主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷極限射距主要影響因素仿真研究

許兆鵬，李　博，李　斌，王向陽（. 海軍潛艇學(xué)院，山東　青島 6604；. 中國(guó)人民解放軍935部隊(duì)，山東　威海 6400）

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主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷極限射距主要影響因素仿真研究

許兆鵬1，李博1，李斌1，王向陽2
（1. 海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042；2. 中國(guó)人民解放軍91352部隊(duì)，山東威海 264200）

摘要:在魚雷攻擊中適宜的射距是確保魚雷命中目標(biāo)的關(guān)鍵之一，在使用魚雷時(shí)必須確保所采用的射距在極限射距之內(nèi)，因此在射擊條件已知的前提下，要確定極限射距并且熟悉影響其值大小的主要因素及各因素的影響規(guī)律。依據(jù)主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的射擊模型，建立起極限射距的表達(dá)式，進(jìn)而得出影響其值大小的主要因素。通過仿真對(duì)各影響因素進(jìn)行定量研究，找出它們對(duì)極限射距的影響規(guī)律。此研究可為指揮員在作戰(zhàn)使用時(shí)提供必要的參考，以期充分靈活地利用研究成果，提高主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的命中概率。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷；極限射距；作用距離；目標(biāo)舷角

0　引　言

在魚雷攻擊中適宜的射距和合適的魚雷射向是確保魚雷命中目標(biāo)的關(guān)鍵[1]。所謂射距即發(fā)射魚雷時(shí)敵我之間的距離。有時(shí)按提前角（魚雷射向相對(duì)目標(biāo)方位提前的角度，即發(fā)射方位到魚雷射向之間的夾角）確定的魚雷射向?qū)嵤┥鋼?，并不一定都能命中目?biāo)。這是因?yàn)轸~雷攜帶的動(dòng)力能源有限，魚雷極限射程（魚雷穩(wěn)定在設(shè)定速度和設(shè)定深度的最大航程）也有限，因此射距也必有限制，其最大允許值就是極限射距。如果發(fā)射魚雷時(shí)，敵我的距離大于極限射距，即便是魚雷射向合適，魚雷也不可能命中目標(biāo)。極限射距嚴(yán)格定義是“在一定射擊條件下，魚雷從發(fā)射至命中目標(biāo)所消耗的航程正好是魚雷極限射程，則發(fā)射魚雷時(shí)發(fā)射平臺(tái)與目標(biāo)之間的距離稱極限射距?！?/p>

以往對(duì)魚雷極限射距的研究主要是針對(duì)直航魚雷，這是因?yàn)橹焙紧~雷射擊模型簡(jiǎn)單，攻擊過程比較直觀。而主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷與直航魚雷相比本質(zhì)差別較大，其利用所安裝的主動(dòng)聲自導(dǎo)裝置發(fā)出主動(dòng)聲信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)艦船反射后被接收，進(jìn)而識(shí)別、跟蹤、直至命中目標(biāo)。因此主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的射擊模型較為復(fù)雜。

目前在使用主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷時(shí)，對(duì)極限射距的考慮還不夠充分，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究，找出影響其大小的主要因素以及各因素的影響規(guī)律，從而為指揮員在使用主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷時(shí)提供必要的參考，以確保較高的命中概率。

1　極限射距及其主要影響因素

如圖1 所示，ds和 Ws分別為發(fā)射魚雷時(shí)的目標(biāo)位置點(diǎn)和發(fā)射平臺(tái)位置點(diǎn)，目標(biāo)的航向?yàn)?Hd，魚雷出管時(shí)的射向?yàn)?Hl；為假定魚雷直航時(shí)的命中角（攻擊時(shí)可由指控系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算得出），為提前角，Xds為發(fā)射魚雷時(shí)的敵舷角；CT 為魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)作用距離，用 r 表示；TWs為魚雷搜索段航程，用 Sl1表示；弧線 Sl2為自導(dǎo)追蹤段航程[2]，Dsj為極限射距；T 為魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)的位置點(diǎn)。

在三角形 WsdsC 中，依據(jù)敵速與雷速的關(guān)系可得：

式中：Vd為目標(biāo)速度；Vl為魚雷速度。目標(biāo)速度與魚雷速度的比值可用 m 來表示，即速度比。則依據(jù)余弦定理，極限射距可表示為：

對(duì)式（2）進(jìn)行整理后得：

假定魚雷命中目標(biāo)時(shí)，其所航行的距離恰巧為極限射程，則依據(jù)極限射程的定義可得：

其中 Slj為魚雷的極限射程，則

Sl2有明確的表達(dá)式[3]，即

式中 Xd為主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷在搜索段航行過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)的目標(biāo)舷角。

通過式（3）、式（5）和式（6）可看出，主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的極限射距 Dsj與 Vd，Vl，Slj，r 和 Xd密切相關(guān)，上述各參數(shù)即為影響魚雷極限射距的主要因素。

