基于潜艇涡流场检测技术的潜艇探潜效能分析

武 宁 李 伟 穆连运

(海军潜艇学院 青岛 266000)

基于潜艇涡流场检测技术的潜艇探潜效能分析

武 宁 李 伟 穆连运

(海军潜艇学院 青岛 266000)

建立了基于潜艇涡流场检测技术的潜艇探潜效能分析模型,从特征、可行性、搜索效率、发现目标概率等几个方面,分析了潜艇涡流场检测技术的探潜能力,通过与声纳对比,研究得出涡流探潜具有更高探潜效能和更好的稳定性。

涡流场检测; 探潜; 效能分析

Class Number V279

1 引言

潜艇探潜距离是决定潜艇反潜能力的重要因素之一,传统的声纳搜索方式易受声信号传播特性和目标特性的影响,作用距离受到较大限制,而且也易受各种人工或自然假目标的干扰,因此需要寻求新的检测技术和实现途径。随着海洋物理理论和海洋探测技术的发展,涡流场检测技术已经由理论研究向实际应用发展,利用其探测距离远、抗干扰能力强的特点,能够有效提高潜艇探潜能力。本文旨在研究基于其技术的反潜探测效能,通过仿真分析,探索提升搜潜作战能力的新途径。

2 潜艇涡流场检测技术

2.1 基本概念

潜艇在水下运动时,周围的水介质与艇体产生相互运动而形成绕艇体流动的涡流。Arizona国立大学的研究表明,这种涡流尺度有数公里之巨,其衰减也需要几天时间,可延伸至上百海里[1]。潜艇涡流场检测技术是指利用专门设备探测这种声异常涡流进而探测发现潜艇的技术。

2.2 技术优势

与常用的水下探潜方式——声纳探潜相比,采用涡流探潜拥有诸多优势,突出体现在以下三点:

1) 探测距离远

潜艇涡流尺度主要受海水的Brunt-Vaisala周期T决定(海洋中的量级为4×10-2S)[2],由于其衰减时间长,尺度可延伸上百海里,因此可通过检测涡流发现上百海里外的潜艇。如表1所示。潜艇可以实现远距离发现并跟踪目标(这里以已公布,俄罗斯现役潜艇装备的MGK-540综合声纳的数据作为对比[5])。

表1 常规探测方式与涡流探测的性能比较

2) 探测效果稳定

潜艇的涡流是其艇体、动能与水介质相互作用的结果,而且影响潜艇涡流尺度最大的两个参数是Froude数和无量纲时间t/T,因此,涡流的可探测尺度和强度受海况环境影响较小。这就保证了无论在良好或者恶劣的海况下,涡流探测都会保持一个较稳定的探测距离。

3) 抗干扰能力强

目前用于反潜作战的水声对抗器材主要是声学对抗,由于涡流探测技术尚处于初步发展阶段,针对涡流对抗的器材还没有出现。另外,由于潜艇的涡流场强度和尺度有其固有特性的特点,模拟起来也较难实现。

2.3 技术局限

1) 由于涡流位于航行潜艇的尾部延展区域,因此,涡流探潜探测必须从目标的后部进行,无法迎击和截击目标。

2) 涡流探测无法进行敌我目标识别,因此,必须明确分配反潜阵地和搜索路径,使本方潜艇处于涡流探测范围之外。

3 涡流探潜可行性分析

文献[3]显示俄罗斯已掌握了利用涡流检测水下潜艇的技术,并成功进行了试验。文献[4]显示,美国利用潜艇涡流讯号探测到在300m水深下航行的前苏联潜艇。这表明在适合的情况下,涡流探潜一次巡航可完成对300m纵深海区的搜索。在防御区域内潜艇进行巡航,自身携带的涡流探测装置,可发现目标潜艇通过数小时后的涡流场。

研究表明,潜艇涡流场的流速信息在海水中可以长时间保持,因此,通过检测潜艇航迹上涡流场的流速信息可探测潜艇涡流进而发现潜艇踪迹。发现涡流后,潜艇沿目标潜艇涡流场进行跟踪搜索,检测目标潜艇的涡流场边界,综合多种信息得到目标艇涡流场变化规律,基于该规律确定目标的运动方向及距离。

4 涡流探潜能力分析

假定作战海域面积约为2900km2,海区最大深度300m,即在想定海域中涡流探测可一次完成纵平面搜索。

4.1 搜索效率分析

在搜索方潜艇发现目标潜艇距离大于目标发现前者的情况下,可依照下式来确定反潜搜索效率U效率[6]:

U效率=2d我V相对P发现

(1)

式中:d我为我潜艇发现目标潜艇距离；V相对为我潜艇与目标潜艇间随机航行的相对速度；P发现为上级指定的我潜艇发现目标潜艇概率。

(2)

式中:V我为搜索方潜艇搜索速度；V目为目标潜艇速度。

在U效率一定条件下,潜艇反潜有效搜索区域面积S搜索和所用搜索时间t搜索之间的关系可表示为

(3)

