潛艇對空投魚雷的防御模型研究

周雪松，程健慶，苗 艷

（中國船舶重工集團(tuán)公司江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

反潛戰(zhàn)中，魚雷是水面艦艇或反潛直升機(jī)攻擊潛艇最有效的武器?，F(xiàn)代聲自導(dǎo)魚雷能利用聲自導(dǎo)系統(tǒng)以32kn到50kn的速度追蹤潛艇?？胀遏~雷其入水點(diǎn)一般距潛艇較近，從入水到攻擊上1km范圍內(nèi)的潛艇，僅需花費(fèi)1-1.5min的時(shí)間[1]。潛艇單靠機(jī)動(dòng)規(guī)避來擺脫空投魚雷的來襲比較困難。

當(dāng)前防御空投魚雷的有效措施之一是使用噪聲干擾器切斷空投魚雷與潛艇的接觸，從而使魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)迷盲，這就為潛艇爭取到規(guī)避魚雷的時(shí)間[2]由于噪聲干擾器只能對目標(biāo)進(jìn)行干擾、抑制，功能比較單一，一旦被魚雷穿越，將很快失去作用，此時(shí)潛艇生存概率很低，大約為15%（系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間30s）[3]。為增強(qiáng)對抗效果，通常將噪聲干擾器與自航式聲誘餌配合使用。本論文以潛艇生存概率最大為指標(biāo)，在典型的對抗態(tài)勢下，研究噪聲干擾器和自航式聲誘餌聯(lián)合使用的方法。

1 空投魚雷對潛艇的威脅

直升機(jī)發(fā)射空投魚雷一般出現(xiàn)在潛艇的近旁，要求是將魚雷投放到離潛艇1km左右的范圍內(nèi)，以有利于魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的搜索和跟蹤。潛艇檢測到魚雷入水的瞬態(tài)信息并進(jìn)行報(bào)警，給出魚雷的來襲方位，指揮員據(jù)此制定對抗方案。空投魚雷從空投入水的那一刻起，到魚雷依靠自導(dǎo)方式在某一設(shè)定深度上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)入跟蹤的時(shí)刻，大約需要花費(fèi)15-45s的時(shí)間[4]。

目前空投魚雷的搜索多為環(huán)形機(jī)動(dòng)搜索，潛艇只要走出魚雷的搜索范圍即可保證安全。以美國 MK46型空投輕型魚雷為例，它是一種高速、深潛、主動(dòng)或主被動(dòng)聲自導(dǎo)的反潛武器，其使命是搜索、探測、攻擊和摧毀潛艇。MK46空投魚雷入水后開始連續(xù)不斷地以s/10?向右轉(zhuǎn)圈環(huán)形搜索潛艇，當(dāng)接收到一個(gè)或更多的有效回波時(shí)，就開始進(jìn)入捕獲與攻擊階段，操縱魚雷向目標(biāo)方向航行[5]。MK46型魚雷采用主動(dòng)搜索方式，最大搜索半徑約為m1370 （7.4鏈）。當(dāng)潛艇在較遠(yuǎn)距離聽到空投魚雷的航行噪聲或魚雷主動(dòng)聲信號時(shí)，應(yīng)立即轉(zhuǎn)向，將魚雷置于艇尾可聽測舷角作遠(yuǎn)離魚雷機(jī)動(dòng)，爭取不進(jìn)入魚雷環(huán)形搜索范圍。但是，空投魚雷其入水點(diǎn)一般距潛艇較近，潛艇單靠機(jī)動(dòng)規(guī)避來擺脫魚雷的跟蹤比較困難。

潛艇在防御空投魚雷的過程中，主要是要求保持隱蔽，爭取先敵發(fā)現(xiàn)，利用變向、變速和變深靈活機(jī)動(dòng)，并盡可能結(jié)合使用水聲對抗器材實(shí)施防御。防御空投魚雷對潛艇的威脅，最有效的方法就是聯(lián)合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌。噪聲干擾器的噪聲同時(shí)對目標(biāo)和魚雷實(shí)施干擾，使魚雷自導(dǎo)作用距離下降，潛艇利用其強(qiáng)噪聲掩護(hù)脫離，潛艇在脫離過程中始終位于干擾器干擾扇面內(nèi)，從而使魚雷無法發(fā)現(xiàn)并跟蹤潛艇。自航式聲誘餌主要用于誘騙聲自導(dǎo)魚雷，阻止魚雷繼續(xù)向潛艇接近，使魚雷盡可能遠(yuǎn)離潛艇[3]。

