火箭助飛式聲干擾器和懸浮式深彈協(xié)同對抗線導(dǎo)魚雷建模與仿真

姚奉亮, 賈 躍, 丁 貝

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火箭助飛式聲干擾器和懸浮式深彈協(xié)同對抗線導(dǎo)魚雷建模與仿真

姚奉亮1, 賈 躍2, 丁 貝1

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院 研究生1隊(duì), 遼寧 大連, 116018; 2. 海軍大連艦艇學(xué)院 水武與防化系, 遼寧 大連, 116018)

首次提出了使用火箭助飛式聲干擾器和懸浮式深彈組合協(xié)同防御潛射線導(dǎo)魚雷戰(zhàn)術(shù), 根據(jù)線導(dǎo)魚雷射擊原理, 仿真估算了導(dǎo)引艇的舷角, 建立了單枚火箭助飛式聲干擾器和懸浮式深彈這一軟硬反魚雷武器組合協(xié)同防御潛射線導(dǎo)魚雷的數(shù)學(xué)模型, 利用運(yùn)籌學(xué)中的優(yōu)化方法確定了兩型武器的布放策略及艦艇的規(guī)避航向, 并對使用軟硬武器協(xié)同對抗與單一軟對抗的對抗成功概率進(jìn)行了仿真比較, 結(jié)果表明, 使用軟硬武器協(xié)同對抗效果顯著, 較單一使用軟對抗線導(dǎo)魚雷的成功概率提高了20%~36%。

線導(dǎo)魚雷; 火箭助飛式聲干擾器; 懸浮式深彈; 對抗策略; 協(xié)同防御

0 引言

隨著魚雷技術(shù)的不斷發(fā)展, 大型水面艦艇受到來自魚雷的威脅日趨嚴(yán)重。為了提高水面艦艇的生存能力, 各國海軍都努力發(fā)展軟硬結(jié)合的多層魚雷防御系統(tǒng)。水面艦艇對魚雷的防御主要有“軟殺傷”和“硬殺傷”兩種方式。軟殺傷的工作機(jī)理可以分為兩大類: 一類為背景噪聲干擾, 另一類為信號干擾。使用背景噪聲干擾主要是壓制和降低聲納以及魚雷對目標(biāo)的檢測性能, 主要裝備有噪聲干擾器、氣幕彈等; 使用信號干擾主要是以模擬目標(biāo)信號形式誘騙魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)和聲納系統(tǒng), 降低其檢測到真實(shí)目標(biāo)的概率, 使其產(chǎn)生誤判而誤跟蹤假目標(biāo), 主要裝備有拖曳式聲誘餌和火箭助飛式聲誘餌?！坝矚钡墓ぷ鳈C(jī)理是直接毀傷魚雷, 將其引爆或使其制導(dǎo)系統(tǒng)不能正常工作, 失去攻擊能力, 主要裝備有: 懸浮式深彈和反魚雷魚雷等[1-2]。

對抗線導(dǎo)魚雷最有效的軟殺傷武器是火箭助飛噪聲干擾, 而從魚雷防御效果看, 僅靠單一的軟殺傷對抗魚雷是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的, 必須使用硬殺傷武器徹底毀傷魚雷才能達(dá)到毀傷效果。所以本文提出布放火箭助飛式噪聲干擾器及懸浮式深彈這一軟硬殺傷組合對抗來襲線導(dǎo)魚雷來彌補(bǔ)其各自單方面的不足。

1 導(dǎo)引艇舷角估計(jì)

噪聲干擾器在發(fā)射入水后開始工作, 形成一個低頻噪聲源對潛艇聲納構(gòu)成一個壓制干擾扇面, 當(dāng)艦艇在此壓制干擾扇面內(nèi)運(yùn)動時, 干擾器就能對潛艇聲納進(jìn)行有效干擾, 達(dá)到保護(hù)艦艇的目的。首先確定敵潛艇的概略方位, 將噪聲干擾器布放于艦艇與潛艇的方位線上。水面艦艇發(fā)現(xiàn)線導(dǎo)魚雷報(bào)警時, 僅能給出魚雷方位信息, 無法測定導(dǎo)引艇的舷角。因此根據(jù)線導(dǎo)魚雷射擊原理, 估算導(dǎo)引艇的舷角。

下面通過仿真計(jì)算: 假設(shè)水面艦艇航向90°, 艦艇航速18 kn; 敵潛艇航向60°~90°, 間隔5°取值, 航速8 kn; 魚雷航速55 kn, 最大航程20 000 m; 敵潛艇發(fā)射魚雷時, 敵舷角-60°~-120°, 間隔10°取值, 潛艇初始距離10 000 m。每種態(tài)勢下計(jì)算1 000次, 取平均值, 如表1所示。

