反潛巡邏機(jī)聲吶浮標(biāo)投放諸元確定方法研究*

王新為,譚安勝，尹成義

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

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反潛巡邏機(jī)聲吶浮標(biāo)投放諸元確定方法研究*

王新為,譚安勝，尹成義

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

從作戰(zhàn)使用的角度,提出了聲吶浮標(biāo)投放應(yīng)滿足“四性”要求,分析了影響聲吶浮標(biāo)投放的“五個主觀因素”和“兩個客觀因素”,建立了聲吶浮標(biāo)投放諸元的確定模型。基于仿真結(jié)果指出反潛巡邏機(jī)浮標(biāo)投放諸元的確定,不僅要滿足聲吶浮標(biāo)投放的基本要求,而且還要滿足反潛巡邏機(jī)使用聲吶浮標(biāo)對潛搜索方法的要求。

反潛巡邏機(jī);聲吶浮標(biāo);投放諸元

反潛巡邏機(jī)對潛搜索的常規(guī)手段是投放與目標(biāo)分布相匹配的聲吶浮標(biāo)陣。浮標(biāo)陣搜索效率的高低,不僅取決于浮標(biāo)陣中浮標(biāo)的密度,還取決于陣內(nèi)浮標(biāo)投放位置的準(zhǔn)確性和投放存活率[1]。在特定的環(huán)境下,聲吶浮標(biāo)投放位置的準(zhǔn)確性和投放存活率是由反潛巡邏機(jī)投放時的飛行高度、飛行速度、投放飛行航向、聲吶浮標(biāo)的開傘時刻和投放時機(jī)決定的。而投放時機(jī)可以用投放時刻、飛機(jī)在水平面上的投影點(diǎn)與該浮標(biāo)的期望投放點(diǎn)的水平距離表示[2]。為此,我們將上述五要素稱為聲吶浮標(biāo)投放諸元。本3就投放諸元的確定問題進(jìn)行系統(tǒng)研究,為指揮員決策提供依據(jù)。

1 聲吶浮標(biāo)投放要求及影響因素

1.1 聲吶浮標(biāo)投放的基本要求

聲吶浮標(biāo)的投放應(yīng)滿足“四性”要求。1)開傘安全性。浮標(biāo)離開機(jī)艙開傘時,應(yīng)與飛機(jī)具有一定的安全距離,保證不能與機(jī)體發(fā)生接觸。2)著點(diǎn)準(zhǔn)確性。投放的聲吶浮標(biāo)的落點(diǎn)應(yīng)與在海平面上設(shè)計(jì)的聲吶浮標(biāo)陣中該枚浮標(biāo)所在的位置點(diǎn)重合,也就是與該枚浮標(biāo)的期望投放點(diǎn)重合。3)是擊水安全性。聲吶浮標(biāo)落水瞬間受到的海面沖擊力,應(yīng)不大于保持聲吶浮標(biāo)可靠工作所能承受的最大沖擊力。即聲吶浮標(biāo)受到海面沖擊后,仍能有極高的概率保持浮標(biāo)可靠工作。4)入水鉛垂性。聲吶浮標(biāo)的入水角不能大于允許的最大入水角(入水速度矢量與水平面法線的夾角),即以該入水角入水能夠保證浮標(biāo)自入水點(diǎn)垂直下沉至設(shè)定的深度[3-4]。

1.2 影響聲吶浮標(biāo)投放的因素

著點(diǎn)的準(zhǔn)確性是由投放后的浮標(biāo)空中運(yùn)動軌跡決定的。當(dāng)浮標(biāo)的軌跡通過期望投放點(diǎn)時即可滿足著點(diǎn)準(zhǔn)確性要求。而浮標(biāo)空中運(yùn)動軌跡是由反潛巡邏機(jī)投放聲吶浮標(biāo)時的飛行高度、速度、航向、時機(jī)、浮標(biāo)開傘時刻以及大氣環(huán)境等因素決定的。

