陳顏輝,張建清
(1.中船重工集團(tuán)公司第709研究所,湖北 武漢 430205;2.中國(guó)人民解放軍91959部隊(duì),海南 三亞 572000)
對(duì)潛射聲自導(dǎo)魚(yú)雷的攔截是艦載反魚(yú)雷魚(yú)雷(anti-torpedo torpedo,ATT)攔截運(yùn)用的一個(gè)重要內(nèi)容。潛射聲自導(dǎo)魚(yú)雷的完整攻擊彈道可分為初始段、自控直航段、直航搜索段、自導(dǎo)追蹤段和再搜索段等部分[1-2]。綜合分析螺旋槳?jiǎng)恿TT的技術(shù)性能以及水面艦艇魚(yú)雷報(bào)警聲納的探測(cè)范圍,不難看出,ATT應(yīng)主要針對(duì)聲自導(dǎo)魚(yú)雷的直航搜索段末段以及自導(dǎo)追蹤段的彈道實(shí)施攔截。但是,目前的相關(guān)文獻(xiàn)主要是圍繞其自導(dǎo)追蹤段展開(kāi)研究,而未提及本艦的規(guī)避機(jī)動(dòng)對(duì)魚(yú)雷追蹤彈道的綜合影響[3-8]。事實(shí)上,聲自導(dǎo)魚(yú)雷在直航搜索段和自導(dǎo)追蹤段的彈道特征明顯不同,ATT針對(duì)這2段彈道的攔截原理也有著很大區(qū)別,由此就涉及到ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離概念,下面對(duì)此展開(kāi)詳細(xì)探討。
當(dāng)潛射聲自導(dǎo)魚(yú)雷處于直航搜索狀態(tài)時(shí),其自導(dǎo)裝置雖已開(kāi)機(jī)但尚未發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則魚(yú)雷通常仍保持定向直航。當(dāng)魚(yú)雷自導(dǎo)捕獲目標(biāo)后就會(huì)轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤狀態(tài),其彈道特征則由魚(yú)雷的自導(dǎo)追蹤方式和目標(biāo)航行狀態(tài)等因素綜合決定。2種不同的彈道決定了ATT要采取不同的攔截方式。
在發(fā)射ATT攔截處于直航搜索狀態(tài)的魚(yú)雷時(shí),首先要預(yù)測(cè)其直航搜索段的彈道散布,以便有針對(duì)性地確定攔截區(qū)域,彈道預(yù)測(cè)原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2,9-10],在此不作贅述。在預(yù)測(cè)出魚(yú)雷直航搜索段的彈道散布后,ATT可采取提前角攔截、迎擊彈道攔截或方位線攔截來(lái)實(shí)施對(duì)抗[11]。圖1為ATT提前角攔截示意圖,當(dāng)ATT自導(dǎo)扇面的前端中點(diǎn)(或幾何形心)與來(lái)襲魚(yú)雷構(gòu)成相遇三角形時(shí),其自導(dǎo)搜索帶能夠?qū)ΨQ遮蓋目標(biāo)散布,捕獲概率最大,對(duì)應(yīng)于目標(biāo)方位的射擊提前角就是ATT的有利射擊提前角。
圖1 ATT提前角攔截要素求解示意圖
令雷艦距離為DT,聲自導(dǎo)魚(yú)雷航速為vT,射擊提前角為φ,ATT按照有利提前角η射擊,航速為vB,自導(dǎo)作用距離為rB,自導(dǎo)扇面前端中點(diǎn)B處所對(duì)應(yīng)目標(biāo)方位的提前角為φB。當(dāng)B點(diǎn)與T點(diǎn)魚(yú)雷彈道構(gòu)成相遇三角形時(shí),有下面的關(guān)系式成立:
sinφB=[vTsin(φ-β)]/vB=(DTsinβ)/rB
(1)
經(jīng)化簡(jiǎn)整理得到:
(2)
最終,得到ATT射擊的有利提前角η:
(3)
式中:來(lái)襲魚(yú)雷射擊提前角φ的求解原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2,9]。
