潛艇魚雷射擊模型的通用化處理及運(yùn)用

李本昌, 梁 濤

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潛艇魚雷射擊模型的通用化處理及運(yùn)用

李本昌1, 梁 濤2

(1. 海軍潛艇學(xué)院 軟件中心, 山東 青島, 266042; 2. 海司潛艇部, 北京, 100841)

依據(jù)解相遇原理, 采用參數(shù)替代的方法, 把潛艇各種自導(dǎo)方式的魚雷射擊模型整理成為形式相同的通用射擊方程, 并明確了魚雷航程和命中角等用于射擊決策時判斷發(fā)射時機(jī)或當(dāng)前態(tài)勢是否滿足射擊條件的重要參數(shù)的物理意義。以期在達(dá)成工程實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的同時, 更便于工程設(shè)計者與戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用者對相關(guān)概念理解的統(tǒng)一。

魚雷自導(dǎo)方式; 發(fā)射態(tài)勢; 相遇原理

0 引言

深入分析潛艇各種自導(dǎo)方式的魚雷射擊模型后發(fā)現(xiàn), 盡管它們都是基于相遇原理而建立的射擊解算模型[1], 但由于其自導(dǎo)方式不同,使得各種自導(dǎo)(含直航)方式下魚雷的射擊方程的表達(dá)形式會存在較大的差異, 進(jìn)而引致對射擊解算過程中需要提供給射擊決策者判斷發(fā)射態(tài)勢和發(fā)射時機(jī)等相關(guān)重要參數(shù)的理解產(chǎn)生偏差, 乃至在工程實(shí)現(xiàn)者和作戰(zhàn)使用者之間產(chǎn)生歧見。

為了解決上述問題, 并在工程模型上實(shí)現(xiàn)多種自導(dǎo)方式的共享, 現(xiàn)擬在對相關(guān)參數(shù)給出明確定義的基礎(chǔ)上, 建立潛射魚雷的通用射擊模型, 以期在魚雷武器系統(tǒng)和仿真試驗(yàn)領(lǐng)域中達(dá)成工程和作戰(zhàn)運(yùn)用的統(tǒng)一。

1 潛射魚雷的射擊諸元

組織各種自導(dǎo)方式的魚雷射擊, 在魚雷發(fā)射前, 都必須設(shè)定魚雷的彈道控制參數(shù)。這些對魚雷彈道具有控制作用的參數(shù), 通常被稱為魚雷射擊諸元[2]。一般而言, 魚雷發(fā)射前需要設(shè)定的射擊諸元通常包括, 魚雷出管后的第一次轉(zhuǎn)角1,二次轉(zhuǎn)角2, 二次轉(zhuǎn)角前的航程S12(控制魚雷執(zhí)行二次轉(zhuǎn)角的時機(jī))、自導(dǎo)開機(jī)距離(通常用魚雷出管后的航行距離來控制魚雷的自導(dǎo)開機(jī)時機(jī))、尾流自導(dǎo)魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)尾流后的轉(zhuǎn)向方向和魚雷定深H等。

除在緊急情況下只能依賴人工估計確定魚雷的射擊諸元之外[3], 在正常攻擊情況下, 魚雷射擊參數(shù)中的大多數(shù)都需要通過解算射擊方程而確定, 只有個別無法計算的參數(shù)才通過人工估計確定, 如魚雷的定深等。

為了及時發(fā)射魚雷, 在確定對既定的目標(biāo)實(shí)施攻擊之前, 平臺魚雷武器系統(tǒng)都要按照當(dāng)前的敵我態(tài)勢而實(shí)時計算魚雷的發(fā)射控制參數(shù)。

因此, 正常情況下, 潛艇魚雷攻擊都要經(jīng)歷解算和修正目標(biāo)運(yùn)動要素的過程, 其目的就是為了提供解算射擊諸元所需要的基本條件。

為了滿足射擊決策者準(zhǔn)確判斷射擊態(tài)勢和確定魚雷發(fā)射時機(jī)的需要, 魚雷發(fā)射前, 魚雷武器系統(tǒng)在解算射擊諸元時, 除了解算魚雷的轉(zhuǎn)角等參數(shù)以外, 還要把當(dāng)前態(tài)勢下魚雷的命中角及魚雷從發(fā)射出管到命中或發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時所需要的航程S作為射擊參數(shù)解算的重要內(nèi)容, 并在武器控制臺的顯要位置給予顯示[4]。其原因是盡管這兩個參數(shù)對魚雷彈道沒有實(shí)質(zhì)性的控制作用, 但卻是判斷當(dāng)前態(tài)勢是否滿足發(fā)射條件的重要依據(jù)。

2 齊射魚雷射擊諸元解算的基本依據(jù)

