基于效能分析的反魚雷魚雷攔截方式優(yōu)選技術(shù)

彭會斌， 劉　希

(1.海軍駐716所軍事代表室, 江蘇 連云港　222061;2.江蘇自動化研究所, 江蘇 連云港　222061)

水面艦艇是未來海戰(zhàn)的主要兵力之一。隨著魚雷技術(shù)的發(fā)展,魚雷的目標探測及跟蹤能力得到提高,新型魚雷不斷涌現(xiàn),水面艦艇很難通過改變航向、航速和利用聲誘餌等手段來擺脫魚雷的攻擊,同時魚雷智能化水平的提高也削弱了反魚雷系統(tǒng)的軟對抗效果,對水面艦艇和潛艇構(gòu)成了巨大的威脅,各國海軍對魚雷防御系統(tǒng)和反魚雷措施的研究也在不斷深化。反魚雷魚雷(Anti-Torpedo Torpedo,ATT)武器是水面艦艇在水下作戰(zhàn)空間的自然延伸,具備靈活性、主動性、機動性等特點。隨著軍事技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的軟硬殺傷效能不斷降低,而反魚雷魚雷武器作戰(zhàn)使用范圍可以在一定程度上削弱魚雷智能化的制約,反魚雷魚雷與魚雷對抗時,可以靈活使用多種彈道,攔截成功即可消除該來襲魚雷對本艦的威脅,具有攔截對象多(可攔截聲自導(dǎo)、尾流自導(dǎo)、直航等各種工作方式魚雷)、自主作戰(zhàn)能力強、作戰(zhàn)效能高等特點,作為硬殺傷手段中的新技術(shù),反魚雷魚雷已成為當前各國海軍致力研究和發(fā)展的重點[1]。

許多發(fā)達國家的海軍從20世紀80年代就已開展研究。如法意聯(lián)合研制的MU90HK反魚雷魚雷,在MU90輕型反潛魚雷的基礎(chǔ)上研制的MU90HK反魚雷魚雷,秉承了MU90反潛魚雷命中精度高、航速快和射程遠的優(yōu)點[2]。該雷聲探測系統(tǒng)具有很高的定向精度,并支持齊射,發(fā)射60m或100m遠后才打開安全引信,可確保發(fā)射艦的安全,并具有友艦識別功能。歐洲魚雷公司在2年內(nèi)已做了100萬次先進仿真試驗。試驗統(tǒng)計表明, MU90HK可攔截軟殺傷無法對抗的重型魚雷, 對尾流自導(dǎo)魚雷和直航魚雷的平均攔截概率分別為77%和85%。

反魚雷魚雷根據(jù)其發(fā)射方式不同可以分為火箭助飛式和管裝發(fā)射式,根據(jù)發(fā)射平臺不同可以分為艦載和潛射兩種。作為魚雷防御體系結(jié)構(gòu)中內(nèi)層防御武器,反魚雷魚雷能否成功對抗來襲魚雷不僅僅取決于其自身性能,而是涉及目標探測、識別、定位、跟蹤、解算、發(fā)射、追蹤、毀傷等一系列環(huán)節(jié)。概括來講,影響ATT實際攔截來襲魚雷作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵要素有3個,即:目標定位精度、ATT射擊參數(shù)的解算精度、ATT武器的追擊和摧毀能力。本文以艦載管裝ATT為背景對系統(tǒng)作戰(zhàn)使用方法開展研究。

1　反魚雷魚雷武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)樣式

ATT武器系統(tǒng)一般由魚雷預(yù)警及探測設(shè)備、火控系統(tǒng)、發(fā)射裝置及武器組成。

魚雷預(yù)警探測系統(tǒng)主要功能為對魚雷目標進行預(yù)警、跟蹤和探測,是魚雷防御系統(tǒng)主要的目標信息來源。其主要性能體現(xiàn)在對魚雷預(yù)警和探測能力兩個方面?；鹂叵到y(tǒng)作為武器系統(tǒng)的核心,其對魚雷距離、航向、航速等彈道信息只能通過估測求取,并進行目標概略定位,劃定目標誤差散布區(qū)域,并規(guī)劃與之相匹配的ATT攔截彈道,以期ATT搜索區(qū)域能最大程度地覆蓋目標散布誤差。反魚雷魚雷主要由聲自導(dǎo)、動力推進、控制、戰(zhàn)斗部、引信等部分組成,作為一種魚雷防御體系結(jié)構(gòu)中內(nèi)層防御武器,它既能主動發(fā)射脈沖信號探測來襲魚雷,也可以采用被動接收來襲魚雷航行過程中產(chǎn)生的噪音或發(fā)射的脈沖信號發(fā)現(xiàn)目標[3]。