2 噪聲干擾器干擾模型

噪聲干擾器是潛艇上普遍裝備的一種水聲軟對抗器材。當(dāng)近距離發(fā)現(xiàn)魚雷來襲時(shí)，潛艇可立即投放噪聲干擾器，通過發(fā)射強(qiáng)功率寬帶噪聲，降低空投魚雷的作用距離和探測、跟蹤性能，中斷其對目標(biāo)的聲接觸，進(jìn)而使其致盲、丟失目標(biāo)[6]。

當(dāng)主動(dòng)聲納檢測時(shí)，聲納方程為：SL?2TL+TS≥NL?DI+DT。當(dāng)噪聲干擾器工作后，干擾器所在的魚雷或潛艇接收波束內(nèi)的噪聲干擾級自噪聲項(xiàng)NL被干擾噪聲項(xiàng)NL′和NLj代替：

當(dāng)潛艇發(fā)射噪聲干擾器后，即形成一個(gè)以魚雷為頂點(diǎn)與干擾器連線為角平分線的扇面區(qū)的魚雷聽測盲區(qū)，潛艇走出這個(gè)盲區(qū)就有可能被魚雷聲納發(fā)現(xiàn)。

圖1 噪聲干擾器干擾區(qū)域

潛艇發(fā)射干擾器后要將干擾器置于潛艇與對抗目標(biāo)之間，利用干擾器所形成的干擾范圍，通過潛艇正確的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)使對方聲納或魚雷丟失目標(biāo)。噪聲干擾器通常為懸浮式，干擾器工作后即形成一個(gè)以散布點(diǎn)為中心的圓形壓制干擾區(qū)域，干擾圓的方程為：，r為干擾圓的有效干擾半徑。TE、TC為過魚雷T點(diǎn)通過干擾圓的兩條切線，∠CTE=2θ為干擾器對魚雷聲納的有效干擾扇面，潛艇處在干擾器有效扇面內(nèi)時(shí)，噪聲干擾器對潛艇起到有效保護(hù)作用，即∠STD=α＜θ。

3 自航式聲誘餌發(fā)射扇面模型

由于潛艇對魚雷報(bào)警距離有限，一旦發(fā)現(xiàn)來襲魚雷，選擇合適的自航式聲誘餌發(fā)射方向是確定潛艇反魚雷水聲對抗方案的首要環(huán)節(jié)。在聯(lián)合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌后，自航式聲誘餌的發(fā)射方向顯得更為重要，自航式聲誘餌在此種情況下確定發(fā)射方向的原則是：聲誘餌能盡早穿越噪聲干擾器的干擾扇面，盡早被聲自導(dǎo)魚雷發(fā)現(xiàn)，誘騙魚雷遠(yuǎn)離潛艇。自航式聲誘餌發(fā)射扇面就是誘餌發(fā)射后，保證魚雷先發(fā)現(xiàn)誘餌的可發(fā)射航向范圍。

自航式聲誘餌發(fā)射扇面如圖2所示。圖中魚雷報(bào)警時(shí)，潛艇和魚雷分別位于S和T點(diǎn)，首先在魚雷報(bào)警方位線上截取SO作為魚雷航速，那么以O(shè)點(diǎn)為圓心，以聲誘餌航速大小為半徑作一個(gè)圓，過S點(diǎn)做圓的兩條切線，分別與圓相切于A與B兩點(diǎn)，Q為潛艇報(bào)警舷角。保證自航式聲誘餌發(fā)射出管后，先于潛艇被空投魚雷搜索扇面捕捉到，自航式聲誘餌相對于魚雷的運(yùn)動(dòng)方向必須滿足一定的條件，即誘餌發(fā)射方向扇面角滿足：。由于空投魚雷入水后向右偏轉(zhuǎn)環(huán)形機(jī)動(dòng)搜索潛艇，在模型中還應(yīng)考慮魚雷環(huán)形搜索偏離報(bào)警方位線的夾角α，如圖3所示，誘餌發(fā)射方向扇面夾角為SAB′∠ 即

圖2 魚雷報(bào)警時(shí)聲誘餌發(fā)射扇面

圖3 魚雷環(huán)搜時(shí)聲誘餌發(fā)射扇面

4 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中選取典型的對抗態(tài)勢進(jìn)行計(jì)算：假定魚雷報(bào)警時(shí)，潛艇的初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以初速6kn勻速向正東方向航行，即航向90°。為利于魚雷搜索，魚雷初始航向朝向潛艇的初始位置。潛艇規(guī)避時(shí)首先向魚雷來襲方位發(fā)射噪聲干擾器并根據(jù)魚雷報(bào)警信息計(jì)算誘餌發(fā)射方向，潛艇的規(guī)避機(jī)動(dòng)，轉(zhuǎn)向背對

