基于潛艇渦流場檢測技術(shù)的潛艇探潛效能分析

武 寧 李 偉 穆連運(yùn)

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266000)

基于潛艇渦流場檢測技術(shù)的潛艇探潛效能分析

武 寧 李 偉 穆連運(yùn)

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266000)

建立了基于潛艇渦流場檢測技術(shù)的潛艇探潛效能分析模型,從特征、可行性、搜索效率、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率等幾個(gè)方面,分析了潛艇渦流場檢測技術(shù)的探潛能力,通過與聲納對比,研究得出渦流探潛具有更高探潛效能和更好的穩(wěn)定性。

渦流場檢測; 探潛; 效能分析

Class Number V279

1 引言

潛艇探潛距離是決定潛艇反潛能力的重要因素之一,傳統(tǒng)的聲納搜索方式易受聲信號傳播特性和目標(biāo)特性的影響,作用距離受到較大限制,而且也易受各種人工或自然假目標(biāo)的干擾,因此需要尋求新的檢測技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑。隨著海洋物理理論和海洋探測技術(shù)的發(fā)展,渦流場檢測技術(shù)已經(jīng)由理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展,利用其探測距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),能夠有效提高潛艇探潛能力。本文旨在研究基于其技術(shù)的反潛探測效能,通過仿真分析,探索提升搜潛作戰(zhàn)能力的新途徑。

2 潛艇渦流場檢測技術(shù)

2.1 基本概念

潛艇在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),周圍的水介質(zhì)與艇體產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)而形成繞艇體流動(dòng)的渦流。Arizona國立大學(xué)的研究表明,這種渦流尺度有數(shù)公里之巨,其衰減也需要幾天時(shí)間,可延伸至上百海里[1]。潛艇渦流場檢測技術(shù)是指利用專門設(shè)備探測這種聲異常渦流進(jìn)而探測發(fā)現(xiàn)潛艇的技術(shù)。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

與常用的水下探潛方式——聲納探潛相比,采用渦流探潛擁有諸多優(yōu)勢,突出體現(xiàn)在以下三點(diǎn):

1) 探測距離遠(yuǎn)

潛艇渦流尺度主要受海水的Brunt-Vaisala周期T決定(海洋中的量級為4×10-2S)[2],由于其衰減時(shí)間長,尺度可延伸上百海里,因此可通過檢測渦流發(fā)現(xiàn)上百海里外的潛艇。如表1所示。潛艇可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)(這里以已公布,俄羅斯現(xiàn)役潛艇裝備的MGK-540綜合聲納的數(shù)據(jù)作為對比[5])。

表1 常規(guī)探測方式與渦流探測的性能比較

2) 探測效果穩(wěn)定

潛艇的渦流是其艇體、動(dòng)能與水介質(zhì)相互作用的結(jié)果,而且影響潛艇渦流尺度最大的兩個(gè)參數(shù)是Froude數(shù)和無量綱時(shí)間t/T,因此,渦流的可探測尺度和強(qiáng)度受海況環(huán)境影響較小。這就保證了無論在良好或者惡劣的海況下,渦流探測都會保持一個(gè)較穩(wěn)定的探測距離。

3) 抗干擾能力強(qiáng)

目前用于反潛作戰(zhàn)的水聲對抗器材主要是聲學(xué)對抗,由于渦流探測技術(shù)尚處于初步發(fā)展階段,針對渦流對抗的器材還沒有出現(xiàn)。另外,由于潛艇的渦流場強(qiáng)度和尺度有其固有特性的特點(diǎn),模擬起來也較難實(shí)現(xiàn)。

