聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊目標優(yōu)化建模

宮友明，武志東，劉志成

（1.解放軍93534部隊，天津 301716；2.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042）

0 引言

潛射魚雷攻擊目標時，通常采用一次轉(zhuǎn)角射擊方式，當魚雷一次轉(zhuǎn)角射擊不能滿足魚雷以有利相遇態(tài)勢接近并發(fā)現(xiàn)目標時，需實施二次轉(zhuǎn)角射擊［1］。文獻［2］研究了預(yù)定相遇態(tài)勢下的魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊通用建模方法。

聲自導(dǎo)魚雷轉(zhuǎn)角射擊時，為降低射擊參數(shù)解算模型的復(fù)雜度，通常不考慮相遇態(tài)勢對魚雷自導(dǎo)作用距離的影響［3-4］，這時實際魚雷聲自導(dǎo)作用距離與預(yù)期的魚雷聲自導(dǎo)作用距離之間的偏差導(dǎo)致魚雷實際自導(dǎo)段彈道與預(yù)期的自導(dǎo)段彈道存在偏差，在魚雷命中角較大或較小情況下，會產(chǎn)生較大彈道偏差，甚至魚雷無法穩(wěn)定追蹤目標。

基于以上考慮，本文擬對預(yù)定相遇態(tài)勢下潛射聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時的射擊參數(shù)解算模型進行優(yōu)化，使其兼顧模型解算可行性和相遇態(tài)勢對魚雷聲自導(dǎo)作用距離的影響。

1 聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊原理

假設(shè)潛艇發(fā)射魚雷時刻目標位于Ms點，航向為Cm、速度為 Vm、舷角為 Qms、方位為 Bs、射距為 Ds，潛艇位于 Ws點，航向為 Cw、速度為 Vw、舷角為 Qws，潛艇對目標實施聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊的射擊原理，如圖1所示。

圖1 聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊原理示意圖

圖1中，Dn為潛艇觀測器材位置點到魚雷發(fā)射管管口之間的距離；φ為魚雷射擊提前角；θ為魚雷命中角（即魚雷發(fā)現(xiàn)目標時刻，目標航向線與魚雷反航向線之間的夾角）；r0為魚雷自導(dǎo)作用距離；Szh為魚雷拋射段航程；S1和S2分別為魚雷二次轉(zhuǎn)角前后的直航段航程。

當潛艇采用聲自導(dǎo)魚雷攻擊目標時，射擊瞄準點是發(fā)射魚雷時刻的目標位置點Ms，當魚雷發(fā)射出管后航行到T點時其自導(dǎo)扇面的前沿與目標同時到達預(yù)定相遇點C而構(gòu)成魚雷的發(fā)現(xiàn)條件，即：

其中，VTl為魚雷低速；VTh為魚雷高速；RT為魚雷旋回半徑；ω1和ω2分別為魚雷一次和二次轉(zhuǎn)角。

可建立聲自導(dǎo)魚雷的射擊方程［5］，即：

解算聲自導(dǎo)魚雷射擊諸元時，通常將魚雷自導(dǎo)作用距離r0取為定值，此時式（1）共有4個未知數(shù)（φ、θ、S1、S2）或（φ、ω2、S1、S2），顯然式（1）有無窮多解。為了使式（1）的解具有唯一性，通常在魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時預(yù)先給定魚雷與目標的末段相遇運動態(tài)勢，即預(yù)先指定θ和S2。

實際上目標的輻射噪聲和目標對聲波的反射強度均具有方向性，即魚雷自導(dǎo)作用距離隨魚雷發(fā)現(xiàn)目標時所處目標舷角的變化而變化。

2 魚雷聲自導(dǎo)作用距離解算模型

影響魚雷聲自導(dǎo)作用距離的因素主要有水文條件、目標聲源級、目標反射強度、魚雷自噪聲、聲波傳播損失和海洋混響等，此外還與魚雷自導(dǎo)裝置性能密切相關(guān)。在理想的水文條件下，魚雷自導(dǎo)裝置主要是受各向同性背景噪聲的影響。本文僅分析背景噪聲為各向同性噪聲時的魚雷聲納探測能力。

