航母編隊(duì)中程防空艦艇掩護(hù)扇面分析

吉 澤,王義濤,韓 宇

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

航空母艦作為航母編隊(duì)的核心,是防空作戰(zhàn)中的首要保衛(wèi)目標(biāo)。做好航母編隊(duì)防空兵力配置工作是編隊(duì)指揮員優(yōu)先考慮的問(wèn)題之一。在航母編隊(duì)主要威脅方向(航母相對(duì)于主要威脅如敵機(jī)場(chǎng)、敵航母編隊(duì)等的方向),依據(jù)劃分的編隊(duì)防空作戰(zhàn)責(zé)任區(qū)域,部署相應(yīng)的防空兵力,形成層次分明的防空體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)突入防空作戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的敵空中目標(biāo)實(shí)施有效攔截和干擾。對(duì)于已經(jīng)突破航母編隊(duì)遠(yuǎn)程防空區(qū)(通常由艦載戰(zhàn)斗機(jī)擔(dān)負(fù)該區(qū)域的防空作戰(zhàn)任務(wù)),進(jìn)入中程防空區(qū)的敵突擊航空兵,由裝備中遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈的艦艇發(fā)射導(dǎo)彈實(shí)施攔截抗擊或干擾[1]。除此之外,中程防空艦艇還承擔(dān)為近程防空艦艇提供目標(biāo)指示的任務(wù)。為保證航母的安全,中程防空艦艇應(yīng)在敵機(jī)對(duì)我航母發(fā)射反艦導(dǎo)彈(或航空炸彈)前實(shí)施攔截,具體實(shí)施攔截的時(shí)機(jī)取決于防空艦艇的陣位、防空武器的殺傷區(qū)范圍、編隊(duì)的預(yù)警探測(cè)能力以及敵完成任務(wù)近界[2]等因素。

敵突擊航空兵的突擊戰(zhàn)術(shù)和機(jī)載武器的模糊性導(dǎo)致我對(duì)敵完成任務(wù)近界判斷的不確定性,此外,敵突擊航空兵力的數(shù)量和突擊方向的模糊性造成我防空兵力部署的被動(dòng)性。在給定的裝備性能條件下,上述不利因素會(huì)制約我中程防空艦艇的作戰(zhàn)攔截效果。

1 單艦防空掩護(hù)扇面分析

為了盡早攔截已突擊進(jìn)入或即將進(jìn)入中程防空區(qū)的敵機(jī),中程防空艦艇在敵機(jī)到達(dá)敵完成任務(wù)近界前,發(fā)射若干枚防空導(dǎo)彈將其擊毀,從而確保航母的安全。通常,編隊(duì)指揮員基于當(dāng)前空中威脅態(tài)勢(shì),判斷航母的掩護(hù)扇面需求,結(jié)合防空艦艇的綜合作戰(zhàn)性能,從而確定防空艦艇的前出距離。航母對(duì)掩護(hù)扇面的需求大小用掩護(hù)角來(lái)表示,同時(shí),掩護(hù)角也是評(píng)價(jià)中程防空艦艇對(duì)空掩護(hù)能力的重要指標(biāo)[3-7]之一。

為了方便分析中程防空艦艇的防空掩護(hù)態(tài)勢(shì),作如下假設(shè):1)敵機(jī)采取低空突防戰(zhàn)術(shù)突入我編隊(duì)防空區(qū)內(nèi),在臨近敵完成任務(wù)近界時(shí)突然拉升至一定高度H,發(fā)射反艦導(dǎo)彈(航空炸彈)對(duì)我航母實(shí)施打擊;2)為確保中程防空艦艇的艦載防空導(dǎo)彈不誤傷遠(yuǎn)程防空區(qū)內(nèi)的己方兵力,中程防空艦艇最遠(yuǎn)前出至防空導(dǎo)彈的殺傷區(qū)遠(yuǎn)界與中程防空區(qū)和遠(yuǎn)程防空區(qū)的分界線相切;3)編隊(duì)的預(yù)警探測(cè)能力滿足中程防空區(qū)內(nèi)防空作戰(zhàn)的需求;4)中程防空艦艇至少需要發(fā)射N(xiāo)枚防空導(dǎo)彈時(shí),對(duì)敵機(jī)的攔截成功概率不低于規(guī)定值Plj。