當(dāng)來(lái)襲魚(yú)雷進(jìn)入自導(dǎo)追蹤狀態(tài)時(shí),魚(yú)雷彈道則會(huì)呈曲線特征,可預(yù)測(cè)性差,這就增加了ATT攔截運(yùn)用研究的難度。文獻(xiàn)[3-8]圍繞這種曲線彈道從不同角度展開(kāi)了探索,但其研究背景中均未考慮本艦機(jī)動(dòng)與魚(yú)雷追蹤彈道之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng),以及由此引起ATT攔截方式的變化,這是與實(shí)際不符的。因?yàn)槿魏嗡媾炌Оl(fā)現(xiàn)魚(yú)雷來(lái)襲時(shí)都不可能無(wú)動(dòng)于衷,但本艦一旦采取規(guī)避機(jī)動(dòng),則必然會(huì)引起魚(yú)雷的自導(dǎo)追蹤彈道也發(fā)生相應(yīng)變化,這種狀態(tài)下發(fā)射ATT實(shí)施攔截時(shí),就要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整才能確保可靠命中。調(diào)整原則就是通過(guò)本艦采取的典型規(guī)避機(jī)動(dòng)方式來(lái)預(yù)測(cè)魚(yú)雷自導(dǎo)追蹤彈道的變化,從而確定ATT攔截方式及射擊要素。
根據(jù)以上分析,針對(duì)聲自導(dǎo)魚(yú)雷的2個(gè)制導(dǎo)階段實(shí)施攔截時(shí),相關(guān)的魚(yú)雷彈道特征和ATT攔截運(yùn)用原理各不相同,這就涉及到了ATT攔截方式變更時(shí)對(duì)應(yīng)臨界雷艦距離D′T的求解問(wèn)題。考慮到魚(yú)雷自導(dǎo)追蹤彈道主要受本艦機(jī)動(dòng)方式的影響,下面按照本艦分別采取背轉(zhuǎn)停車規(guī)避、保持原狀態(tài)航行和轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離規(guī)避3種典型態(tài)勢(shì)展開(kāi)分析。
背轉(zhuǎn)停車規(guī)避能夠迅速降低本艦輻射噪聲,雖然從指揮作戰(zhàn)心理方面考慮難以被輕易接受,但理論上仍存在一定合理性。圖2給出了本艦采取背轉(zhuǎn)停車規(guī)避時(shí)的D′T求解示意:水面艦艇以航速vW沿x軸正向直航,抵達(dá)W點(diǎn)時(shí)探測(cè)到右舷x(chóng)W處的T點(diǎn)出現(xiàn)可疑信息;水面艦艇經(jīng)分析后在W′點(diǎn)確認(rèn)報(bào)警,立即背轉(zhuǎn)停車并擇機(jī)發(fā)射ATT,對(duì)航行至T′點(diǎn)的魚(yú)雷實(shí)施提前角攔截;當(dāng)來(lái)襲魚(yú)雷航行至T″點(diǎn)時(shí)自導(dǎo)裝置捕獲本艦,之后魚(yú)雷將轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤彈道。不考慮各種誤差因素以及ATT追蹤彈道的曲率特性,如果由W′發(fā)射的ATT恰好與來(lái)襲魚(yú)雷在T″點(diǎn)相遇,則W′T′段雷艦距離D′T就是背轉(zhuǎn)停車規(guī)避態(tài)勢(shì)下ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離。
圖2 停車規(guī)避時(shí)D′T的求解示意圖
令魚(yú)雷自導(dǎo)作用距離為r,末制導(dǎo)采取尾追彈道,其余參數(shù)含義同前。觀察圖2,當(dāng)ATT恰好與來(lái)襲魚(yú)雷在T″點(diǎn)相遇時(shí),存在以下關(guān)系式:
(4)
