反魚雷魚雷攔截彈道導(dǎo)引方法研究

范 路,王志杰,曹小娟

(1.中國船舶重工集團公司 第705研究所,陜西 西安 710075; 2.水下信息與控制重點實驗室,陜西 西安 710075)

0 引 言

隨著新技術(shù)在魚雷中的應(yīng)用越來越多，魚雷性能不斷提高，魚雷武器發(fā)展呈現(xiàn)出多樣性的趨勢，對艦艇造成的威脅也越來越大，反魚雷成為海戰(zhàn)中的一項重要任務(wù)。世界發(fā)達國家在提高探測設(shè)備的同時，開始研發(fā)一系列魚雷對抗武器，例如反魚雷魚雷(以下稱ATT)、反魚雷水雷、反魚雷深彈、反魚雷浮標等“硬殺傷”武器，以及誘餌、假目標等“軟殺傷”手段。然而現(xiàn)代魚雷在航程、航速、殺傷力、智能化程度等方面已今非昔比，普遍具備多種搜索模式和機動打擊方式，從而使傳統(tǒng)的用誘餌欺騙魚雷的對抗方法日顯力不從心。另一方面，海軍中魚雷日益成為航母、兩棲艦船、補給船等高價值目標在近?；顒拥闹饕{。硬殺傷是軟殺傷對抗魚雷攻擊的有效補充，需要很高的可靠性，并可隨著魚雷的發(fā)展而不斷改進。ATT是硬殺傷手段中的最新技術(shù)，它裝載在艦艇和潛艇上，作為一種主動防御武器，能夠?qū)焖龠\動的小目標進行捕獲、并具有較好的機動性，可在較大距離上利用其戰(zhàn)斗部的水下爆炸攔截毀傷來襲魚雷，能夠有效防御來襲魚雷攻擊，是近年來重點發(fā)展的水中兵器之一。

由于ATT攻擊的目標是來襲魚雷，因此和普通魚雷相比，其目標具有機動性和快速性較大，態(tài)勢變化快，作戰(zhàn)反應(yīng)時間短等特點。ATT與魚雷對抗時，通常需要處于迎擊狀態(tài)，與普通魚雷相比，ATT對導(dǎo)引方式要求更高，設(shè)計難度更大，單一采用追蹤法、固定提前角導(dǎo)引法、平行接近法、比例接近法、自動提前角導(dǎo)引法等常用導(dǎo)引方法難以滿足其發(fā)現(xiàn)及命中目標的要求。本文通過分析幾種導(dǎo)引方法特點，提出一種適合于ATT使用的組合導(dǎo)引方法，并進行仿真計算，為反魚雷魚雷彈道的設(shè)計研究打下基礎(chǔ)。

1 魚雷彈道導(dǎo)引方法分析

魚雷的導(dǎo)引彈道是自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標后根據(jù)所獲得的目標信息解算選擇的自導(dǎo)導(dǎo)引規(guī)律，操縱魚雷攻擊并攔截目標。ATT作為一種特殊用途的聲自導(dǎo)魚雷，對彈道導(dǎo)引方法的要求是在雷體機動性、穩(wěn)定性允許的范圍內(nèi)使ATT具有較高的攔截目標概率。目前魚雷常用的彈道導(dǎo)引方法有追蹤法、固定提前角導(dǎo)引法、平行接近法、比例接近法、自動提前角導(dǎo)引法等。

1.1 追蹤法

追蹤法，也稱直接瞄準導(dǎo)引法或尾追法，是魚雷提前角ηt=0的一種導(dǎo)引方法。這種方法要求自導(dǎo)裝置測出魚雷速度方向?qū)σ暰€的水平面和垂直面的誤差角，即使魚雷聲自導(dǎo)裝置的測量坐標系與雷縱軸固連，用雷縱軸線作為速度矢量方向，視線與縱軸夾角是導(dǎo)引中的誤差角，以該誤差角形成自導(dǎo)指令，就能實現(xiàn)導(dǎo)引過程中魚雷速度矢量始終指向目標，即彈道的切線始終與視線重合，其雷目模型如圖1所示。