1.1 建立模型

如圖1所示,以航母為原點(diǎn),航母與主要威脅的連線為威脅軸,航母需求的防空掩護(hù)角為2φ,中程防空艦艇A沿威脅軸部署,該艦艇的前出距離為Dqc,防空導(dǎo)彈水平殺傷區(qū)為扇形陰影區(qū)域,殺傷區(qū)遠(yuǎn)界為Rsy,殺傷區(qū)近界為Rsj,殺傷區(qū)扇面角為2α,敵完成任務(wù)近界為Rrw,可表示為

Rrw=r0+Rds+Lsc

(1)

式中，r0為我航母的等效半徑,Rds為敵反艦導(dǎo)彈(航空炸彈)的戰(zhàn)斗部殺傷半徑,Lsc為敵反艦導(dǎo)彈(航空炸彈)的最大射程。

圖1 掩護(hù)角分析示意圖

圖1(a)所示為中程防空艦艇所提供掩護(hù)角[8]的極限情形,在敵機(jī)到達(dá)敵完成任務(wù)近界之前,中程防空艦艇的艦載防空導(dǎo)彈剛好能對(duì)其射擊一次。此時(shí),防空導(dǎo)彈的航路捷徑和艦艇的前出距離滿足如下關(guān)系:

Dqcsinφ=Rsysinα

(2)

并且Dqc此時(shí)取最大值,即

Dqcmax=Rsysinα/sinφ

(3)

實(shí)際上,防空艦艇A在滿足掩護(hù)角為2φ的前提下,可適當(dāng)調(diào)整前出距離。如圖1(b)所示,此情形為艦艇最小前出距離的臨界情況。由余弦定理可得

(4)

整理式(4)，可得關(guān)于Dqcmin的求解表達(dá)式,即

(5)

舍棄不合理根后,可得

(6)

顯然,由式(6)分析可知,Dqcmin的取值與Rsy和Rrw之間的相互關(guān)系有關(guān)。

1)當(dāng)Rsy

2)當(dāng)Rsy=Rrwsinφ時(shí),該防空艦艇的前出距離Dqc=Rrwcosφ,且φ+α=π/2;

4)當(dāng)Rsy>Rrw時(shí),該防空艦艇最小前出距離為Dqcmin=Rrw-Rsy。此時(shí)Dqcmin為負(fù),表明防空艦艇部署在航母的后方也可實(shí)現(xiàn)對(duì)航母的有效掩護(hù)。

綜上所述,中程防空艦艇前出距離可由下述模型表示:

(7)

在航母指定掩護(hù)需求的情況下,防空艦艇的前出距離是可動(dòng)態(tài)調(diào)整的,為防空兵力實(shí)現(xiàn)梯次配置、縱深攔截提供了彈性空間。

1.2 仿真分析

1)仿真目的

根據(jù)航母編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)需求,在給定的條件下,探討不同掩護(hù)角需求下的防空艦艇前出距離,為中程防空艦艇的陣位配置提供參考。

2)條件設(shè)置

航母需求的掩護(hù)角2φ∈[60°,120°],中程防空艦艇的艦載防空導(dǎo)彈的水平殺傷區(qū)遠(yuǎn)界Rsy∈[90 km,170 km],殺傷區(qū)扇面角2α=[60°,120°],敵完成任務(wù)近界Rrw∈[150 km,250 km]。

3)結(jié)果分析

表1給出了不同條件下中程防空艦艇前出距離的范圍,以及不同性能防空導(dǎo)彈對(duì)不同掩護(hù)角需求和敵完成任務(wù)近界的適應(yīng)能力。

表1 不同條件下的中程防空艦艇前出距離范圍(單位km)

注:1、“-”表示沒(méi)有滿足條件的取值;2、負(fù)數(shù)取值表示防空艦艇部署在航母后方也能完成航母的防空掩護(hù)需求

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可得,在給定條件下，有

1)對(duì)于防空艦艇的防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界Rsy<110 km,只能適應(yīng)掩護(hù)角需求2φ≤60°的情形;而防空艦艇的防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界Rsy≥150 km時(shí),能適應(yīng)掩護(hù)角需求2φ≤120°的情形。

2)對(duì)于相同的防空態(tài)勢(shì)下,當(dāng)防空導(dǎo)彈的殺傷區(qū)遠(yuǎn)界一定時(shí),防空艦艇的可部署范圍與導(dǎo)彈殺傷區(qū)扇面角呈正相關(guān)。例如,殺傷區(qū)扇面角2α=120°的防空艦艇的可部署空間范圍比殺傷區(qū)扇面角2α=60°的防空導(dǎo)彈的艦艇的可部署空間范圍大65.9 km以上。

