劉 峰,金 釗
(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)
“提康德羅加”級(jí)巡洋艦是美國(guó)海軍現(xiàn)役的唯一一級(jí)巡洋艦,該型艦是世界上第一型宙斯盾(AEGIS)作戰(zhàn)艦艇。據(jù)公開(kāi)資料顯示,“提康德羅加”巡洋艦的宙斯盾系統(tǒng)可以監(jiān)視400批目標(biāo)并跟蹤其中的200批,其“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈可以同時(shí)攔截12個(gè)~16個(gè)來(lái)襲目標(biāo)。但關(guān)于其防空作戰(zhàn)能力的分析論述大都止步于此,缺乏具有作戰(zhàn)背景的定量分析,這也是本文試圖解決的問(wèn)題。
本文的研究思路是:依據(jù)“提康德羅加”裝備的“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)技戰(zhàn)術(shù)性能和作戰(zhàn)流程,提出和設(shè)定可能出現(xiàn)的作戰(zhàn)背景,并就裝備的具體運(yùn)用進(jìn)行建模和定量計(jì)算,進(jìn)而得出某種作戰(zhàn)背景下作戰(zhàn)能力的定量描述。
“提康德羅加”級(jí)巡洋艦在使用“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈防空作戰(zhàn)中,主要裝備為AN/SPS-49遠(yuǎn)程對(duì)空警戒雷達(dá)、AN/SPY-1系列相控陣?yán)走_(dá)、SPG-62火控雷達(dá)和 MK-41垂直發(fā)射系統(tǒng)等。其中:1)AN/SPS-49遠(yuǎn)程對(duì)空警戒雷達(dá)主要實(shí)施對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)的早期預(yù)警,對(duì)空搜索最大作用距離達(dá)到450 km;2)AN/SPY-1系列相控陣?yán)走_(dá),宙斯盾系統(tǒng)的核心裝備,主要負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤,對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)-2”實(shí)施中段的指令指導(dǎo),能夠監(jiān)視400批目標(biāo)并跟蹤其中的200批,最大作用距離達(dá)到370 km;3)“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈,是美國(guó)海軍現(xiàn)役的主要防空導(dǎo)彈,采用“慣導(dǎo)+指令+半主動(dòng)雷達(dá)”制導(dǎo),有多達(dá)兩類10種型號(hào)(中程型 I、II、III、IIIA、IIIB 和增程型 I、II、III、IV、IVA),最大射程 185 km[1];4)SPG-62 火控雷達(dá),是“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈的照射雷達(dá),是對(duì)空攔截作戰(zhàn)的核心裝備,直接決定了攔截目標(biāo)的數(shù)量,理論上可以在120°扇面內(nèi)對(duì)4個(gè)來(lái)襲目標(biāo)實(shí)施分時(shí)照射[2],最大照射距離達(dá)到 150 km;5)MK-41 垂直發(fā)射系統(tǒng)共16組8聯(lián)裝,前后甲板各8組,備彈122枚(戰(zhàn)斧/阿斯洛克/標(biāo)準(zhǔn)-2),可以以1枚/s的間隔發(fā)射“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈對(duì)來(lái)襲目標(biāo)實(shí)施攔截。
從裝備技戰(zhàn)術(shù)性能的數(shù)據(jù)上看,“提康德羅加”級(jí)巡洋艦的防空作戰(zhàn)能力非常強(qiáng)大,但仍然存在著一些制約因素:首先,AN/SPS-49和AN/SPY-1雷達(dá)在探測(cè)過(guò)程中受到地球曲率的影響,對(duì)于低空目標(biāo)的探測(cè)仍在視距左右,在沒(méi)有預(yù)警機(jī)保障的情況下,對(duì)于反艦導(dǎo)彈等掠海來(lái)襲目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間較短,同樣SPG-62火控雷達(dá)同樣受到地球曲率的影響,也就是說(shuō),“標(biāo)準(zhǔn)-2”只能從來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)入視距后開(kāi)始實(shí)施抗擊;第2,真正決定“提康德羅加”多目標(biāo)抗擊能力的是SPG-62火控雷達(dá)和MK-41垂直發(fā)射系統(tǒng),SPG-62火控雷達(dá)為采用機(jī)械掃描體制的卡塞格倫天線,需要機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線實(shí)施分時(shí)照射,限制了其抗擊防御反艦導(dǎo)彈飽和攻擊的能力,同時(shí)MK-41垂直發(fā)射系統(tǒng)雖然可以達(dá)到1枚/s的發(fā)射速率,但在抗擊同時(shí)到達(dá)的多枚反艦導(dǎo)彈時(shí),仍會(huì)受到多種因素的影響。
