水下目標敷設(shè)吸聲材料對抗魚雷作戰(zhàn)效果仿真研究

楊連紅

(中國傳媒大學理學院，北京100024)

1 引言［1］

隨著水聲對抗愈演愈烈，目前大多數(shù)潛艇均敷設(shè)有消聲瓦。消聲瓦不僅具有降低潛艇的目標反射強度，還具有隔振和隔聲的作用，對于提高潛艇隱身性具有不可忽視的作用。據(jù)“簡氏防務(wù)周刊”報道:“前蘇聯(lián)潛艇的消聲瓦覆蓋層可使美國MK-46魚雷的自導作用距離減小31% ～62%，相當于覆蓋消聲瓦后目標強度降低約6dB ～15dB”。同時，另據(jù)資料報道，俄羅斯新研的核潛艇敷設(shè)新一代消聲瓦后不僅能吸收敵方主動聲吶的探測聲波、隔絕和降低本艇的噪聲(降低20dB以上)，而且可使西方艦艇探測系統(tǒng)的探測能力下降50%～75%。

消聲瓦上述優(yōu)異性能帶動了對消聲瓦技術(shù)研究的熱潮。我國學者就此問題開展了相關(guān)研究，并在消聲瓦吸聲機理、吸聲材料、測試方法、生產(chǎn)工藝、目標強度計算以及潛艇回聲特性等方面取得了不少成果［1-7］［10-12］，但國內(nèi)對消聲瓦的研究主要集中在消聲瓦吸聲機理、吸聲材料、吸聲效果計算方法等方面，而對潛艇敷設(shè)消聲瓦前、后對抗來襲魚雷的實際效果研究相對較少，因此，本文從對抗角度出發(fā)，建立了敷瓦潛艇對抗來襲魚雷的對抗效果仿真模型，重點就來襲魚雷對潛艇敷設(shè)消聲瓦前后的攻擊效果進行仿真研究，據(jù)此提出了消聲瓦技術(shù)發(fā)展的幾點建議，期望能對消聲瓦技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供一定的參考意義。

2 敷瓦潛艇對抗效能仿真模型和對抗效能評估方法

2.1 仿真建模

潛艇敷設(shè)消聲瓦的最終目的是使敵方探測器材難以發(fā)現(xiàn)或延緩發(fā)現(xiàn)己方，同時降低來襲魚雷的命中概率。而魚雷命中概率不僅與魚雷自身性能指標、作戰(zhàn)方法、被攻擊對象、發(fā)射平臺乃至作戰(zhàn)海域水文條件等多方面因素密切相關(guān)還受到魚雷-目標相對運動等因素的影響。本文僅介紹潛艇目標強度的計算模型，目標、魚雷的運動數(shù)學模型以及魚雷-目標相對運動模型等在此不再累述，可參閱文獻［8］和［9］。

2.1.1 未敷瓦潛艇目標強度計算

潛艇目標強度的變異性較為顯著，不但同一潛艇的不同時間段回聲與回聲之間的變化很大，而且不同潛艇由不同的操作者在不同的時間所測得的目標強度平均值以及由所換算出的目標強度也存在很大差異，目標強度與目標的大小、形狀和聲學性質(zhì)有關(guān)，并隨入射聲納波的方向、頻率和波形而發(fā)生改變［7］。另一方面，由于消聲瓦是具有復(fù)雜聲學結(jié)構(gòu)的粘彈性材料吸聲層，這給計算和評價敷瓦潛艇的目標強度帶來了更大難度。

不失一般性，本文中未敷瓦潛艇目標反射強度按文獻［7］所提目標強度分布規(guī)律來計算。根據(jù)文獻［7］潛艇的目標強度隨方位變化呈現(xiàn)“蝴蝶”形分布(見圖1)，該圖具有下列特征［7］:①在艇的舷側(cè)正橫方向上，目標強度值最大，達25dB;②在艇首和艇尾方向，目標強度最小，約10～15dB;③在艇首和艇尾20°附近，比相鄰區(qū)域高出1～2dB;④在其它方向上呈圓形。

圖1 未敷瓦潛艇目標強度分布圖

2.1.2 敷瓦潛艇目標強度計算

目前國內(nèi)已經(jīng)有一些文獻給出了潛艇目標強度的預(yù)測和計算方法［1-6］［10-12］，但不論從理論或?qū)嶒炆隙歼€沒有形成一個計算和評價潛艇目標強度(含敷瓦潛艇)的成熟的理論和方法?？紤]到分析問題的需要，仿真中對敷瓦潛艇的目標反射強度計算則以文獻［1］和［2］中研究數(shù)據(jù)和結(jié)果為基準來進行計算，本文仿真中采用的是擬合處理后的結(jié)果，擬合后的敷瓦潛艇目標強度分布圖見圖2所示。