潜艇反潜搜索效率可理解为在一定时间内搜索方潜艇针对目标潜艇完成一次全面有效搜索的海域面积。假定潜艇以不同航速搜索目标,目标潜艇涡流能被探测的尺度可保持1h,即可被探测距离为1h×目标航速(文献[1]中所述的衰减需要几天时间,明显大于此值)。上级指定的发现目标潜艇概率为0.8,则按照式(1)和式(2)可计算出潜艇的涡流反潜搜索效率,如表2所示。

表2 涡流反潜搜索效率(km2/h)

相对假定的潜艇反潜作战海域2900km2而言,完成一次全面有效搜索需要的时间为搜索海域面积除以搜索效率,如表3所示。

表3 作战海域一次有效搜索需要时间(h)

从表2、表3中可以看出,一是当敌航速一定时,随着我方航速的增大,搜索效率也随之增大；二是当我航速一定时,随着目标航速的增加,搜索效率的增长率相较我方航速增大时显著增加。由此可总结的得出搜索时在搜索方潜艇航速能够保持隐蔽性要求的前提下,使用涡流探测装置搜索,需要我潜艇尽量提高航速。

4.2 发现目标概率分析

潜艇搜索机动方式可分为规则搜索和随机搜索两类。所谓规则搜索是指潜艇按一定规则组织搜索,以避免对搜索区域重复搜索。随机搜索是指潜艇随机选择搜索航段(区域)进行搜索,不能保证针对搜索区域的重复搜索。

在随机搜索方式下,潜艇进行时间段长度为t的搜索,发现敌潜艇概率P(t)为

(4)

而在规则搜索方式下,潜艇进行时间段长度为t的搜索,发现敌潜艇概率P(t)为:

(5)

式中:W为搜索方潜艇涡流的搜扫宽度(一般情况下可取两倍涡流探测距离)；V为搜索方潜艇和目标潜艇之间平均相对运动速度；A为目标潜艇可能位置区域面积。

实际作战中,由于作战海域过大,通常根据实际情况将作战海域划分为若干个反潜阵地,假定反潜阵地面积为15×20km2。目标潜艇采用5km/h小噪声航速突破搜索区,其涡流能被探测的尺度可保持1h～2h,即可被探测距离为1h×目标航速至2h×目标航速。

假定A1区内搜索方采取4km/h低速航行,声纳作用距离为3km～3.5km,涡流探潜发现目标的概率仿真结果如图1所示。

假定A2区内搜索方潜艇采用8km/h中速航行,声纳作用距离为1.5km ～2km,涡流探潜发现目标的概率仿真结果如图2所示。

图1 搜索发现概率比较

图2 搜索发现概率比较

图1、图2中可以得出,在相同的搜索条件下,即使将涡流探潜发现距离假定到较小值,使用涡流探潜发现目标的概率也明显高于声纳；另外,对比两图可发现,在两个阵地内由于搜索方采用不同航速引起了声纳发现目标概率变化,而涡流搜索由于探测原理不同,发现概率能够稳定保持。

5 结语

本文针对涡流探潜效能进行了计算,通过仿真表明涡流场检测技术探潜具有较高的搜索效率和发现概率。同时,涡流探潜效能受目标航速以及涡流衰减时间影响较大,受本方的要素变化影响较小。根据潜艇涡流场这一特性,进一步探索研究基于涡流导引的远程鱼雷在超远距离上攻击敌方潜艇的新型作战方式,可有效提高水下反潜能力。

[1] Lillberg E, Alin N. Fureby C. A computational study of wakes behind submarines and surface ships[J]. Defence research establishment weapons and protection division, SE-147 25Tumba,Swden,2000:131-137.

[2] 张效慈,张军.潜艇内波波迹一航空猎潜的新对象[J].船舶力学,2007,11(4):508-513.

[3] Beardsley. Making Waves[M]. Scientific American,1993:13.

[4] 张军,张效慈,赵峰,等.源于水动力学的潜艇尾迹非声探测技术研究之进展[J].船舶力学,2003(2):121-128.

[5] 张绅.美、俄潜艇声纳系统对比[J].现代舰船,2004(6):32-35.

[6] 沈治河.潜艇反潜的搜索效能分析与仿真[J].军事运筹与系统工程,2004,18(3):41-43.

Antisubmarine Detection Efficiency Analysis of Submarine Based on the Testing Technology of Submarine Eddy Current

WU Ning LI Wei MU Lianyun

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266000)

The paper established the anti-submarine detection efficiency analysis model based on technology of submarine eddy current testing, analyzed submarine detection ability of submarine eddy current testing technology from the aspects of characteristics, feasibility, searching efficiency and target detection probability. In contrast with sonar, the research had proved that the submarine detection by eddy current testing has higher efficiency and better stability.

eddy current testing, antisubmarine detection, efficiency analysis

2016年7月4日,

2016年8月30日

武宁,男,硕士研究生,研究方向:军事装备学。李伟,男,博士,教授,研究方向:鱼雷制导工程。穆连运,男,硕士,教授,研究方向:水中兵器发射理论。

V279

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.028