在防空作戰(zhàn)的組織流程上,如果沒(méi)有預(yù)警機(jī)提供預(yù)警情報(bào)保障,“提康德羅加”級(jí)通常首先使用AN/SPS-49遠(yuǎn)程對(duì)空警戒雷達(dá)對(duì)來(lái)襲空中目標(biāo)的早期預(yù)警,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后由AN/SPY-1系列相控陣?yán)走_(dá)對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤,判斷威脅程度和等級(jí),在條件允許時(shí)發(fā)射“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)實(shí)施攔截?!皹?biāo)準(zhǔn)-2”攔截過(guò)程的中段主要依靠自身的慣導(dǎo)和AN/SPY-1系列相控陣?yán)走_(dá)為其提供制導(dǎo)指令飛向目標(biāo),在接近目標(biāo)后,由AN/SPG-62火控雷達(dá)實(shí)施末段照射,“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈接收目標(biāo)反射的雷達(dá)信號(hào),對(duì)目標(biāo)實(shí)施追蹤直至摧毀目標(biāo)。
在一般的戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)中,無(wú)論是攻擊還是防御,水面艦艇的作戰(zhàn)模式主要是在能夠獲得友鄰(水面、空中)充分信息保障的情況下,運(yùn)用自身的火力實(shí)施作戰(zhàn)。美國(guó)海軍實(shí)施多年的“協(xié)同作戰(zhàn)能力(CEC)”以及最新提出的“海軍綜合防空火控系統(tǒng)”(NIFC-CA),本質(zhì)上就是使水面艦艇具備了能夠在自身不發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的情況下,仍然可以對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊或者抗擊的能力。
對(duì)于“提康德羅加”級(jí)使用“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈作戰(zhàn),E-2C預(yù)警機(jī)和其他艦艇可為其提供早期的目標(biāo)信息,但是由于“標(biāo)準(zhǔn)-2”采用半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo),在末段的命中過(guò)程還需要艦載的SPG-62雷達(dá)實(shí)施照射,雖然存在著A艦發(fā)射B艦照射的情況,但本質(zhì)上還是單艦艇完成防空作戰(zhàn)流程。根據(jù)來(lái)襲目標(biāo)性質(zhì)的不同,艦艇對(duì)空防御可以分為對(duì)飛機(jī)的防御和對(duì)反艦導(dǎo)彈的防御,但考慮到現(xiàn)代條件下一般海戰(zhàn)的方式都是飛機(jī)等平臺(tái)在防區(qū)外實(shí)施導(dǎo)彈攻擊,因此,本文設(shè)定的作戰(zhàn)背景是:“提康德羅加”級(jí)僅依靠自身的裝備發(fā)現(xiàn)和抗擊來(lái)襲的反艦導(dǎo)彈,并運(yùn)用“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈實(shí)施抗擊。
根據(jù)前文所述,即便是AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá),其對(duì)掠海目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)距離也為視距,可由式(1)計(jì)算得出:
其中,D為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)距離,單位為km。H為艦載雷達(dá)的天線高度,單位為m。h為反艦導(dǎo)彈的飛行高度,單位為m。
