潛艇使用兩枚自航式聲誘餌對(duì)抗魚雷問題研究*

李 峰 鄭 援 單廣超

(1.海軍潛艇學(xué)院 青島 266042)(2.海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

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潛艇使用兩枚自航式聲誘餌對(duì)抗魚雷問題研究*

李 峰1鄭 援1單廣超2

(1.海軍潛艇學(xué)院 青島 266042)(2.海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

針對(duì)潛艇使用單枚聲誘餌對(duì)抗魚雷效果不理想,分析了潛艇使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷使用方法。通過潛艇、聲誘餌和魚雷之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,建立了潛艇使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷數(shù)學(xué)模型。利用仿真對(duì)比分析了采用單枚聲誘餌和兩枚聲誘餌不同對(duì)抗方法,得出了潛艇使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷的有效性。

潛艇; 聲誘餌; 魚雷

Class Number TB556

1 引言

來襲魚雷依然是潛艇的最大威脅,為此各國(guó)海軍競(jìng)相完善其潛艇的水聲對(duì)抗系統(tǒng),以提高其對(duì)抗魚雷的能力。自航式聲誘餌是一種欺騙性水聲對(duì)抗裝備,通過模擬潛艇的航行噪聲和對(duì)主動(dòng)聲探測(cè)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答,對(duì)魚雷進(jìn)行干擾、迷惑和誘離,從而達(dá)到提高潛艇生存概率的目的[1]。然而,由于潛艇機(jī)動(dòng)能力差,使用一枚自航式聲誘餌對(duì)抗聲自導(dǎo)魚雷的效果有限。為此,本文建立了潛艇使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷的模型,通過仿真分析,為潛艇使用聲誘餌對(duì)抗魚雷提供了重要參考依據(jù)。

2 自航式聲誘餌對(duì)抗魚雷的方法

不管是使用單枚聲誘餌還是使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷,聲誘餌的使用要考慮發(fā)射時(shí)機(jī)、發(fā)射轉(zhuǎn)角、航速和潛艇規(guī)避機(jī)動(dòng)等問題。

2.1 聲誘餌發(fā)射時(shí)機(jī)的選擇

聲誘餌的發(fā)射時(shí)機(jī)對(duì)聲誘餌的對(duì)抗效果有較大的影響。發(fā)射的時(shí)機(jī)過早,可能使魚雷過早穿過魚雷自導(dǎo)搜索帶,使魚雷發(fā)現(xiàn)不了聲誘餌;發(fā)射較晚,可能使魚雷在發(fā)現(xiàn)誘餌時(shí),已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了潛艇,失去了聲誘餌誘騙的作用。

2.2 聲誘餌發(fā)射航向的選擇

聲誘餌航向的選擇應(yīng)遵循原則[2]:一是保證魚雷先發(fā)現(xiàn)聲誘餌;二是魚雷在跟蹤聲誘餌過程中和追上聲誘餌進(jìn)行再搜索時(shí),離本艇越遠(yuǎn)越好。對(duì)自航式聲誘餌來說,發(fā)射后應(yīng)當(dāng)盡量拉大魚雷與潛艇的距離,降低被魚雷再搜索發(fā)現(xiàn)的概率,達(dá)到擺脫魚雷的目的。

2.3 聲誘餌發(fā)射速度的選擇

聲誘餌航速通?？梢苑譃楦咚俸偷退?高速航行時(shí)間一般較短,低速航行時(shí)間一般較長(zhǎng)。聲誘餌航速的選取主要原則是在有效的航行時(shí)間內(nèi),盡量拉大魚雷與潛艇的距離[2]。隨著現(xiàn)代反潛魚雷航速越來越高,當(dāng)潛艇魚雷報(bào)警時(shí),魚雷與潛艇的距離較近,因此在對(duì)抗魚雷時(shí)航速一般選擇高速。

2.4 潛艇規(guī)避魚雷航向的選擇

潛艇發(fā)射單枚自航式聲誘餌對(duì)抗魚雷后,采取的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)通常是立即轉(zhuǎn)向至聲誘餌航向的反航向進(jìn)行規(guī)避,而對(duì)于潛艇同時(shí)使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷進(jìn)行規(guī)避時(shí),一般轉(zhuǎn)向至兩枚聲誘餌航向的角平分線的反方向(遠(yuǎn)離魚雷的方向)進(jìn)行規(guī)避,同時(shí)確保能夠?qū)Ⅳ~雷置于潛艇聲納可探測(cè)范圍內(nèi)。

3 模型建立

依據(jù)潛艇使用自航式聲誘餌對(duì)抗魚雷的過程,應(yīng)建立以下模型。

3.1 水聲環(huán)境模型

本文主要考慮聲傳播損失模型和海洋環(huán)境噪聲模型。

3.1.1 聲傳播損失模型

聲傳播損失模型[3]主要考慮擴(kuò)展損失和吸收損失進(jìn)行計(jì)算,其公式如下:

(1)

其中,r為聲源到聲納的距離,單位為m;a為吸收系數(shù),單位為dB/km,其值與聲納信號(hào)頻率有關(guān),對(duì)于特定的聲納信號(hào)為固定值。

3.1.2 海洋環(huán)境噪聲模型

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[4]

NL=10lgf-1.7+6S+55

(2)

式中,f為頻率(kHz),S為海況等級(jí)(S=0,1,2,…,9)。

3.2 對(duì)抗實(shí)體的聲學(xué)特性模型

3.2.1 潛艇目標(biāo)強(qiáng)度

潛艇目標(biāo)強(qiáng)度描述的是整個(gè)潛艇對(duì)聲波的反射能力[5]。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)來說,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[6]。

目標(biāo)反射強(qiáng)度可以采用蝴蝶形分布曲線近似表示:

TS(a)=TS0(16.17-2.98cos2a-3.083cos6a)/22.233

(3)

式中,a為聲波入射舷角,TS0為目標(biāo)正橫反射強(qiáng)度,一般取為20dB～25dB。

3.2.2 潛艇輻射噪聲

計(jì)算潛艇輻射噪聲強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式[4]為

SL=60lgV+9lgT-20lgfz+35.8

(4)

式中,SL為潛艇輻射噪聲譜級(jí)(dB);V為潛艇航速(kn);T為潛艇噸位(t);fz為噪聲頻率(kHz)。

3.2.3 魚雷自噪聲

魚雷自噪聲的產(chǎn)生機(jī)理與輻射噪聲相似,主要與魚雷的動(dòng)力類型、航速、航行深度以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等有關(guān),但航速、航深對(duì)其影響最大,魚雷自噪聲在魚雷聲探測(cè)中表現(xiàn)為噪聲級(jí)NL項(xiàng)。

在魚雷接收頻段內(nèi)的魚雷自噪聲經(jīng)驗(yàn)公式為[4]

NLz= -14+96lgV-33lgfy

+20lg(5.1/T1.175)+10lgΔf

(5)

式中,V為魚雷速度(kn);fy為魚雷自導(dǎo)接收工作頻率(kHz);Δf為帶寬(kHz);T為魚雷航行深度(m)。

3.3 對(duì)抗實(shí)體機(jī)動(dòng)模型

3.3.1 潛艇機(jī)動(dòng)模型

潛艇的機(jī)動(dòng)模型主要包括直線運(yùn)動(dòng)模型、旋回運(yùn)動(dòng)模型和變速模型,機(jī)動(dòng)模型如下:

1) 潛艇直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)模型

潛艇在直線運(yùn)動(dòng)過程中任意位置的坐標(biāo)為

(6)

式中,x(t)、y(t)、z(t)分別代表t時(shí)刻潛艇的位置坐標(biāo);h(t)代表潛艇的航向;v(t)代表潛艇航速;dt代表仿真時(shí)間步長(zhǎng);θ代表潛艇縱傾角。

2) 潛艇轉(zhuǎn)向坐標(biāo)模型

潛艇轉(zhuǎn)向過程中任意位置的坐標(biāo)為

(7)

式中,R代表潛艇旋回半徑,v代表潛艇航速(kn),旋回半徑公式:R=10·v+150(m);ω代表潛艇旋回角速度,h(t)為潛艇轉(zhuǎn)向時(shí)航向,hq0為潛艇轉(zhuǎn)向前航向,h(t)=hq0+ω·t。

3) 潛艇變速模型

設(shè)t時(shí)刻潛艇開始變速,則在t+ndt時(shí)刻,潛艇航速[7]為

(8)

式中,Kv=1為潛艇加速,Kv=-1時(shí)為潛艇降速;C為潛艇機(jī)動(dòng)系數(shù),C越小,則潛艇的機(jī)動(dòng)性能越好;V0為開始變速時(shí)的航速,即V0=V(t);V為變速后的航速。

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

3.3.2 魚雷機(jī)動(dòng)模型

在沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí),魚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),則魚雷航行至航程耗盡為止。

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

魚雷進(jìn)入環(huán)形再搜索彈道后,若能發(fā)現(xiàn)目標(biāo),魚雷就進(jìn)入尾追彈道;若不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo),魚雷以環(huán)形搜索彈道航行至航程耗盡為止[8]。

3.3.3 聲誘餌對(duì)抗模型

1) 聲誘餌主動(dòng)對(duì)抗模型

聲誘餌是通過應(yīng)答主動(dòng)脈沖信號(hào)來模擬目標(biāo)的反射特性的。當(dāng)下面不等式成立時(shí),魚雷發(fā)現(xiàn)聲誘餌[9]:

SL-2TL(Dd)+TSd≥NL-DI+DT

(9)