式中:DB為ATT從發(fā)射點(diǎn)W′到T″點(diǎn)的航程,若按照ATT自導(dǎo)捕獲時(shí)刻算則為DB-rB;sT為ATT走完DB段航程時(shí)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的T′T″段魚(yú)雷航程;γ為魚(yú)雷抵達(dá)T′點(diǎn)時(shí)相對(duì)本艦停車方位W′T′的提前角;DK為魚(yú)雷捕獲本艦時(shí)的T″點(diǎn)到W′T′方位線的垂直距離(即T″K段);DT為本艦開(kāi)始背轉(zhuǎn)旋回時(shí)的雷艦距離;D′T為W′點(diǎn)水面艦艇在發(fā)射ATT時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的W′T′段雷艦距離,滿足指定條件(由W′發(fā)射的ATT恰好與來(lái)襲魚(yú)雷在T″點(diǎn)相遇)時(shí)即為臨界雷艦距離。
按照以上想定進(jìn)行仿真,取水面艦艇航速vW=9 m/s,輻射噪聲各向同性,報(bào)警聲納探測(cè)到魚(yú)雷可疑信息的距離為5 000 m,當(dāng)雷艦距離DT=4 000 m時(shí),確認(rèn)報(bào)警并立即停車;魚(yú)雷航速vT=22.5 m/s,在vW=9 m/s時(shí),對(duì)應(yīng)魚(yú)雷被動(dòng)自導(dǎo)距離為1 400 m,在水面艦艇停車時(shí),按照魚(yú)雷主動(dòng)探測(cè),取自導(dǎo)距離同樣為1 400 m;令A(yù)TT航速vB=vT,λB=90°,rB為600~800 m。
編譯并運(yùn)行仿真程序,標(biāo)注報(bào)警舷角XW為30°,60°,90°,120°,150°時(shí)所對(duì)應(yīng)的T″點(diǎn),計(jì)算DB,sT以及相應(yīng)的臨界雷艦距離D′T,再根據(jù)DB,sT和T″點(diǎn)標(biāo)注出D′T的遠(yuǎn)端點(diǎn)T′,對(duì)T′作擬合曲線,如圖3所示。
圖3 停車規(guī)避時(shí)T′點(diǎn)擬合曲線
在圖3中,對(duì)應(yīng)的ATT發(fā)射點(diǎn)W′為固定點(diǎn),魚(yú)雷從艦首到艦尾不同舷角入射時(shí)的T′點(diǎn)圍繞W′點(diǎn)近似呈對(duì)稱分布。
本艦發(fā)現(xiàn)魚(yú)雷報(bào)警后繼續(xù)保持原狀態(tài)航行的情況在實(shí)際對(duì)抗中并不具有代表性,但相關(guān)對(duì)抗策略研究仍是業(yè)內(nèi)關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。圖4給出了本艦保持原狀態(tài)航行時(shí)的D′T求解示意:水面艦艇以航速vW沿x軸正向直航,抵達(dá)W點(diǎn)時(shí)探測(cè)到右舷XW處的T點(diǎn)出現(xiàn)可疑信息;經(jīng)過(guò)分析確認(rèn)魚(yú)雷并報(bào)警后,水面艦艇繼續(xù)保持原狀態(tài)航行,并于W′點(diǎn)發(fā)射ATT,對(duì)航行至T′點(diǎn)的魚(yú)雷實(shí)施提前角攔截;本艦在抵達(dá)W″點(diǎn)時(shí)被航行至T″點(diǎn)魚(yú)雷自導(dǎo)裝置捕獲,之后魚(yú)雷將轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤彈道。不考慮各種誤差因素以及ATT追蹤彈道的曲率特性,如果由W′發(fā)射的ATT恰好與來(lái)襲魚(yú)雷在T″點(diǎn)相遇,則W′T′段雷艦距離D′T就是原狀態(tài)航行態(tài)勢(shì)下ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離。
圖4 保持原狀態(tài)航行時(shí)D′T的求解示意圖