圖2 敷瓦潛艇目標強度分布圖

從圖中不難看出敷瓦潛艇目標強度值明顯比未敷瓦潛艇大大降低，目標位于艇的正橫90°±40°方位角內(nèi)敷瓦潛艇目標強度值明顯比未敷瓦潛艇大約下降5.0dB～10.0 dB左右，其它角度內(nèi)大約下降8.0dB～12dB左右，隨入射方位變化的目標強度分布圖趨勢基本相同。

2.2 敷瓦潛艇對抗效能評估方法

為便于分析潛艇敷設(shè)消聲瓦后的對抗效能，本文用反潛魚雷對敷設(shè)消聲瓦潛艇的命中概率絕對降低值Δ和相對降低值η來表示，Δ和η的定義如下(除特別說明外，文中Δ和η的含義均同此):

△ =(P未敷瓦－ P敷瓦)*100

η =(P未敷瓦－ P敷瓦)*100/P未敷瓦

式中，P未敷瓦表示魚雷命中未敷設(shè)消聲瓦的潛艇目標的概率，P敷瓦表示魚雷命中敷設(shè)消聲瓦的潛艇目標的概率。

3 敷瓦潛艇對抗效果仿真計算和分析

魚雷對潛艇目標的攻擊過程通常分為發(fā)射入水段，線導導引段，自導搜索、跟蹤段，丟失后再搜索、再跟蹤等階段，其中魚雷能否命中目標，是衡量魚雷攻擊效果的最本質(zhì)指標，因此，本文將“計算魚雷命中概率”作為研究敷瓦潛艇對抗來襲重型魚雷作戰(zhàn)效能的手段，以“命中概率”為衡量尺度，對潛艇敷設(shè)消聲瓦前、后對來襲重型魚雷命中概率的變化影響進行分析和研究。

3.1 命中概率計算方法

已知目標的真實速度Vm、舷角Qm、射距Dm，則經(jīng)過多次觀測，可得到不同的觀測值 Vmi、Qmi、Dmi。每一次觀測均得到一組目標信息，從而就可以使用魚雷實施對目標的一次攻擊。假設(shè)艦艇進行了多次魚雷攻擊，每一次攻擊可能命中目標，也可能不能命中目標。若在N次攻擊中命中目標M次，則根據(jù)蒙特卡羅法的原理，魚雷命中概率P就是命中次數(shù)M次與總攻擊次數(shù)N的比值。

3.2 仿真條件

為全面、客觀地研究敷瓦潛艇對來襲魚雷的對抗效果，本仿真中以瑞典的TP2000型魚雷和意大利的A184-3型魚雷為基本原形，假想了兩種自導性能不同的魚雷分別進行仿真，其中A型魚雷航速37kn，自導作用距離約700m;B型魚雷航速45kn，自導作用距離約1100m;假定潛艇目標航速5節(jié)，做勻速直線運動，潛艇敷設(shè)消聲瓦前后的目標反射強度的分布規(guī)律見本文2中描述。

此外，為分析潛艇敷設(shè)消聲瓦后的最佳預(yù)期降低值問題，本文還對A和B兩型魚雷在潛艇敷設(shè)消聲瓦后的不同理想預(yù)期ΔTS降低值下(注ΔTS=n dB，則表示潛艇敷設(shè)消聲瓦后的目標強度普遍下降n dB，下同)的對抗效果進行了仿真分析。

3.3 仿真結(jié)果

由于篇幅有限，下面僅給出射距30鏈時的A型魚雷和B型魚雷的對抗絕對效果和相對效果。其中A型魚雷對敷設(shè)不同頻率消聲瓦的潛艇目標的對抗絕對效果和對抗相對效果見圖3～圖4，A型魚雷對不同預(yù)期ΔTS降低值下的對抗絕對效果和對抗相對效果見圖5～圖6。B型魚雷對敷設(shè)不同工作頻率消聲瓦的潛艇目標的對抗絕對效果和對抗相對效果見圖7～圖8，B型魚雷對不同預(yù)期ΔTS降低值下的對抗絕對效果和對抗相對效果見圖9～圖10。

圖3 A型魚雷對抗絕對效果圖

圖4 A型魚雷對抗相對效果圖

圖5 A型魚雷在不同ΔTS值下的對抗絕對效果

圖6 A型魚雷在不同ΔTS值下的對抗相對效果圖

圖7 B型魚雷對抗相對效果圖

通過對仿真數(shù)據(jù)和圖表的分析，對給定條件下的潛艇目標，敷設(shè)消聲瓦前后對A、B兩型來襲魚雷的效果影響分析如下:

1)在給定頻率下，與未敷設(shè)消聲瓦相比，潛艇敷設(shè)消聲瓦可使A、B兩型來襲魚雷的命中概率的絕對降低值和相對降低值下降，具體下降幅度與來襲魚雷的種類有關(guān)。如對A型魚雷而言，A型來襲魚雷命中概率的絕對降低值和相對降低值均為幾個百分點左右，對抗效果較為明顯，但是對B型魚雷而言，B型來襲魚雷命中概率的絕對降低值和相對降低值均＜1%;對抗效果則不甚明顯;