擊水安全性是由聲吶浮標(biāo)入水速度、入水角以及海水密度等決定的。而入水速度和入水角是由飛行高度、飛行速度和開傘時機(jī)決定的。間接地?fù)羲踩允怯娠w行高度、飛行速度和開傘時機(jī)決定的。

入水鉛垂性是由聲吶浮標(biāo)的入水角決定的。而入水角是由飛行高度、飛行速度和開傘時機(jī)決定的。間接地入水鉛垂性是由飛行高度、飛行速度和開傘時機(jī)決定的。

綜上所述,影響反潛巡邏機(jī)投放聲吶浮標(biāo)的因素可歸結(jié)為:反潛巡邏機(jī)投放聲吶浮標(biāo)時的飛行高度、速度、航向、時機(jī)、浮標(biāo)開傘時刻五個主觀因素以及大氣環(huán)境和海水密度兩個客觀因素。從作戰(zhàn)使用的角度,將五個主觀因素稱為聲吶浮標(biāo)投放諸元[5-7]。

2 聲吶浮標(biāo)投放諸元確定模型

2.1 基本假設(shè)

1)不考慮風(fēng)對反潛巡邏機(jī)飛行及對聲吶浮標(biāo)運(yùn)動軌跡的影響;

2)投放聲吶浮標(biāo)時反潛巡邏機(jī)總是以等高等速直線飛行;

3)聲吶浮標(biāo)開傘過程瞬間完成,即忽略開傘過程對聲吶浮標(biāo)運(yùn)動的影響;

4)降落傘阻力系數(shù)不受高度、速度影響,為一常數(shù)。

2.2 模型建立

本文以反潛巡邏機(jī)投放該枚聲吶浮標(biāo)時刻在水平面上的投影點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),以飛行航向?yàn)閤軸,建立直角坐標(biāo)系,如圖1所示。

圖1 反潛巡邏機(jī)空投聲吶浮標(biāo)示意圖

(1)

假設(shè)浮標(biāo)開傘在瞬間完成，則在K點(diǎn)聲吶浮標(biāo)在降落傘的作用下的受力情況如圖2所示[8]。

圖2 聲吶浮標(biāo)開傘狀態(tài)空中運(yùn)動受力示意圖

設(shè)任意時刻t,聲吶浮標(biāo)軸線與水平方向的夾角為θ(t)(將其定義為聲吶浮標(biāo)姿態(tài)角)、降落傘在tk時刻產(chǎn)生的阻力為F(tk),則在(tk,tk+N·Δt) 時間內(nèi),自tk時刻起在沖量作用過程中,聲吶浮標(biāo)的速度不斷減小,從而使F(t)(t>tk)不斷減小,同時在(tk,twx)時間內(nèi),在變力矩作用下,經(jīng)過n次沖量過程,于Wx點(diǎn)(稱為水平穩(wěn)定點(diǎn))使得

(2)

其中,降落傘運(yùn)動阻力F為

(3)

式中，C為降落傘阻力系數(shù);S為降落傘阻力面積(m2);vz2(t)為聲吶浮標(biāo)開傘狀態(tài)t時刻空中運(yùn)動速度(km/h);ρ為空氣密度(kg/m3),隨高度和溫度變化,由下式計(jì)算:

式中，ρ0為0℃大氣壓下的空氣密度,取1.293kg/m3;Tj為絕對溫度(℃);T0為海平面溫度(℃);T1為聲吶浮標(biāo)在高度y1處的溫度(℃);yz為聲吶浮標(biāo)所處高度(m)。

自Wx點(diǎn)開始,在(twx,N·Δt)時間內(nèi),浮標(biāo)在垂直方向上,經(jīng)過N-n次沖量過程,于Wy點(diǎn)(稱為垂直穩(wěn)定點(diǎn))使得其運(yùn)動速度趨向于一個常數(shù),即

(5)