圖1 軟硬武器對抗線導(dǎo)魚雷示意圖

表1 魚雷報(bào)警距離為6 000時的a值

在潛艇位置未知的情況下, 根據(jù)現(xiàn)在方位導(dǎo)引法模擬的結(jié)果可知:值不定, 但大小變化不大?？梢允褂霉潭ń嵌茸鳛閰⒖脊浪銤撏辖?。估算潛艇舷角為

式中,Q為魚雷報(bào)警方位,=sgn(Q)。

2 魚雷運(yùn)動參數(shù)估計(jì)

懸浮式深彈是通過布放到魚雷可能的航跡線上, 待魚雷通過時從而毀傷魚雷, 魚雷目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)預(yù)估的是否準(zhǔn)確對攔截效果有很大的影響。魚雷不同的報(bào)警距離, 決定了魚雷對艦艇威脅程度的高低, 魚雷不同的射擊原理(或?qū)б椒?決定了魚雷不同的攻擊航向和航速, 而這些都對決定懸浮式攔截彈所應(yīng)采用的布陣方案至關(guān)重要。魚雷目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)包括魚雷距離參數(shù)和魚雷運(yùn)動參數(shù)。

對魚雷報(bào)警距離的估計(jì), 假設(shè)根據(jù)聲納性能、水文條件等多種因素預(yù)估魚雷的報(bào)警距離為D; 對魚雷運(yùn)動參數(shù)的估計(jì), 通過分析線導(dǎo)雷所采用的射擊原理(或?qū)б椒?, 可估計(jì)魚雷的概略航向

式中:C為魚雷航向;Q為魚雷報(bào)警舷角;為魚雷射擊的有利提前角;V為艦艇航速;V為魚雷航速, 并根據(jù)目前國外現(xiàn)役線導(dǎo)魚雷的航速給出一個預(yù)估值。

3 對抗模型

3.1 使用火箭助飛式噪聲干擾器與懸浮式深彈對抗線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚雷

如圖1所示, 建立以0為原點(diǎn), 正北為軸, 正東為軸的直角坐標(biāo)系, 假設(shè)我艦以C航向航行, 在0時刻艦艇位于0, 圖中0,1,2和0,1,2分別為時刻0,1,2時艦艇和潛艇的位置。假設(shè)艦艇在0點(diǎn)魚雷報(bào)警, 并判定來襲的是線導(dǎo)魚雷, 此時艦艇應(yīng)立即組織使用聲干擾器和懸浮式深彈對敵進(jìn)行層層對抗。經(jīng)過t系統(tǒng)反應(yīng)時間, 當(dāng)艦艇航行至W點(diǎn)布放火箭助飛式噪聲干擾器于點(diǎn), 在艦艇和魚雷的方位線上垂直布放懸浮式深彈陣于12。此時, 艦艇在確認(rèn)噪聲干擾器水下工作之前一般不進(jìn)行規(guī)避機(jī)動, 以免潛艇了解我艦機(jī)動情況。當(dāng)干擾器開始工作形成強(qiáng)噪聲場, 導(dǎo)致敵潛艇搜索聲納丟失目標(biāo), 不能準(zhǔn)確確定艦艇方位信息, 潛艇將切斷導(dǎo)線(這里假設(shè)線導(dǎo)雷立即切斷線導(dǎo)控制, 忽略敵潛艇切斷線導(dǎo)導(dǎo)引的系統(tǒng)反應(yīng)時間), 此時我艦開始轉(zhuǎn)向規(guī)避, 魚雷轉(zhuǎn)入聲自導(dǎo)狀態(tài), 可能跟蹤艦艇, 待魚雷航行至懸浮式深彈引信起爆范圍之內(nèi)時, 懸浮式深彈起爆毀傷魚雷, 從而保證我艦安全。

3.2 使用火箭助飛式噪聲干擾器與懸浮式深彈對抗線導(dǎo)魚雷對抗模型

火箭助飛式噪聲干擾器是無動力的有源水聲軟對抗武器, 它一旦工作會立即被被動聲納發(fā)現(xiàn), 并且噪聲干擾器所在位置一般也就是施放平臺所在地, 所以一旦使用不當(dāng), 不僅會影響干擾效果, 甚至可能暴露自己的位置。此外其只能對潛艇聲納進(jìn)行干擾, 而線導(dǎo)魚雷在導(dǎo)引平臺受到干擾后, 魚雷聲自導(dǎo)裝置將立即接替線導(dǎo)工作, 由末段聲自導(dǎo)裝置控制魚雷搜索、追蹤直到命中目標(biāo), 艦艇仍然遭受嚴(yán)重的威脅。懸浮式深彈是硬殺傷武器, 是艦艇防御魚雷的最后一層防護(hù)網(wǎng),能夠達(dá)到徹底毀傷魚雷且解除魚雷威脅的目的, 所以在對抗過程中, 應(yīng)先布放遠(yuǎn)程火箭助飛式噪聲干擾器在懸浮式深彈陣的前方干擾敵潛艇聲納正常工作, 而后再布放懸浮式深彈陣, 攔截并毀傷魚雷, 達(dá)到干擾并攔截的雙重對抗效果, 這樣能有效地提高對抗成功概率, 從而提高艦艇的生存概率。

