舰载超空泡射弹反鱼雷武器系统发展构想

2019-04-23 03:57:28
火力与指挥控制 2019年3期
关键词:射弹水面舰艇声呐

洪 浩

(江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

0 引言

超空泡技术的出现源自空化理论。当航行体与水之间发生高速相对运动时,航行体表面附近的水因低压而发生相变形成空泡,当空泡尺寸大到能够覆盖航行体大部分或全部表面时成为超空泡。由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍,形成超空泡后,航行体在水中的阻力可减少90%左右[1]。超空泡水中兵器利用这一原理实现水下高速运动,如超空泡鱼雷、超空泡射弹、超空泡深弹等。其水下运动速度可达100m/s~300m/s或更高。

超空泡射弹是一种可在水下高速航行的特殊炮弹,通过炮弹的特殊几何形状设计,可在水下高速运动时形成超空泡,从而使弹丸在水中的运动阻力大大减小,提高弹丸的水下末端存速、射程与对目标的侵彻能力。超空泡射弹可应用在水面舰艇上,与现有的大中小口径舰炮共管发射,利用其高射速、高射频、载弹量大、持续战斗力强的特点,可担负舰艇末端硬毁伤鱼雷、水雷目标的使命任务。同时可对近区UUV、微型潜艇、蛙人等水下小目标实施硬毁伤。本文以将超空泡射弹应用于水面舰艇反鱼雷作战为例,介绍其武器系统基本组成、关键技术及应用前景等。

1 国外超空泡射弹武器发展现状

近年来,超空泡技术得到快速发展,其高速运动产生的巨大动能足以使被攻击的目标遭受毁灭性打击。基于水下高速、高精度等特性,一些军事强国将其运用到不同的军事领域。其中美国、俄罗斯、德国、挪威等国表现的尤为突出,在超空泡射弹及武器系统的研究方面投入了大量的资源。

美国早在20世纪四五十年代就对高速、超高速入水空泡及水中弹道问题产生浓厚的兴趣,对入水速度在90 m/s~2 130 m/s范围内的空泡及弹道特性进行过深入细致的研究。对超空泡武器减阻技术的研究重点在小尺度防御型超空泡武器——超空泡射弹上。已于1995年成功研制出超空泡射弹武器系统——RAMICS机载快速灭雷系统。该系统以水雷战为目标,以舰载直升机为平台,通过机载火控子系统和MK44 30 mm火炮发射MK258 Mod1型超空泡射弹,能穿透并摧毁水下40 m处水雷。美海军正在开发的另一种超空泡射弹是自适应高速水下弹药(AHSUM),它由安装在水面舰艇水下船体和潜艇上的全水下火炮发射,构成水下“密集阵”近程反鱼雷武器系统,主要用于拦截尾流自导鱼雷。

早在1960年,俄罗斯就开展了超空泡鱼雷的研究工作,并于20世纪80年代研制成功第一代暴风超空泡鱼雷,速度达到100 m/s。俄罗斯超空泡射弹试验主要分为两种:一种是约束模超空泡射弹试验;另一种是自由飞行高速射弹试验。约束模超空泡射弹试验能够保证稳定的试验弹道,为研究稳定的超空泡流空泡的初生、发展、溃灭,以及在射弹入水阶段的不稳定过程创造了可能性;约束模超空泡射弹试验主要的速度范围是50 m/s~150 m/s,并能够完成较大尺度的超空泡射弹试验研究。而自由飞行试验能够更加真实地再现射弹的工作环境,通常在真实海洋环境条件下进行。

德国在20世纪80年代中期,开始“梭鱼”超空泡射弹的研制工作,并在20世纪末进行了多次水下射弹试验。试验结果表明,在某一恒定的水深上,射弹速度可保持在120 m/s,试验航程的偏航误差仅为0.5 m~0.8 m。另外,20世纪90年代初,德国人还提出了带自导和转向功能的超空泡水下火箭式射弹开发计划,并取得了关键技术的突破[2]。

挪威DSG公司研究认为,其研发的MEA多环境超空泡射弹与高频声呐及火控系统配合使用时,将是对鱼雷进行硬杀伤的最有效的方法。其研发的MEA多环境超空泡弹药种类如图1所示,弹药口径分为 5.56 mm、7.62 mm、12.7 mm、20 mm、30 mm 5种,用30 mm超空泡弹药拦截MK-46型反潜鱼雷的毁伤试验效果如图2所示。

图1 挪威DSG公司研发的超空泡射弹种类

图2 挪威DSG公司超空泡射弹对MK46型鱼雷毁伤效果图

2 超空泡射弹应用于水面舰艇反鱼雷作战需求分析

综观各国水面舰艇,反鱼雷作战可划分为3个层次:

1)外层鱼雷防御圈,在距舰艇3 km以外的范围。在此距离范围内,本舰声呐可以对来袭鱼雷进行探测、报警,具备对抗和拦截条件。对其防御主要以低频噪声干扰器材干扰鱼雷导引声呐和对鱼雷的远程拦截(如ATT反鱼雷鱼雷)为主,并配合本舰机动。

2)中层鱼雷防御圈,在距舰艇1 km~3 km的范围内。在这个距离范围内,来袭鱼雷的自导装置已开机搜索目标,对其的防御主要以声诱饵诱骗鱼雷自导装置和中程硬杀伤拦截为主,并配合本舰机动。

3)近层鱼雷防御圈,在距舰艇1 km以内的范围。这个距离范围属于鱼雷防御的最末端,来袭鱼雷的自导装置已锁定本舰,靠本舰机动,无法摆脱鱼雷的追踪。对其的防御主要以拖曳式声诱饵诱骗和近程末端硬杀伤拦截为主。

水面舰艇鱼雷防御层次划分如下页图3所示。

图3 水面舰艇鱼雷防御层次划分

鱼雷相当于“水下导弹”,在现代海战中的作战价值非常高。现代鱼雷呈现出静音化、高速化、长航程、大威力和智能化的发展趋势,是水面舰艇面临的主要威胁源之一。在潜艇与水面舰艇的攻防对抗中,潜艇常采用单艇齐射鱼雷或多艇多方位发射多枚鱼雷攻击水面舰艇的作战样式。水面舰艇应具备远中近末完善的鱼雷防御体系,具备有效对抗或拦截多批次来袭鱼雷的作战能力,才能保证战时水面舰艇的生存力。水面舰艇通过声呐探测来袭鱼雷,但无论是反潜声呐,还是鱼雷报警声呐,均对鱼雷目标探测距离近、定位误差较大,战时存在敌鱼雷突破中层防御圈进入舰艇末端的可能。从现有鱼雷防御手段上看,一旦鱼雷突破中层防御,在近层主要靠拖曳式声诱饵以诱骗为主,缺乏有效的硬杀伤手段。但拖曳式声诱饵只能对抗声自导鱼雷,对尾流自导鱼雷、直航鱼雷等不起作用。且拖曳式声诱饵对智能化程度高,具备尺度、亮点等识别功能的高性能鱼雷,对抗效果亦十分有限[3]。从世界范围来看,潜艇与水面舰艇在1 000 m近程范围内的防御问题一直是个薄弱环节,也一直受到各主要海军大国的高度重视,而基于水下环境发射的超高速弹药的出现则为海上作战平台的近程防御提供了全新的手段。从20世纪80年代起,美海军水下战中心等对小口径水下高速弹药武器进行了系统、深入的研究工作。研究结果表明:从能力和任务需求角度考虑,超空泡技术的作用十分显著,超空泡射弹最有价值的应用方向是舰艇鱼雷防御[4]。

3 舰载超空泡射弹反鱼雷武器系统基本组成

反鱼雷武器系统一般由探测分系统、指挥决策及火控分系统、对抗实施分系统3部分组成。

以小口径舰炮为例,舰载超空泡射弹反鱼雷武器系统基本组成如图4所示。

图4 舰载超空泡射弹反鱼雷武器系统基本组成图

3.1 探测分系统

探测分系统由鱼雷报警声呐、专用鱼雷定位声呐组成。鱼雷报警声呐要求在中远程探测跟踪上来袭鱼雷,完成目标识别,确定报警方位。其主要特点是采用中低工作频段(一般频率范围500 Hz~6 000 Hz)、探测距离较远(中等水文条件下,探测距离>6 km),但其不足一是无论采用纯被动或主被动联合工作方式,在中远程只能分辨出鱼雷方位,不能确定鱼雷距离;二是探测精度较低,不能满足超空泡射弹武器精确拦截鱼雷目标作战需求。专用鱼雷定位声呐与鱼雷报警声呐配合使用,根据鱼雷报警声呐探测的方位信息,在重点方向侦测来袭鱼雷。其主要特点是采用高频体制(频率>30 kHz)、在近距离上(<1 km)实现对鱼雷目标的高精度探测,为超空泡射弹武器的控制提供高精度探测数据[5]。