3)當(dāng)防空導(dǎo)彈性能一定時(shí),防空艦艇能適應(yīng)的敵完成任務(wù)近界范圍,隨著掩護(hù)角需求的增大而變小。當(dāng)2φ=120°時(shí),殺傷區(qū)遠(yuǎn)界Rsy≥150 km的防空艦艇只能適應(yīng)敵完成任務(wù)近界Rrw=150 km的情形。

4)當(dāng)航母編隊(duì)中程防空艦艇的部署距離要求為150 km時(shí),只有裝備殺傷區(qū)遠(yuǎn)界為Rsy≥130 km導(dǎo)彈的防空艦艇才對(duì)掩護(hù)角需求2φ>60°和敵完成任務(wù)近界Rrw>150 km的情形有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

實(shí)際上,通過(guò)查詢(xún)上表數(shù)據(jù),指揮員能夠得到在應(yīng)對(duì)不同任務(wù)需求時(shí),裝備不同性能防空導(dǎo)彈的艦艇的前出距離的參考范圍。

2 單艦機(jī)動(dòng)防空扇面分析

當(dāng)航母的掩護(hù)角需求比較大,一艘中程防空艦艇的掩護(hù)能力難以滿足需求,而防空艦艇的數(shù)量又有限時(shí),防空艦艇可以嘗試通過(guò)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)完成防空掩護(hù)任務(wù)。這種情況通常發(fā)生在我方能夠有效探測(cè)到敵機(jī)。

如圖2所示,在給定態(tài)勢(shì)下艦艇能夠提供的最大掩護(hù)角為∠NOM,但實(shí)際上編隊(duì)需要艦艇A承擔(dān)的掩護(hù)角為∠NOM′,超出了防空艦艇的最大掩護(hù)能力。故而,當(dāng)編隊(duì)發(fā)現(xiàn)有敵機(jī)沿M′O方向突襲時(shí),為完成掩護(hù)任務(wù),在點(diǎn)A處的艦艇需要通過(guò)快速機(jī)動(dòng)至點(diǎn)A′處,發(fā)射一枚防空導(dǎo)彈,并且導(dǎo)彈在點(diǎn)M′處(即敵完成任務(wù)近界)與敵機(jī)遭遇。所以,對(duì)艦艇機(jī)動(dòng)防空的可行性的探討應(yīng)基于防空艦艇的最大掩護(hù)能力和艦艇的機(jī)動(dòng)能力。

圖2 艦艇機(jī)動(dòng)防空分析示意圖

2.1 建立模型

由圖2分析可得:1)當(dāng)Rsy≥Rrw時(shí),艦艇A配置在航母附近,就可以對(duì)各個(gè)方向來(lái)襲的敵機(jī)于敵完成任務(wù)近界前實(shí)施攔截。此時(shí)最大掩護(hù)角和前出距離為

(8)

2)當(dāng)Rrwcosα≤Rsy

(9)

3)當(dāng)Rsy

(10)

綜上分析,當(dāng)Rsy

設(shè)艦艇航速為Vw,∠NOM′為2φ′,敵機(jī)平均速度為Vd,艦載防空導(dǎo)彈平均速度為Vfk,點(diǎn)A到點(diǎn)A′的距離為L(zhǎng)AA′,可表示為

LAA′=2Dqcsin(φ′-φ)

(11)

式中，φ為防空艦艇提供的掩護(hù)角的一半,滿足φ≤φmax。

那么,在上述機(jī)動(dòng)掩護(hù)過(guò)程中,艦艇A最遲發(fā)現(xiàn)敵機(jī)時(shí),敵機(jī)到航母的距離為L(zhǎng)d,滿足式(12):

(12)

式中，Txt為防空導(dǎo)彈發(fā)射決策時(shí)間、發(fā)射命令下達(dá)時(shí)間、導(dǎo)彈系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間之和。

把式(11)代入式(12)中,整理可得

(13)