4.1 對抗態(tài)勢描述

著聲誘餌發(fā)射方向并加速。

圖4 潛艇—魚雷對抗態(tài)勢圖

在魚雷報(bào)警后，潛艇、自航式聲誘餌和魚雷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。在圖中顯示了潛艇、自航式聲誘餌和魚雷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變量。

潛艇在報(bào)警時(shí)刻的位置為,(XS,YS)，潛艇速度為

魚雷入水位置為(XT,YT)，魚雷速度為

自航式聲誘餌的發(fā)射位置為潛艇位置，速度為

潛艇—魚雷的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程為

自航式聲誘餌—魚雷的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程為

在仿真實(shí)驗(yàn)中，魚雷的檢測門限可由聲納方程得到，SL?NL+DI?DT≥2TL?TS。方程右端為一固定值，可理解為魚雷檢測目標(biāo)時(shí)的最大允許能量損失，將其作為模擬檢測門限 PowMax。在仿真中，實(shí)時(shí)計(jì)算魚雷到目標(biāo)的距離 R和相對舷角Q，令PowAct= 2TL(R)?TS(Q)。當(dāng)PowAct≤PowMax，則認(rèn)為主動(dòng)檢測到目標(biāo)，否則檢測不到目標(biāo)。

4.2 仿真計(jì)算條件

1）潛艇為常規(guī)動(dòng)力潛艇，潛艇加速度為0.05m/s2，轉(zhuǎn)彎半徑為 1 20m，最大規(guī)避速度范圍為10到20kn之間[7]。

2）魚雷為輕型反潛魚雷，魚雷速度36～45kn之間的均勻分布，搜索扇面為沿中心線各45?，自導(dǎo)作用距離為1500m[7]。

3）文中仿真計(jì)算取噪聲干擾器頻率 30kHZ，干擾器作用范圍近似看作半徑為r（m900～600）的球體；誘餌模擬的目標(biāo)強(qiáng)度 26dB，誘餌航速 12kn；海況3級，水深400m；魚雷、聲誘餌和噪聲干擾器工作可靠性均為100%。

4）魚雷報(bào)警方位與本艇聲納參數(shù)有關(guān)，取方差為3?正態(tài)分布；魚雷落水位置距離潛艇D0=800～1200m，誤差取方差為 0.1*D0正態(tài)分布；魚雷落水位置位于潛艇右舷 30?～120?，間隔30?，取方差為2?正態(tài)分布。

5）在一定的水聲環(huán)境條件下，采用蒙特卡洛法，對魚雷攻擊目標(biāo)的典型態(tài)勢進(jìn)行計(jì)算，仿真計(jì)算次數(shù)500次。

4.3 仿真結(jié)果分析

潛艇使用噪聲干擾器規(guī)避主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷攻擊時(shí)，強(qiáng)干擾噪聲壓低了魚雷主動(dòng)接收機(jī)的信噪比，從而大大縮減了其自導(dǎo)作用距離，為潛艇走出魚雷搜索帶爭取了寶貴時(shí)間。魚雷報(bào)警后，經(jīng)過系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間（30s）即向魚雷來襲方向發(fā)射噪聲干擾器。圖5顯示了在噪聲干擾器與魚雷不同距離下，噪聲干擾器干擾噪聲級對魚雷主動(dòng)自導(dǎo)作用距離的影響，當(dāng)干擾噪聲級小于120（dB）時(shí)，對魚雷干擾作用是很小，但是隨著噪聲干擾器噪聲級的增加，魚雷自導(dǎo)作用距離明顯下降；隨著魚雷與噪聲干擾器之間距離的縮小，干擾器對魚雷作用距離影響也越明顯，為潛艇近距離擺脫魚雷跟蹤提供了機(jī)會。

圖5 噪聲干擾器對魚雷自導(dǎo)作用距離的影響

在計(jì)算聲誘餌發(fā)射方向的仿真實(shí)驗(yàn)中，取噪聲干擾器干擾噪聲級為140dB，潛艇規(guī)避速度18kn進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)魚雷投放位置距離潛艇小于1000m時(shí)，潛艇的生存概率很低（接近于 0），這種情況下的數(shù)據(jù)不再作進(jìn)一步的分析。