警戒雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后,需要經(jīng)過(guò)數(shù)次掃描以便對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn),掃描的次數(shù)取決于海上目標(biāo)數(shù)量、雜波干擾程度以及操作手的熟練程度等因素。目標(biāo)確認(rèn)后,即可發(fā)送至由SPY-1相控陣?yán)走_(dá)實(shí)施跟蹤并引導(dǎo)“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈發(fā)射,當(dāng)來(lái)襲導(dǎo)彈接近至“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈的近界后,導(dǎo)彈便不能射擊,轉(zhuǎn)由“海麻雀”、電子對(duì)抗系統(tǒng)以及小口徑艦炮等實(shí)施抗擊。對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)的態(tài)勢(shì)如下頁(yè)圖1所示。
進(jìn)一步分析對(duì)目標(biāo)的攔截時(shí),需要對(duì)作戰(zhàn)中的一些參數(shù)進(jìn)行假設(shè),并根據(jù)假設(shè)得出結(jié)論。
假設(shè)警戒雷達(dá)的安裝高度H警戒=20 m,相控陣的安裝高度H相控=16 m,由于照射器的安裝高度高于相控陣?yán)走_(dá),可以認(rèn)為只要相控陣?yán)走_(dá)對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)跟蹤,照射器即可以對(duì)目標(biāo)實(shí)施照射。
圖1 目標(biāo)攔截態(tài)勢(shì)圖
根據(jù)式(1)可以計(jì)算得出警戒雷達(dá)發(fā)現(xiàn)來(lái)襲導(dǎo)彈的最遠(yuǎn)距離,以及相控陣?yán)走_(dá)能夠跟蹤目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離,如表1所示。
表1 警戒雷達(dá)及相控陣?yán)走_(dá)對(duì)導(dǎo)彈的作用距離
假設(shè)警戒雷達(dá)首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后需要4個(gè)周期(T)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn),并向宙斯盾系統(tǒng)發(fā)出目標(biāo)指示,來(lái)襲反艦導(dǎo)彈飛行速度V反艦,“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈飛行時(shí)在反艦導(dǎo)彈航路上的速度投影V標(biāo)準(zhǔn),則“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈開(kāi)始抗擊時(shí)的目標(biāo)距離:
在AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá)跟蹤后,經(jīng)過(guò)目標(biāo)識(shí)別和威脅判斷后,即可由MK-41系統(tǒng)發(fā)射“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈,這一過(guò)程可實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù),反應(yīng)時(shí)間很短。在不考慮火控系統(tǒng)解算時(shí)間的情況下,MK-41系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1枚/s的發(fā)射速率。
“標(biāo)準(zhǔn)-2”采用的是垂直發(fā)射方式和高拋彈道,即導(dǎo)彈從發(fā)射筒中垂直射出,達(dá)到一定高度后作類似拋物線的彈道自上而下向目標(biāo)飛向目標(biāo),在這一過(guò)程中,主要依靠AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá)對(duì)其實(shí)施指令導(dǎo)引。由于“標(biāo)準(zhǔn)-2”彈道較為復(fù)雜,因而本文不對(duì)其彈道進(jìn)行仿真,只取其速度在海平面的投影作為計(jì)算依據(jù)。
通過(guò)式(3)的多次迭代計(jì)算,可以得出從第1枚“標(biāo)準(zhǔn)-2”發(fā)射的時(shí)刻起,直至反艦導(dǎo)彈進(jìn)入射擊近界,“標(biāo)準(zhǔn)-2”可以實(shí)施攔截的次數(shù)、每次攔截時(shí)所需時(shí)間以及每次攔截時(shí)距離艦艇的距離。
其中,i為攔截的次數(shù),d為“標(biāo)準(zhǔn)-2”發(fā)射時(shí)反艦導(dǎo)彈與艦艇的距離,單位為m;Vb為“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈速度在海平面的投影,單位為m/s;Vf為反艦導(dǎo)彈的速度,單位為m/s;t為“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈與反艦導(dǎo)彈相遇時(shí)間,單位為s。
根據(jù)式(2)可以得出以下結(jié)果和結(jié)論:
圖2 標(biāo)準(zhǔn)-2導(dǎo)彈與目標(biāo)相遇時(shí)間
圖3 標(biāo)準(zhǔn)-2導(dǎo)彈攔截目標(biāo)時(shí)與艦艇的距離
從圖2中可以看出,如果按照MK-41的最大發(fā)射率(1枚/s),當(dāng)上一枚艦空導(dǎo)彈攔截成功后,下一枚將在0.8 s后與目標(biāo)相遇,即如果僅依靠一個(gè)照射器實(shí)施照射,必須在0.77 s內(nèi)完成轉(zhuǎn)移目標(biāo)并且實(shí)施照射,這就依賴于照射器的轉(zhuǎn)火速度,如果照射器的轉(zhuǎn)火速度大于0.77 s,那么MK-41系統(tǒng)就不能按照其最大發(fā)射率(1枚/s)的速度發(fā)射導(dǎo)彈。
從圖3中可以看出,第1枚“標(biāo)準(zhǔn)-2”的攔截點(diǎn)在距離艦艇18.1 km處(不考慮彈道變化對(duì)速度的影響),如果第1枚攔截失敗,則反艦導(dǎo)彈繼續(xù)飛行約0.23 km,第2枚攔截點(diǎn)在距離艦艇17.8 km處。即如果2枚“標(biāo)準(zhǔn)-2”能夠成功攔截1枚反艦導(dǎo)彈,當(dāng)多枚反艦導(dǎo)彈同時(shí)攻擊時(shí),每枚反艦導(dǎo)彈在被攔截之前可比上一枚向目標(biāo)多接近約0.46 km。
“標(biāo)準(zhǔn)-2”發(fā)射后,AN/SPY-1系列相控陣?yán)走_(dá)為其提供中段導(dǎo)引。通常是AN/SPY-1同時(shí)跟蹤來(lái)襲反艦導(dǎo)彈和“標(biāo)準(zhǔn)-2”,通過(guò)計(jì)算并采用指令的方式引導(dǎo)“標(biāo)準(zhǔn)-2”飛向目標(biāo)。這里存在一個(gè)目標(biāo)容量的問(wèn)題,是雷達(dá)能夠跟蹤的目標(biāo)數(shù)和制導(dǎo)的導(dǎo)彈數(shù)[3]。關(guān)于宙斯盾系統(tǒng)的目標(biāo)容量(即在中段能夠?qū)б嗌倜丁皹?biāo)準(zhǔn)-2”飛向目標(biāo))并無(wú)相關(guān)明確數(shù)據(jù),這里根據(jù)公開(kāi)的最大攔截目標(biāo)數(shù)進(jìn)行假設(shè):能夠?qū)?2枚導(dǎo)彈進(jìn)行中段引導(dǎo),攻擊16個(gè)目標(biāo)。
“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈在接近目標(biāo)后,末段的半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭開(kāi)始工作,此時(shí)則需要SPG-62雷達(dá)對(duì)目標(biāo)實(shí)施照射,“提康德羅加”級(jí)巡洋艦上SPG-62的布置如圖4所示。
圖4 SPG-62艦艇布置圖
圖5 SPG-62布置平面示意圖
關(guān)于四部SPG-62的照射范圍并沒(méi)有相關(guān)論述,但從其布設(shè)位置可以進(jìn)行估算,如圖5所示。其中:
1 號(hào)的照射范圍為 -70°~ 0°,0°~ +150°(左舷為“-”右舷為“+”,下同);
2 號(hào)的照射范圍為 -150°~ 0°,0°~ +70°;
3 號(hào)的照射范圍為 -30°~ -180°,+30°~ +180°;
4 號(hào)的照射范圍為 -30°~ -180°,+30°~ +180°。
整理可以大致得出任意導(dǎo)彈來(lái)襲方位上可以實(shí)施照射的照射器數(shù)量:1)艦艇左右舷0°~30°范圍內(nèi),兩部座照射器可以照射;2)艦艇左右舷30°~70°范圍內(nèi),四部照射器可以照射;3)艦艇左右舷 70°~150°范圍內(nèi),三部照射器可以照射;4)艦艇左右舷150°~180°范圍內(nèi),兩部照射器可以照射。
每部照射器采用分時(shí)照射的方法,雷達(dá)的平均旋轉(zhuǎn)速度為 72°/s,旋轉(zhuǎn)加速度為 143°/s2,則可以計(jì)算得出轉(zhuǎn)動(dòng)任意的角度α所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t旋轉(zhuǎn),如圖6所示。
假設(shè)由于照射器對(duì)來(lái)襲目標(biāo)所需的照射時(shí)間沒(méi)有相關(guān)數(shù)據(jù),在此進(jìn)行假設(shè)為t照射分別為0.3 s、0.5 s和0.7 s,并根據(jù)假設(shè)分別進(jìn)行計(jì)算,則SPG-62轉(zhuǎn)火所需的時(shí)間t轉(zhuǎn)火可以根據(jù)式(3)得出。
圖6 SPG-62雷達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度計(jì)算
圖7 SPG-62雷達(dá)的轉(zhuǎn)火時(shí)間計(jì)算
