艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離分析

張爽，張曉輝，孫春生

（海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033）

艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離分析

張爽，張曉輝，孫春生

（海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033）

針對艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離選擇問題，基于艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)機(jī)理與水面艦船的沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)研究了艦載激光引偏干擾系統(tǒng)安全引偏距離的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上計(jì)算了艦載激光引偏干擾系統(tǒng)應(yīng)對不同激光制導(dǎo)武器時(shí)的安全引偏距離，分析了激光制導(dǎo)武器的飛行速度、入水角度以及裝藥量等相關(guān)參數(shù)對安全引偏距離的影響。結(jié)果表明，激光制導(dǎo)武器的裝藥量與飛行速度是影響安全引編距離的主要因素，激光制導(dǎo)武器的裝藥量增大會(huì)使安全引偏距離增大，飛行速度增大則會(huì)造成安全引偏距離隨入水角度發(fā)生劇烈變化。研究結(jié)果對艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安全引偏距離選擇具有一定的參考意義。

兵器科學(xué)與技術(shù)；艦載激光引偏干擾系統(tǒng)；水下爆炸沖擊因子；安全引偏距離

0 引言

艦載激光引偏干擾是艦船對抗激光制導(dǎo)反艦武器（包括炸彈、導(dǎo)彈和炮彈）的有效手段，通過向艦船一定距離以外的海面發(fā)射激光，將激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器引偏至水中爆炸，從而達(dá)到保護(hù)艦船自身安全的目的。由此可知激光引偏距離是作戰(zhàn)系統(tǒng)能否達(dá)到激光引偏作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵指標(biāo)，如果引偏距離太近，激光制導(dǎo)武器在水中爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波依然會(huì)對艦船造成破壞，而引偏距離太遠(yuǎn)，又有可能使海面所反射的激光信號(hào)無法進(jìn)入半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的視場而無法將其引偏，因此需要根據(jù)來襲武器的裝藥量和被保護(hù)艦船所能承受的沖擊，采用科學(xué)方法計(jì)算足以保證艦船安全的激光引偏距離，但關(guān)于艦載激光引偏干擾系統(tǒng)安全引偏距離的計(jì)算方法還未見公開報(bào)道。

為了計(jì)算艦載激光引偏干擾作戰(zhàn)系統(tǒng)的安全引偏距離，需要參照艦船的水下爆炸破壞標(biāo)準(zhǔn)，判定激光制導(dǎo)武器被引偏至水下爆炸時(shí)可能造成的艦船損傷程度。眾多學(xué)者對艦船的水下爆炸破壞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究［1-3］，其中沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［4-5］，本文基于水面艦船的沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)對艦載激光引偏干擾系統(tǒng)安全引偏距離的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上模擬計(jì)算并分析了激光制導(dǎo)武器的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)對于艦載激光引偏干擾作戰(zhàn)系統(tǒng)的安全引偏距離影響，為相關(guān)研究與工程應(yīng)用提供一定參考。

1 艦載激光引偏干擾系統(tǒng)作戰(zhàn)機(jī)理

艦載激光引偏干擾系統(tǒng)是一種用于對抗激光半主動(dòng)制導(dǎo)武器的光電對抗系統(tǒng)。半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的工作原理是:搭載在其他作戰(zhàn)單元上的目標(biāo)指示器向目標(biāo)發(fā)射指示激光，激光制導(dǎo)武器上的尋的器通過接收目標(biāo)對指示激光的反射或散射光信號(hào)解算出目標(biāo)的方位信息，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精確跟蹤和打擊。

激光引偏干擾系統(tǒng)是目前對抗半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器的專用裝備，它先通過激光告警設(shè)備探測到敵方指示激光信號(hào)，再發(fā)射出與敵方指示激光信號(hào)特征完全相同、但光強(qiáng)卻強(qiáng)得多的引偏激光到與被保護(hù)目標(biāo)有一定距離之外的假目標(biāo)上，讓假目標(biāo)所反射或散射的激光信號(hào)入射到敵方激光制導(dǎo)武器的尋的器中形成干擾，致使其改變攻擊路線而飛向假目標(biāo)。