在上述各參數(shù)中，Vd可通過指控系統(tǒng)計(jì)算得出，Vl和 Slj根據(jù)所采用主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的型號(hào)可提前確定。而 r 與發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)的目標(biāo)舷角Xd有很大關(guān)系，其隨著 Xd的不同而變化。這是因?yàn)槟繕?biāo)對(duì)聲波的反射強(qiáng)度具有方向性，魚雷接近目標(biāo)所處的目標(biāo)舷角（或命中角）不同，魚雷自導(dǎo)裝置發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離 r 會(huì)有較大的差異。

通常在計(jì)算過程中，近似地取魚雷自導(dǎo)裝置發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)的目標(biāo)舷角為直航段時(shí)對(duì)目標(biāo)的命中角，即 Xd等于θ，如圖1 所示，可認(rèn)為魚雷自導(dǎo)扇面中線發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。則如上所述，在 Vd，Vl，Slj已知的條件下，Dsj可表示為 Xd和 r 的函數(shù)，亦可以表示為 θ 和 r 的函數(shù)。因此要想求得極限射距，關(guān)鍵是要求出魚雷在不同 Xd或 θ 條件下的主動(dòng)聲自導(dǎo)作用距離 r。

圖1　主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷攻擊示意圖Fig. 1　Active acoustic homing torpedo attack picture

2　主動(dòng)聲自導(dǎo)作用距離

以往在計(jì)算極限射距的過程中 r 通常取定值，其常常取目標(biāo)正橫方向上所對(duì)應(yīng)的主動(dòng)聲自導(dǎo)作用距離，而實(shí)際上 r 隨著 Xd的不同而變化，這樣勢(shì)必會(huì)帶來一定的誤差，因此必須首先求出不同目標(biāo)舷角所對(duì)應(yīng)的 r，之后才可以較準(zhǔn)確地計(jì)算極限射距。

影響 r 的主要因素有水文條件[4]、目標(biāo)反射強(qiáng)度、魚雷自噪聲、海洋混響等，同時(shí)還與魚雷自導(dǎo)裝置性能密切相關(guān)[5]。

在計(jì)算 r 的過程中，關(guān)系式的建立隨著主要背景噪聲的不同而不同，這里主要依據(jù)背景噪聲是否為各向同性噪聲。當(dāng)背景干擾為各向同性的環(huán)境噪聲時(shí)，r理論計(jì)算可參照主動(dòng)聲吶方程[6]：

式中：TL 為聲源到目標(biāo)的聲傳播損失；SL 為聲源級(jí)；TS 為目標(biāo)反射強(qiáng)度；NL 為背景噪聲干擾級(jí)；GL 為魚雷自導(dǎo)裝置處理增益；DT 為魚雷自導(dǎo)裝置檢測(cè)閾。

當(dāng)主要背景噪聲為海洋混響時(shí)，由于混響是非各向同性的，主動(dòng)聲吶方程則變?yōu)椋?/p>

其中 RL 為等效平面波混響級(jí)。在理想的水文條件下，魚雷自導(dǎo)裝置上的主動(dòng)聲吶主要是受各向同性背景噪聲的影響，因此本文采用式（7）。

TL 可表示為擴(kuò)展損耗 20lnr 和吸收損耗 βr 的和，即

其中 β 為聲波傳播衰減系數(shù)。

式中：t 為海水的溫度；h 為魚雷搜索深度；f 為魚雷中心工作頻率。

因此，式（7）可寫成：

上式亦稱魚雷主動(dòng)聲自導(dǎo)方程，其中：

對(duì)于主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷來說，目標(biāo)對(duì)聲信號(hào)的反射強(qiáng)度 TS 至關(guān)重要，它直接影響 r。TS 與目標(biāo)的大小、材料及入射波的角度有關(guān)。目標(biāo)的幾何尺寸愈大，反射愈強(qiáng)；反射體的反射系數(shù)愈大，反射愈強(qiáng)；聲波從目標(biāo)正橫入射，反射強(qiáng)；從目標(biāo)首、尾入射，反射弱。為估算目標(biāo)反射強(qiáng)度，可將目標(biāo)等效為橢球體，其長(zhǎng)、短半軸 A，B，C 分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)的長(zhǎng)度、寬度和吃水深度（對(duì)水下目標(biāo)為其高度）。目標(biāo)強(qiáng)度估算公式為：

式中 K 為聲波反射系數(shù)，對(duì)鋼材料的艦艇該值為0.94。

將以上各項(xiàng)參數(shù)代入式（11）中，即可求出不同Xd（或 θ）所對(duì)應(yīng)的 r，進(jìn)而依據(jù)式（3）可求得在不同 Xd（或 θ）條件下的極限射距。