式中,SL為魚雷自導(dǎo)發(fā)射聲源級(jí);Dd為聲誘餌到魚雷的距離;TSd為聲誘餌模擬的目標(biāo)強(qiáng)度。

2) 聲誘餌被動(dòng)對(duì)抗模型

當(dāng)下面不等式成立時(shí),魚雷發(fā)現(xiàn)聲誘餌[6]:

SLd-TL(Dd)≥NL-DI+DT

(10)

式中,SLd為聲誘餌輻射噪聲級(jí);Dd為聲誘餌到自導(dǎo)魚雷的距離。

4 仿真流程

當(dāng)魚雷進(jìn)入潛艇報(bào)警距離內(nèi)時(shí),發(fā)出魚雷報(bào)警信息,分析報(bào)警信息,制定出對(duì)抗方案,然后對(duì)魚雷實(shí)施對(duì)抗,潛艇進(jìn)行規(guī)避[10]。當(dāng)自航式聲誘餌發(fā)射后,魚雷將對(duì)跟蹤目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,如果判斷其目標(biāo)是假目標(biāo),則進(jìn)入再搜索階段。只有當(dāng)魚雷航程耗盡或者魚雷與潛艇之間的距離達(dá)到一定的范圍而判定魚雷擊中目標(biāo)時(shí),仿真程序才可以結(jié)束。

通過仿真統(tǒng)計(jì)潛艇成功規(guī)避魚雷攻擊的次數(shù)k,k與仿真次數(shù)N的比值即為潛艇成功規(guī)避魚雷的概率。本文取每種態(tài)勢(shì)下仿真次數(shù)1000次(即N=1000),記錄潛艇對(duì)抗成功次數(shù)k,從而得到潛艇成功規(guī)避魚雷的概率,具體流程如圖1所示。

圖1 仿真流程圖

5 仿真結(jié)果分析

假設(shè)海況3級(jí),魚雷航速45kn,最大航程為50km,魚雷自導(dǎo)作用距離為1200m,魚雷識(shí)別目標(biāo)距離為800m,魚雷報(bào)警距離為30Cab,報(bào)警舷角分別為0°、30°、60°,潛艇航向90°,初始航速6kn,最大速度為20kn,潛艇規(guī)避航向固定,以聲誘餌發(fā)射轉(zhuǎn)角為變量進(jìn)行仿真。假設(shè)潛艇魚雷報(bào)警時(shí)魚雷剩余航程為30km,仿真中實(shí)時(shí)計(jì)算魚雷航程,當(dāng)魚雷達(dá)到其最大航程時(shí),仿真結(jié)束,記潛艇規(guī)避成功一次。通過仿真對(duì)比潛艇采用單枚聲誘餌(如圖2)和兩枚聲誘餌(如圖3)不同對(duì)抗方案時(shí),潛艇成功規(guī)避概率,從而檢驗(yàn)不同對(duì)抗方法的對(duì)抗效果,仿真結(jié)果如表1所示。

表1 潛艇使用不同對(duì)抗方案的仿真結(jié)果

圖2 潛艇使用單枚聲誘餌對(duì)抗魚雷示意圖

圖3 潛艇使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷示意圖

通過分析表1的仿真數(shù)據(jù),可以看出潛艇在擺脫魚雷攻擊過程中,當(dāng)潛艇規(guī)避航向一定的情況下,相比潛艇使用單枚聲誘餌的對(duì)抗方案,采用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷的方案成功規(guī)避魚雷的概率高于前者,在一定程度上有效提高了潛艇生存概率。

6 結(jié)語(yǔ)

本文建立了潛艇、自航式聲誘餌和魚雷的數(shù)學(xué)模型,利用仿真對(duì)比分析潛艇使用單枚聲誘餌和兩枚聲誘餌不同對(duì)抗方案情況下潛艇的生存概率,從而驗(yàn)證了潛艇使用兩枚聲誘餌對(duì)抗魚雷的有效性,為潛艇使用自航式聲誘餌防御來襲魚雷提供了新的思路。

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Usage of Double Acoustic Decoys in Defending Torpedo by Submarine

LI Feng1ZHENG Yuan1SHAN Guangchao2

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266042)(2. Navy Marine Academy, Guangzhou 510430)

To solve the problem that using single mobile acoustic decoy to counter torpedo is not so efficient by submarine, this article analyses the method of using double mobile acoustic decoys to counter torpedo. The mathematical model of double mobile acoustic decoys against torpedo, based on the relationship of movement geometry among the submarine, acoustic decoy and torpedo, is established in the process. The result of simulation shows that the presented method is more efficient by comparing and analyzing various against method.

submarine, acoustic decoy, torpedo

2014年10月15日,

2014年11月30日

李峰,男,碩士研究生,研究方向:兵種戰(zhàn)術(shù)學(xué)。

TB556

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.040