反潛直升機艦艇編隊尾后截擊潛艇建模

羅木生， 姜青山， 侯學(xué)隆

(海軍航空工程學(xué)院，a.研究生管理大隊; b.指揮系，山東 煙臺 264001)

0 引言

在水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)過程中，潛艇的威脅日益嚴峻，尤其是面對靜音性能優(yōu)良、航速較高的核動力潛艇時，這類潛艇不僅能采用諸如陣地伏擊等戰(zhàn)術(shù)，也可能采用尾后追擊戰(zhàn)術(shù)。因而，有必要研究對抗此類潛艇的反潛戰(zhàn)術(shù)——尾后攔截潛艇。

艦艇編隊反潛作戰(zhàn)的研究豐富［1－5］，外軍航母編隊反潛作戰(zhàn)也有相關(guān)研究［6－8］。關(guān)于攔截尾后追擊的敵潛艇戰(zhàn)術(shù)，國內(nèi)主要針對水面艦艇使用拖曳線列陣聲納反潛。然而，在保護編隊中高價值單元的反潛作戰(zhàn)過程中，水面艦艇兵力有限、任務(wù)繁多，極有可能出現(xiàn)兵力不足［6］的情況，此時，尾后截擊潛艇可由艦載反潛直升機擔(dān)任。本文在分析敵潛艇尾后魚雷攻擊陣位的基礎(chǔ)上，對艦載反潛直升機尾后截擊潛艇進行建模分析。

1 水面艦艇編隊尾后截擊潛艇

尾后截擊潛艇是對抗?jié)撏埠笞窊舴ǘ捎玫囊环N反潛戰(zhàn)術(shù)。尾后追擊法是潛艇有遠距離探測能力或在有可靠的偵察引導(dǎo)保障條件下，在水面艦艇編隊尾后，以一定航速實施追趕、跟蹤和攻擊的一種戰(zhàn)斗方法。

水面艦艇編隊在通過敵潛艇可能活動區(qū)時，一般采取反潛曲折機動航行，平均航速20 kn(1 kn=1.852 km/h)左右［7］。常規(guī)動力潛艇水下最大航速雖然能達20 kn左右，如日本的“蒼龍”級AIP常規(guī)潛艇［9］，但若以此速度航行，噪聲很大，且難以長時間維持此速度航行，因此一般不運用此戰(zhàn)術(shù)。而先進的核動力攻擊潛艇的水下最高航速超過30 kn，如美國“弗吉尼亞”級核動力攻擊潛艇水下最高航速34 kn［10］，它們能以較高航速、較低噪音追擊水面艦艇編隊，并發(fā)起攻擊。

潛艇攻擊武器主要是潛射反艦導(dǎo)彈和魚雷，前者射程較遠，后者射程較近。如美國核動力攻擊潛艇裝備的“戰(zhàn)斧”反艦型導(dǎo)彈最大射程249 n mile(1 n mile=1852 m)、“魚叉”反艦導(dǎo)彈最大航程70 n mile;而其裝備的MK48增強型(ADCAP)線導(dǎo)魚雷，其航程/航速(km/kn)為 38/55 或 50/40［11］，若取 80% 為魚雷有效射距，則可在16.4 n mile或21.6 n mile左右對水面艦艇編隊發(fā)起攻擊。

本文主要建模分析防御潛艇使用魚雷進行攻擊的尾后截擊潛艇問題。反潛直升機搜索水下目標的器材主要有吊放聲納、聲納浮標、磁探儀等。聲納浮標探測距離較遠，能長時間持續(xù)搜索，不會出現(xiàn)搜索空隙，較其他方式更適合尾后截擊潛艇。

2 潛艇尾后魚雷攻擊陣位分析

尾追潛艇為發(fā)起有效的魚雷攻擊，須由追擊陣位轉(zhuǎn)入魚雷攻擊陣位，然后發(fā)射魚雷。因此，為建立有效的反潛區(qū)域，從潛艇追擊陣位、魚雷攻擊陣位兩方面進行分析。