圖8 B型魚雷對抗絕對效果圖

圖9 B型魚雷在不同ΔTS值下的對抗絕對效果

圖10 B型魚雷在不同ΔTS值下的對抗相對效果圖

2)命中概率的絕對降低值和相對降低值均隨著消聲瓦工作頻率的增大而減小。盡管這種下降幅度較小，有時還會出現(xiàn)特殊點，但是總體規(guī)律是一致的;

3)給定頻率下，隨著反射強度預(yù)期降低值的增大，命中概率的絕對降低值和相對降低值也相應(yīng)增大。隨著預(yù)期降低值的增大，來襲魚雷的命中概率下降，但是當預(yù)期降低值不同時，其下降的幅度有一定差異，當預(yù)期降低值增大到一定程度時，其下降的幅度則不甚明顯。對A型來襲魚雷來說，當反射強度預(yù)期降低值為15dB或18dB時，此時魚雷的發(fā)現(xiàn)概率絕大部分在40%左右，此時對來襲魚雷來說時是極為不利的。對B型魚雷來說，當反射強度預(yù)期降低值為20dB時，其使來襲魚雷命中概率的絕對降低值和相對降低值在9% ～25%之間，但此時魚雷的命中概率仍然很高，因此。其對B型來襲魚雷的對抗效果不是十分明顯。這種情況主要是B型魚雷自導性能較A型魚雷先進，因此目標反射強度的一定降低，對其效果影響不大所致。

4 結(jié)論

潛艇敷設(shè)消聲瓦前后的效果影響包括對對方艦艇主動聲吶探測影響、本艇噪聲的隔噪效果、對抗來襲魚雷的效果等多個方面，本文僅就對反潛來襲魚雷的效果影響進行了仿真研究，從“對抗角度”提出消聲瓦發(fā)展建議，具體結(jié)論和建議如下:

1)對給定頻率等條件下，隨著反射強度預(yù)期降低值的增大，命中概率的絕對降低值和相對降低值也相應(yīng)增大，具體增大幅度與來襲魚雷的種類和預(yù)期降低值的大小有關(guān)。因此，從對抗效能的綜合費效比看，消聲瓦預(yù)期降低值非越大越好，而是選擇一個最佳的預(yù)期值(如18dB、15dB等);

2)對不同給定頻率等條件下，命中概率的絕對降低值和相對降低值均隨著消聲瓦工作頻率的增大而減小，因此，在消聲瓦技術(shù)研究中，應(yīng)注重選取合適的工作頻率，以最大發(fā)揮其對抗效果;

3)潛艇敷設(shè)消聲瓦后會使來襲魚雷的命中概率下降，但是對自導性能較為先進的魚雷來說，對抗效果則不甚明顯。因此，從某種意義上來說，對自導性能較為先進的魚雷而言，僅靠采用消聲瓦(軟對抗方式)是不夠的，需要考慮采用軟硬結(jié)合的綜合對抗方法或技術(shù)。

［1］張玉玲，陶猛，范軍.敷設(shè)吸聲材料復(fù)雜目標的目標強度計算［J］.上海交通大學學報，2009，43(8):1322-1326.

［2］范軍，朱蓓麗，勾厚渝.敷設(shè)消聲瓦后潛艇的目標強度研究［C］.水下噪聲學術(shù)論文集(1985-2005)，2005:302-306.

［3］湯渭霖.用物理聲學方法計算非剛硬表面的聲散射［J］.聲學學報，1993，18(1):45-53.

［4］范軍，朱蓓麗，湯渭霖.非剛性表面聲吶目標回波的修正幾何亮點模型［J］.聲學學報，2001，26(6):545-550.

［5］范軍，萬琳，湯渭霖.基于3DSMAX建模的水中目標強度計算［J］.聲學技術(shù)，2000，19(4):203-204.

［6］趙洪，徐海亭.消聲瓦參數(shù)匹配及水下目標的回波消聲效果［J］.聲學技術(shù)，2000，19(4):222-225.

［7］尤立克.水聲原理［M］.哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院出版社，1990.

［8］孟慶玉，張靜遠，宋保維.魚雷作戰(zhàn)效能分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［9］嚴衛(wèi)生.魚雷航行動力學［M］.西安:西北工業(yè)大學出版社，2005.

［10］鄭國垠，范軍，湯渭霖.考慮遮擋和二次散射的修正板塊元算法［J］.聲學學報，2011，36(4):377-383.

［11］陶猛，湯渭霖.Alberich型吸聲覆蓋層的低頻吸聲機理分析［J］.振動與沖擊，2011，30(1):56-60.

［12］范軍，湯渭霖，卓琳凱.聲吶目標回聲特性預(yù)報的板塊元方法［J］.船舶力學，2012，16(1-2):171-180.