圖1 追蹤法Fig.1 The back tracking method

追蹤法導(dǎo)引時有：

ηt=0，ηm=q，

(1)

式中：ηt，ηm分別為魚雷和目標速度向量與視線的夾角。根據(jù)上式可得相對運動方程為：

由于這種方法對魚雷自導(dǎo)裝置的要求較低，容易實現(xiàn)，目前在國內(nèi)外魚雷導(dǎo)引彈道設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。追蹤法的缺點也是顯而易見的，首先它要求魚雷從尾部擊中目標，彈道彎曲浪費航程，不利于主動自導(dǎo)工作和提高命中率。因此，對于通常與來襲魚雷處于迎擊狀態(tài)的ATT而言，命中概率不高。

1.2 固定提前角法

固定提前角導(dǎo)引法是一種魚雷提前角始終為一常數(shù)，此導(dǎo)引方法需要測出目標相對于魚雷的運動方向以及視線相對于提前角的偏差。在導(dǎo)引過程中，魚雷的速度方向以一個固定的提前角，指向目標運動前方的導(dǎo)引方法，固定提前角法一般只適用于水平面上，建立模型如圖2所示。

圖2 固定提前角法Fig.2 The fixed angle method in advance

根據(jù)約束方程ηt=常數(shù)≠0可得相對運動方程：

由于固定提前角導(dǎo)引法的最大彈道回旋角速度小，這就降低了對魚雷機動性的要求，從而可以減少由于魚雷機動性限制所造成的脫靶。且固定提前角法在不同的速比下就有不同的命中角，這樣改變了追蹤法必須從尾部命中目標的條件，大大增加了從目標舷側(cè)命中目標的可能。

1.3 平行接近法

在任何情況下都保持視線平行于自身移動的導(dǎo)引方法稱為平行接近法。

當目標作等速直線運動時，用固定提前角導(dǎo)引，可以通過選擇提前角ηt，使導(dǎo)引彈道成為直線。

其中：

建立模型如圖3所示。

圖3 平行接近法Fig.3 The parallel approaching method

當目標作等速直線運動時，相對運動方程為：

其中，有約束方程

當目標作機動運動(目標速度大小和方向都可以隨時間變化的運動)時，可寫出相對運動方程：

其中，約束方程為

平行接近法的優(yōu)點是彈道的法向過載小。當目標作等速直線運動時，用平行接近法導(dǎo)引，魚雷的彈道總是直線，彈道的法向過載為0。當目標機動運動時，與其他導(dǎo)引法相比，平行接近法的導(dǎo)引彈道與直線彈道的差別最小，即彈道的法向過載最小。

平行接近法要求按目標與魚雷的速比及視線角q設(shè)置提前角，而由于聲測量的誤差較大，較遠的情況下不易準確測量出視線角，同時，中遠程彈道下不易測出來襲魚雷的速度，因此，工程上基本不可能實現(xiàn)該導(dǎo)引方法。

1.4 自動調(diào)整提前角法

由于多波束自導(dǎo)裝置在魚雷上的應(yīng)用，使魚雷在接近目標的過程中，能夠自動調(diào)整提前角，使魚雷可以近似按平行接近法與目標相遇。

圖4 自動調(diào)整提前角法Fig.4 The automatic advance angle method

如圖4所示，按式(4)準確設(shè)置的提前角作為理想提前角，用ηI表示，即可得到：

(9)

Δηt=ηt-ηI，

(10)

當Δηt很小時，式(3)的第二式為可寫為：

(11)

自動調(diào)整提前角法要求自導(dǎo)裝置能測出目標相對于測量軸的方位角，因此，是以波束寬度分檔給出目標方位，波束越寬，每次調(diào)整的提前角越大。過大的提前角會使魚雷彈道振蕩過大，波束過窄，會使彈道不穩(wěn)定，且在接近目標時，提前角調(diào)整加快，使得需用法向過載過大，致使命中精度降低。

