潛艇機(jī)動(dòng)性能對(duì)使用干擾器規(guī)避主動(dòng)聲自導(dǎo)魚(yú)雷對(duì)抗效果的影響分析

楊真勇, 鄭 援, 呂海平

?

潛艇機(jī)動(dòng)性能對(duì)使用干擾器規(guī)避主動(dòng)聲自導(dǎo)魚(yú)雷對(duì)抗效果的影響分析

楊真勇, 鄭 援, 呂海平

(海軍潛艇學(xué)院 水聲中心, 山東 青島, 266071)

潛艇的魚(yú)雷防御性能主要包括潛艇的水聲對(duì)抗性能和其自身性能。潛艇規(guī)避魚(yú)雷時(shí), 針對(duì)潛艇自身機(jī)動(dòng)性能對(duì)潛艇生存概率的影響問(wèn)題, 建立了仿真所需要的魚(yú)雷聲學(xué)模型和實(shí)體機(jī)動(dòng)模型, 構(gòu)建了干擾器作用下的魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)距離模型。通過(guò)仿真得到了不同最大航速、不同加速性能時(shí)潛艇的生存概率, 分析了潛艇機(jī)動(dòng)性能對(duì)潛艇生存概率的影響, 結(jié)論是潛艇的機(jī)動(dòng)性能對(duì)潛艇防御魚(yú)雷有著一定的影響, 可以通過(guò)提高潛艇自身機(jī)動(dòng)性能來(lái)提高潛艇防御魚(yú)雷的能力。

聲自導(dǎo)魚(yú)雷; 潛艇; 干擾器; 水聲對(duì)抗; 機(jī)動(dòng)性能

0 引言

潛艇的機(jī)動(dòng)性能是潛艇性能的重要指標(biāo), 潛艇的機(jī)動(dòng)規(guī)避也是一種比較好的對(duì)抗魚(yú)雷方式。潛艇使用噪聲干擾器對(duì)抗主動(dòng)聲自導(dǎo)魚(yú)雷的目的是以壓制方式降低魚(yú)雷自導(dǎo)作用距離, 為潛艇走出魚(yú)雷自導(dǎo)搜索扇面爭(zhēng)取時(shí)間。若潛艇具有較高的機(jī)動(dòng)性能同樣能夠以較短的時(shí)間拉大垂距、擺脫魚(yú)雷跟蹤。前人在使用干擾器對(duì)抗魚(yú)雷效果方面的仿真研究已經(jīng)很多, 但考慮潛艇自身機(jī)動(dòng)性能對(duì)對(duì)抗效果影響的較少。本文主要考慮潛艇機(jī)動(dòng)因素, 仿真分析潛艇機(jī)動(dòng)性能對(duì)規(guī)避主動(dòng)聲自導(dǎo)魚(yú)雷效果的影響。

1 潛艇機(jī)動(dòng)模型

潛艇機(jī)動(dòng)模型主要包括直航模型[1]、轉(zhuǎn)向模型[2]和加速模型[3], 文章采用3D坐標(biāo)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn), 機(jī)動(dòng)模型如下。

1.1 直線運(yùn)動(dòng)模型

1.2 旋回運(yùn)動(dòng)模型

1.3 加速運(yùn)動(dòng)模型

計(jì)算出變速過(guò)程中每一時(shí)間點(diǎn)的航速值后, 代入式(1), 可遞推求得潛艇在變速過(guò)程中的位置坐標(biāo)。

2 魚(yú)雷相關(guān)模型

2.1 魚(yú)雷航行自噪聲

美國(guó)MK46魚(yú)雷航速45 kn時(shí)的航行自噪聲可以用下式計(jì)算[2]

2.2 魚(yú)雷主動(dòng)聲自導(dǎo)探測(cè)模型

噪聲干擾器在魚(yú)雷處的干擾噪聲級(jí)為

當(dāng)噪聲干擾器沒(méi)有工作或處于魚(yú)雷自導(dǎo)接收扇面之外時(shí), 魚(yú)雷的干擾噪聲來(lái)自海洋環(huán)境噪聲和魚(yú)雷航行自噪聲, 此時(shí)魚(yú)雷的干擾噪聲級(jí)為