令sW為水面艦艇在W′W″段的航程,ATT航速vB=vT,其余參數(shù)含義同前,則存在以下關(guān)系式:
(5)
令魚(yú)雷和ATT參數(shù)設(shè)置同前,取水面艦艇航速vW=9 m/s,報(bào)警聲納探測(cè)到魚(yú)雷可疑信息的距離為5 000 m,確認(rèn)魚(yú)雷報(bào)警后繼續(xù)保持原航行狀態(tài)。編譯并運(yùn)行仿真程序,標(biāo)注報(bào)警舷角XW為30°,60°,90°,120°,150°時(shí)所對(duì)應(yīng)的W″點(diǎn)和T″點(diǎn),計(jì)算DB,sT以及相應(yīng)的臨界雷艦距離D′T,再根據(jù)DB,sT和T″點(diǎn)標(biāo)注出D′T的遠(yuǎn)端點(diǎn)T′和近端點(diǎn)W′,對(duì)T′作擬合曲線,如圖5所示。
圖5 保持原狀態(tài)航行時(shí)T′點(diǎn)擬合曲線
在圖5中,對(duì)應(yīng)的ATT發(fā)射點(diǎn)W′和本艦被捕獲點(diǎn)W″均非固定點(diǎn),而是沿著本艦航行方向,并隨報(bào)警舷角XW的增加由近至遠(yuǎn)排列。T′點(diǎn)則在艦首方向距離W′最遠(yuǎn),在艦尾部方向最近。
本艦發(fā)現(xiàn)魚(yú)雷報(bào)警后立即轉(zhuǎn)向規(guī)避是一種典型的對(duì)抗方式,但與純機(jī)動(dòng)規(guī)避目的不同,當(dāng)無(wú)法擺脫魚(yú)雷的捕獲與攻擊,且在ATT可用的情況下,應(yīng)將全力保障ATT的攔截效果作為規(guī)避機(jī)動(dòng)的主要目的。而根據(jù)魚(yú)雷自導(dǎo)追蹤特征,當(dāng)本艦立即轉(zhuǎn)向?qū)Ⅳ~(yú)雷置于艦尾舷角遠(yuǎn)離航行時(shí),無(wú)論來(lái)襲魚(yú)雷采取哪一種追蹤方式,都只有沿著當(dāng)前或近似當(dāng)前雷艦方位線接近本艦,才能確保命中(否則不會(huì)對(duì)本艦構(gòu)成威脅),這種態(tài)勢(shì)下的自導(dǎo)追蹤彈道也就具備了可清晰預(yù)測(cè)的特征。此時(shí)水面艦艇再投放ATT并使其沿雷艦方位定向直航,則可獲得最佳的攔截效果[12]。
圖6給出了本艦采取轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離規(guī)避時(shí)的D′T求解示意:水面艦艇以航速vW沿x軸正向直航,抵達(dá)W點(diǎn)時(shí)探測(cè)到右舷XW處的T點(diǎn)出現(xiàn)可疑信息;經(jīng)過(guò)分析確認(rèn)魚(yú)雷并報(bào)警后,水面艦艇立即轉(zhuǎn)向,將魚(yú)雷置于艦尾舷角并高速脫離,期間于某點(diǎn)W′發(fā)射ATT實(shí)施提前角攔截,本艦在抵達(dá)W″點(diǎn)時(shí)被航行至T″點(diǎn)魚(yú)雷的自導(dǎo)裝置捕獲,之后魚(yú)雷將轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤彈道。不考慮各種誤差因素以及ATT追蹤彈道的曲率特性,如果由W′發(fā)射的ATT恰好與來(lái)襲魚(yú)雷在T″點(diǎn)相遇,則W′T′段雷艦距離D′T就是轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離態(tài)勢(shì)下ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離。
圖6 轉(zhuǎn)向規(guī)避時(shí)D′T的求解示意圖
轉(zhuǎn)向規(guī)避的對(duì)抗態(tài)勢(shì)比較復(fù)雜,為計(jì)算方便,可做如下近似:
DB/vB≈fr/(vB+vW)
(6)