下面分別研究魚雷主動聲自導(dǎo)作用距離rzd和被動聲自導(dǎo)作用距離rbd的解算方法。

2.1 魚雷主動聲自導(dǎo)作用距離

依據(jù)文獻［6］可知主動聲納方程為：

其中：TL為聲傳播損失；SL為魚雷發(fā)射聲源級；TS為目標反射強度；NL為背景噪聲干擾級，主要指魚雷自噪聲；GL為魚雷自導(dǎo)裝置處理增益；DT為檢測閾。聲傳播損失TL的常用計算方法為：

其中，β為聲波傳播衰減系數(shù)。

魚雷自噪聲NL的解算模型為：

其中，VT為魚雷航行速度；HT為魚雷搜索深度；f為魚雷自導(dǎo)裝置中心工作頻率。

目標反射強度TS與目標的大小、材料及入射波的角度有關(guān)，其解算模型為：

其中：

其中，K為聲波反射系數(shù)；A，B，C分別對應(yīng)目標的長度、寬度和吃水深度（對水下目標為其高度）；Qm為魚雷發(fā)現(xiàn)目標時所處的目標舷角，當魚雷搜索扇面前沿中點與目標相遇時目標舷角Qm即為魚雷命中角θ。

聯(lián)立式（2）～式（5），即可解算出不同目標舷角Qm所對應(yīng)的魚雷主動聲自導(dǎo)作用距離rzd。

2.2 魚雷被動聲自導(dǎo)作用距離

依據(jù)文獻［6-7］可知被動聲納方程為：

其中，SL為艦船輻射噪聲，其解算模型為：

其中，T為排水量；f為頻率；k（Qm）為與目標舷角Qm有關(guān)的系數(shù)，且

或用以下模型近似計算：

聯(lián)立式（3～4，6～7），即可解算出不同目標舷角Qm所對應(yīng)的魚雷被動聲自導(dǎo)作用距離rbd。

3 魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時的參數(shù)解算模型優(yōu)化

預(yù)定相遇態(tài)勢下聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊參數(shù)的解算步驟為：1）基于攻防態(tài)勢解算聲自導(dǎo)魚雷一次轉(zhuǎn)角射擊時的命中角θ；2）在一定角度范圍內(nèi)將命中角θ優(yōu)化為θ′，并確定出魚雷二次轉(zhuǎn)角結(jié)束時與目標的相遇運動態(tài)勢；3）解算預(yù)定相遇態(tài)勢下聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時的射擊諸元。

其解算流程如圖2所示。

由圖2可知，在魚雷射擊諸元解算過程中始終認為魚雷自導(dǎo)作用距離r0保持不變，而實際上r0隨魚雷與目標的相遇態(tài)勢的變化而變化，使得魚雷首次發(fā)現(xiàn)目標時，目標不一定正好位于魚雷搜索扇面前沿中點附近，而可能偏離魚雷搜索航向較大的角度，以致實際的魚雷追蹤目標彈道過程與期望的魚雷末段彈道過程可能相差甚遠。

可見，若能實時解算聲自導(dǎo)魚雷作用距離，優(yōu)選聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時的命中角，提高預(yù)定相遇態(tài)勢（即魚雷和目標的相遇態(tài)勢）的可行性和可信度，將能在很大程度上減小魚雷末段搜捕目標彈道過程的不確定性，改善魚雷作戰(zhàn)效能。優(yōu)化后的魚雷射擊諸元解算流程，如圖3所示。

圖2 聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時的參數(shù)解算流程

圖3 聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時的參數(shù)優(yōu)化解算流程

4 實例分析

假設(shè)潛艇發(fā)射魚雷時刻的目標航向Cm為160°、航速 Vm為 20 kn、方位 Bs為 0°、射距 Ds為35 cab、長度A為130 m、寬度B為50 m、吃水C為10 m、排水量為3 000 t，潛艇航向Cw為330°、航速Vw為4 kn、航深Hw為50 m，魚雷高速VTh為60 kn、低速VTl為30 kn、拋射段航程Szh為100 m、旋回半徑RT為30 m、聲自導(dǎo)作用距離R0為1 000 m、聲自導(dǎo)裝置的處理增益GL為20 db、檢測閾DT為10 db、中心工作頻率為40 kHz、搜索深度HT為15 m、主動聲自導(dǎo)的聲源級為140 db。此外，作戰(zhàn)海區(qū)為等溫層，水溫t為5℃。