當(dāng)干擾器工作且處于魚(yú)雷自導(dǎo)接收扇面之內(nèi)時(shí), 魚(yú)雷的干擾噪聲來(lái)自海洋環(huán)境噪聲、魚(yú)雷航行自噪聲和噪聲干擾器在魚(yú)雷處的干擾噪聲, 此時(shí)魚(yú)雷的干擾噪聲級(jí)為[4]

根據(jù)主動(dòng)聲納方程, 有

式(8)等價(jià)于

2.3 魚(yú)雷彈道模型

在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí), 魚(yú)雷按蛇行搜索彈道進(jìn)行搜索機(jī)動(dòng), 如果始終未發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 則魚(yú)雷航行至航程耗盡為止。

發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后, 魚(yú)雷對(duì)潛艇進(jìn)行跟蹤, 直至命中目標(biāo)。若魚(yú)雷尾追丟失目標(biāo), 魚(yú)雷就會(huì)進(jìn)入環(huán)形再搜索彈道。

魚(yú)雷進(jìn)入環(huán)形再搜索彈道后, 若能發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 魚(yú)雷就進(jìn)入尾追彈道; 若不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 魚(yú)雷以環(huán)形搜索彈道航行至航程耗盡為止。

3 其他聲學(xué)模型

3.1 潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度

目標(biāo)反射強(qiáng)度與目標(biāo)的幾何形狀密切相關(guān), 對(duì)于艦艇目標(biāo)來(lái)說(shuō), 目標(biāo)反射強(qiáng)度還隨聲波入射角變化而變化, 呈“蝴蝶形”分布[5]。

目標(biāo)反射強(qiáng)度可以采用蝴蝶形分布曲線近似表示

3.2 傳播損失

傳播損失采用擴(kuò)展加吸收損失進(jìn)行估算[6]。

3.3 海洋環(huán)境噪聲

海洋環(huán)境噪聲級(jí)通常由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定, 仿真時(shí)可借助某些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)算。對(duì)于淺海, 采用如下計(jì)算噪聲譜級(jí)的公式[7]

式中:為頻率;為海況等級(jí)(=0,1,2, …, 9)。

4 仿真流程

潛艇機(jī)動(dòng)性能主要包括最高航速、加速性能、潛浮性能等, 本文以潛艇最高航速和加速性能對(duì)防御魚(yú)雷效果帶來(lái)的影響進(jìn)行仿真。通過(guò)設(shè)定不同最大航速和機(jī)動(dòng)系數(shù), 仿真統(tǒng)計(jì)不同情況下潛艇成功規(guī)避魚(yú)雷攻擊的次數(shù), 再與仿真次數(shù)相比, 得到潛艇生存概率, 仿真流程圖見(jiàn)圖1。

5 仿真結(jié)果與分析

設(shè)定海況3級(jí), 潛艇航向0°, 初始航速6 kn, 潛艇魚(yú)雷相對(duì)深度40 m, 魚(yú)雷報(bào)警舷角0~150°, 距離10~40 Cab,魚(yú)雷初始搜索航向?yàn)橛欣崆敖呛较?。設(shè)魚(yú)雷航速45 kn, 最大航程9 000 m, 搜索目標(biāo)時(shí)蛇行機(jī)動(dòng), 可在1 400 m處發(fā)現(xiàn)8 dB目標(biāo)反射回波, 水平自導(dǎo)扇面寬度為40°(不包含魚(yú)雷蛇形扇面), 垂直自導(dǎo)扇面寬度為30°。噪聲干擾器聲源級(jí)155 dB; 假設(shè)仿真開(kāi)始干擾器已經(jīng)生效, 潛艇背雷轉(zhuǎn)向進(jìn)行規(guī)避。

圖1 仿真流程圖

5.1 潛艇最佳規(guī)避方案選取

通過(guò)仿真固定參數(shù)下不同潛艇規(guī)避航向所產(chǎn)生的潛艇最大生存概率, 得出潛艇最佳規(guī)避航向。在后續(xù)分析潛艇機(jī)動(dòng)因素的影響時(shí), 采用最佳規(guī)避方案進(jìn)行仿真。