3.1.1 鱼雷报警声呐

一般采用拖曳线列阵声呐,如美国SLR-24型专用探雷声呐、法国ALBATROS型鱼雷报警声呐等。工作体制分为被动和主被动联合两种方式[6-8]。

由于鱼雷的声反射面积远小于潜艇,而航行中鱼雷的多普勒频移又较大等特点,鱼雷报警声呐在技术实现和性能要求上与反潜线列阵声呐有明显不同。

1)频率范围:能覆盖鱼雷辐射噪声的主要频段。一般选为500 Hz~6 000 Hz;其中在1 000 Hz附近,包含有鱼雷辐射噪声中较丰富的线谱特征;2)具备左右舷分辨能力;3)具备高正确率的鱼雷识别能力;4)能快速进行鱼雷目标运动分析;5)初始报警距离≥6 km[3]。

3.1.2 专用鱼雷定位声呐

专用鱼雷定位声呐与鱼雷报警声呐配合使用。鱼雷报警声呐用于中远程探测,专用鱼雷定位声呐用于近程精确定位。专用鱼雷定位声呐可将鱼雷报警声呐探测的鱼雷目标方位、距离参数作为导引参数,引导该声呐对近程来袭鱼雷进行精确测距、测向、测深。

专用鱼雷定位声呐一般采用垂直窄波束发射、水平窄波束接收的基阵形式,以最大限度抑制界面混响,提高近水面目标的检测能力;并采用较高的工作频率,以提高对目标方位、距离测量精度。

3.2 指挥决策与火控分系统

指挥决策与火控分系统接收声呐探测的鱼雷目标方位、距离、径向速度、深度等信息,解算鱼雷运动参数。在此基础上,完成拦雷作战战术指挥决策与火力控制两部分功能。

战术指挥决策:对鱼雷目标,进行威胁判断,确定待拦截目标。根据舰炮配置情况,指定执行拦截任务的舰炮装置。对多批次鱼雷目标,制定转火拦截预案。

火力控制:完成超空泡射弹空中和水下弹道处理,计算舰炮射击诸元,确定开停火时机,控制舰炮在来袭鱼雷航路上连续发射超空泡射弹实现对鱼雷目标的精确拦截。

3.3 对抗实施分系统

对抗实施分系统由小口径舰炮和超空泡射弹组成。

3.3.1 小口径舰炮

国内外水面舰艇一般均配备有小口径舰炮,执行防空反导使命任务。可在原有技术状态基础上,增加俯仰负角射击范围等,以适应打击水下鱼雷目标的需求。

要求舰炮射速:≥300发/min;弹箱容量:≥100发。

3.3.2 超空泡射弹

超空泡射弹需在气(汽)、水多介质环境中保持稳定高速弹道,通过基于水流场匹配高效减阻与结构设计(超空泡匹配外形减阻、弹道结构减阻、水下辅助减阻等)来实现弹药水下射程及水中存速能力的大幅提升。如何实现弹丸在水下保持高速稳定运动并达到战斗力需要的水下射程及存速,是超空泡射弹步入实战化的基础。1)超空泡射弹入水初速>1 000 m/s;2)雷弹交汇点处,射弹末端存速>150m/s。

4 系统及主要组成设备关键技术

4.1 舰载超空泡射弹反鱼雷武器系统关键技术

4.1.1 水下弹道处理技术

水下超空泡射弹包括撞击、流动形成、开空泡、空泡闭合等过程。涉及空气、水和弹体三者之间的相互作用和不定常运动问题。现阶段水下弹道停留在工程近似处理上。试验研究在水下弹道的研究中占有重要地位。美国海军水下战中心超空泡项目大量的工作重点放在对超空泡武器水下弹道的准确测量、预报与处理技术方面。

4.1.2 预警、探测、决策、控制、拦截一体化技术

鱼雷防御强调快速性。系统应采用一体化设计技术,将鱼雷防御的各环节紧密衔接,形成“预警、探测、决策、控制、拦截”完整的快速“火力打击链”。

在集成编队水下目标信息基础上,重点监测敌潜艇所在方位,根据鱼雷辐射噪声的频谱特征、出管时的瞬态特征、位变率距变率等运动特征实时监测鱼雷目标,形成对潜射鱼雷的预警能力。当鱼雷报警声呐探测到鱼雷后,快速进行目标运动分析,引导专用鱼雷定位声呐在鱼雷来袭航向上精确跟踪鱼雷。同时系统生成拦截目标批号,武器使用决策方案,解算武器射击诸元,控制小口径舰炮在鱼雷来袭航向上连续发射超空泡射弹实施硬毁伤拦截。

4.1.3 武器系统试验方法研究

由于水下环境的复杂性,不同水文条件对声呐探测性能影响较大。海水中温、盐、深等因素对射弹的水中超空泡效应及其水下弹道亦有严重影响。在系统、弹药、各组成设备研制过程中,需采用数字仿真、水靶道、湖试、海试相结合的方式开展相关试验。重点解决水下弹道测量、鱼雷及环境噪声测量、鱼雷及制导方式模拟、武器毁伤效应评估、末端防御效能评估、真实海洋环境下声呐指标测试及系统联动测试等多项试验关键技术,提高武器系统试验、测试及验证的能力与水平[9]。