此后,浮標(biāo)將以此速度vzy(twy)→con垂直向下運(yùn)動至著水點(diǎn)B。

通過上述分析可以看出:聲吶浮標(biāo)的運(yùn)動過程包括“四個關(guān)鍵點(diǎn),三種運(yùn)動模式”?！八膫€關(guān)鍵點(diǎn)”是指投放點(diǎn)A、開傘點(diǎn)K、水平穩(wěn)定點(diǎn)Wx和垂直穩(wěn)定點(diǎn)Wy;“三種運(yùn)動模式”是指自A至K點(diǎn)的斜下拋運(yùn)動、自K至Wx點(diǎn)的變扭矩旋轉(zhuǎn)拋物沖量運(yùn)動、自Wx至Wy點(diǎn)的鉛垂變加速沖量運(yùn)動[9-10]。

在作戰(zhàn)指揮決策過程中,指揮員所關(guān)心的是,反潛巡邏機(jī)在多大高度ha、采用什么航向Ca、以多大速度va飛行、距期望的浮標(biāo)布放點(diǎn)多遠(yuǎn)的距離la上開始投放,能夠使浮標(biāo)準(zhǔn)確落在期望布放點(diǎn)B上。在不考慮風(fēng)、流對浮標(biāo)影響的情況下,反潛巡邏機(jī)的飛行航向應(yīng)當(dāng)是過點(diǎn)(期望布放點(diǎn)B)飛行。

設(shè)保持聲吶浮標(biāo)有效工作的最大落水速度為Vz max,顯然浮標(biāo)在Wy點(diǎn)的速度vzy(Wy)應(yīng)不大于Vz max,以滿足“擊水安全性”要求,即

vzy(Wy)≤Vz max

(6)

假設(shè)反潛巡邏機(jī)的最低安全飛行高度為ha min、最小允許飛行速度為vamin,則任意時刻t要求有:

(7)

不同運(yùn)動軌跡的Wy點(diǎn)不同,在空中運(yùn)動受風(fēng)的作用時間不同,著水點(diǎn)產(chǎn)生的偏差就不同。因此,在確定浮標(biāo)投放諸元時必須予以考慮,以滿足浮標(biāo)“著點(diǎn)準(zhǔn)確性”要求。在同一高度同一投放點(diǎn)以不同飛行速度投放聲吶浮標(biāo)時,將形成一個浮標(biāo)軌跡簇。如圖3所示。

圖3 聲吶浮標(biāo)軌跡簇示意圖

在這個浮標(biāo)軌跡簇中滿足“擊水安全性”和“入水鉛垂性”要求的所有軌跡中,時間最短的軌跡應(yīng)是首選的,即tz=min(tB1,tB2,…,tBm)。

通過上述分析可以看出:聲吶浮標(biāo)的投放諸元(ha,va,la;Ca)是一個滿足各種必要約束的數(shù)據(jù)組合。需要通過迭代優(yōu)化求解。為此,建立浮標(biāo)投放諸元優(yōu)化模型如下:

A(ha,va,la;Ca)=Opt(ha,va,la;Ca)

(8)

3 仿真計(jì)算與分析

針對上述模型采用龍格—庫塔(Runge-Kutta)法求解。

3.1 參數(shù)設(shè)定

1)浮標(biāo)參數(shù):聲吶浮標(biāo)降落傘阻力系數(shù)C和降落傘阻力面積S乘積為0.22m2,聲吶浮標(biāo)出艙速度v0為10m/s,聲吶浮標(biāo)在未啟動降落傘階段運(yùn)動時間t1為1s,聲吶浮標(biāo)質(zhì)量m為4kg。