設(shè)定潛艇機(jī)動(dòng)系數(shù)70, 最大航速20 kn, 魚(yú)雷按有利提前角進(jìn)行射擊[2]。

潛艇以與魚(yú)雷航向加固定角度的航向進(jìn)行規(guī)避, 即

圖2為魚(yú)雷報(bào)警舷角120°, 距離21Cab,=+50°時(shí)的典型態(tài)勢(shì)。

圖2 典型態(tài)勢(shì)圖

魚(yú)雷報(bào)警時(shí)潛艇在組織水聲對(duì)抗的同時(shí), 應(yīng)當(dāng)立即加速, 進(jìn)行轉(zhuǎn)向變深機(jī)動(dòng)。在使用干擾器對(duì)抗魚(yú)雷時(shí), 潛艇應(yīng)當(dāng)在干擾器的有效作用時(shí)間內(nèi), 充分利用自身的機(jī)動(dòng)性拉大垂距, 走出聲自導(dǎo)魚(yú)雷的自導(dǎo)捕捉扇面。

圖2為程序仿真一次典型態(tài)勢(shì)圖, 潛艇發(fā)射干擾器后, 先進(jìn)行轉(zhuǎn)向規(guī)避, 以減小聲波反射面積; 然后以3°下潛角緊急下潛, 迅速走出魚(yú)雷搜索扇面。魚(yú)雷在段未發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 以蛇形彈道進(jìn)行搜索; 魚(yú)雷在點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo),段進(jìn)入尾追彈道; 魚(yú)雷在點(diǎn)時(shí)丟失目標(biāo), 進(jìn)入環(huán)形搜索彈道; 魚(yú)雷環(huán)形在搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后, 再次進(jìn)入尾追彈道, 最后在點(diǎn)命中潛艇。

在典型態(tài)勢(shì)參數(shù)下, 以不同的潛艇規(guī)避航向進(jìn)行仿真, 仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 方案選取概率

通過(guò)圖3可以看出, 潛艇規(guī)避航向采用+ 30°成功概率最大。在后續(xù)仿真分析潛艇最大航速和加速性能對(duì)水聲對(duì)抗效果的影響時(shí), 潛艇采用該方案進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)。

5.2 潛艇最大航速對(duì)水聲對(duì)抗效果的影響

潛艇最高航速是潛艇機(jī)動(dòng)能力的重要體現(xiàn), 高航速潛艇在規(guī)避魚(yú)雷時(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì), 可以較容易降低魚(yú)雷自導(dǎo)裝置捕捉概率或使魚(yú)雷航程耗盡。本次仿真設(shè)定潛艇機(jī)動(dòng)系數(shù)為70, 最大航速分別是15 kn, 20 kn, 25 kn。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 潛艇最大航速概率

通過(guò)圖4可以看出, 最大航速?gòu)?5 kn變化到25 kn時(shí), 潛艇成功規(guī)避魚(yú)雷概率有了逐步的提高, 特別是報(bào)警舷角在130°~150°之間時(shí), 潛艇聲波反射面積較小, 魚(yú)雷聲自導(dǎo)作用距離較近, 為潛艇規(guī)避魚(yú)雷爭(zhēng)取了更多時(shí)間, 有助于潛艇成功規(guī)避魚(yú)雷。潛艇最大航速越大越有利于潛艇在較短的時(shí)間內(nèi)與魚(yú)雷拉大垂距, 可以有效降低魚(yú)雷自導(dǎo)裝置的捕捉概率, 即便魚(yú)雷能夠以較大的距離、較小的速度差捕捉目標(biāo), 但其航程也難以滿足命中目標(biāo), 因此, 潛艇的最大航速對(duì)潛艇防御魚(yú)雷效果有著重要的影響。