如圖1所示，與陸上光電對抗作戰(zhàn)模式所不同的是，艦載激光引偏干擾系統(tǒng)無法在海面上安放其他漫反射假目標(biāo)，只能將引偏激光射向海面，通過海面反射虛假的激光指示信號(hào)而將激光制導(dǎo)武器引偏至海面。由于艦載激光引偏干擾系統(tǒng)的安裝高度一定，引偏距離實(shí)際上決定了引偏激光相對于海面的入射角，進(jìn)而決定了海面反射引偏激光形成的干擾光區(qū)的空間分布。當(dāng)引偏距離過大時(shí)，激光制導(dǎo)武器的飛行軌跡有可能不在干擾光區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致引偏作戰(zhàn)失敗。但是，當(dāng)引偏距離過小時(shí)，被引偏的激光制導(dǎo)武器雖然沒有直接命中艦船，但其在海水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波仍有可能對艦船造成破壞，同樣導(dǎo)致引偏作戰(zhàn)失敗。因此，引偏距離是艦載激光引偏系統(tǒng)能否達(dá)到作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素，應(yīng)當(dāng)綜合考慮多種因素，采用科學(xué)方法計(jì)算足以保證艦船安全的引偏距離，為艦載激光引偏干擾系統(tǒng)引偏距離的選擇提供依據(jù)。

圖1 艦載激光引偏干擾示意圖Fig.1 Schematic diagram of ship-based laser deflection decoy jamming

2 安全引偏距離的計(jì)算方法

依據(jù)水下爆炸對艦船造成損傷的機(jī)理，國內(nèi)外制定并使用過的艦船破壞標(biāo)準(zhǔn)主要有3種。其中，英國、意大利等許多北約國家采用的是一種基于水下爆炸沖擊因子的標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)采用沖擊因子描述艦船所處的沖擊環(huán)境，對于同一目標(biāo)，如果沖擊因子相等，則可以認(rèn)為艦船的水下爆炸沖擊響應(yīng)近似相等，艦船的損傷程度也近似相同。英國國防部采用的破壞標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:當(dāng)沖擊因子C≈0.2時(shí)，艦船受到較難應(yīng)付的損傷；C≈0.4時(shí)，艦船90%的武器失靈；C≈0.6時(shí)，艦船90%的動(dòng)力失靈:C＞1.5時(shí)，可造成艦船沉沒［6］。該標(biāo)準(zhǔn)中的沖擊因子計(jì)算公式為

式中，W為裝藥量（kg）；R為爆炸距離（m）；K1為裝藥的TNT當(dāng)量系數(shù)，對于高爆炸藥其值一般在1.5以上［7］；K2為海底的反射系數(shù)，硬質(zhì)海底一般取1.5.

依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算艦船的安全引偏距離時(shí)可以認(rèn)為，當(dāng)沖擊因子C＜0.2時(shí)，被引偏的激光制導(dǎo)武器在水下爆炸對艦船造成輕微損傷，艦船處于安全狀態(tài)，此時(shí)對應(yīng)的引偏距離為安全引偏距離。因此，在規(guī)定了艦船處于安全狀態(tài)對應(yīng)的沖擊因子后，依據(jù)（1）式可以得到足以保證艦船安全的爆炸距離

（2）式給出的是爆炸距離與沖擊因子的關(guān)系，在實(shí)際情況中爆炸距離與引偏距離往往并不相等，而是和引偏策略的選擇有關(guān)。

在圖2所示的情況中，引偏位置選擇在艦船與激光制導(dǎo)武器之間，被引偏的激光制導(dǎo)武器相對海面以角度θ入水，其入水速度為v0，由于引信存在延遲時(shí)間，激光制導(dǎo)武器會(huì)在水下運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后在水深為H處爆炸。當(dāng)考慮爆炸深度對沖擊因子的影響時(shí)，需要對（2）式作出如下修正［4］:

式中:h為艦船吃水深度；α為爆炸位置和艦船連線與海平面的夾角，解方程后可得

圖2 引偏位置在艦船與激光制導(dǎo)武器之間Fig.2 The position of deflection decoy jamming between warship and laser guided weapon

激光制導(dǎo)武器的入水速度很高，且引信的延遲時(shí)間很短，水的粘性阻力遠(yuǎn)大于重力與浮力，可將其入水后的運(yùn)動(dòng)軌跡簡化成直線運(yùn)動(dòng)。假設(shè)激光制導(dǎo)武器入水后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間（即引信延遲時(shí)間）為t（入水時(shí)刻t=0 ms），則其入水后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可表示為

式中:FD為水的阻力；CD為阻力系數(shù)；ρ為海水密度；A為激光制導(dǎo)武器的橫截面積；m為激光制導(dǎo)武器的質(zhì)量。則激光制導(dǎo)武器在水下的運(yùn)動(dòng)速度v可以由（5）式推導(dǎo)得到:

爆炸深度H可由（8）式得到:

因此在如圖2所示情況中，艦船的安全引偏距離Rd1可以表示為

而在如圖3所示的情況中，艦船在選擇的引偏位置與激光制導(dǎo)武器之間，此時(shí)艦船的安全引偏距離Rd2可以表示為

圖3 艦船在引偏位置與激光制導(dǎo)武器之間Fig.3 Warship between deflection decoy jamming position and laser guidance weapon

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，激光制導(dǎo)武器入水后的運(yùn)動(dòng)軌跡與其頭型、長徑比、入水角度等因素有關(guān)，不合適的頭型、長徑比，過小的入水角度會(huì)使激光制導(dǎo)武器在水下的運(yùn)動(dòng)軌跡很快偏離近似直線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中頭型與長徑比起主要作用［8］。

為了檢驗(yàn)本文提出的安全引偏距離計(jì)算方法的適用范圍，計(jì)算了不同工況下彈體在水下的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，計(jì)算結(jié)果如圖4所示，具體工況如表1所示［8］。

在表1所示的兩種工況中，彈體在水下的運(yùn)動(dòng)軌跡較為穩(wěn)定，均在視域中保持近似直線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖4 不同工況下彈體水下速度隨時(shí)間的變化Fig.4 Underwater velocity vs.time in different cases

表1 不同工況下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters in different cases

分析表1所示工況數(shù)據(jù)與圖4中的計(jì)算結(jié)果可以看到，當(dāng)彈體的入水速度較高時(shí)（v0≈180 m/s），計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好，而當(dāng)彈體的入水速度較低時(shí)（v0≈47 m/s），計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離較遠(yuǎn)。在實(shí)際情況中，激光制導(dǎo)武器的末端飛行速度很高，馬赫數(shù)一般都在1左右，其被引偏時(shí)的入水速度遠(yuǎn)大于表1所示的工況數(shù)據(jù)。因此采用本文提出的方法計(jì)算安全引偏距離時(shí)，可以得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

3 安全引偏距離的模擬計(jì)算與分析

采用上述方法計(jì)算艦載激光引偏干擾系統(tǒng)在不同情況下應(yīng)對激光制導(dǎo)武器攻擊時(shí)的安全引偏距離。計(jì)算中艦船吃水深度h為5 m，海水密度ρ為1 025 kg/m3，阻力系數(shù)CD取為1.0.

以某型激光制導(dǎo)導(dǎo)彈為例，計(jì)算激光制導(dǎo)武器的入水角度改變時(shí)，安全引偏距離的變化情況，計(jì)算中導(dǎo)彈的總質(zhì)量m為200 kg，彈體直徑d為0.3 m，裝藥量W為60 kg，入水速度v0的馬赫數(shù)為1，引信延遲時(shí)間t為50 ms，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 安全引偏距離隨入水角度的變化Fig.5 Safe distance vs.water entry angle

從圖5中可以看到，當(dāng)引偏位置選擇在艦船與激光制導(dǎo)武器之間時(shí)，安全引偏距離Rd1隨著入水角度的增大而減小，所以采用此種方式引偏激光制導(dǎo)武器時(shí)應(yīng)盡量增大其入水角度。當(dāng)艦船在選擇的引偏位置與激光制導(dǎo)武器之間時(shí)，安全引偏距離Rd2隨著入水角度的增大而先減小、后增大，其最小值在θ=40°附近，故采用此種方式引偏激光制導(dǎo)武器時(shí)應(yīng)使其入水角度保持在40°左右。同時(shí)從圖5中可以看到，安全引偏距離Rd2小于Rd1，且隨著入水角度的增大，Rd2與Rd1逐漸趨于相等。因此，在實(shí)際引偏過程中，艦載激光引偏系統(tǒng)應(yīng)盡量采用如圖3所示的方式引偏激光制導(dǎo)武器。

需要說明的是，在實(shí)際引偏過程中，被引偏的激光制導(dǎo)武器的入水角度是由其飛行軌跡、飛行速度以及引偏位置等因素共同決定的。激光引偏系統(tǒng)將激光制導(dǎo)武器引偏至特定位置，從而改變其原有的飛行軌跡和攻擊角度，在圖2所示的情況中，依據(jù)激光制導(dǎo)武器、引偏方位與艦船的相對位置關(guān)系可以看出，激光制導(dǎo)武器的入水角度隨著引偏距離的增大而增大，而在圖3所示的情況中，激光制導(dǎo)武器的入水角度則隨著引偏距離的增大而減小。