通過(guò)計(jì)算可以得出如圖7所示的結(jié)果,可以看出如果當(dāng)相鄰兩枚反艦導(dǎo)彈角度大于20°時(shí),則轉(zhuǎn)火時(shí)間會(huì)超過(guò)0.8 s。而根據(jù)3.2節(jié)的計(jì)算,按照MK-41的最大發(fā)射率,第1枚導(dǎo)彈攔截成功后,第2枚將在0.8 s后與目標(biāo)相遇,明顯小于某些態(tài)勢(shì)下SPG-62對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)火所需時(shí)間,因此,“標(biāo)準(zhǔn)-2”轉(zhuǎn)火射擊時(shí),在某些情況下不應(yīng)按照MK-41的最大發(fā)射率作為下一輪抗擊開(kāi)始的依據(jù),而是以SPG-62雷達(dá)的轉(zhuǎn)火時(shí)間作為依據(jù)。
當(dāng)一個(gè)照射器工作時(shí),如果按t轉(zhuǎn)火=1.0 s計(jì)算,可以得出每一枚“標(biāo)準(zhǔn)-2”比前一枚落后1 300 m,那么MK-41的發(fā)射間隔就應(yīng)該調(diào)整為1.3 s/枚。此時(shí),轉(zhuǎn)火攔截的反艦導(dǎo)彈比上一枚多接近300 m,仍假設(shè)2枚“標(biāo)準(zhǔn)-2”能夠成功攔截1枚反艦導(dǎo)彈,如表2所示。
表2 “標(biāo)準(zhǔn)-2”攔截多目標(biāo)時(shí)反艦導(dǎo)彈飛行距離(一部照射器工作)
根據(jù)公開(kāi)資料給定的數(shù)據(jù),設(shè)定來(lái)襲導(dǎo)彈10枚,間隔 20°均勻分布在一舷 0°~180°范圍內(nèi),可以有3個(gè)~4個(gè)照射器實(shí)施照射,此時(shí)多個(gè)照射器同時(shí)工作,照射器在等待下一枚“標(biāo)準(zhǔn)-2”攔截彈抵達(dá)目標(biāo)時(shí),有充足的時(shí)間轉(zhuǎn)向并照射下一個(gè)目標(biāo),因此,不存在轉(zhuǎn)火時(shí)間的問(wèn)題。
假設(shè)警戒雷達(dá)掃描速度為12轉(zhuǎn)/min,首次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后需要4個(gè)周期(T)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn),并向宙斯盾系統(tǒng)發(fā)出目標(biāo)指示,來(lái)襲反艦導(dǎo)彈飛行速度V反艦,“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈飛行時(shí)在反艦導(dǎo)彈航路上的速度投影V標(biāo)準(zhǔn),則“標(biāo)準(zhǔn)-2”導(dǎo)彈開(kāi)始抗擊時(shí)的目標(biāo)距離為:
表3 “標(biāo)準(zhǔn)-2”攔截多目標(biāo)時(shí)反艦導(dǎo)彈飛行距離(三部照射器工作)
假設(shè)“標(biāo)準(zhǔn) -2”的攔截近界為 15 km[4-5],根據(jù)表3的結(jié)果,從第1次攔截到反艦導(dǎo)彈進(jìn)入“標(biāo)準(zhǔn)-2”的近界,在有3部照射器同時(shí)工作的情況下,可以發(fā)射20枚“標(biāo)準(zhǔn)-2”攔截10枚反艦導(dǎo)彈。
假設(shè)雙發(fā)命中概率0.95,則對(duì)空攔截概率可根據(jù)式(4)計(jì)算得出:
其中,N為來(lái)襲導(dǎo)彈數(shù)量,n為成功攔截導(dǎo)彈數(shù)量。
當(dāng)N=10時(shí),可以得出結(jié)論:“標(biāo)準(zhǔn)-2”能夠全部攔截來(lái)襲導(dǎo)彈的概率為0.6,漏過(guò)1枚反艦導(dǎo)彈的概率為0.32,漏過(guò)2枚反艦導(dǎo)彈的概率為0.07。
本文結(jié)合“提康德羅加”級(jí)巡洋艦“標(biāo)準(zhǔn)-2”及宙斯盾系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)性能參數(shù),通過(guò)定量計(jì)算,對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)-2”攔截來(lái)襲反艦導(dǎo)彈的過(guò)程進(jìn)行分析。但由于保密原因,一些具體的技術(shù)參數(shù)無(wú)法獲得,因此,在計(jì)算過(guò)程中對(duì)一些沒(méi)有公開(kāi)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了假設(shè),其結(jié)論只能在一定程度上反映出“標(biāo)準(zhǔn)-2”艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)能力,并且還需要將“海麻雀”、“密集陣”和電子干擾系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮才能進(jìn)一步得出艦艇的綜合防空反導(dǎo)能力,這也是今后重點(diǎn)研究的方向。