5.3 潛艇加速性能對(duì)水聲對(duì)抗效果的影響

潛艇加速性能也是潛艇機(jī)動(dòng)性的重要指標(biāo), 高加速性能可以讓潛艇更好地利用最大航速優(yōu)勢(shì), 能夠在更短的時(shí)間內(nèi)以最大航速機(jī)動(dòng)規(guī)避。本次仿真設(shè)定潛艇最大航速25 kn, 機(jī)動(dòng)系數(shù)分別是50, 70, 90。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 潛艇加速性能概率

仿真模型中機(jī)動(dòng)系數(shù)越小, 潛艇的加速性能越好。從圖5可以看出, 潛艇的加速性能越好, 潛艇規(guī)避魚(yú)雷成功概率越高, 尤其是報(bào)警舷角在110°~150°時(shí), 潛艇聲波反射面積較小, 潛艇生存概率變化更為明顯。加速性能好的潛艇可以在較短時(shí)間內(nèi)加速到最大航速, 使?jié)撏軌蚋玫乩酶吆剿賰?yōu)勢(shì)規(guī)避魚(yú)雷。相反, 若加速性能不好, 即使最大航速再高, 對(duì)于近距魚(yú)雷報(bào)警時(shí), 潛艇也很難以最大航速規(guī)避魚(yú)雷。因此, 潛艇加速性能對(duì)潛艇防御有著一定的影響, 是提高潛艇防御魚(yú)雷能力不能忽視的指標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

潛艇的機(jī)動(dòng)性能對(duì)潛艇防御有著一定的影響, 要提高潛艇防御聲自導(dǎo)魚(yú)雷的能力, 不僅可以通過(guò)提高水聲對(duì)抗器材的性能來(lái)實(shí)現(xiàn), 還可以通過(guò)增強(qiáng)潛艇自身機(jī)動(dòng)性能來(lái)達(dá)到這一目的。高機(jī)動(dòng)性潛艇在對(duì)抗魚(yú)雷過(guò)程中有很多優(yōu)勢(shì), 在對(duì)抗方案選擇上就會(huì)有更多的靈活性, 有著更高的防御能力。

[1] 周智超, 劉永輝. 水面艦艇防潛作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練的計(jì)算機(jī)仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2002. 19(3): 1-4. Zhou Zhi-chao, Liu Yong-hui. Research of Computer Simula- tion on Surface Ship Anti-Submarine Defence Imitative Training[J]. Computer Simulation, 2002, 19(3): 1-4.

[3] 陳建華. 艦艇作戰(zhàn)模擬理論與實(shí)踐[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社, 2002.

[4] 胡言峰. 潛艇噪聲干擾器對(duì)抗主動(dòng)聲自導(dǎo)魚(yú)雷效能仿真分析[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2007, 15(5): 55-57.Hu Yan- feng. Simulation Analysis of Countermeasure Effect of Noise Jammer in Submarine on Active Acoustic Homing Torpedo [J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 55-57.

[5] 陸銘華. 艦艇作戰(zhàn)模擬理論與方法[M]. 北京: 海洋出版社, 2000.

[6] Waite A D. 實(shí)用聲納技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

[7] 劉孟庵, 連立民. 水聲工程[M]. 杭州: 浙江科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

Effects of Submarine′s Maneuverability onEvading Active Acoustic Homing Torpedo with Jammer

YANG Zhen-yong, ZHENG Yuan, Lü Hai-ping

(Underwater Acoustic Research Center, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

Aiming at the effects of submarine′s maneuverability on its survival probability while evading torpedo，acoustic model of an active homing torpedo and maneuver model of entity are established. And a detection range model of torpedo is also built up when the acoustic jammer is working. The survival probabilities of submarine under different maximum speed and acceleration capability are gained through simulation. The effects of submarine′s different maneuverability on its survival probability are analyzed. The conclusion is drawn that the submarine′s anti-torpedo defense capability can be enhanced via improving maneuverability of submarine.

acoustic homing torpedo; submarine; jammer; acoustic countermeasure; maneuverability

TJ630; TN972

A

1673-1948(2011)02-0129-05

2010-05-11;

2010-06-07.

楊真勇(1986-), 男, 山東臨沂人, 碩士, 主要研究方向?yàn)樗晫?duì)抗仿真.

(責(zé)任編輯: 許 妍)