火箭助飛式反魚雷魚雷性能仿真

王光宇1, 彭 佩2

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火箭助飛式反魚雷魚雷性能仿真

王光宇, 彭 佩

(1. 海軍裝備部, 北京, 100161; 2. 海軍裝備研究院, 北京, 100161)

依據(jù)火箭助飛式反魚雷魚雷典型作戰(zhàn)態(tài)勢(shì), 建立了相關(guān)模型, 仿真了火箭助飛式反魚雷魚雷的作戰(zhàn)過程。仿真結(jié)果表明, 航速和航程對(duì)火箭助飛式反魚雷魚雷攔截概率有較大影響, 自導(dǎo)作用距離不小于水下航程可以保證較高的攔截概率。

火箭助飛式反魚雷魚雷; 攔截概率; 作戰(zhàn)過程

0 引言

德國“海蜘蛛”(sea spider)反魚雷魚雷直徑210 mm, 長2 260 mm, 重115 kg, 采用主/被動(dòng)自導(dǎo), 自導(dǎo)作用距離數(shù)百米, 于水面艦艇發(fā)射時(shí)可采用火箭助飛, 以彈道式飛行至入水點(diǎn), 水下采用高可靠性的固體推進(jìn)劑水下火箭, 速度快, 用以實(shí)施主動(dòng)快速精確攔截來襲魚雷。文中從火箭助飛式反魚雷魚雷攔截來襲魚雷過程出發(fā), 建立了水下彈道模型、自導(dǎo)檢測(cè)判據(jù)、命中目標(biāo)判據(jù), 依據(jù)水面艦艇、來襲魚雷和反魚雷魚雷的相關(guān)技術(shù)參數(shù), 對(duì)反魚雷魚雷作戰(zhàn)效能采用蒙特卡洛法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真, 得出量化的反魚雷效能結(jié)論。通過仿真結(jié)果分析得出航速、航程和自導(dǎo)作用距離等核心指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)命中概率的影響。

1 反魚雷作戰(zhàn)過程

以水面艦艇報(bào)警聲納發(fā)現(xiàn)來襲魚雷開始點(diǎn)為原點(diǎn), 水面艦艇沿軸直航, 如圖l 建立直角坐標(biāo)系, 坐標(biāo)系中以軸為基準(zhǔn)線。

根據(jù)圖1, 由命中三角形可以建立航行水平面內(nèi)的攔截幾何關(guān)系

式中:為雷目距離;為目標(biāo)瞄準(zhǔn)線與攻擊平面內(nèi)基準(zhǔn)線之間的夾角, 稱為目標(biāo)線方位角;分別為反魚雷魚雷和來襲魚雷的速度矢量;分別為反魚雷魚雷、來襲魚雷速度矢量與基準(zhǔn)線之間的夾角, 稱之為反魚雷魚雷彈道角和目標(biāo)航向角;分別為反魚雷魚雷、來襲魚雷速度矢量與目標(biāo)瞄準(zhǔn)線之間的夾角。

2 模型及判據(jù)建立

2.1 彈道模型

2.1.1 落點(diǎn)散布模型

計(jì)算反魚雷魚雷的落點(diǎn)坐標(biāo), 是以觀測(cè)來襲魚雷運(yùn)動(dòng)要素為基礎(chǔ)的, 反魚雷魚雷按解算出的目標(biāo)要素取捷徑航行至來襲魚雷的預(yù)計(jì)主航向上, 以此確定發(fā)射角, 根據(jù)指控系統(tǒng)設(shè)定的空中飛行平均速度和空中航程, 從而求出平均彈道入水點(diǎn)的坐標(biāo)(即散布中心坐標(biāo)), 最后求出每發(fā)反魚雷魚雷的散布坐標(biāo)。

散布中心坐標(biāo)

(3)

則落點(diǎn)散布坐標(biāo)為

2.1.2 直航搜索段彈道模型

反魚雷魚雷在點(diǎn)落水, 通過二次轉(zhuǎn)角沿解算的來襲魚雷主航向進(jìn)行反向搜索, 當(dāng)反魚雷魚雷的自導(dǎo)系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)來襲魚雷時(shí)進(jìn)行直航搜索