由于水下戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,目前對于較遠距離的魚雷目標,系統(tǒng)對其定位的精度有限,無法符合反魚雷魚雷精準攔截的需求,在此條件下,可使用其他“面殺傷”武器配合軟殺傷武器對來襲魚雷實施攔截。反魚雷魚雷攔截主要分為2個防御階段:正常防御和應(yīng)急防御。

正常防御時,來襲魚雷與本艦尚有一定的距離,此時可給系統(tǒng)預(yù)留一定的時間進行解算,在對目標進行準確定位的基礎(chǔ)上進一步解算反魚雷魚雷射擊諸元,可在一定程度上保證反魚雷魚雷作戰(zhàn)效能。

應(yīng)急防御時,此時魚雷目標與本艦距離較近,系統(tǒng)需要短時間內(nèi)解算出射擊諸元并進行應(yīng)急武器發(fā)控。發(fā)射ATT對魚雷目標實施攔截。

1.1　正常防御作戰(zhàn)

正常防御作戰(zhàn)情況下,魚雷報警聲吶在較遠距離上使用被動探測方式,近距離使用主動探測方式對來襲魚雷目標進行探測。在被動探測方式下,魚雷報警聲吶可給武器系統(tǒng)提供來襲魚雷的告警信息,同時對該目標進行持續(xù)的被動跟蹤和探測,此時系統(tǒng)可依據(jù)一系列的純方位信息,結(jié)合聲吶性能、海洋外部環(huán)境參數(shù)以及必要的輔助參數(shù)信息對魚雷目標運動要素進行估算,同時結(jié)合戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)庫對魚雷目標制導(dǎo)方式進行預(yù)判。在此情況下,受信息量的限制,系統(tǒng)對魚雷的定位及彈道預(yù)估精度有限,僅能作為系統(tǒng)制定作戰(zhàn)方案及攔截策略的依據(jù),可結(jié)合魚雷的制導(dǎo)類型,利用誘餌、干擾器等軟殺傷武器對來襲魚雷實施外層防御。在此作戰(zhàn)環(huán)境下,由于沒有高精度的目標要素信息支持,使用ATT進行防御作戰(zhàn)效能有限,僅能作為一種手段。

當來襲魚雷目標進入魚雷報警聲吶主動作用范圍時,武器系統(tǒng)可以得到含距離的來襲魚雷探測信息。在前期估算魚雷目標運動要素基礎(chǔ)上,系統(tǒng)結(jié)合主動探測信息可以在較短時間內(nèi)進行目標定位,并對其攻擊彈道進行解算,此時系統(tǒng)對魚雷目標定位的精度已達到火控級,在此基礎(chǔ)上,以戰(zhàn)場環(huán)境為基礎(chǔ),結(jié)合ATT武器的性能進行射擊諸元的解算,并規(guī)劃相應(yīng)的攔截彈道,可充分發(fā)揮ATT武器的作戰(zhàn)效能,提高防御成功概率。正常情況下作戰(zhàn)使用流程見圖1。

圖1　武器系統(tǒng)正常作戰(zhàn)流程

反魚雷魚雷武器系統(tǒng)正常作戰(zhàn)信息處理流程如下:魚雷預(yù)警探測系統(tǒng)對魚雷目標進行告警、定位和跟蹤,并實時將探測信息發(fā)送至火控系統(tǒng),火控系統(tǒng)綜合處理戰(zhàn)場態(tài)勢信息,依據(jù)指揮員決策信息進行火控解算,將攔截參數(shù)設(shè)定至ATT。當指揮員下達發(fā)射命令后,由發(fā)射裝置完成武器出管,ATT按照設(shè)定的攔截參數(shù)航行至預(yù)定位置后開啟自導(dǎo)裝置,當其接近到來襲魚雷一定距離時進行自爆,或摧毀來襲魚雷,或使其自導(dǎo)、控制系統(tǒng)功能失效,從而實現(xiàn)對來襲魚雷目標的攔截。

在正常防御作戰(zhàn)模式下,系統(tǒng)的攔截效能不僅依賴于武器自身的性能,更多依賴于聲吶對目標的跟蹤性能、武器系統(tǒng)及火控解算精度。

1.2　應(yīng)急防御作戰(zhàn)

由于環(huán)境因素等導(dǎo)致魚雷報警聲吶未能在其報警距離指標范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)來襲魚雷,發(fā)現(xiàn)來襲魚雷時魚雷距離本艦距離較近,在這種危急情況下,如果按照常規(guī)的系統(tǒng)信息處理模式進行火控解算然后組織反魚雷發(fā)射的處理方式需要耗費大量的時間,明顯不能滿足這種應(yīng)急條件下對來襲魚雷的攔截,需要啟動系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)機制,應(yīng)急規(guī)劃反魚雷魚雷攔截彈道,并解算攔截參數(shù),同時立即組織發(fā)射反魚雷魚雷,具體作戰(zhàn)流程見圖2。

