悬浮式航空自导深弹水下攻潜作战效能分析

赵申东 ,野理聪 ,曹骏泷 ,李居伟

(1.海军航空大学 青岛校区,山东 青岛,266041;2.中国人民解放军91566 部队,辽宁 大连,116043)

0 引言

航空深弹作为传统反潜武器,具有价格低廉、制造简单、使用方便和装药填充系数高等特点[1-2]。随着自导深弹的出现,航空深弹攻潜的命中概率得到了很大提升。但是由于缺少动力,自导深弹很难在大范围内对潜艇实施攻击,命中概率难以令人满意。为了提高拦截鱼雷的效果,水面舰艇装备了悬浮式深弹[3-4]。航空平台上同样出现了悬浮式深弹,典型的如俄罗斯的“围猎-2”悬浮式航空深弹以及德国的“海矛”自导深弹,它们使得攻潜效果得到了进一步的提升。其中,“海矛”自导深弹兼有深弹和鱼雷的特点,结构复杂、成本相对较高[5],而“围猎-2”悬浮式航空深弹只是在普通自导深弹的基础上增加了悬浮装置,结构更为简单、成本更为低廉[6],具备大量使用的条件。文中对悬浮式航空自导深弹水下攻潜效能进行分析,将其与常规自导深弹进行对比,总结出适合悬浮式航空自导深弹的使用场景及悬浮时间参数设定的一般原则。

1 悬浮式航空自导深弹水下攻潜工作方式

悬浮式航空自导深弹由飞机投放后,靠自身携带的降落伞减速下降,同时调整空中姿态,使其近似垂直下落。当弹体入水后,深弹携带的气囊开始迅速充气,并抛弃降落伞。气囊充气完毕后漂浮于水面,下方连接的深弹弹体悬浮于靠近水面的某一深度处,位于弹体弹头位置的自导系统开始搜索目标。当目标进入其探测范围时,弹体会及时与气囊脱离,通过操舵机构调整弹道,在不超过最大下滑角的范围内对目标进行追击,其追击过程与常规无动力航空自导深弹相同。

2 悬浮式航空自导深弹水下攻潜模型

悬浮式航空自导深弹与常规无动力航空自导深弹水下攻潜的主要区别是悬浮时间的长短。常规无动力航空自导深弹无水中悬浮动作,可将悬浮时间视为0,深弹入水后立即下沉搜索攻击潜艇;而悬浮式航空自导深弹会在靠近水面附近的某一深度处进行悬浮探测,其悬浮时间可根据需要进行设定。文中重点讨论悬浮式航空自导深弹在深度上的运动规律。由于自导深弹自导距离一般在数百米范围内,而下沉攻击时会达到每秒十几米的速度,追击时间较短,潜艇一旦被深弹自导系统发现就很难摆脱深弹的攻击,文中用深弹的探测概率代替其命中概率。另外,深弹在攻击潜艇时,可采用现在点攻击或提前点攻击2 种基本模式。提前点攻击模式命中概率较高,需要获取目标的运动速度和航向信息,其使用条件有时难以达成。现在点攻击模式无其他条件限制,可实现对潜艇目标的快速攻击,以下讨论均基于现在点攻击模式。

2.1 深度运动规律

悬浮式航空自导深弹在搜索潜艇的过程中,其水平位置基本保持不变,只有深度会随时间变化,其深度z(t)的运动规律可分为3 段: 1) 在悬浮期间,深弹悬浮在靠近海面的某一深度zxf上;2) 悬浮时间txf到达后,深弹由速度为0 加速到最大下沉速度vmax,这一阶段可视为加速度为a的匀加速运动;3) 深弹以最大下沉速度匀速下沉阶段可表示为

深弹深度上的变化是计算深弹与潜艇间距所必需的,若攻潜时采取多枚深弹连投的方式,不同深弹的深度变化关系还应考虑投弹间隔的影响。

2.2 命中条件分析

以探测到的水下目标潜艇初始位置在水平面的投影点O为坐标原点,以水面位置,即深度为0 的平面为xy平面,以潜艇航行方向为x轴的正方向,以竖直向下,即海深增加的方向为z轴正方向建立直角坐标系。令水下目标潜艇的坐标为S(xs,ys,zs),航空自导深弹落水后的位置坐标为h(xh,yh,zh)。考虑到探测的潜艇位置及航向均有一定的随机误差,假设x坐标的误差为xs0,y轴的误差为ys0,航向误差为α,潜艇航行深度zs0不变。深弹与潜艇的目标位置如图1 所示。

图1 深弹与潜艇目标位置Fig.1 Positional relationship between depth charge and submarine

目标潜艇在水中航行的位置坐标是时间t的函数,即

设自导深弹的最大探测距离为d0,最大下滑角为Φ0。若要使自导深弹能够探测到水下目标潜艇,则需要满足以下2 个条件: 1) 自导深弹与水下目标潜艇之间的距离d≤d0;2) 潜艇与自导深弹间的连线与向下垂直线的夹角 Φ ≤Φ0。可以按照式(3)判断深弹是否命中目标。