2.3 技術(shù)局限

1) 由于渦流位于航行潛艇的尾部延展區(qū)域,因此,渦流探潛探測必須從目標(biāo)的后部進(jìn)行,無法迎擊和截?fù)裟繕?biāo)。

2) 渦流探測無法進(jìn)行敵我目標(biāo)識別,因此,必須明確分配反潛陣地和搜索路徑,使本方潛艇處于渦流探測范圍之外。

3 渦流探潛可行性分析

文獻(xiàn)[3]顯示俄羅斯已掌握了利用渦流檢測水下潛艇的技術(shù),并成功進(jìn)行了試驗(yàn)。文獻(xiàn)[4]顯示,美國利用潛艇渦流訊號探測到在300m水深下航行的前蘇聯(lián)潛艇。這表明在適合的情況下,渦流探潛一次巡航可完成對300m縱深海區(qū)的搜索。在防御區(qū)域內(nèi)潛艇進(jìn)行巡航,自身攜帶的渦流探測裝置,可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)潛艇通過數(shù)小時(shí)后的渦流場。

研究表明,潛艇渦流場的流速信息在海水中可以長時(shí)間保持,因此,通過檢測潛艇航跡上渦流場的流速信息可探測潛艇渦流進(jìn)而發(fā)現(xiàn)潛艇蹤跡。發(fā)現(xiàn)渦流后,潛艇沿目標(biāo)潛艇渦流場進(jìn)行跟蹤搜索,檢測目標(biāo)潛艇的渦流場邊界,綜合多種信息得到目標(biāo)艇渦流場變化規(guī)律,基于該規(guī)律確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向及距離。

4 渦流探潛能力分析

假定作戰(zhàn)海域面積約為2900km2,海區(qū)最大深度300m,即在想定海域中渦流探測可一次完成縱平面搜索。

4.1 搜索效率分析

在搜索方潛艇發(fā)現(xiàn)目標(biāo)潛艇距離大于目標(biāo)發(fā)現(xiàn)前者的情況下,可依照下式來確定反潛搜索效率U效率[6]:

U效率=2d我V相對P發(fā)現(xiàn)

(1)

式中:d我為我潛艇發(fā)現(xiàn)目標(biāo)潛艇距離；V相對為我潛艇與目標(biāo)潛艇間隨機(jī)航行的相對速度；P發(fā)現(xiàn)為上級指定的我潛艇發(fā)現(xiàn)目標(biāo)潛艇概率。

(2)

式中:V我為搜索方潛艇搜索速度；V目為目標(biāo)潛艇速度。

在U效率一定條件下,潛艇反潛有效搜索區(qū)域面積S搜索和所用搜索時(shí)間t搜索之間的關(guān)系可表示為

(3)

潛艇反潛搜索效率可理解為在一定時(shí)間內(nèi)搜索方潛艇針對目標(biāo)潛艇完成一次全面有效搜索的海域面積。假定潛艇以不同航速搜索目標(biāo),目標(biāo)潛艇渦流能被探測的尺度可保持1h,即可被探測距離為1h×目標(biāo)航速(文獻(xiàn)[1]中所述的衰減需要幾天時(shí)間,明顯大于此值)。上級指定的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)潛艇概率為0.8,則按照式(1)和式(2)可計(jì)算出潛艇的渦流反潛搜索效率,如表2所示。

表2 渦流反潛搜索效率(km2/h)

相對假定的潛艇反潛作戰(zhàn)海域2900km2而言,完成一次全面有效搜索需要的時(shí)間為搜索海域面積除以搜索效率,如表3所示。

表3 作戰(zhàn)海域一次有效搜索需要時(shí)間(h)

從表2、表3中可以看出,一是當(dāng)敵航速一定時(shí),隨著我方航速的增大,搜索效率也隨之增大；二是當(dāng)我航速一定時(shí),隨著目標(biāo)航速的增加,搜索效率的增長率相較我方航速增大時(shí)顯著增加。由此可總結(jié)的得出搜索時(shí)在搜索方潛艇航速能夠保持隱蔽性要求的前提下,使用渦流探測裝置搜索,需要我潛艇盡量提高航速。