2.1.3 跟蹤導(dǎo)引段彈道模型

當(dāng)反魚雷魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)來襲魚雷時(shí), 按照設(shè)定導(dǎo)引律進(jìn)行導(dǎo)引跟蹤

2.2 來襲魚雷彈道模型

來襲魚雷按照機(jī)動(dòng)方式其彈道模型

2.3 自導(dǎo)檢測(cè)判據(jù)

反魚雷魚雷采用主被動(dòng)聯(lián)合自導(dǎo), 在魚雷搜索期間, 要想使自導(dǎo)裝置捕獲目標(biāo), 必須使目標(biāo)進(jìn)入自導(dǎo)裝置有效作用范圍內(nèi), 即目標(biāo)落入到自導(dǎo)扇面中, 需滿足相對(duì)距離和相對(duì)方位的約束條件。

反魚雷魚雷與來襲魚雷的相對(duì)距離

來襲魚雷相對(duì)反魚雷魚雷的方位

(9)

2.4 命中目標(biāo)判據(jù)

反魚雷魚雷發(fā)現(xiàn)捕獲目標(biāo)后, 按照一定的導(dǎo)引律追蹤目標(biāo), 在追蹤段能否命中目標(biāo)與本身戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能有關(guān), 為了簡化計(jì)算, 可以通過判斷來襲魚雷是否在反魚雷魚雷毀傷半徑作用范圍之內(nèi)來判斷是否被命中, 具體模型如下。

式中:為反魚雷魚雷與來襲魚雷之間的距離;l為反魚雷魚雷毀傷半徑, 當(dāng)符合條件時(shí), 認(rèn)為攔截成功。

3 仿真想定

3.1 仿真思路

以水面艦艇、來襲魚雷、反魚雷魚雷的相關(guān)技術(shù)參數(shù)為初始條件, 基于蒙特卡洛法建立命中概率仿真計(jì)算模型。根據(jù)反魚雷魚雷作戰(zhàn)過程分析及上述彈道模型, 采用龍格庫塔算法解來襲魚雷對(duì)我方艦艇以及反魚雷魚雷對(duì)來襲魚雷之間的攔截幾何關(guān)系, 得到三者的實(shí)時(shí)坐標(biāo), 進(jìn)而根據(jù)相關(guān)判據(jù), 得到攔截概率。

3.2 誤差取值

反魚雷魚雷落點(diǎn)散布區(qū)域?yàn)橐粰E圓, 為了簡化計(jì)算, 把它看成一個(gè)圓形區(qū)域。散布區(qū)域以瞄準(zhǔn)點(diǎn)為圓心, 落點(diǎn)散布均方差為半徑, 散布方向0°到360°均勻分布。根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)確定計(jì)算中涉及的一些誤差取值, 對(duì)于具體武器使用研究, 應(yīng)根據(jù)具體武器系統(tǒng)的試驗(yàn)參數(shù)來確定, 仿真中的主要參數(shù)的誤差取值略。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 攔截彈道仿真

圖2為反魚雷魚雷成功攔截來襲魚雷彈道仿真示意圖, 圖3為反魚雷魚雷未成功攔截來襲魚雷彈道仿真示意圖。

圖2中, 由于指控系統(tǒng)求解得到的射擊諸元較準(zhǔn)確, 反魚雷魚雷成功占位來襲魚雷航向, 并且自導(dǎo)成功捕獲來襲魚雷, 當(dāng)雷目距離小于某一值時(shí), 魚雷命中來襲魚雷, 攔截成功。

圖3中, 由于各種隨機(jī)誤差的存在, 導(dǎo)致求解得到的反魚雷魚雷射擊諸元不準(zhǔn)確, 在某一距離處, 來襲魚雷逃離了反魚雷魚雷自導(dǎo)扇面的搜索, 最終來襲魚雷捕獲并命中艦艇目標(biāo), 而反魚雷魚雷則在搜索航向上丟失目標(biāo), 直至航程耗盡, 攔截失敗。

4.2 攔截概率仿真

4.2.1 水下航速對(duì)攔截概率的影響

圖4為在設(shè)定的仿真計(jì)算參數(shù)下, 反魚雷魚雷攔截概率隨水下航速的變化趨勢(shì)。

如圖4所示, 在一定范圍內(nèi)自導(dǎo)作用距離不變的情況下, 水下航速對(duì)反魚雷魚雷攔截概率影響明顯, 武器速度越高打擊效果越好, 速度越高接敵時(shí)間越短, 目標(biāo)誤差散布越小, 攔截概率就越高。