式中，Ld≤Rty,Rty為編隊(duì)預(yù)警探測(cè)遠(yuǎn)界。

2.2 仿真分析

1)仿真目的

在給定條件下,探討防空艦艇機(jī)動(dòng)防空的可行性和適用范圍。

2)條件設(shè)置

結(jié)合1.3節(jié)的仿真結(jié)果,設(shè)置如下條件:航母需求的掩護(hù)角為2φ′,防空艦艇提供的掩護(hù)角為2φ,編隊(duì)預(yù)警探測(cè)遠(yuǎn)界Rty=500 km,中程防空艦艇的最大航行速度Vw=32 kn,艦載防空導(dǎo)彈的水平殺傷區(qū)遠(yuǎn)界Rsy∈[130 km,195 km],殺傷區(qū)扇面角2α=100°,防空導(dǎo)彈平均飛行速度Vfk=2400 km/h,導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)時(shí)間Txt=12 s,敵完成任務(wù)近界Rrw=200 km,敵機(jī)平均速度Vd=1 200 km/h。

3)結(jié)果分析

表2給出了不同條件下,防空艦艇機(jī)動(dòng)防空的各參數(shù)范圍。防空艦艇機(jī)動(dòng)防空各參數(shù)之間存在三角函數(shù)關(guān)系等許多非線性關(guān)系,其各參數(shù)之間并非線性對(duì)應(yīng),該表只是概略給出了各參數(shù)的范圍。

表2 不同條件下防空艦艇機(jī)動(dòng)防空參數(shù)范圍

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可得,在給定條件下，有

1)當(dāng)防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界Rsy<190 km時(shí),防空艦艇通過(guò)機(jī)動(dòng)提供的掩護(hù)角比防空艦艇提供的最大掩護(hù)角提升8°～9°,提升幅度達(dá)10%;而當(dāng)Rsy≥190 km時(shí),防空艦艇通過(guò)機(jī)動(dòng)提供的掩護(hù)角增加十分顯著。由此可見(jiàn),對(duì)于防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界較小的防空艦艇,其通過(guò)機(jī)動(dòng)增加的防空扇面范圍很有限,而對(duì)于防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界與敵完成任務(wù)近界相當(dāng)?shù)姆揽张炌?其通過(guò)小范圍機(jī)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)增加較大防空扇面的效果。

2)防空艦艇機(jī)動(dòng)防空時(shí),須在敵機(jī)距離航母300 km～500 km就要對(duì)其進(jìn)行可靠跟蹤,該區(qū)域一般是我編隊(duì)的遠(yuǎn)程防空區(qū)和預(yù)警探測(cè)區(qū);此外,對(duì)敵機(jī)可靠跟蹤的最遠(yuǎn)距離受制于編隊(duì)的探測(cè)能力。

3)防空艦艇機(jī)動(dòng)防空時(shí),其機(jī)動(dòng)距離范圍為3.7 km～21.5 km之間,且隨著防空導(dǎo)彈殺傷遠(yuǎn)界的增大范圍逐漸減小。

4)當(dāng)Rsy<190 km時(shí),防空艦艇的前出距離范圍隨導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界增加而增大,其最小前出距離在50.7 km～103.6 km之間,最大前出距離在156.3 km～163.4 km之間;當(dāng)Rsy≥190 km時(shí),防空艦艇的前出距離范圍隨導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界增加而減小,其最小前出距離在5.9 km～8.8 km之間,最大前出距離在18.5 km～18.8 km之間。防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)遠(yuǎn)界接近敵完成任務(wù)近界時(shí),防空艦艇前出較小的距離即可滿足任務(wù)需求。

5)防空艦艇機(jī)動(dòng)范圍隨敵機(jī)速度的增大而減小,當(dāng)敵機(jī)達(dá)到某一速度時(shí),防空艦艇將不能完成機(jī)動(dòng)防空的任務(wù)。

3 多艦協(xié)同掩護(hù)扇面分析

受制于防空艦艇的機(jī)動(dòng)性能、艦載防空導(dǎo)彈性能、敵機(jī)突襲方向和速度,機(jī)動(dòng)防空的適用范圍比較有限。若航母受到來(lái)自多個(gè)方向敵機(jī)威脅的時(shí)候,防空艦艇機(jī)動(dòng)防空的方法無(wú)法滿足航母的防空掩護(hù)需求時(shí),可以增加防空艦艇數(shù)量,通過(guò)多艦協(xié)同掩護(hù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航母的有效保護(hù)。