當(dāng)水面艦艇規(guī)避航速vW=9 m/s時(shí),可取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)f=1.38-0.15XW,其中,XW以弧度為單位。則有以下關(guān)系式:
(7)
令魚(yú)雷和ATT參數(shù)設(shè)置同前,取水面艦艇航速vW=9 m/s,報(bào)警聲納探測(cè)到魚(yú)雷可疑信息的距離為5 000 m,當(dāng)雷艦距離DT=4 000 m時(shí),確認(rèn)魚(yú)雷報(bào)警并滿舵轉(zhuǎn)向;取水面艦艇規(guī)避決策延遲時(shí)間td=10 s,旋回角速度ω=0.03 rad/s,當(dāng)水面艦艇以vW=9 m/s航行時(shí)魚(yú)雷自導(dǎo)距離為1 400 m,當(dāng)處于滿舵轉(zhuǎn)向狀態(tài)或以vW=15 m/s高速規(guī)避時(shí),魚(yú)雷自導(dǎo)距離均為2 500 m。
編譯并運(yùn)行仿真程序,標(biāo)注報(bào)警舷角XW為30°,60°,90°,120°,150°時(shí),所對(duì)應(yīng)的W″點(diǎn)和T″點(diǎn),計(jì)算DB,sT以及相應(yīng)的臨界雷艦距離D′T,再根據(jù)DB,sT和T″點(diǎn)標(biāo)注出D′T的遠(yuǎn)端點(diǎn)T′和近端點(diǎn)W′,對(duì)T′作擬合曲線,如圖7所示。
圖7 轉(zhuǎn)向規(guī)避時(shí)T′點(diǎn)擬合曲線
在圖7中,對(duì)應(yīng)的ATT發(fā)射點(diǎn)W′和本艦被捕獲點(diǎn)W″均非固定點(diǎn),尤其W′點(diǎn)或者位于本艦轉(zhuǎn)向點(diǎn),或者位于轉(zhuǎn)向后的本艦航線上。T′點(diǎn)在艦首方向距離W′最遠(yuǎn),在艦尾部方向最近。
利用上述3種模型及給定參數(shù),圍繞D′T進(jìn)行數(shù)值仿真,如圖8所示;圍繞DK進(jìn)行數(shù)值仿真,如圖9所示。其中,對(duì)轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離規(guī)避情形,按照轉(zhuǎn)向后航速分別為9 m/s和15 m/s進(jìn)行了仿真。
圖8 3種態(tài)勢(shì)下D′T的數(shù)值仿真
圖9 3種態(tài)勢(shì)下DK的數(shù)值仿真
在仿真給定條件下,分析不同態(tài)勢(shì)的D′T和DK,可以得出以下規(guī)律:
①觀察比較圖8、圖9和圖3,當(dāng)水面艦艇采取背轉(zhuǎn)停車規(guī)避時(shí),魚(yú)雷從首尾附近入射時(shí)D′T≈2r,從正橫附近入射時(shí)D′T有所減小,這主要是魚(yú)雷提前角φ隨報(bào)警舷角XW呈小幅變化所致的波動(dòng)。
魚(yú)雷從正橫附近入射時(shí),有DK≥500 m,這意味著本艦向正橫附近、T′以遠(yuǎn)的魚(yú)雷方位發(fā)射ATT時(shí),將無(wú)法覆蓋到T″點(diǎn)附近的魚(yú)雷彈道(見(jiàn)圖3)。
②觀察比較圖8、圖9和圖5,當(dāng)水面艦艇始終保持原狀態(tài)航行時(shí),魚(yú)雷從艦首附近入射,D′T>2r,從艦尾附近入射,D′T<2r。從正橫方向一定舷角范圍內(nèi)入射時(shí)D′T和DK無(wú)解,即式(5)中根號(hào)下為負(fù)值,出現(xiàn)vW/vB 魚(yú)雷從正橫附近入射時(shí),DK較小,意味著沿T′魚(yú)雷方位發(fā)射的ATT能夠覆蓋到較大部分的魚(yú)雷自導(dǎo)追蹤彈道。 ③觀察比較圖8、圖9和圖7,當(dāng)水面艦艇采取背轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離規(guī)避時(shí),魚(yú)雷從艦首附近入射,所對(duì)應(yīng)的ATT發(fā)射點(diǎn)W′并不在本艦轉(zhuǎn)向后的航線上,而是位于轉(zhuǎn)向點(diǎn)W上。