2.1 潛艇追擊陣位

為實施有效的魚雷攻擊，敵潛艇將以一定速度追擊水面艦艇編隊，在不被發(fā)現(xiàn)的前提下，盡可能縮短與水面艦艇編隊的距離。而一旦決定實施魚雷攻擊，敵潛艇則將從尾后追擊陣位，進入魚雷攻擊陣位。

現(xiàn)假設(shè)潛艇企圖在水面艦艇編隊正后方D0距離處E點發(fā)起魚雷攻擊，如圖1所示，則潛艇應(yīng)進入一定陣位扇面內(nèi)(圖中陰影區(qū))，否則無法實施既定攻擊企圖。

圖1 潛艇追擊陣位示意圖Fig.1 Submarine chasing position

設(shè)水面艦艇編隊直線航行，平均航速VS;潛艇平均追擊速度為VQ，為保持或縮短與艦艇編隊的距離，VQ≥VS，則扇面角φ應(yīng)滿足

若從追擊陣位進入魚雷攻擊陣位的時間不超過TQf，則潛艇至魚雷發(fā)射點的距離應(yīng)滿足

潛艇若位于圖1所示的追擊陣位內(nèi)，則可從水面艦艇編隊尾后2θ0扇面內(nèi)發(fā)起魚雷攻擊，因此，尾后攔截反潛區(qū)域應(yīng)覆蓋圖1所示的潛艇追擊陣位。

2.2 魚雷攻擊陣位

自發(fā)射后，魚雷應(yīng)在航程內(nèi)與目標相遇，否則無法命中，因而，對于不同位置、不同航速的目標，魚雷的最大發(fā)射距離則不同。因此，需解算不同攻擊舷角下，魚雷的最大發(fā)射距離，從而得出魚雷攻擊陣位。

設(shè)水面艦艇編隊以平均速度VS直線航行，魚雷航程Rtor，發(fā)射時與水面艦艇編隊的距離為 D0、位于B點，平均航速為Vtor，朝著相遇點運動，于A點與攻擊目標相遇，水平方向的空間位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 魚雷攻擊陣位示意圖Fig.2 Torpedo attacking position

由幾何關(guān)系得

且由魚雷最大航程限制，取80%為魚雷有效射距，有

根據(jù)式(3)、式(4)可解算出魚雷發(fā)射陣位，即不同θ0下的最大發(fā)射距離D0，max。只有在該距離之內(nèi)發(fā)射魚雷，才有可能命中目標。

若取魚雷平均航速45 kn、航程50 km，水面艦艇編隊平均航速20 kn，解算結(jié)果如圖3所示，其中，魚雷要攻擊的目標位于原點。圖中，實線為魚雷攻擊的最大發(fā)射距離，若敵潛艇于實線右側(cè)發(fā)射魚雷，則不論在哪個位置，都會由于超出魚雷最大航程而無法命中目標。

圖3 魚雷攻擊陣位仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of submarine chasing position

3 反潛直升機尾后截擊潛艇建模

為有效攔截給定任務(wù)區(qū)域內(nèi)可能的尾追潛艇，首先需確定攔截陣的長度。攔截陣過長，則耗費過多的反潛資源;過短，則很可能出現(xiàn)漏網(wǎng)之“魚”。除此之外，攔截陣的陣位、有效工作時間等參數(shù)，也是影響攔截效能的重要因素。

3.1 編隊尾后截擊區(qū)域

水面艦艇編隊尾后可能出現(xiàn)潛艇的區(qū)域，都可能成為截擊潛艇的區(qū)域，如圖4所示(圖中陰影區(qū))，其中θ0∈［0，90］。但是，從前文潛艇追擊及其魚雷攻擊陣位的分析中可知，敵追擊潛艇出現(xiàn)在編隊尾后較小扇面區(qū)域的概率很高，因為在此區(qū)域內(nèi)，敵潛艇被發(fā)現(xiàn)的概率較低，且有利于其提高魚雷命中概率。所以，為提高反潛效能，實際作戰(zhàn)中，尾后截擊區(qū)域不宜過大，具體大小應(yīng)根據(jù)當(dāng)前敵我態(tài)勢、海區(qū)環(huán)境等因素確定。