反魚雷魚雷武器系統(tǒng)應(yīng)急防御作戰(zhàn)信息處理流程如下:魚雷預(yù)警探測系統(tǒng)對魚雷目標進行告警、定位并實時將探測信息發(fā)送至火控系統(tǒng),火控系統(tǒng)立即進行攔截參數(shù)應(yīng)急解算,并將攔截參數(shù)設(shè)定至ATT,同時應(yīng)急發(fā)控完成武器出管。ATT到達概略位置后,開啟自導(dǎo)裝置搜索魚雷目標。

在應(yīng)急防御作戰(zhàn)模式下,由于系統(tǒng)沒有充分的時間進行解算,攔截效能更依賴于反魚雷魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)的性能。

圖2　武器系統(tǒng)應(yīng)急作戰(zhàn)流程

2　反魚雷魚雷攔截彈道優(yōu)選技術(shù)

2.1　反魚雷魚雷攔截彈道

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[5]。彈道的多樣化使得在同一時刻,對來襲魚雷規(guī)劃不同的攔截航路均能達到預(yù)定位置攔截來襲魚雷。同樣,對于同一魚雷目標,選擇不同的發(fā)射時機規(guī)劃反魚雷魚雷目標航路也能達到攔截來襲魚雷的目的。每種不同的攔截方式均可規(guī)劃不同的攔截彈道,而彈道選擇直接影響ATT對來襲魚雷的攔截效果。在這種情況下,對反魚雷魚雷功能系統(tǒng)來說,選擇合適的攔截彈道及發(fā)射時機尤為重要。

目前常見的一般有直接攔截、迎面攔截、應(yīng)急攔截。

1)直接攔截彈道

直接攔截方式就是將ATT發(fā)射到來襲魚雷未來彈道航路的附近,使來襲魚雷剛好處于其自導(dǎo)搜索扇面形心位置,進而實現(xiàn)對魚雷目標的捕獲和攔截。該攔截彈道適用于武器系統(tǒng)對來襲魚雷進行精確定位的前提條件下,只有獲得了一定精度的目標要素信息(目標距離Dm、方位Cm、航速Vm、航向Co等),才能在此基礎(chǔ)上解算直接攔截彈道射擊諸元,實現(xiàn)“點對點”的攔截。見示意圖3,本艦航速Vb,ATT發(fā)射角Ct,航速V,經(jīng)過時間t后于A點實施攔截。

圖3　反魚雷魚雷直接攔截示意圖

相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[4]為

2) 迎面攔截彈道

迎面攔截方式就是將ATT發(fā)射到來襲魚雷未來彈道航路附近,使其經(jīng)過轉(zhuǎn)向機動后達到目標航向線正前方,并沿著來襲魚雷攻擊航向相反的方向展開搜索,實現(xiàn)對來襲魚雷的捕獲和攔截,該攔截彈道同樣適用于武器系統(tǒng)對來襲魚雷進行精確定位的前提條件下,實現(xiàn)“點對點”的攔截,見圖4。

相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為

式中:V為ATT航速,Ct為ATT航向

機動后搜索彈道:

式中:w為轉(zhuǎn)角。

圖4　ATT迎面攔截方式示意圖

3)應(yīng)急攔截彈道

應(yīng)急攔截方式就是在無法準確掌握目標運動趨勢或本艦在近距離發(fā)現(xiàn)目標時,系統(tǒng)在較短時間內(nèi)對根據(jù)目標方位信息估算目標散布區(qū)域,沿著目標的方位線(相對本艦)發(fā)射ATT實施攔截。應(yīng)急對來襲魚雷目標實施實現(xiàn)概略位置的攔截。對來襲魚雷實施應(yīng)急攔截的射擊方式比較簡單,只要得到來襲魚雷方位即可發(fā)射,即ATT發(fā)射角為當前目標方位。模型建立較為簡單,即ATT出管的方向角Ct為來襲魚雷方位Cm的方向Ct=Cm。

2.2　基于系統(tǒng)效能分析的攔截方式優(yōu)選

在魚雷預(yù)警探測系統(tǒng)進行魚雷預(yù)警后,系統(tǒng)可基于純方位信息進行魚雷要素信息估算,同時對其制導(dǎo)方式進行預(yù)判,制定有針對性的防御方案指導(dǎo)后續(xù)的防御行動。此時,從系統(tǒng)攔截效能層面考慮,不宜使用ATT實施攔截,可使用其他軟硬武器實施防御。若需要,則可考慮使用基于方位線的應(yīng)急攔截方法發(fā)射ATT實施攔截,但該方法僅作為一種手段,若要保證攔截效能,可采用多雷齊射或連射方式實施攔截,以期盡可能覆蓋目標誤差散布區(qū)域。

