中概率的关系

3) 鱼雷速度对命中概率的影响

图3 雷速与命中概率的关系

4) 鱼雷方向概率误差对命中概率的影响

图3中曲线3和曲线4分别为鱼雷航向误差和4°及瞄准误差1°时的命中概率曲线, 曲线1和曲线2分别为将鱼雷航向误差和瞄准误差分别增大到10°和4°时的命中概率曲线, 结果表明, 随着这些误差的增大, 鱼雷命中概率会降低。

5) 目标舷角对命中概率的影响

目标舷角对鱼雷命中概率有显著影响, 图1结果表明: 小舷角比大舷角更易命中目标, 且差别明显。这充分说明占领有利射击阵位的重要性。

6) 目标速度对命中概率的影响

目标速度对鱼雷命中概率的影响也和鱼雷速度对其命中概率类似, 同一种速度在不同的舷角状态下, 对应着不同的鱼雷命中概率, 如图4所示, 但总体趋势是目标速度越大, 鱼雷命中概率越小, 越是容易躲避攻击。

图4 目标速度对鱼雷命中概率的影响

7) 目标机动半径对命中概率的影响

如图5所示, 鱼雷对目标的命中概率随着目标机动半径的增加而增加。这是因为, 目标机动半径越大, 机动性越差, 离理论的目标和鱼雷相遇点越近, 也就越难逃逸。这一结果同时也表明, 不管是鱼雷还是舰艇, 具有越小的机动半径, 自身运动也就越灵活。

图5 目标机动半径对命中概率的影响

8) 目标机动距离对命中概率的影响

如图6所示, 目标机动距离越远, 即越早发现鱼雷对自己的跟踪或攻击, 并采取有利于自己的方向机动, 遭到鱼雷命中的机率就越小。

9) 目标机动距离对鱼雷命中概率的影响

仿真结果证明, 随着目标距离的增大, 鱼雷命中概率随之下降, 只是下降幅度与距离的不同有所不同。同时, 目标距离对鱼雷命中概率的影响与目标舷角、速度存在较大关系: 目标舷角较小, 速度适中的情况下, 在较远距离上鱼雷也可以有很高的命中概率; 在目标舷角较大, 速度也较大的情况下, 只有很近距离上鱼雷才有较高的命中概率, 一旦越过距离临界值, 命中概率很快趋于零。

图6 目标机动距离对鱼雷命中概率的影响

通过上述分析, 对声自导鱼雷可以得出以下结论。

a. 对鱼雷来说自导作用距离和自导扇面角是影响声自导鱼雷命中概率的主要因素, 另外还应考虑鱼雷速度和方向概率误差的影响。

b. 对目标来说, 目标的方位角是影响声自导鱼雷命中概率的主要因素, 同时目标的速度、目标机动距离和目标机动半径对命中概率也有一定的影响。

c. 在目标舷角较大、速度较大的情况下, 要注意目标距离存在的某一临界值, 如果距离超过这一临界值, 很有可能造成命中概率为零的状况。

2.2 影响线导鱼雷命中概率的主要因素

线导鱼雷命中概率计算一般采用现在方位导引法和前置点导引法2种方式[4]。前置点导引法又可以细分为前置点重心导引法和前置点形心导引法。假设1组航路参数, 只改变1组相应的值, 通过对2种导引方式的仿真, 得到以下结论。

1) 仿真次数对命中概率的影响

从表1中可以看出, 随着仿真次数的增加, 发现概率在一定值附近波动, 且幅度很小。即符合统计学原理, 随着试验次数(仿真次数)的增加并趋于无穷大, 事件出现的频率(命中概率)呈小幅波动并趋于概率真值。

表1 仿真次数对命中概率的影响

2) 射距对命中概率的影响分析

从表2中可以看出, 随着射距的增大, 发现概率不断减小。

3) 自导作用距离和自导扇面角对命中概率的影响分析

4) 各项均方差对鱼雷命中概率的影响分析

表2 射距对命中概率的影响

表3 自导作用距离和自导扇面角对命中概率的影响

通过上述分析, 对线导鱼雷命中概率可以得出以下结论。

a. 线导鱼雷的导引效果(命中概率)主要依赖系统的探测精度, 特别是被动声纳测向精度, 试验中应引起足够重视。

b. 鱼雷本身性能对命中概率影响不大, 模拟运算时可当作常数处理。

c. 线导鱼雷可以适应更远的射距, 试验中可适当选取我艇与目标距离较远的航路。

表4 各项均方差对命中概率的影响

2.3 影响尾流自导鱼雷命中概率的主要因素

在尾流自导鱼雷命中概率的计算中, 利用统计模拟法进行解算。在给定航路参数的基础上, 针对不同的尾流自导作用距离、鱼雷进入目标尾流的角度、鱼雷追击速度等关键参数, 进行了尾流自导鱼雷命中概率计算, 通过仿真可以得到以下结论。

1) 鱼雷进入尾流的各种攻击态势对命中概率的影响

鱼雷进入尾流的各种攻击态势由鱼雷进入尾流的距离及不同角度组合而成。尾流自导鱼雷攻击面很窄, 易于被拦截[5], 为确保鱼雷发现并稳定跟踪目标尾流, 并尽可能节省鱼雷的追踪航程, 应控制鱼雷在一定的距离上, 以一定的角度进入尾流, 从而提高射击命中概率。