1.5 比例導(dǎo)引法

在比例接近導(dǎo)引法中，魚雷彈道切線的旋轉(zhuǎn)角速度與視線的旋轉(zhuǎn)角速度成正比，其約束方程為：

表1 不同態(tài)勢下的單一導(dǎo)引法適用性

1.6 仿真分析

設(shè)定來襲魚雷和ATT仿真工況如表2所示。

表2 仿真工況

仿真次數(shù)設(shè)定為100次，仿真結(jié)果分析如表3所示。

表3 單一導(dǎo)引法仿真結(jié)果

通過仿真系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)可以看出單一導(dǎo)引方法如尾追法、變提前角法、固定提前角法的攻擊效果由于受到了各種限制，使得其命中概率以及攻擊效果都較低，而比例導(dǎo)引法雖然攻擊效果高于其它導(dǎo)引規(guī)律，但在現(xiàn)實中，聲自導(dǎo)數(shù)據(jù)率較低，視線角難以測量，雷目距離較遠時，無法迅速作出機動，使得其在部分彈道中無法使用。故需要尋求新的導(dǎo)引方法來彌補單一導(dǎo)引方法的缺陷，使得其攻擊效果提升。

2 反魚雷魚雷彈道組合導(dǎo)引方法研究

2.1反魚雷魚雷彈道需求分析

由于反魚雷魚雷的彈道特殊性，故需要在傳統(tǒng)彈道基礎(chǔ)上研究選擇適用于反魚雷魚雷自身特點的彈道。理想的自導(dǎo)導(dǎo)引彈道除要求無脫靶量外，還應(yīng)該具有彈道的曲率半徑大，對魚雷的機動性要求小；導(dǎo)引時間短，減小魚雷的航程消耗；命中角大，增大目標的有效尺寸。

在根據(jù)魚雷能實現(xiàn)導(dǎo)引方法的條件選擇導(dǎo)引規(guī)律后，必須進行自導(dǎo)導(dǎo)引理論彈道的數(shù)學(xué)仿真。通過對導(dǎo)引規(guī)律的自導(dǎo)導(dǎo)引理論彈道數(shù)學(xué)仿真，解決不同戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢下的脫靶量及能否命中目標，可攻擊范圍，魚雷的最大消耗航程，命中角范圍等問題。從而設(shè)計出最優(yōu)彈道并獲得較高命中率。

2.2組合導(dǎo)引方法綜合分析

追蹤法在反魚雷魚雷上應(yīng)用有明顯的缺點，它要求魚雷從尾部擊中目標，不僅浪費航程，且不利于主動自導(dǎo)工作和提高命中率，故追蹤法不適用于末端攔截彈道。在反魚雷魚雷導(dǎo)引過程中，來襲魚雷若進行機動，固定提前角將失去其優(yōu)點，故在來襲魚雷距艦艇較近時固定提前角將不適用于反魚雷魚雷。在導(dǎo)引的初始階段，由于來襲魚雷與反魚雷魚雷相距較遠，對來襲魚雷的速度測量有很大的誤差，無法迅速求得視線角，在導(dǎo)引的末端階段，由于反魚雷魚雷作機動彈道，易丟失目標，則平行接近法在實際應(yīng)用中存在制約，導(dǎo)引初期和末期均不適用于反魚雷魚雷。同樣，在導(dǎo)引初期，比例導(dǎo)引法也因無法通過有效的來襲魚雷數(shù)據(jù)迅速獲得視線角，而容易丟失目標。自動調(diào)整提前角法由于末端機動彈道需用較大的過載，故在某些機動彈道下命中精度會降低。

而反魚雷魚雷由于其對彈道要求的特殊性，使得單一傳統(tǒng)導(dǎo)引方法不再適用于反魚雷魚雷。傳統(tǒng)單一彈道存在各種缺陷，需要通過組合導(dǎo)引法來彌補相互的缺陷，以求得更高的命中概率。