4.2 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率分析

潛艇搜索機(jī)動(dòng)方式可分為規(guī)則搜索和隨機(jī)搜索兩類。所謂規(guī)則搜索是指潛艇按一定規(guī)則組織搜索,以避免對搜索區(qū)域重復(fù)搜索。隨機(jī)搜索是指潛艇隨機(jī)選擇搜索航段(區(qū)域)進(jìn)行搜索,不能保證針對搜索區(qū)域的重復(fù)搜索。

在隨機(jī)搜索方式下,潛艇進(jìn)行時(shí)間段長度為t的搜索,發(fā)現(xiàn)敵潛艇概率P(t)為

(4)

而在規(guī)則搜索方式下,潛艇進(jìn)行時(shí)間段長度為t的搜索,發(fā)現(xiàn)敵潛艇概率P(t)為:

(5)

式中:W為搜索方潛艇渦流的搜掃寬度(一般情況下可取兩倍渦流探測距離)；V為搜索方潛艇和目標(biāo)潛艇之間平均相對運(yùn)動(dòng)速度；A為目標(biāo)潛艇可能位置區(qū)域面積。

實(shí)際作戰(zhàn)中,由于作戰(zhàn)海域過大,通常根據(jù)實(shí)際情況將作戰(zhàn)海域劃分為若干個(gè)反潛陣地,假定反潛陣地面積為15×20km2。目標(biāo)潛艇采用5km/h小噪聲航速突破搜索區(qū),其渦流能被探測的尺度可保持1h～2h,即可被探測距離為1h×目標(biāo)航速至2h×目標(biāo)航速。

假定A1區(qū)內(nèi)搜索方采取4km/h低速航行,聲納作用距離為3km～3.5km,渦流探潛發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率仿真結(jié)果如圖1所示。

假定A2區(qū)內(nèi)搜索方潛艇采用8km/h中速航行,聲納作用距離為1.5km ～2km,渦流探潛發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 搜索發(fā)現(xiàn)概率比較

圖2 搜索發(fā)現(xiàn)概率比較

圖1、圖2中可以得出,在相同的搜索條件下,即使將渦流探潛發(fā)現(xiàn)距離假定到較小值,使用渦流探潛發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率也明顯高于聲納；另外,對比兩圖可發(fā)現(xiàn),在兩個(gè)陣地內(nèi)由于搜索方采用不同航速引起了聲納發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率變化,而渦流搜索由于探測原理不同,發(fā)現(xiàn)概率能夠穩(wěn)定保持。

5 結(jié)語

本文針對渦流探潛效能進(jìn)行了計(jì)算,通過仿真表明渦流場檢測技術(shù)探潛具有較高的搜索效率和發(fā)現(xiàn)概率。同時(shí),渦流探潛效能受目標(biāo)航速以及渦流衰減時(shí)間影響較大,受本方的要素變化影響較小。根據(jù)潛艇渦流場這一特性,進(jìn)一步探索研究基于渦流導(dǎo)引的遠(yuǎn)程魚雷在超遠(yuǎn)距離上攻擊敵方潛艇的新型作戰(zhàn)方式,可有效提高水下反潛能力。

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Antisubmarine Detection Efficiency Analysis of Submarine Based on the Testing Technology of Submarine Eddy Current

WU Ning LI Wei MU Lianyun

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266000)

The paper established the anti-submarine detection efficiency analysis model based on technology of submarine eddy current testing, analyzed submarine detection ability of submarine eddy current testing technology from the aspects of characteristics, feasibility, searching efficiency and target detection probability. In contrast with sonar, the research had proved that the submarine detection by eddy current testing has higher efficiency and better stability.

eddy current testing, antisubmarine detection, efficiency analysis

2016年7月4日,

2016年8月30日

武寧,男,碩士研究生,研究方向:軍事裝備學(xué)。李偉,男,博士,教授,研究方向:魚雷制導(dǎo)工程。穆連運(yùn),男,碩士,教授,研究方向:水中兵器發(fā)射理論。

V279

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.028