对于不同的进入距离, 有几个典型的分段, 即: 进入舰船下方、进入舰船尾部尾流的非稳定段、进入与尾流非稳定段相邻的尾流稳定段、进入尾流中部的尾流段及进入尾流后部的消失段。如果鱼雷进入尾流或尾流后部的消失段, 都可能造成鱼雷检测不到目标尾流, 从而丢失目标。因此, 进入距离最好选择在尾流的中部区域。一般来说, 将选目标尾流的中点进入。

对于不同的进入角度, 有3种典型情况, 即以迎击状态进入尾流、以垂直状态进入尾流、以尾追状态进入尾流。通过仿真发现, 要确保鱼雷的攻击命中概率, 应选择相对大的进入角进入尾流, 一般为30°~150°。

2) 鱼雷追击速度对命中概率的影响

对30 kn左右的目标舰船, 如果追击速度过小, 即使鱼雷进入目标尾流, 也追不到目标。通过仿真计算发现, 当鱼雷的追击速度大于45 kn时, 如果不附加误差, 命中概率就是1, 而如果鱼雷的追击速度设为小于45 kn时, 计算出来的概率会发生随机变化, 在许多速度下, 命中概率都是零, 这跟理论上计算的速度值基本吻合。

3) 鱼雷射击方法对命中概率的影响

尾流自导鱼雷的射击方式一般是用于攻击8~30 kn的水面目标舰船的, 主要发射方式有以下几种: 两雷平行航向齐射、鱼雷带角射击、鱼雷2次转角射击及指控系统故障时的尾流自导射击[6]。其中两雷平行航向齐射是最常用的也是命中概率最高的射击方式。而鱼雷带角射击则是用于命中角过大或过小的情况下, 为了保证命中概率而采取的发射方式, 但这种发射方式对目标运动要素的精度要求较高, 实际中应尽量少用。单雷2 次转角射击同两雷平行齐射方式相比命中概率较低, 但在某些特定的情况下(如限制装雷数), 如果尾流命中角较为理想, 仍可以采用。指控系统故障情况下的尾流自导射击, 是在指控系统故障, 不能进行其他方式发射时, 通过手动查表来获得射击参数的一种射击方法, 但这种射击方法的命中概率也不高。

通过上述分析, 对尾流自导鱼雷可以得出以下结论。

a. 鱼雷进入尾流的距离和进入尾流的角度是影响尾流自导鱼雷命中概率的主要因素之一。如果进入尾流的距离较大或进入尾流的角度超过30°~150°的范围, 命中概率将受到很大的影响。

b. 鱼雷追击速度是影响尾流自导鱼雷命中概率的另一主要因素。仿真结果表明, 如果鱼雷速度小于45 kn, 则命中概率将极低。

c. 鱼雷射击方法对命中概率也有一定的影响。通过对几种射击方法比较, 双雷平行齐射的射击方法, 是命中概率最高的射击方法。

3 结束语

鱼雷命中概率是潜艇鱼雷武器试验中的一项重要指标。本文所阐述的观点, 是基于对通用仿真模型进行计算基础上得出的结论, 在数学模型上同试验中所用的数学模型可能有些出入, 但对主要因素的判断应该是符合实际情况的。试验中应该重点研究这些主要因素对命中概率的影响, 在试验的组织指挥和实施方法上做出相应的决策和判断。

[1] 孟庆玉, 张静远, 宋保维. 鱼雷作战效能分析[M]. 国防工业出版社, 2003.

[2] 张宇文. 鱼雷弹道与弹道设计[M]. 西北工业大学出版社, 1999.

[3] 杨绪升, 刘建兵, 周庆飞. 声自导鱼雷射击诸元及误差对其捕获概率的影响[J]. 指挥控制与仿真, 2009, 31 (5): 93-97. Yang Xu-sheng, Liu Jian-bin, Zhou Qing-fei. Effect on Acoustic Homing Torpedo Capture Probability of Fire Elements and Errors[J]. Command Control& Simulation, 2009, 31(5): 93-97.

[4] 杨大伟, 张培培. 线导鱼雷导引方法综述[J]. 舰船科学技术, 2010, 32(10): 140-143.Yang Da-wei, Zhang Pei-pei. Guidance Methods for the Wire-guidance Torpedo[J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(10): 140-143.

[5] 梁国龙, 惠俊英, 冀邦杰, 等. 关于鱼雷自导技术发展的几点思考[J]. 鱼雷技术, 1999, 7(2): 10-13.

[6] SanfordM J. Ship Wake Signature Suppressor: US, 5787048 A[P]. 1998-07-28.

(责任编辑: 许 妍)

Main Factors Influencing Submarine-Borne Torpedo Hit Probability in Different Guidance Modes

CAO Qing-gangTIAN Heng-douYANG Xu-shengFANG Yi

(91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116041,China)

As an important index in submarine-borne torpedo weapon test, hit probability directly reflects the attack accuracy and operational effectiveness of torpedo weapon. Based on the basic theory of calculating torpedo hit probability, we establish some guidance models for different torpedo guidance modes. The main factors influencing the hit probability are analyzed through simulation and calculation to provide a theoretical reference for submarine-borne torpedo weapon test.

torpedo; guidance mode; hit probability

TJ630.1

A

1673-1948(2014)03-0204-06

2014-02-19;

2014-03-25.

曹庆刚(1968-), 男, 工程师, 主要从事鱼雷试验总体方面研究.