大型水面艦艇防護策略仿真與優(yōu)化

張 江

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大型水面艦艇防護策略仿真與優(yōu)化

張 江

（國防科技大學信息通信學院，武漢 430010）

為確定大型水面艦艇防護結構的重點保護部位，本文建立了基于概率分布的聲尾流自導魚雷進入尾流位置和航向模型，結合較貼近實際的尾流聲學仿真模型、魚雷聲學自導檢測模型和彈道模型，設計了基于模擬法的聲尾流自導魚雷仿真系統(tǒng)，在此基礎上實現(xiàn)了對聲尾流自導魚雷命中區(qū)域的仿真計算，并據(jù)此優(yōu)化大型水面艦艇防護策略。上述方法對實現(xiàn)艦艇輕量化設計，提高其防護能力具有借鑒作用。

尾流自導魚雷 尾流模型 命中區(qū)域 大型水面艦艇 艦船防護

0 引言

現(xiàn)代大型水面艦艇通常采用防護結構來實現(xiàn)支撐上層建筑以及阻擋爆炸產(chǎn)生的破片和沖擊波載荷。隨著先進武器和船體輕量化發(fā)展的需求，需要對艦艇的重要保護部位進行分析，優(yōu)化其防護策略。

當前對水面艦艇威脅而言，來自水下的最大威脅當屬各類魚雷武器。其中尾流自導魚雷憑借其獨特的制導方式被公認為是最有效的反艦手段之一。如果能夠判斷尾流自導魚雷對水面艦艇的主要命中區(qū)域，即可有針對性的在重點區(qū)域布設結構防護，在實現(xiàn)艦艇的輕量化設計的同時提高其生存概率。

本文在建立相關仿真模型的基礎上，設計了基于魚雷作戰(zhàn)效能的聲尾流自導魚雷仿真系統(tǒng)，在此基礎上實現(xiàn)了對聲尾流自導魚雷命中區(qū)域的仿真計算，并據(jù)此優(yōu)化大型水面艦艇防護策略。

1 仿真模型

1.1 尾流檢測模型

從尾流自導魚雷攻擊仿真的角度考慮，若魚雷處于尾流區(qū)域內(nèi)或其正下方，可認為成功檢測到尾流信號。因此仿真中所關注的尾流特征主要指尾流的長度和寬度的幾何形狀與幾何尺寸，通常是通過實際測量和統(tǒng)計來確定。

1）尾流長度模型

2）尾流寬度模型

根據(jù)尾流的實際測量和統(tǒng)計來確定，氣泡尾流的寬度一般呈類似削好的鉛筆式的錐形。大量的考察與研究發(fā)現(xiàn)，在艦船尾部，尾流只有艦船寬度的一半左右。隨著尾流的延長，寬度線性發(fā)散，其發(fā)散角約為40°～60°之間。在大于某一距離（通常幾倍于船長）后，尾流寬度就僅以1°左右發(fā)散角擴展。在中等距離上，尾流寬度約增加到2.5倍艦寬（見圖1）。

圖1 艦艇尾流

據(jù)此可以求解半尾流寬度隨尾流長度變化的數(shù)學模型。

圖2 半尾流寬度解算示意圖

如圖2所示，以艦船水平中心為原點，艦艇航向線為X軸，建立直角坐標系XOY。設艦艇長度為A=2b，寬度為B=2a。根據(jù)解析幾何的直線表達式可將線段MN表示為

將N點坐標(-a,0.5b)帶入上式，則有

根據(jù)上式可求得M點橫坐標為

則半尾流寬度可表示為

1.2 魚雷進入尾流位置及航向解算

圖3 魚雷進入尾流位置及航向解算示意圖

1.3 魚雷命中位置解算

圖4 魚雷命中位置解算示意圖

2 仿真系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)需求分析

仿真系統(tǒng)需要完成以下主要功能：

1）目標參數(shù)及尾流特性設置，包括目標類型、速度、航向以及機動模式、尾流矩形塊的最小尺寸、空穴或斷層出現(xiàn)的次數(shù)和尺寸等內(nèi)容的設定；

2）魚雷參數(shù)設置，包括魚雷總體參數(shù)、自導系統(tǒng)參數(shù)、導引策略參數(shù)等內(nèi)容的設定；

3）仿真環(huán)境設置，包括海區(qū)水文條件、附加誤差量、仿真次數(shù)及仿真結果保存路徑的設定；

4）模擬聲尾流自導魚雷攻擊過程，包括從魚雷發(fā)射參數(shù)解算開始到魚雷命中目標或航程耗盡結束的完整攻擊過程；

5）以圖表的形式輸出相關的仿真結果（例如命中概率、航程損失等），并保存仿真結果數(shù)據(jù)。

2.2 總體方案設計

系統(tǒng)總體上采用模塊化設計，各個模塊之間用數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，圖5描述了本仿真系統(tǒng)的總體結構?？騼?nèi)注明了子模塊的名字，方框之間的直線表示子模塊的調(diào)用關系。