1）解算魚雷一次轉(zhuǎn)角射擊時的射擊參數(shù)，如表1所示。

表1 聲自導(dǎo)魚雷一次轉(zhuǎn)角射擊參數(shù)

表中，Skj為魚雷自導(dǎo)開機距離；其他參數(shù)的定義與式（1）一致。

2）計算魚雷主動聲自導(dǎo)作用距離。當聲自導(dǎo)魚雷采用主動工作方式時，魚雷發(fā)射聲源級SL、自噪聲NL不隨目標舷角的變化而改變，此時影響魚雷自導(dǎo)作用距離rzd的主要因素是目標反射強度TS。當魚雷自導(dǎo)段速度VT為60 kn時，TS隨目標舷角Qm的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 TS隨Qm的變化規(guī)律

圖5 rzd隨Qm的變化規(guī)律

由于目標反射強度TS的影響，魚雷主動聲自導(dǎo)作用距離rzd隨目標舷角Qm的變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知，當VT為60 kn，Qm為22°和338°時，rzd達到最大值135.4 m。同理，當VT為30 kn，Qm為22°和338°時，rzd達到最大值424.0 m。

3）計算魚雷被動聲自導(dǎo)作用距離。當聲自導(dǎo)魚雷采用被動工作方式時，魚雷自噪聲NL不隨目標舷角Qm的變化而改變，此時影響魚雷自導(dǎo)作用距離rbd的主要因素是目標聲源級SL。當魚雷自導(dǎo)段速度VT為60 kn時，SL隨目標舷角Qm的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 SL隨Qm的變化規(guī)律

受目標聲源級SL變化的影響，魚雷被動聲自導(dǎo)作用距離rbd隨目標舷角Qm的變化規(guī)律，如圖7所示。

由圖7可知，當 VT為 60 kn，Qm為 61°、119°、241°和299°時，rbd達到最大值40.82 m。同理，當VT為 30 kn，Qm為 61°、119°、241°和 299°時，rbd達到最大值497.91 m。

通過以上魚雷主被動工作方式下的聲自導(dǎo)作用距離統(tǒng)計分析和定量計算可以得出以下結(jié)論：

①當魚雷采用主動工作方式時，目標舷角對魚雷自導(dǎo)作用距離的影響主要源于目標舷角對目標反射強度的影響，且Qm為22°和338°時，rzd達到最大值。

②當魚雷采用被動工作方式時，目標舷角對魚雷自導(dǎo)作用距離的影響主要源于目標舷角對目標聲源級的影響，且 Qm為 61°、119°、241°和299°時，rbd達到最大值。

4）解算模型優(yōu)化后的聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊參數(shù)

①當魚雷采用主動聲自導(dǎo)工作方式時，可將魚雷命中角θ由27.5°優(yōu)化為22°，此時以S2取值為1 000 m為例，不同魚雷自導(dǎo)段速度VT對應(yīng)的魚雷射擊諸元，如表2所示。

表2 主動聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊參數(shù)

②當魚雷采用被動聲自導(dǎo)工作方式時，可將魚雷命中角θ由27.5°優(yōu)化為61°，此時以S2取值為1 000 m為例，不同魚雷自導(dǎo)段速度VT對應(yīng)的魚雷射擊諸元，如表3所示。

表3 被動聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊參數(shù)

可見，通過對預(yù)定相遇態(tài)勢下魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時的射擊參數(shù)解算模型進行優(yōu)化，不但可以實現(xiàn)同時對魚雷命中角、自導(dǎo)作用距離和自導(dǎo)段彈道過程進行優(yōu)化，而且能夠做到同時兼顧模型解算可行性和相遇態(tài)勢對魚雷聲自導(dǎo)作用距離的影響。

5 結(jié)論

本文建立了預(yù)定相遇態(tài)勢下潛射聲自導(dǎo)魚雷二次轉(zhuǎn)角射擊時，其射擊參數(shù)的優(yōu)化解算模型，并通過實例驗證了其可行性。在使用該解算模型時，應(yīng)根據(jù)魚雷戰(zhàn)技術(shù)性能參數(shù)和被攻擊目標的類型提供必要的模型輸入，從而使該模型能夠同時適用于聲自導(dǎo)魚雷對潛和對艦二次轉(zhuǎn)角射擊時的參數(shù)解算。