2)環(huán)境參數(shù):海平面溫度T0=15℃,高度h1=10000m處的高空溫度T1=-50℃。

3)飛行參數(shù):反潛巡邏機(jī)飛行速度320km/h～600km/h;飛行高度300m～1000m

3.2 仿真結(jié)果

表1和表2給出了聲吶浮標(biāo)入水點(diǎn)和穩(wěn)定點(diǎn)參數(shù)與投放高度和投放速度對應(yīng)關(guān)系。其中,聲吶浮標(biāo)入水點(diǎn)參數(shù)包括:入水速度vz(tr)(m/s)、入水姿態(tài)角θz(tr)(°)、入水時間tr(s)和水平投放距離la(m);穩(wěn)定點(diǎn)參數(shù)包括:穩(wěn)定點(diǎn)速度vw(m/s)、穩(wěn)定點(diǎn)時間tw(s)、穩(wěn)定點(diǎn)水平距離lw(m)和穩(wěn)定點(diǎn)高度hw(m)。

表1 聲吶浮標(biāo)入水點(diǎn)參數(shù)與投放高度/速度對應(yīng)關(guān)系

表2 聲吶浮標(biāo)穩(wěn)定點(diǎn)參數(shù)與投放高度/速度對應(yīng)關(guān)系

從表1和表2可以看出:

1)反潛巡邏機(jī)投放飛行速度對浮標(biāo)入水點(diǎn)的水平距離影響較大,飛行速度越快水平距離越大。

2)在相同的投放高度上,穩(wěn)定點(diǎn)的高度隨投放速度的增加而減小、浮標(biāo)留空時間增加,水平運(yùn)動距離明顯增大。

3)任何投放高度和投放速度下,浮標(biāo)具有基本相同的穩(wěn)定速度和穩(wěn)定姿態(tài)角。當(dāng)投放高度不小于300m時,浮標(biāo)入水姿態(tài)角達(dá)恒定值90°,入水速度基本穩(wěn)定在16m/s。

3.3 研究結(jié)論

反潛巡邏機(jī)浮標(biāo)投放諸元的確定,不僅要滿足聲吶浮標(biāo)投放的基本要求,而且還要考慮反潛巡邏機(jī)使用聲吶浮標(biāo)對潛搜索的具體方法。

1)反潛巡邏機(jī)投放浮標(biāo)時,應(yīng)在滿足監(jiān)聽距離和保證飛行安全的盡可能低的高度上飛行,以便縮短聲吶浮標(biāo)留空時間,減小浮標(biāo)落點(diǎn)散布。綜合本文給定條件下的仿真結(jié)果,浮標(biāo)投放高度在300m是最適宜的。

2)投放飛行速度應(yīng)當(dāng)根據(jù)搜索方法要求的布陣時間進(jìn)行選擇。當(dāng)采用布聽異步搜索法時,應(yīng)當(dāng)選擇較高的投放飛行速度;當(dāng)采用布聽同步搜索法時,應(yīng)當(dāng)選擇與要求的監(jiān)聽時間相匹配的投放飛行速度。

4 結(jié)束語

[1] 張顏嶺,趙洪,趙海潮. 聲吶浮標(biāo)空中運(yùn)動曲線計(jì)算分析[J].聲學(xué)與電子工程,2012(1):4-7.

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Research on Determinative Method of Characteristic Data for Anti-submarine Patrol Aircraft Airdrop Sonobuoy

WANG Xin-wei， TAN An-sheng， YIN Cheng-yi

(Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

From the perspective of operational use, put forward four qualities of sonobuoy airdrop, analyzed five subjective factors and two objective factors which impact sonobuoy airdrop, built the determinative model of sonobuoy airdrop data. Based on the results of simulation, pointed out the determative method of characteristic data for anti-submarine patrol aircraft airdrop sonobuoy which meet the basic requirements on sonobuoy airdrop and method requirements on anti-submarine patrol aircraft using sonobuoy to search submarine.

anti-submarine patrol aircraft; sonobuoy; airdrop data

2017-01-16

2017-03-26

大連艦艇學(xué)院科研發(fā)展基金軍事學(xué)術(shù)課題

王新為(1988-),男,江蘇泰興人,博士研究生,研究方向?yàn)檐娛逻\(yùn)籌、艦載武器作戰(zhàn)使用。 譚安勝(1963-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。 尹成義(1977-)，男，博士，副教授。

1673-3819(2017)02-0019-05

E926.38；V271.48

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.005