3　仿真及分析

通過計(jì)算分析偏角不對(duì)中軸系勻速過程橫向振動(dòng)特性，可知：

假設(shè)魚雷的極限射程為 10 km，航速為 30 kn，聲自導(dǎo)裝置的處理增益 GL 為 20 dB，自導(dǎo)裝置檢測(cè)閾DT 為 10 dB，魚雷中心工作頻率為 24 kHz，魚雷搜索深度 h 為 15 m；攻擊海區(qū)為等溫層，水溫 t 為 5 ℃；目標(biāo)艦船排水量 3 000 t。主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的聲源級(jí)為140 dB，目標(biāo)為潛艇，其強(qiáng)度參照文獻(xiàn)[6]中實(shí)例[4.1]。仿真時(shí)目標(biāo)速度分 4 種情況即 16 kn，18 kn，20 kn 和 22 kn。首先可以求出不同的目標(biāo)舷角條件下魚雷的主動(dòng)聲自導(dǎo)作用距離，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2　主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷作用距離Fig. 2　The effecting range of active acoustic homing torpedo

從 r 的求解過程可看出其值與目標(biāo)速度沒有聯(lián)系。圖2 中 r 明顯具有離散性，其與潛艇目標(biāo)強(qiáng)度所具有的離散性相一致。即潛艇某一方向上的強(qiáng)度大，則在該方向上魚雷主動(dòng)作用距離就大。正橫方向上，目標(biāo)強(qiáng)度大由艇殼的鏡反射引起；首尾方向上，目標(biāo)強(qiáng)度小由艇殼和尾流的遮蔽效應(yīng)引起；在艇首 30°附近強(qiáng)度大，估計(jì)由艙室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生。

從圖3 可看出，在目標(biāo)速度一定的情況下，Dsj隨θ 的增大而逐漸減小。此外，當(dāng) θ 較小時(shí)，Dsj隨目標(biāo)速度的增大而增大；當(dāng) θ 較大（約大于 110°）時(shí)，Dsj隨目標(biāo)速度的增大而減小。從圖3 還可看出，出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的命中角為 110°（這里姑且稱其為“拐點(diǎn)命中角”），而這一“拐點(diǎn)命中角”會(huì)隨著水文環(huán)境及射擊條件的不同而變化。

依據(jù)上面的仿真結(jié)果，當(dāng)指揮員下定決心采用主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷后，根據(jù)當(dāng)時(shí)的水文條件及敵我態(tài)勢(shì)，若指控系統(tǒng)所計(jì)算的命中角為 θ0，而此時(shí)敵我之間距離小于 θ0所對(duì)應(yīng)的極限射距時(shí)，則可采取措施減小θ（使 θ< θ0），從而使極限射距適當(dāng)增大以滿足射擊條件。或當(dāng)已經(jīng)確定 θ0后，若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)際速度大于指控系統(tǒng)解算的目標(biāo)速度時(shí)，則可采取措施減小θ（ θ0小于“拐點(diǎn)命中角”時(shí)）或增大 θ（ θ0大于“拐點(diǎn)命中角”時(shí)），從而使極限射距適當(dāng)增大以滿足射擊條件。

圖3　主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷極限射距Fig. 3　The utmost firing distance of active acoustic homing torpedo

4　結(jié)　語

主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷極限射距與諸多因素有關(guān)，這里僅僅對(duì)幾個(gè)主要影響因素進(jìn)行研究。指揮員在使用主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷時(shí)，必須綜合態(tài)勢(shì)、敵我速度、魚雷性能等方面，在此基礎(chǔ)上除了確定魚雷射向外，必須顧及到射距，使射距控制在極限射距之內(nèi)。這就需要指揮員充分把握影響到極限射距的各個(gè)因素，熟悉其影響規(guī)律，從而能在使用主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷時(shí)做到心中有數(shù)，以提高魚雷的命中概率。

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Research on the simulation of mainly effecting factors about the utmost firing distance of the active acoustic homing torpedo

XU Zhao-peng1, LI Bo1, LI Bin1, WANG Xiang-yang2
(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, China; 2. No. 91352 Unit of PLA, Weihai 264200, China)

Abstract:The appropriate firing distance is one of the most important factors during torpedo attack, the fire distance should be smaller than the utmost firing distance when firing torpedo, so it is necessary to ascertain the firing distance and familiar with the mainly effecting factors which affect the value as well as the effecting rules with the known firing condition. The expression of utmost firing distance is established based on the attacking model of active acoustic homing torpedo; then the mainly effecting factors are gotten. Quantitative research is carried out about the mainly effecting factors by simulation and the effecting law is gotten. Necessary reference is given by this research to the commanding officer during operation, in order to apply this conclusion fluently; so that the hit probability could be improved.

Key words:active acoustic homing torpedo；utmost firing distance；effecting range；relative angle of target

作者簡(jiǎn)介：許兆鵬(1982–)，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)闈撏Ч艉椭缚叵到y(tǒng)。

收稿日期：2015–06–25； 修回日期: 2015–09–09;

文章編號(hào)：1672–7619(2016)03–0143–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.030

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A