3.2.1 布放噪聲干擾器射擊參數(shù)計(jì)算模型

當(dāng)魚雷報(bào)警聲納報(bào)警時, 魚雷一般還處于線導(dǎo)階段, 艦艇應(yīng)立即組織發(fā)射噪聲干擾器。如圖1所示, 若水面艦艇在0點(diǎn)魚雷報(bào)警后, 經(jīng)過系統(tǒng)反應(yīng)時間t, 艦艇在W點(diǎn)發(fā)射噪聲干擾器, 經(jīng)過干擾器的空中飛行時間和入水后的開始工作延遲時間t, 艦艇繼續(xù)航行至W點(diǎn)時, 聲干擾器開始工作, 估算潛艇方位信息, 使其正好位于艦艇與潛艇目標(biāo)之間, 且距離目標(biāo)距離最近。

魚雷報(bào)警時魚雷位置點(diǎn)0和艦艇航行至W時魚雷期望導(dǎo)引到的位置點(diǎn)L的坐標(biāo)分別由式(4)和式(5)確定

則t時刻, 魚雷方位Q由下式確定

由式(2)可計(jì)算出潛艇方位為B=Q-,=sgn(Q)。

聲干擾器落點(diǎn)(x,y)坐標(biāo)由下式確定

式中,max為干擾器最大發(fā)射距離, (x,y)為發(fā)射聲干擾器時艦艇位置點(diǎn)W坐標(biāo), 則W點(diǎn)坐標(biāo)分別由下式確定

根據(jù)坐標(biāo)以及W,W點(diǎn)坐標(biāo), 可以確定發(fā)射聲干擾器的射擊參數(shù)(Q,D), 其中D為發(fā)射距離, 一般取噪聲干擾器最大發(fā)射距離max;Q為發(fā)射舷角, 由下式確定

3.2.2 艦艇發(fā)射懸浮式深彈參數(shù)計(jì)算模型

t時刻, 布放的懸浮式深彈于艦艇的位置點(diǎn)W和魚雷位置點(diǎn)L的連線上, 形成一攔截線12, 中點(diǎn)在d與d的連線上, 并以中點(diǎn)作為布陣基準(zhǔn)點(diǎn), 其發(fā)射舷角即由式(6)確定的魚雷的方位Q, 發(fā)射距離取最大發(fā)射距離。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真條件

1) 艦艇

艦艇航行初速18 kn, 航向90°, 決策反應(yīng)時間為30 s, 若艦艇進(jìn)行機(jī)動規(guī)避, 則艦艇操縱反應(yīng)時間為5 s, 規(guī)避機(jī)動航速30 kn, 艦艇規(guī)避角速度3°/s, 旋回半徑450 m, 潛艦估計(jì)距離為10 000 m。

2) 魚雷

3) 懸浮式深彈

4) 火箭助飛式噪聲干擾器

4.2 噪聲干擾器和懸浮式深彈發(fā)射參數(shù)

使用上述模型計(jì)算干擾器和懸浮式深彈的布放舷角如表2所示。

表2 軟硬武器布放參數(shù)表

表2為艦艇布放噪聲干擾器和懸浮式深彈的布放舷角參數(shù)表。分析表格數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

1) 表2為艦艇右舷魚雷報(bào)警時布放噪聲干擾器和懸浮式深彈的發(fā)射參數(shù)表, 由對稱性原理可推, 參數(shù)表同樣適用于艦艇左舷魚雷報(bào)警時對抗武器發(fā)射參數(shù)的確定;

2) 干擾器布放舷角提前于魚雷報(bào)警舷角2°~26°, 魚雷報(bào)警舷角越大, 干擾器布放提前角越小;

4.3 對抗成功概率比較

圖2為艦艇單獨(dú)使用噪聲干擾器對抗和使用噪聲干擾器組合懸浮式深彈協(xié)同對抗魚雷成功概率。分析圖2可以看出, 艦艇單獨(dú)使用噪聲干擾器對抗成功概率為20%~40%, 使用噪聲干擾器組合懸浮式深彈協(xié)同對抗魚雷成功概率為42.6%~ 76.6%, 大大提高了對抗成功概率, 效果明顯。

圖2 艦艇對抗魚雷成功概率

5 結(jié)束語

綜上所述, 水面艦艇使用火箭助飛式干擾器和懸浮式深彈協(xié)同對抗來襲線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚雷, 軟硬兼施, 層層對抗, 較單一使用噪聲干擾器對抗效果顯著。這個結(jié)論對艦載反魚雷武器協(xié)同使用多層次對抗來襲魚雷有一定的參考價值。

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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, 碩士, 主要研究方向?yàn)楸N戰(zhàn)術(shù)、反潛武器作戰(zhàn)運(yùn)用等.

(責(zé)任編輯: 許 妍)