圖4 尾后截擊潛艇區(qū)域示意圖Fig.4 The area for stern interception submarine

3.2 尾后攔截陣長度建模

反潛直升機垂直艦艇編隊航線布設(shè)直線型攔截陣，設(shè)其長度為Ls，以防御尾后扇面角2θ0的扇形區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)的敵尾追潛艇。

設(shè)攔截陣建立完畢時與艦艇編隊的距離為d1，攔截陣到達有效工作時間時與艦艇編隊的距離為d2，攔截陣剛好覆蓋潛艇追擊陣位時與艦艇編隊的距離為di，如圖4所示。那么，為了防止?jié)撏奈锤采w的攔截區(qū)域進入魚雷攻擊陣位，須滿足

為了對指定扇面實施尾后攔截，則攔截陣長度應(yīng)滿足以下兩點。

1) 若 di≤D0cos θ0，則

2) 若 di＞ D0cos θ0，則

當(dāng)給定d2時，由式(5)～式(7)可得出指定扇面角時的最短攔截陣長度。d2取值應(yīng)限定在防空兵力掩護空域，且不宜過大，否則直升機將耗費過多的留空時間用于航渡;若有可能，應(yīng)大于敵潛艇被動聲納探測距離，使得敵潛艇不能持續(xù)探測、跟蹤水面艦艇編隊。

3.3 攔截陣陣位

為有效發(fā)揮攔截陣的反潛效能，建立攔截陣的陣位非常重要。其影響因素較多，現(xiàn)主要分析以下3方面。

1)攔截陣開始工作時不能離艦艇編隊太近，否則會干擾攔截陣，如編隊航行噪聲會干擾水聲探測器材，探測器材的有效探測距離Rsensor，取值為

2)攔截陣開始工作時，應(yīng)位于艦艇編隊與可能的魚雷攻潛陣位之間，才能至少對魚雷攻擊陣位探測一次，因而有

3)若由單架反潛直升機建立攔截陣，并在攔截陣位上探測，設(shè)反潛直升機留空時間為Thel，則有

式中:Tfly為直升機航渡時間，近似為(d1+d2)/Vhel;Vhel為直升機航渡時的飛行速度;Tset為建立攔截陣的時間，若布設(shè)聲納浮標攔截陣，則近似為攔截陣長度與投放聲納浮標飛行速度之比;Twork為攔截陣的有效工作時間。

3.4 攔截陣有效工作時間

隨著與水面艦艇編隊距離的不斷增加，攔截陣在指定扇面內(nèi)所能覆蓋的有效攔截區(qū)域越來越小，導(dǎo)致敵潛艇從未覆蓋的區(qū)域進入攻擊陣位的概率增加。因此，當(dāng)攔截陣與艦艇編隊的距離達到d2時，當(dāng)前攔截陣停止工作，而應(yīng)在艦艇編隊尾后建立新的攔截陣。

3.5 聲納浮標攔截陣的建立

建立聲納浮標攔截陣實現(xiàn)對尾追潛艇的探測一般分為兩個步驟:1)投布聲納浮標;2)監(jiān)聽聲納浮標陣。實施過程中需確定聲納浮標陣的布設(shè)長度、投布方法、監(jiān)聽飛行方法等參數(shù)。

聲納浮標陣的布設(shè)長度為攔截陣的長度。若攔截陣長度較短時，可由單架反潛直升機布設(shè);若攔截陣較長，或任務(wù)緊急，可采用多機布設(shè)聲納浮標。多機投布浮標陣的方法有“同向布放法”、“反向布放法”和“接力法”等［12］。

監(jiān)聽聲納浮標陣飛行方法主要有:平行浮標段和垂直浮標段。浮標陣長度和反潛直升機與浮標的通信距離是選擇監(jiān)聽飛行方法的主要因素，但無論采用哪種方法，都應(yīng)避免因頻繁轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致飛行人員疲勞，最佳長度為30 ～40 km［12］。

為確保持續(xù)對尾后截擊區(qū)域進行探測，設(shè)布設(shè)聲納浮標攔截陣需要時間為Tset，則在當(dāng)前攔截陣停止工作前Tset時開始布設(shè)新的攔截陣;那么，新攔截陣布設(shè)完畢時，剛好接替到達有效工作時間的攔截陣，開始探測。所以，從距艦艇編隊d1時開始工作，至距艦艇編隊d2時停止工作，則攔截陣的有效工作時間為