目前，國內(nèi)外魚雷自導(dǎo)裝置的目標識別技術(shù)是基于體目標原理。這種目標識別器的識別能力除受距離限制外，正確識別目標的概率也與舷角有關(guān)。當舷角大于165°或小于15°時，正確識別目標的概率大大降低。導(dǎo)引開始時，由于不知道目標相對魚雷的運動方向，無法設(shè)置提前角。故可先采用追蹤法導(dǎo)引，等魚雷自導(dǎo)裝置測出了目標相對于魚雷的運動方向，再采用其他導(dǎo)引方法，就可以減小目標識別器識別目標的錯誤，提高攻擊效果。

而導(dǎo)引后期由于追蹤法有從尾部擊中目標的缺陷，使用其他導(dǎo)引方法可以修正這種缺陷并提高導(dǎo)引效率，故提出了追蹤法+固定提前角法，追蹤法+比例導(dǎo)引法，追蹤法+自動提前角法等導(dǎo)引方法，以提高反魚雷魚雷的攔截概率。

3 組合導(dǎo)引法仿真分析

以反魚雷魚雷彈道仿真系統(tǒng)為平臺，設(shè)定來襲魚雷與反魚雷魚雷工況同上，統(tǒng)計100次，仿真結(jié)果如4所示。

表4 組合導(dǎo)引法仿真結(jié)果

通過數(shù)學(xué)仿真，由表3可看出，“追蹤法+比例導(dǎo)引法”的組合方式攔截概率高達95%以上，而其他組合導(dǎo)引方法攔截概率較低，同時脫靶量也較大。分析結(jié)果如下：

1)追蹤導(dǎo)引法對自導(dǎo)系統(tǒng)的要求很低，只要測出目標在魚雷縱軸的上、下、左、右，根據(jù)這4種誤差信號，操縱魚雷縱軸對準目標。這使得在導(dǎo)引初期，即使雷目距離較遠，自導(dǎo)也不易丟失目標。且導(dǎo)引初期可以通過追蹤法來判斷舷別，以減少導(dǎo)引誤差，故導(dǎo)引初期采用追蹤法較為合適。

2)在末端彈道，來襲魚雷一般作機動彈道，此時，由于固定提前角法需用法向過載很大，使得固定提前角法無法獲得足夠的過載而脫靶。自動提前角導(dǎo)引法可在正確的提前角建立之后，目標就停留在某一波瓣內(nèi)不動，從而視線的方向保持不變。但由于自動提前角法導(dǎo)引末期法向過載需求同樣較大，故導(dǎo)引效果也未能達到理想水平。比例導(dǎo)引法在導(dǎo)引后期由于數(shù)據(jù)獲得較快，而可以獲得良好的導(dǎo)引概率。在使用比例導(dǎo)引彈道時可借鑒反導(dǎo)導(dǎo)彈的比例導(dǎo)引法，在測出視線角后引入視線角加速度來修正從而彌補比例導(dǎo)引法的缺點。

追蹤法和比例導(dǎo)引的組合方式基本滿足現(xiàn)代反魚雷魚雷要求，故可以將此種導(dǎo)引方法引入反魚雷魚雷彈道研究中，并進行進一步修正以獲得更高的攔截概率。

4 結(jié) 語

本文對典型魚雷導(dǎo)引方式和新型魚雷導(dǎo)引方式均進行了系統(tǒng)研究，結(jié)合實際情況分析研究各種導(dǎo)引方法的優(yōu)缺點，提出適用于反魚雷魚雷的彈道方法，并作出數(shù)學(xué)仿真分析，提出新的組合導(dǎo)引方法。這樣使得各種彈道導(dǎo)引方法更加明晰，同時也為反魚雷魚雷今后的彈道設(shè)計，計算，工程研制提供一定的理論依據(jù)。

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