如圖3所示,設(shè)航母的掩護(hù)角需求為ψ,在艦艇A和艦艇B(兩艘艦艇各性能完全一樣)的防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)結(jié)合部,兩艘艦艇均能射擊一次,此時(shí)艦艇需求數(shù)量Nzc為

(14)

圖3 雙艦協(xié)同防空掩護(hù)角分析示意圖1

通過(guò)2.1節(jié)分析可知,若防空艦艇以圖3所示陣位進(jìn)行配置,則多艦協(xié)同掩護(hù)就會(huì)失去戰(zhàn)術(shù)的機(jī)動(dòng)性、靈活性,協(xié)同防空火力的耦合性、封閉性會(huì)大大折扣。綜合考慮防空艦艇前出部署的機(jī)動(dòng)性,艦艇之間的協(xié)同以及中程防空艦艇防空火力與其他層次防空火力的銜接,單艘防空艦艇可提供的掩護(hù)角取值應(yīng)是一個(gè)有效的角度范圍。

在滿足防空需求的前提下,多艘防空艦艇按如圖4所示陣位進(jìn)行配置,有如下幾點(diǎn)好處:第一,防空艦艇提供的掩護(hù)角2φ<2φmax,艦艇的前出距離是一個(gè)距離區(qū)間而非定值,明顯提升了艦艇部署的靈活性;第二,相鄰防空艦艇的防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)可構(gòu)成一次耦合殺傷區(qū)[2],提高了對(duì)重點(diǎn)方向來(lái)襲敵機(jī)的攔截效果,體現(xiàn)協(xié)同防空的優(yōu)勢(shì);第三,由于防空艦艇前出距離是一個(gè)距離范圍,在主要威脅方向上,相鄰防空艦艇的防空火力可前后配置,從而增強(qiáng)對(duì)敵機(jī)的持續(xù)抗擊能力。

圖4 雙艦協(xié)同防空掩護(hù)角分析示意圖2

由式(14)計(jì)算得到防空艦艇的需求數(shù)量后,由式(15)確定每艘防空艦艇實(shí)際承擔(dān)的掩護(hù)范圍2φ：

2φ=ψ/Nzc

(15)

這樣,多艦協(xié)同掩護(hù)問(wèn)題就分解成為單艦防空掩護(hù)問(wèn)題進(jìn)行分析。此時(shí),參考1.2節(jié)分析結(jié)果,可以得到不同掩護(hù)需求下,裝備不同性能防空導(dǎo)彈的防空艦艇的前出距離范圍。

如表3所示,給出了在給定條件下,多艦協(xié)同掩護(hù)中防空艦艇的需求數(shù)量及實(shí)際承擔(dān)的掩護(hù)范圍。

表3 不同條件下多艦協(xié)同掩護(hù)中防空艦艇的各參數(shù)值

由表3可得,在給定條件下

1)當(dāng)航母編隊(duì)正面防空威脅扇面(掩護(hù)角需求)為180°時(shí),2～3艘中程防空艦艇即可滿足任務(wù)需求,當(dāng)威脅扇面為360°時(shí),3～5艘中程防空艦艇即可滿足任務(wù)需求。

2)當(dāng)航母編隊(duì)正面威脅扇面不足180°,而中程防空艦艇的數(shù)量在2艘以上時(shí),把中程防空艦艇部署于威脅正面,減少防空艦艇的艦艦間距,進(jìn)而增強(qiáng)一次耦合殺傷區(qū)的耦合度;或者把防空艦艇均勻交叉配置形成二次耦合殺傷區(qū)[2],從而增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)敵機(jī)的封閉性。

4 結(jié)束語(yǔ)

航母編隊(duì)中程防空艦艇的合理配置,是保持編隊(duì)?wèi)?zhàn)斗堅(jiān)持力[9]的重要措施之一。對(duì)于攔截來(lái)襲敵機(jī),應(yīng)立足于“先敵打擊”和“縱深攔截”等積極的防御思想。但是“先敵打擊”和“縱深攔截”都需要防空艦艇增大前出距離,而增大前出距離則會(huì)導(dǎo)致掩護(hù)扇面減小。顯然,這是相互矛盾的,需要在戰(zhàn)場(chǎng)信息和能量交換過(guò)程中追求動(dòng)態(tài)的平衡,考驗(yàn)的是指揮員在實(shí)際作戰(zhàn)中根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)合理決策、科學(xué)部署的能力和魄力。這也是后續(xù)重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。