3 仿真计算

文中采用蒙特卡洛方法对悬浮式航空自导深弹命中概率的影响因素进行仿真分析,该方法的应用范围几乎没有限制[7]。若采用多枚深弹连投的方式,可有效提高命中概率。为不失一般性,以下分析均以单枚深弹为例进行仿真计算。

3.1 仿真流程

悬浮式航空自导深弹的基本工作方式为先悬浮探测再下沉搜索攻击,仿真流程如图2 所示。

图2 命中概率仿真流程图Fig.2 Simulation flow chart of hit probability

3.2 悬浮时间、潜艇深度对命中概率的影响

悬浮式航空自导深弹与常规无动力航空自导深弹水下攻潜的主要区别在于悬浮时间,文中重点分析悬浮时间对命中概率的影响。若潜艇航行深度超过深弹自导作用距离,悬浮时深弹将无法探测到潜艇,因此潜艇航行深度也是影响命中概率的重要因素。图3 给出了深弹悬浮时间、潜艇深度对命中概率影响的仿真结果。仿真时,设深弹的自导作用距离为200 m、水下悬浮深度为5 m,潜艇的深度活动范围为50～300 m、航行速度为4 kn、航向误差标准差为2°、位置误差标准差为300 m。图3 可以看出,当潜艇深度在深弹自导作用距离以内时,增加深弹的悬浮时间可以有效提升命中概率。但是当潜艇深度在深弹自导作用距离以外时,增加深弹的悬浮时间反而会降低命中概率。从不同深度的平均结果来看,增加深弹的悬浮时间总体上要比常规无动力航空自导深弹的命中概率高,而悬浮时间的选取存在最佳区间,并非悬浮时间越长越好。

图3 深弹悬浮时间、潜艇深度对命中概率的影响(自导作用距离200 m)Fig.3 Influence of suspension time of depth charge and submarine depth on hit probability(The self-guided range is 200 m)

当前悬浮式航空自导深弹的探测距离可达450 m,可覆盖世界上大多数潜艇大多数时间的活动深度[8]。图4 给出了深弹自导作用距离为450 m、潜艇深度活动范围为50～450 m 时的仿真结果。可以看出,此时增加深弹悬浮时间,可以获得更高的命中概率,且悬浮时间越长,概率越高。

图4 深弹悬浮时间、潜艇深度对命中概率的影响(自导作用距离450 m)Fig.4 Influence of suspension time of depth charge and submarine depth on hit probability (The self-guided range is 450 m)

3.3 悬浮时间、潜艇定位误差对命中概率的影响

不论采用何种探测手段,得到的潜艇位置或航向总会有一定的误差,一般认为其服从正态分布[9-10]。在不同的悬浮时间下,潜艇定位误差对深弹命中概率有显著影响,图5 给出了深弹不同悬浮时间、潜艇不同定位误差对命中概率影响的仿真结果。仿真时,假设深弹的自导作用距离为200 m、水下悬浮深度为5 m,潜艇航行深度为250 m、航行速度为4 kn、航向误差标准差为2°。图5(a)给出了潜艇深度200 m 时的命中概率。可以看出,当潜艇航行深度较大时(200 m 附近),增加深弹的悬浮时间反而会降低深弹的命中概率,且悬浮时间越长,命中概率越低。随着潜艇定位误差的加大,不同悬浮时间深弹命中概率的差别变小。这种情况的出现是因为当潜艇航行深度较大时,深弹发现目标更加困难,此时若深弹仍采用悬浮搜索,潜艇将有更多时间逃离深弹搜索区域。当定位潜艇的误差较大时,如果采用悬浮搜索方式,潜艇重新进入深弹搜潜区域的可能性会有所增加,这时不同悬浮时间对命中概率带来的影响差异会变小。这说明悬浮深弹更适合潜艇定位误差大的场景。图5(b)给出了潜艇深度100 m(其他参数不变)时的命中概率。可以看出,当潜艇航行深度较小时(100 m 附近),增加深弹的悬浮时间会增加命中概率,一般悬浮时间越长,命中概率越高。这说明,悬浮深弹更适合潜艇航行深度较小的场景。在浅海环境下,采用悬浮深弹攻击潜艇十分有利。

图5 深弹悬浮时间、潜艇定位误差对命中概率的影响(自导距离200 m)Fig.5 Influence of suspension time of depth charge and submarine positioning error on hit probability(The self-guided range is 200 m)

4 结论

文中通过分析悬浮式航空自导深弹的工作流程,给出其深度运动规律和命中潜艇目标的条件。利用蒙特卡洛方法对影响悬浮式航空自导深弹命中概率的主要因素进行了仿真分析,并得出如下结论。

1) 悬浮式航空自导深弹通过增加悬浮装置,总体上有利于提高深弹的命中概率。尽管增加悬浮装置会使深弹的成本有所增加,但考虑到深弹在悬浮状态探测目标时不受自身运动的影响,同等技术条件下,其自导作用距离会有所增加,这将进一步提升命中概率。

2) 悬浮式航空自导深弹更适用于潜艇定位误差大、潜艇航行深度较小的场景。当潜艇航行深度超过了深弹自导作用距离时,增加悬浮深度反而会降低深弹的命中概率。由于悬浮式深弹可以灵活设置悬浮时间,所以在实际使用中,需要根据目标和海区的实际情况合理设定这一参数。