4.2 鱼雷报警声呐关键技术

鱼雷报警声呐完成鱼雷探测、分类、定位3项功能。不仅需解决常规拖曳阵中的一些关键技术,还需针对鱼雷报警的特殊性,解决由此带来的技术问题。关键技术概括如下:1)常规拖曳阵中的关键技术:拖船噪声自适应抵消技术;拖曳阵成形技术;拖曳阵减振降噪技术;收放/存储绞车技术;大规模数字信号处理技术;2)三基元集束基阵拖曳平衡技术;3)左右舷分辨技术;4)主动报警声呐收发分置及信号处理技术;5)高正确率鱼雷分类技术;6)快速目标运动要素估计技术。

4.3 专用鱼雷定位声呐关键技术

4.3.1 鱼雷目标测深技术

由于超空泡射弹采用直接命中侵彻方式毁伤来袭鱼雷,需要声呐提供鱼雷距离、方位和航行深度三维全向信息。鱼雷航行深度不同,舰炮的发射角、射弹的入水角皆不同。深度测量精度直接制约鱼雷防御的成功概率。但水面舰艇配装的反潜声呐和鱼雷报警声呐一般对水下目标无测深能力。所以对专用鱼雷定位声呐,具备测深能力是其一项基本功能要求。可通过对声呐波束的形成、控制与专用信号处理,测量出声基阵与鱼雷航行体之间的俯仰角度,进而得出鱼雷航行深度。

4.3.2 高精度鱼雷目标定位技术

同所有软硬武器一样,声呐对水下目标的定位精度很大程度上决定超空泡弹药武器系统的防御效能。而超空泡射弹采用“点对点”直接命中毁伤机制拦截鱼雷目标,声呐对目标的高精度定位尤显重要。鱼雷声反射面积小,而来袭鱼雷一旦进入舰艇防御末端,一般航深较浅(距本舰100 m~1 000 m,航深5 m~30 m),海面界面混响较大,这些都严重影响声呐探测能力。

为提高鱼雷目标定位精度,需采用以下关键技术:1)采用分裂波束形成及自适应波束形成处理技术;2)采用高频探测技术;3)应用现代控制理论中的状态反馈控制方法:火控分系统利用滤波估值计算出目标位置、速度等,由声呐信号处理机向火控分系统送出波束跟踪偏差,火控分系统计算下一波束中心点指向位置,并用此参数导引声呐跟踪目标,实现对声呐波束的边跟踪边控制,以有效提高声呐测量精度。

4.4 超空泡射弹关键技术

4.4.1 高效减阻技术

弹药水中减阻技术直接影响超空泡形成和水中存速能力高低,主要包括降低射弹超大法向入射角高速入水速度损耗、优化超空泡匹配外形、弹道结构减阻、辅助减阻技术等。

4.4.2 超大法向入射角高速入水及“双高”弹道稳定性技术

提高射弹法向入射角,能延伸系统有效拦截距离。通过抗倾覆结构设计等技术,增强射弹尾翼空化效能,优化空泡包络层形成历程,改进射弹水中自稳特性,保证射弹最大法向入射角≥85°。并保证空中和水下“双高速”弹道稳定性。

4.4.3 对鱼雷高效毁伤技术

采用爆炸碎片和叠加冲击波等方式破坏鱼雷内部结构,使之失去动力、制导控制失灵或局部解体甚至引爆鱼雷炸药[10]。

5 系统作战流程

舰载超空泡射弹反鱼雷武器系统作战流程可分为目标探测、目标信息处理、指挥决策、射击诸元计算、发射控制及射后处理等。

系统作战流程如图5所示。

6 发展前景

图5 系统作战流程

舰载超空泡射弹反鱼雷武器系统具有拦截快速、高效等性能优势。超空泡射弹在水下初速可以达到1 000 m/s以上,远远高于鱼雷速度,可实现快速拦截;备弹量充足,可以实施多次连射,并可以迅速转火拦截,拦截多批次鱼雷目标。反鱼雷超空泡射弹武器系统主要负责1 000 m范围内的末端防御,与现有水声对抗器材、包括反鱼雷在内的硬杀伤鱼雷防御武器形成层次互补,构建水下分层防御体系,承担舰艇末端防御、水下“守门员”职责。超空泡射弹武器系统除毁伤鱼雷目标外,对水雷、UUV、蛙人、微型潜艇等水下近程目标具备有效打击或毁伤能力。总体拦截毁伤效能高、使用范围广,且成本较低,展示出巨大的军事应用前景。

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