轉(zhuǎn)角射擊是潛射魚雷射擊控制的基本樣式。無論是直航魚雷射擊、聲自導(dǎo)魚雷射擊或尾流自導(dǎo)魚雷射擊, 不論是一次齊射1條魚雷或多條魚雷, 還是采用平行航向射擊或扇面射擊, 齊射中各條魚雷射擊諸元解算的基本依據(jù)都是對應(yīng)態(tài)勢下中線魚雷的一次轉(zhuǎn)角。所以, 解算魚雷射擊參數(shù)的基本模型就是轉(zhuǎn)角射擊方程。

多雷齊射時, 各雷的一次轉(zhuǎn)角均以中線魚雷的轉(zhuǎn)角為基準(zhǔn), 且對稱地向兩側(cè)展開由齊射散角所決定的一個角度, 而后轉(zhuǎn)為平行航向或直航搜索目標(biāo)。因此, 為了解算齊射各雷的射擊諸元, 必須首先解算中線魚雷的轉(zhuǎn)角參數(shù)。

按照魚雷各種自導(dǎo)方式的射擊要求和轉(zhuǎn)角射擊方程的建模原理, 在假設(shè)目標(biāo)作等速定向運(yùn)動的條件下, 解算魚雷射擊參數(shù)的已知條件必須包括以下幾類參數(shù)。

1) 目標(biāo)運(yùn)動參數(shù): 目標(biāo)速度V, 目標(biāo)航向C。

2) 發(fā)射態(tài)勢參數(shù): 發(fā)射魚雷時刻的目標(biāo)距離D、目標(biāo)方位B、目標(biāo)舷角X和目標(biāo)相對于本艇的舷角X。在射擊解算時,X和X均按照右舷為正數(shù)、左舷為負(fù)數(shù)的有符號數(shù)進(jìn)行處理。

3) 魚雷的性能參數(shù): 魚雷速度V和魚雷的旋回半徑R, 或旋回角速度ω和魚雷自導(dǎo)探測距離r。

4) 觀測點(diǎn)位置及其他修正參數(shù): 觀測點(diǎn)到魚雷出管位置點(diǎn)的距離D, 魚雷出管到開始一次轉(zhuǎn)角的直航距離0。

5) 瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置參數(shù): 直航魚雷和聲自導(dǎo)魚雷的射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)均為目標(biāo)位置點(diǎn), 尾流自導(dǎo)魚雷為目標(biāo)艦尾距離D上的一點(diǎn)。

6) 期望與瞄準(zhǔn)點(diǎn)相遇的魚雷位置點(diǎn)參數(shù): 直航魚雷和尾流自導(dǎo)魚雷為魚雷自身的位置點(diǎn), 聲自導(dǎo)魚雷為魚雷自導(dǎo)扇面前沿弧線之中心。

由以上可見, 潛射魚雷射擊參數(shù)解算是在已知射距D, 目標(biāo)舷角X, 潛艇舷角X, 目標(biāo)速度V, 魚雷速度V, 魚雷旋回半徑R, 魚雷自導(dǎo)探測距離0, 射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離D, 以及其他修正參數(shù)D和0的條件下, 求解中線魚雷的轉(zhuǎn)角, 命中(進(jìn)入)角和魚雷直航段航程S。而魚雷從發(fā)射到命中或發(fā)現(xiàn)目標(biāo)所需要的航程為

(1)

在中線魚雷射擊參數(shù)的基礎(chǔ)上, 齊射各雷的射擊參數(shù)(ω1, ω2,S12,為齊射魚雷的出管序號)由相應(yīng)的齊射組織原則確定。

3 潛射魚雷的射擊通式

各種自導(dǎo)方式下魚雷在射擊方程的表達(dá)形式上產(chǎn)生某些差異的原因主要在于2個方面[5]: 一是不同自導(dǎo)方式所需要的射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)不同, 比如, 瞄準(zhǔn)目標(biāo)本身, 或者瞄準(zhǔn)目標(biāo)尾流中的一點(diǎn); 二是期望與預(yù)定相遇點(diǎn)相遇的魚雷位置點(diǎn)不同, 比如, 使魚雷自身與預(yù)定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)相遇, 或者使聲自導(dǎo)魚雷自導(dǎo)扇面的前沿與預(yù)定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)相遇。

現(xiàn)綜合分析直航魚雷、聲自導(dǎo)魚雷和尾流自導(dǎo)魚雷的射擊原理。在由發(fā)射點(diǎn)W, 瞄準(zhǔn)點(diǎn)M和預(yù)定相遇點(diǎn)所構(gòu)成的轉(zhuǎn)角射擊三邊形中, 如果把直航和尾流自導(dǎo)魚雷射擊的幾何關(guān)系用圖1所示之聲自導(dǎo)魚雷射擊幾何關(guān)系進(jìn)行描述, 便可發(fā)現(xiàn), 3種射擊方式之間, 既有相關(guān)參數(shù)在物理意義上的差異性, 又有相遇關(guān)系在數(shù)學(xué)意義上的一致性。諸如:

當(dāng)發(fā)射直航魚雷時,M就是魚雷發(fā)射時刻的目標(biāo)位置點(diǎn), 魚雷發(fā)射出管后與目標(biāo)同時到達(dá)預(yù)定相遇點(diǎn)而構(gòu)成命中條件;

如果發(fā)射聲自導(dǎo)魚雷,M也是發(fā)射魚雷時刻的目標(biāo)位置點(diǎn), 但魚雷發(fā)射出管后航行到點(diǎn)時其自導(dǎo)扇面的前沿與目標(biāo)同時到達(dá)預(yù)定相遇點(diǎn)點(diǎn)而構(gòu)成魚雷的發(fā)現(xiàn)條件;

如果發(fā)射尾流自導(dǎo)魚雷,M則是發(fā)射魚雷時刻目標(biāo)艦尾后相距為D處的位置點(diǎn), 魚雷發(fā)射后與相距目標(biāo)艦尾為D處的位置點(diǎn)同時到達(dá)點(diǎn)而構(gòu)成發(fā)現(xiàn)條件。

而且, 在同樣的射擊條件下, 即使是對于相同的瞄準(zhǔn)點(diǎn), 也會由于期望以魚雷自身或魚雷自導(dǎo)扇面的前沿與該瞄準(zhǔn)點(diǎn)相遇, 而導(dǎo)致所需要的魚雷轉(zhuǎn)角大不相同, 比如, 直航魚雷射擊的提前角要大于聲自導(dǎo)魚雷射擊的提前角。

圖1 潛射魚雷射擊通式的幾何原理

基于這種“不同相遇點(diǎn)”和“同時到達(dá)”的現(xiàn)實(shí), 綜合各種自導(dǎo)方式射擊所包含的參數(shù), 可把3種自導(dǎo)方式的魚雷轉(zhuǎn)角射擊方程式整理成如聲自導(dǎo)魚雷射擊方程的射擊通式

由方程組(2)之二式可得

把式(4)代入方程組(2)之一式, 并用式(3)之關(guān)系消去其中的轉(zhuǎn)角和命中角, 則可得關(guān)于轉(zhuǎn)角射擊提前角的超越方程式

式(3)～式(5)就是潛射魚雷射擊諸元解算的基本公式, 可稱之為潛射魚雷的通用射擊模型, 或潛射魚雷射擊通式。式中:為目標(biāo)速度與魚雷速度之比, 稱為速率比; sign()為符號函數(shù), 其取值與發(fā)射敵舷角X, 本艇舷角X, 以及轉(zhuǎn)角射擊提前角有關(guān)。

當(dāng)攻擊目標(biāo)右舷時, 如果目標(biāo)處于發(fā)射平臺之左舷且發(fā)射平臺舷角之絕對值大于或等于轉(zhuǎn)角提前角, 則取值1; 否則, 取值-1。

當(dāng)攻擊目標(biāo)左舷時, 如果目標(biāo)處于發(fā)射平臺之右舷且發(fā)射平臺舷角之絕對值大于或等于轉(zhuǎn)角提前角, 則取值-1; 否則, 取值1。

在攻擊過程中, 當(dāng)射擊態(tài)勢和魚雷的性能參數(shù)已經(jīng)確定, 且目標(biāo)速度和魚雷速度之比<1、發(fā)射距離(或瞄準(zhǔn)點(diǎn)的距離)大于魚雷旋回半徑與魚雷管制距離之和時, 則式(5)有唯一的解。進(jìn)而可由式(3)和式(4)解出中線魚雷轉(zhuǎn)角、命中角和魚雷完成轉(zhuǎn)角后的直航段航程S。

利用射擊通式可由瞬時敵我態(tài)勢參數(shù)而解算確定其瞬時射擊諸元參數(shù)。在實(shí)施攻擊過程中, 由于敵我態(tài)勢(D,X和X)將隨著時間的遞推而不斷發(fā)生變化, 這就會使轉(zhuǎn)角射擊提前角隨之而變化。可見, 依靠人工的方法將難以完成這種射擊的組織。同時, 在使用魚雷武器系統(tǒng)組織射擊時, 也要求其解算射擊參數(shù)的周期盡可能短, 以保證魚雷射擊的精度要求。

4 潛射魚雷射擊通式的使用方法

在工程實(shí)現(xiàn)時, 為了保持魚雷射擊參數(shù)解算模型的通用性, 可將射擊通式編程而使之成為一通用的射擊參數(shù)解算模塊。而在調(diào)用該模塊時, 可根據(jù)所使用魚雷的自導(dǎo)方式和性能參數(shù)而提供相應(yīng)的輸入?yún)?shù), 從而使該模型適用于直航魚雷、聲自導(dǎo)作用和尾流自導(dǎo)魚雷的射擊解算。