這是由于水面艦艇規(guī)避艦首入射魚(yú)雷時(shí)需要實(shí)施大角度轉(zhuǎn)向,在轉(zhuǎn)向點(diǎn)W的時(shí)間消耗較長(zhǎng),轉(zhuǎn)向完畢前就被魚(yú)雷自導(dǎo)裝置成功捕獲,所對(duì)應(yīng)的D′T,DK均與圖3中背轉(zhuǎn)后停車情形相近。 當(dāng)魚(yú)雷從艦尾附近入射時(shí),水面艦艇轉(zhuǎn)向旋回的角度很小,在轉(zhuǎn)向點(diǎn)W的時(shí)間消耗較短,若轉(zhuǎn)向完畢繼續(xù)保持vW=9 m/s常速航行,則D′T,DK與圖5中保持原狀態(tài)航行的情形相近。 當(dāng)水面艦艇采取vW=15 m/s高速規(guī)避時(shí),魚(yú)雷自導(dǎo)距離會(huì)增加,進(jìn)而導(dǎo)致D′T和DK也相應(yīng)增加,甚至?xí)霈F(xiàn)D′T>DT的情形(見(jiàn)圖7中XW≤90°時(shí)),說(shuō)明這種情況下水面艦艇一經(jīng)發(fā)現(xiàn)魚(yú)雷就只能攔截其自導(dǎo)追蹤彈道,而無(wú)法對(duì)其直航搜索彈道實(shí)施攔截。魚(yú)雷從正橫附近入射時(shí),DK≥500 m,也意味著本艦向正橫附近、T′以遠(yuǎn)的魚(yú)雷方位發(fā)射ATT時(shí),將無(wú)法覆蓋到T″點(diǎn)附近的魚(yú)雷彈道。 根據(jù)以上分析,水面艦艇在對(duì)抗聲自導(dǎo)魚(yú)雷時(shí),ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離D′T是客觀存在的。當(dāng)實(shí)際雷艦距離DT≥D′T時(shí),應(yīng)針對(duì)魚(yú)雷的直航搜索彈道確定ATT射擊要素;當(dāng)實(shí)際雷艦距離DT 盡管D′T是客觀存在的,但是考慮到本艦輻射噪聲的聲場(chǎng)分布、報(bào)警聲納的測(cè)向誤差、魚(yú)雷性能估計(jì)誤差、魚(yú)雷彈道預(yù)測(cè)散布以及本艦規(guī)避策略的多樣性等因素的影響,實(shí)際對(duì)抗中要對(duì)D′T予以準(zhǔn)確把握和利用并不容易。如何降低D′T的不利影響,尋求與D′T無(wú)關(guān)或弱相關(guān)的對(duì)抗策略,這將成為ATT攔截運(yùn)用研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前可考慮從以下幾個(gè)戰(zhàn)技方向著手采取措施: ①發(fā)射2枚或多枚ATT,針對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷直航搜索段彈道散布和自導(dǎo)追蹤段的彈道散布同時(shí)構(gòu)成有效遮攔。 ②從技術(shù)層面著手增加ATT的自導(dǎo)探測(cè)范圍,或者從運(yùn)用層面著手探討對(duì)ATT攔截航向的進(jìn)一步修正,以確保ATT的遮攔寬度能對(duì)2種彈道散布構(gòu)成全部覆蓋。 ③不以毀傷魚(yú)雷概率最大為目的實(shí)施提前角攔截或迎擊彈道攔截,而是以對(duì)本艦當(dāng)前位置點(diǎn)W能構(gòu)成最強(qiáng)防護(hù)為目的實(shí)施方位線攔截。 ④利用本艦規(guī)避機(jī)動(dòng)與魚(yú)雷自導(dǎo)追蹤彈道的關(guān)聯(lián)性,選擇合理的規(guī)避方式來(lái)提高對(duì)魚(yú)雷自導(dǎo)追蹤彈道的預(yù)測(cè)精度,并判斷魚(yú)雷距離比較近時(shí)再沿其方位線發(fā)射ATT攔截。3 結(jié)束語(yǔ)