改變導(dǎo)彈的入水速度，計(jì)算安全引偏距離隨入水角度的變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6（a）和圖6（b）中可以看到，當(dāng)入水速度改變時(shí)，安全引偏距離的變化較為明顯，且入水速度較小時(shí)安全引偏距離隨入水角度的變化較為平緩，而入水速度較大時(shí)安全引偏距離隨入水角度的變化則較為劇烈。因此當(dāng)激光制導(dǎo)武器的飛行速度較高時(shí)，艦載激光引偏系統(tǒng)應(yīng)增大激光制導(dǎo)武器的入水角度以避免艦船受到損傷。

圖6 入水速度不同時(shí)安全引偏距離隨入水角度的變化Fig.6 Safe distance vs.water entry angle with different flight velocity

圖7所示為激光制導(dǎo)武器的入水角度不同時(shí)，安全引偏距離隨激光制導(dǎo)武器裝藥量的變化情況，計(jì)算中激光制導(dǎo)武器的具體參數(shù)如表2所示。

由圖7（a）和圖7（b）可以看出，安全引偏距離隨著激光制導(dǎo)武器裝藥量的增多而增大，當(dāng)引偏位置選擇在艦船與激光制導(dǎo)武器之間時(shí)，不同入水角度下的安全引偏距離之間存在較為明顯的差距，最大差值在10 m以上。當(dāng)艦船在選擇的引偏位置與激光制導(dǎo)武器之間時(shí)，不同入水角度下的安全引偏距離之間差別不大，最大差值小于3 m，可以認(rèn)為在此情況下，影響安全引偏距離的主要因素是激光制導(dǎo)武器的裝藥量，而激光制導(dǎo)武器的入水角度對其影響不大。

圖7 入水角度不同時(shí)安全引偏距離隨裝藥量的變化Fig.7 Safe distance vs.explosive loading with different water entry angles

表2 計(jì)算中選取的激光制導(dǎo)武器參數(shù)Tab.2 The parameters of laser guided weapons

4 結(jié)論

本文依據(jù)艦載激光引偏系統(tǒng)的作戰(zhàn)機(jī)理和水面艦船的沖擊因子破壞標(biāo)準(zhǔn)，研究了艦載激光引偏系統(tǒng)安全引偏距離的計(jì)算方法。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈體入水速度的馬赫數(shù)大于1/4時(shí)，該方法所得彈體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。因此對于末端速度很高的激光制導(dǎo)武器，采用該方法計(jì)算得到的安全引偏距離是較為準(zhǔn)確的。在此基礎(chǔ)上模擬計(jì)算了激光制導(dǎo)武器的相關(guān)參數(shù)對艦載激光引偏系統(tǒng)安全引偏距離的影響，計(jì)算結(jié)果表明:

1）在兩種引偏方式中，采用圖3所示的方式時(shí)安全引偏距離較小，且最小值在入水角度θ=40°附近，實(shí)際情況中應(yīng)盡量采用該方式引偏激光制導(dǎo)武器，并使其入水角度保持在40°左右。

2）在激光制導(dǎo)武器的裝藥量、入水速度、入水角度等相關(guān)參數(shù)中，裝藥量與入水速度是影響安全引偏距離的主要因素，入水角度對安全引偏距離的影響效果則與選擇的引偏方式有關(guān)。采用圖2所示的引偏方式時(shí)，入水角度對安全引偏距離的影響較大；采用圖3所示的引偏方式時(shí)，入水角度對安全引偏距離的影響較小。

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Research on Safe Distance of Ship-based Laser Deflection Decoy Jamming System

ZHANG Shuang，ZHANG Xiao-Hui，SUN Chun-sheng
（Ordnance Engineering Department，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

Based on the operational mechanism of ship-based laser deflection decoy jamming system and the impulsive factor damage standard for underwater explosion，a calculational method of safe distance for ship-based laser deflection decoy jamming system is investigated.The safe distance of ship-based laser deflection decoy jamming system from different laser guidance weapons is calculated based on the proposed calculation method，and the results are analyzed.The effects of flight velocity，water entry angle and explosive loading of laser guided weapons on the safe distance are discussed.The calculated results show that the flight velocity and explosive loading of laser guidance weapons are the main factors of affecting the safe distance.The safe distance increases with explosive loading of laser guidance weapons，and changes dramatically with water entry angle at increased flight velocity.The results give support to the selection of safe distance of ship-based laser deflection decoy jamming system.

ordnance science and technology；ship-based laser deflection decoy jamming system；impulsive factor of underwater explosion；safe distance

TJ95

A

1000-1093（2015）11-2135-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.11.018

2014-08-18

軍內(nèi)科研項(xiàng)目（2012年）

張爽（1986—），男，博士研究生。E-mail:zhangshuangyue@sina.com；張曉暉（1965—），女，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:zhangxiaohui505@vip.sina.com