在系統(tǒng)有主動探測信息支持的情況下,ATT使用迎面攔截方式和直接攔截方式攔截來襲魚雷均有較高的攔截概率。當系統(tǒng)反應(yīng)時間有限的情況下,可優(yōu)先使用迎面攔截方式實施攔截。同時,由于使用迎面攔截方式對敵我態(tài)勢有一定的要求,在迎面攔截不適用的情況下,可使用直接攔截方式作為補充。

當系統(tǒng)在較近距離上發(fā)現(xiàn)來襲魚雷目標(主動探測方式)時,系統(tǒng)轉(zhuǎn)入應(yīng)急工作流程,此時系統(tǒng)沒有充裕的時間進行解算,需立即進入武器應(yīng)急發(fā)射諸元解算模式。在這種情況下,由于沒有高精度的要素信息支持,系統(tǒng)無法使用迎面和直接攔截方式對來襲魚雷實施攔截,可使用基于當前位置的應(yīng)急攔截方式對來襲魚雷實施攔截,從系統(tǒng)作戰(zhàn)效能層面分析,此時目標距離較近,ATT作戰(zhàn)交敵時間較短,目標散布誤差有限,直接利用ATT武器自身的自導(dǎo)搜索扇面對目標進行捕獲,就可獲得較大的發(fā)現(xiàn)概率。

3　仿真分析

3.1　捕獲魚雷的條件

當系統(tǒng)發(fā)射ATT后,以發(fā)射時刻本艦位置為原點,每隔t間隔實時計算ATT的位置(Xt,Yt),目標的位置(Xm,Ym),目標與ATT的連線與ATT航向線的夾角Bw,假設(shè)反魚雷魚雷自導(dǎo)扇面半角為θ,自導(dǎo)左右距離為R,搜索段航程為D(取ATT航程80%),則目標魚雷被捕獲的條件為:

2) ATT與目標的距離不大于自導(dǎo)作用距離:

3) 目標與ATT的連線與ATT航向線的夾角:|Bw|≤θ。

3.2　仿真試驗

分別選取正常和應(yīng)急防御作戰(zhàn)場景進行效能仿真分析。由于不同攔截方式對目標的信息需求程度及精度不同，正常方式下對迎面攔截和直接攔截方式進行仿真分析如圖5，應(yīng)急作戰(zhàn)方式下(近距離發(fā)現(xiàn)目標情況),對方位線攔截和當前位置攔截方式進行仿真分析。

圖5　系統(tǒng)正常作戰(zhàn)方式下,針對某態(tài)勢下,三種攔截方式的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)概率比較示意圖

基于相關(guān)研究及仿真驗證,不同攔截方式對系統(tǒng)的信息需求及特點見表1。

表1　不同攔截方式對目標信息需求及特點

4　結(jié)束語

本文分析了基于反魚雷魚雷武器系統(tǒng)正常和應(yīng)急兩種模式下對作戰(zhàn)方法及流程,并對反魚雷魚雷常用的攔截方式進行了歸納分析,建立了系統(tǒng)作戰(zhàn)使用模型。但本文的討論僅基于來襲魚雷和反魚雷魚雷處于在同一平面內(nèi)運動,要建立更完備的作戰(zhàn)使用模型,需結(jié)合實際基于以上分析和討論,結(jié)合ATT武器的性能特點,初步得到了不同信息源及反應(yīng)時間要求下的ATT攔截方式使用策略。

從目前國外相關(guān)發(fā)展趨勢來看,為了充分發(fā)揮反魚雷魚雷武器智能化、彈道靈活的優(yōu)勢,進一步拓寬反魚雷魚雷武器在水下戰(zhàn)場的應(yīng)用場景,對ATT進行遠程投送實施魚雷目標外層防御任務(wù),及利用ATT兼顧執(zhí)行反潛任務(wù)是未來ATT系統(tǒng)發(fā)展的重點思路,需要同步開展相關(guān)研究工作。

參考文獻:

[1]楊日杰， 高學(xué)強， 韓建輝. 現(xiàn)代水聲對抗技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2007.

[2]錢動, 崔立, 顧險峰. MU90HK反魚雷魚雷的作戰(zhàn)效能[J]. 魚雷技術(shù),2004，12(4)：5-8.

[3]陳春玉, 張靜遠, 王明州,等. 反魚雷技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[4]李曉寧, 明星, 朱若寒.反魚雷魚雷攔截彈道及攔截概率[J]. 魚雷技術(shù),2008，16(3)：9-12.

[5]范路, 王志杰, 曹小娟.反魚雷魚雷攔截彈道導(dǎo)引方法研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(2):77-81.