仿真系統(tǒng)應包含五大仿真內(nèi)容：

1）發(fā)射參數(shù)解算：對設定的戰(zhàn)術態(tài)勢，按照火控系統(tǒng)計算原理計算出投放參數(shù)；

2）魚雷運動仿真：根據(jù)魚雷彈道控制參數(shù)按仿真步長計算魚雷運動軌跡；

3）目標運動仿真：根據(jù)設定的目標運動規(guī)律按仿真步長計算目標運動軌跡；

4）尾流生成仿真：根據(jù)設定的尾流特性，生成相應的尾流序列；

5）自導檢測過程仿真：根據(jù)設定的魚雷自導檢測模型仿真魚雷對目標的檢測過程。

圖5 仿真系統(tǒng)總體設計框圖

仿真系統(tǒng)應包含五大核心模塊：

1）發(fā)射參數(shù)解算：對設定的戰(zhàn)術態(tài)勢，按照火控系統(tǒng)計算原理計算出投放參數(shù)；

2）魚雷運動仿真：根據(jù)魚雷彈道控制參數(shù)按仿真步長計算魚雷運動軌跡；

3）目標運動仿真：根據(jù)設定的目標運動規(guī)律按仿真步長計算目標運動軌跡；

4）尾流生成仿真：根據(jù)設定的尾流特性，生成相應的尾流序列；

5）自導檢測過程仿真：根據(jù)設定的魚雷自導檢測模型仿真魚雷對目標的檢測過程。

本仿真系統(tǒng)按如下思想設計：首先由參數(shù)設定模塊完成戰(zhàn)術態(tài)勢設置，確定目標運動模型及尾流生成模型；仿真開始后，首先基于設定的魚雷總體參數(shù)及自導系統(tǒng)參數(shù)解算魚雷發(fā)射參數(shù)，然后由魚雷入水點為原點建立直角坐標系，確定魚雷和目標的初始位置及航向，同時生成初始尾流；在隨后的仿真過程當中，按照設定的步長仿真步進，自導檢測模塊在每個仿真周期內(nèi)檢測尾流信號，判斷魚雷進出尾流的狀態(tài)；魚雷運動仿真模塊根據(jù)檢測結果按照設定的導引策略模擬魚雷運動。在仿真過程中目標按照設定的運動模式獨立運行，包括其完成機動過程也是如此。在每個仿真周期中，尾流生成模塊都要根據(jù)目標狀態(tài)生成新的尾流模型。上述仿真過程周而復始，直至魚雷命中目標或航程耗盡。

總體方案設計中，充分考慮到了導引策略優(yōu)化仿真的便捷性問題，基本實現(xiàn)了導引策略設計對其他模塊無影響。而且系統(tǒng)擁有良好的人機交互環(huán)境，模塊設計具有可重用性和擴充性，模塊獨立性較強，具有一定的可移植性。

3 結果分析

根據(jù)設定的仿真條件，基于兩種概率分布的魚雷進入尾流位置，對魚雷命中艦艇區(qū)域進行仿真計算。一是以有效尾流中心為中心，以半個有效尾流長度為最大散布，按正態(tài)分布建模；二是在有效尾流長度內(nèi)按均勻分布建模。仿真結果如圖6所示。其中不同顏色點分別對應不同的水面艦艇航速條件下的命中點，命中點越密集的區(qū)域表示被尾流自導魚雷命中的可能性越高。

圖6 仿真結果

分析上述仿真結果可知，在兩種魚雷進入尾流位置概率分布下的命中區(qū)域具有相同的特點，即命中區(qū)域基本集中于水面艦艇的中后部。并呈現(xiàn)出隨著目標航速的增高，命中區(qū)域向艦艇尾部的左右側(cè)面集中的趨勢。而對于艦艇的正后方而言，其被命中的概率與舷側(cè)相比并不顯著。

因此，就受到尾流自導魚雷攻擊而言，大型水面艦艇并不需要在所有部位布設防護結構，其防護重應為艦艇的中后部的左右舷側(cè)，特別是靠近尾部的舷側(cè)應特別加強防護。同時，艦艇在遭受尾流自導魚雷攻擊時，應迅速提升航速進行機動，配合其他防御手段提高自身的生存概率。

4 結束語

尾流自導魚雷是大型水面艦艇的主要威脅，本文在構建基于概率分布的聲尾流自導魚雷進入尾流位置和航向模型的基礎上，利用聲尾流自導魚雷仿真系統(tǒng)對魚雷命中區(qū)域進行了仿真分析，為優(yōu)化水面艦艇防護策略，實現(xiàn)艦艇的輕量化設計提供仿真依據(jù)。然而實戰(zhàn)中水面艦艇需要面對的水下威脅并不只有尾流自導魚雷，針對其他諸如水雷或聲自導魚雷的威脅，還需要使進一步細致研究相應的水面艦艇防護策略。

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Simulation and Optimization of Large Surface Warship Protection Armor Structure

Zhang Jiang

（Academy of Information & Communication National University of Defense Technology, Wuhan 430010）

U674

A

1003-4862（2018）09-0019-04

2018-05-03

張江(1980-)，男，講師，博士。研究方向：武器系統(tǒng)仿真。Email: liondancing@qq.com