1) 直航魚雷射擊

當(dāng)使用直航魚雷射擊時, 因?yàn)轸~雷的射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)就是目標(biāo)的當(dāng)前位置點(diǎn), 所以在使用射擊通式(3)～式(5)計算中線魚雷的射擊參數(shù)時, 所需要的輸入?yún)?shù)包括: 發(fā)射距離D、發(fā)射敵舷角X、目標(biāo)相對于發(fā)射艇的舷角X和目標(biāo)速度V, 并把魚雷自導(dǎo)探測距離0賦值為0。這樣, 由射擊通式所解算得到的射擊諸元參數(shù)就是直航魚雷射擊所需要的發(fā)射控制參數(shù)。

這種情況下, 式(4)所解得的魚雷航程S為魚雷完成一次轉(zhuǎn)角到命中目標(biāo)過程中的航程、命中角為魚雷命中目標(biāo)時刻目標(biāo)航向線與魚雷反航向線之夾角, 可直接用于判斷當(dāng)前態(tài)勢是否滿足魚雷的航程要求。

2) 聲自導(dǎo)魚雷射擊

當(dāng)使用聲自導(dǎo)魚雷射擊時, 提供與直航魚雷相同的態(tài)勢參數(shù)和目標(biāo)運(yùn)動要素, 并給定魚雷自導(dǎo)探測距離0的估計值, 射擊通式(3)~式(5)計算的結(jié)果就是聲自導(dǎo)魚雷的射擊諸元參數(shù)。

該情況下, 所解算的魚雷航程S為魚雷完成一次轉(zhuǎn)角到其聲自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻所需要的航程, 命中角為魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻目標(biāo)航向線與魚雷反航向線的夾角, 也可稱之為聲自導(dǎo)魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)舷角。在判斷當(dāng)前態(tài)勢是否滿足魚雷航程要求時, 還須考慮聲自導(dǎo)魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后的追蹤航程。

3) 尾流自導(dǎo)魚雷射擊

當(dāng)使用尾流自導(dǎo)魚雷射擊時, 因?yàn)轸~雷的射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)是目標(biāo)艦尾后距離D處的一點(diǎn), 并且期望魚雷自身與其相遇。所以, 在解算射擊參數(shù)之前, 首先需要將射擊通式中的發(fā)射態(tài)勢參數(shù)替換為射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的態(tài)勢參數(shù): 假設(shè)發(fā)射時刻目標(biāo)的方位為B、距離為D、目標(biāo)舷角為X、速度V、航向C、目標(biāo)相對于本艇的舷角為X, 則射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)相對于發(fā)射艇的態(tài)勢參數(shù)為: 方位B′、射距D′、瞄準(zhǔn)點(diǎn)的目標(biāo)X′和瞄準(zhǔn)點(diǎn)相對于發(fā)射艇的舷角X′可通過目標(biāo)的態(tài)勢參數(shù)而采用以下模型計算確定[6]。

把射擊通式中的射距D、發(fā)射敵舷角X和發(fā)射我舷角X, 分別用射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的參數(shù)D′,X′和X′替代, 并把r賦值為0。則可解算出尾流自導(dǎo)魚雷的射擊諸元參數(shù)。

此時, 所解算的魚雷航程S為魚雷發(fā)射到尾流自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)尾流時間內(nèi)所需要的航程, 命中角為魚雷進(jìn)入目標(biāo)尾流時刻目標(biāo)航向線與魚雷反航向線之夾角, 也稱進(jìn)入角。在判斷當(dāng)前態(tài)勢是否滿足魚雷航程要求時, 還必須考慮尾流自導(dǎo)魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后跟蹤目標(biāo)尾流所造成的航程消耗。

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Generalization and Application of Shooting Models of Submarine-launched Torpedo

LI Ben-chang1, LIANG Tao2

(1. Research Centre of Submarine Operation Software, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China; 2. Navy Headquarters Submarine Department, Beijing 100841, China)

This paper transforms the shooting models of submarine-launched torpedoes with various homing modes into a general equation according to the principle of solution encounter by using the method of parameter substitution, and clarifies the physical meanings of the key parameters, such as torpedo′s range, shooting angle, etc., for judging whether shooting occasion or the current situation meet the shooting requirements. The purpose of this study is to fulfill the standardization and modularization of a project, and to help project designers and tactics executants unanimously comprehend relative conceptions.

torpedo homing way; shooting situation; principle of encounter

TJ630.34

A

1673-1948(2013)05-0384-04

2013-05-16;

2013-06-03.

李本昌(1955-), 男, 教授, 研究方向?yàn)闈撏ё鲬?zhàn)系統(tǒng)和武器運(yùn)用.

(責(zé)任編輯: 許 妍)