考慮魚雷落水位置距離潛艇為1200m時(shí)進(jìn)行計(jì)算，由圖6可知：當(dāng)魚雷位于潛艇大、中舷角時(shí)，誘餌發(fā)射方向與魚雷方位線的夾角為70°～100°為宜。當(dāng)誘餌發(fā)射方向小于70?時(shí)，是向魚雷來襲方向發(fā)射誘餌，雖然能使誘餌最早駛出噪聲干擾器干擾扇面盡快被魚雷發(fā)現(xiàn)，但是誘騙時(shí)間太短，魚雷在識別誘餌后能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛艇；當(dāng)誘餌發(fā)射方向大于100?時(shí)，是背離魚雷來襲方向發(fā)射誘餌，誘餌需要花很長時(shí)間才能離開噪聲干擾器的干擾扇面，魚雷還未捕獲誘餌時(shí)，就已經(jīng)穿越噪聲干擾器發(fā)現(xiàn)潛艇，達(dá)不到誘騙魚雷的效果。當(dāng)魚雷位于潛艇小舷角時(shí)，潛艇生存概率最低，主要是此時(shí)魚雷和潛艇處于迎擊狀態(tài)，潛艇規(guī)避時(shí)間較長。

圖6 自航式聲誘餌發(fā)射方向?qū)撏娓怕实挠绊?/p>

圖7 潛艇規(guī)避速度對生存概率的影響

MK46型魚雷通常采用主動(dòng)搜索方式，潛艇在規(guī)避過程中通常采用最大速度。當(dāng)魚雷處于潛艇右舷120?時(shí)，潛艇采用上述結(jié)論中誘餌最優(yōu)發(fā)射方向（90?）后，潛艇規(guī)避轉(zhuǎn)向背對著聲誘餌方向并加速。從圖7可以得知：在聯(lián)合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌后，隨著潛艇規(guī)避速度的提高，對潛艇的生存概率有很大的改善。

魚雷識別誘餌后，必然對潛艇進(jìn)行再搜索，這將對潛艇造成極大的威脅。所以，潛艇在聯(lián)合使用誘餌和干擾器后，在規(guī)避過程中應(yīng)始終位于干擾器干擾扇面內(nèi)，時(shí)刻監(jiān)視魚雷動(dòng)向，并做好再次對抗的準(zhǔn)備，利用各種有利的水文環(huán)境，使?jié)撏ПM快駛離魚雷搜索范圍，提高潛艇規(guī)避成功的概率。

5 結(jié)束語

本文從噪聲掩蔽條件下的主動(dòng)聲納方程出發(fā)，仿真計(jì)算了噪聲干擾器干擾噪聲級對魚雷主動(dòng)自導(dǎo)作用距離的影響；采用模擬統(tǒng)計(jì)的方法仿真分析了潛艇在聯(lián)合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌時(shí)，自航式聲誘餌的發(fā)射方向和潛艇規(guī)避速度對潛艇生存概率的影響。仿真結(jié)果表明：潛艇聯(lián)合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌比單純使用噪聲干擾器能有效提高潛艇生存概率。研究結(jié)果對潛艇防御空投魚雷具有一定的參考價(jià)值。

由于空投魚雷入水位置距離潛艇近，防御難度大，即使聯(lián)合使用噪聲干擾器和自航式聲誘餌，潛艇生存概率仍然不是很高。為最大限度提高潛艇生存概率，潛艇應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)敵反潛直升機(jī)的活動(dòng)，采取有效的防御手段，使直升機(jī)難以穩(wěn)定跟蹤和攻擊。

[1]劉平香，姚藍(lán).反魚雷水聲對抗技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].聲學(xué)技術(shù)，2001，24（4）：183-187.

[2]姚藍(lán)，韓明連.潛艇對抗空投魚雷系統(tǒng)技術(shù)研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2002，21(1):88-90.

[3]Ko-Hsin Liang,Kuei-Ming Wang.Using simulation and evolutionary algorithms to evaluate the design of mix strategies of decoy and jammers in anti-Torpedo tactics[C].Proceeding of the 2006 Winter Simulation Conference：1299-1306.

[4]李耀波，黃海明，陳炳鋒.淺談反魚雷水聲對抗技術(shù)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2004，(4):33-37.

[5]閻福旺.水聲對抗技術(shù)[M].北京：海洋出版社，2003.

[6]高學(xué)強(qiáng)，楊日杰，楊春英.噪聲干擾器對抗魚雷的作戰(zhàn)效能建模與仿真[J].聲學(xué)與電子工程，2009，3（95）：11-13.

[7]Armo,K.R.2000.The relationship between a submarine’s maximum speed and its evasive capability[D].Master’s Thesis, Operations Research Department,Naval Postgraduate School,Monterey,CA.