4.2.2 航程對(duì)攔截概率的影響

圖5、圖6 分別為在設(shè)定的仿真計(jì)算參數(shù)下,反魚雷魚雷攔截概率隨助飛段航程和水下航程的變化趨勢(shì)。

如圖5所示, 當(dāng)指控系統(tǒng)解算完畢立即發(fā)射魚雷, 在水下航程固定的情況下, 助飛段航程小于data2或大于data8時(shí)攔截概率小于0.75, 前者是由于助飛段航程太小, 導(dǎo)致水下航程不足以跟蹤摧毀目標(biāo), 后者是設(shè)定的助飛段航程太大, 助飛魚雷落水時(shí)刻來襲魚雷已越過該區(qū)域, 助飛魚雷搜索不到目標(biāo)。

如圖6所示, 在助飛段航程取某一固定數(shù)據(jù)的情況下, 當(dāng)水下段航程由data1到data2時(shí), 攔截概率急劇上升, 當(dāng)水下航程大于data2時(shí), 攔截概率變化比較平緩, 并保持較高的攔截概率。

4.2.3 自導(dǎo)作用距離對(duì)攔截概率的影響

圖7為在設(shè)定的仿真計(jì)算參數(shù)下, 反魚雷魚雷攔截概率隨自導(dǎo)作用距離變化趨勢(shì)。

如圖7所示, 當(dāng)自導(dǎo)作用距離達(dá)到data5 時(shí), 攔截概率達(dá)到了0.8以上, 比較圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn), 自導(dǎo)作用距離data5 基本覆蓋了水下航程data2。這樣一來, 反魚雷魚雷在落水調(diào)姿完畢后就可以探測(cè)到來襲魚雷, 可以最大程度增加自導(dǎo)捕獲概率, 進(jìn)而保證較高的攔截既率。

5 結(jié)束語

以上通過對(duì)火箭助飛式反魚雷魚雷攔截來襲魚雷作戰(zhàn)過程的研究, 建立了基于蒙特卡洛法的仿真計(jì)算模型。通過仿真計(jì)算, 模擬了攔截彈道, 并定量分析了主要指標(biāo)對(duì)攔截概率的影響, 得到了如下結(jié)論。

1) 由于武器系統(tǒng)對(duì)來襲魚雷運(yùn)動(dòng)要素的解算存在誤差以及來襲魚雷近程跟蹤彈道會(huì)受到我艦機(jī)動(dòng)的影響, 反魚雷魚雷自導(dǎo)捕獲目標(biāo)時(shí)所處位置與目標(biāo)實(shí)際航向之間可能存在較大的橫向偏差, 使之處于不利陣位, 高航速有利于反魚雷魚雷在追蹤導(dǎo)引過程中更快地接近目標(biāo)航向, 以避免最后的尾追或近程時(shí)丟失目標(biāo)。

2) 助飛段航程的設(shè)定既要使水下段航程足以捕獲跟蹤并摧毀目標(biāo)又要避免助飛段航程過大, 造成由于火箭助飛式魚雷落點(diǎn)誤差使魚雷尾追來襲魚雷或者丟失目標(biāo), 水下航程必須大于某一特定值(圖6中的data2)才能保證較高的攔截概率。

3) 為保證較高的攔截概率, 反魚雷魚雷自導(dǎo)作用距離應(yīng)不小于水下航程。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Performance Simulation of Rocket-Assisted Anti-Torpedo Torpedo

WANG Guang-yu, PENG Pei

(1. Naval Armament Department, Beijing 100161, China; 2. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Some models of typical operations of a rocket-assisted anti-torpedo torpedo(RATT) are established to simulate the intercept trajectory of a RATT. Simulation results show that the speed and range impose significant influences on the interception probability of a RATT, and the RATT can gain higher interception probability when homing range is no less than the underwater range.

rocket-assisted anti-torpedo torpedo; interception probability; operational process

TJ63

A

1673-1948(2013)06-0469-05

2013-07-01;

2013-08-11.

王光宇(1970-), 男, 研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).