4 仿真分析

想定:為防御尾后追擊潛艇的魚雷攻擊，由反潛直升機在水面艦艇編隊正后方建立聲納浮標攔截陣。設(shè)編隊平均航速為20 kn，反潛直升機平均航速為180 kn/h，留空時間為3 h;敵潛艇可能使用的魚雷平均航速為45 kn、航程為50 km。

若假定當(dāng)攔截陣與艦艇編隊的距離達50 n mile時，停止監(jiān)聽聲納浮標，即d2=50 n mile，則對于不同航速的尾追敵潛艇，需建立攔截陣的最短長度如圖5所示。

圖5 潛艇不同航速時的最短攔截陣長度(d2=50 n mile)Fig.5 The shortest barrier length for different velocity of submarine(d2=50 n mile)

由圖5可得，攔截相同的扇形區(qū)域，攔截陣最短長度的增幅大于敵潛艇航速的增幅，即敵潛艇航速的增加將使攔截陣的最短長度大幅增加。

若根據(jù)經(jīng)驗推測，敵潛艇為實現(xiàn)較低噪音、較高航速尾追，其平均航速可能為25 kn，那么敵潛艇尾追陣位扇面半角φ/2=36.87°。此時，對于不同失效距離d2，不同攔截扇面所需建立的最短攔截陣長度如圖6所示。由圖6可得，攔截相同的扇形區(qū)域，隨著d2的增加，攔截陣最短長度也在增加，但增幅不大。若指揮員根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場敵我態(tài)勢，得出艦艇編隊正后方60°的扇形區(qū)域存在敵潛艇的威脅最大，即θ0=30°，因而決定建立聲納浮標攔截陣，最大限度地消除該威脅，那么，由單機完成攔截任務(wù)，不同失效距離d2，所需建立攔截陣的最短長度、d1、有效工作時間如表1所示。

圖6 不同失效距離d2時的最短攔截陣長度(潛艇航速25 kn)Fig.6 The shortest barrier length for different d2with submarine velocity of 25 kn

表1 不同d2時的最短攔截陣長度(攔截尾后60°扇面)Table 1 The shortest barrier length for different d2(stern interception of a 60°sector)

當(dāng)d1為負值時，可根據(jù)式(8)取d1=Rsensor，然而這將導(dǎo)致直升機有效工作時間縮短，即不能充分使用直升機的留空時間。

隨著失效距離d2的增加，為有效防御敵潛艇，攔截陣最短長度越來越大;且由于反潛直升機留空時間有限及d2的增加，使得陣位距離d1也增加，導(dǎo)致攔截陣的有效工作時間減少。在當(dāng)前任務(wù)扇面內(nèi)，敵魚雷攻擊的最大發(fā)射距離D0=12.8 n mile。為滿足式(9)，d2不能超過 52.1 n mile。

綜合上述因素，單機反潛直升機為完成當(dāng)前攔截任務(wù)，可垂直水面艦艇編隊航向布設(shè)28.2 n mile的聲納浮標攔截陣，從d1=7.7 n mile開始工作，至d2=50 n mile，當(dāng)前攔截陣失效，需在艦艇編隊尾后建立新的攔截陣。攔截陣有效工作時間約為2.12 h。

5 結(jié)束語

潛艇技術(shù)的發(fā)展，尤其是高航速、低噪聲的先進核動力潛艇的服役，使得潛艇尾后追擊水面艦艇編隊并發(fā)起魚雷攻擊成為可能。所以，水面艦艇編隊尾后截擊潛艇將成為一項重要的反潛作戰(zhàn)任務(wù)。

本文以核潛艇采用尾后追擊戰(zhàn)術(shù)為研究背景，在分析其追擊陣位和魚雷攻擊陣位的基礎(chǔ)上，建立了反潛直升機尾后攔截陣長度、攔截陣設(shè)置陣位及其有效工作時間的計算模型。最后通過想定，對尾后截擊潛艇模型進行了仿真分析。所建立的相關(guān)模型可為艦艇編隊指揮員制定和實施尾后截擊潛艇作戰(zhàn)提供決策依據(jù)。

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