基于相對運動考慮海流影響的攔截彈布放方法

任 磊,賈 躍,施 帆

(1.海軍大連艦艇學院水武與防化系,遼寧大連116018；2.中國人民解放軍92681部隊,上海200940)

0 引言

使用懸浮式深彈攔截來襲魚雷時，需要盡可能將其布放在來襲魚雷將要經過的航線上，使其懸浮在水中等待魚雷經過，檢測到目標后通過爆炸實施毀傷，其布放位置的準確性直接影響到攔截魚雷的效果[1]。由于海流的存在，懸浮式深彈的布放位置會不斷發(fā)生改變，這種改變可能使其偏移來襲魚雷將要經過的航線，也就無法檢測并毀傷目標。所以，海流是可能影響懸浮式深彈攔雷效果不可忽視的重要因素之一。雖然，海流同樣會對來襲魚雷的運動航跡產生影響[2]，但目前潛射反艦魚雷在發(fā)射之前能夠根據(jù)事先掌握的作戰(zhàn)海區(qū)海流大小和方向，對雷體進行海流參數(shù)的裝訂，從而修正魚雷的航行軌跡；所以，為了保障艦艇自身安全，充分發(fā)揮懸浮式深彈的防御作用，同樣需要對海流影響下的懸浮式深彈布放參數(shù)進行修正。這就是本文所要研究和解決的主要問題。

1 海流影響的簡化模型

如圖1所示，懸浮式深彈通過氣囊作用實現(xiàn)在水中懸浮，故懸浮氣囊、承重電纜、換能器和分離后的彈體組成了一個海洋纜系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)在水平方向的運動受到海流等自然因素的共同影響，但是由于氣囊的受力面積較小，并且系統(tǒng)的質量集中在水下部分，所以這里進行簡化處理，僅考慮海流對懸浮式深彈布放位置的影響。

圖1 懸浮式深彈水中懸浮姿態(tài)示意圖Fig.1 Attitude schematic diagram of suspended depth charge

圖2 懸浮式深彈布放位置受海流影響變化示意圖Fig.2 Change of suspended depth charge’s position influenced by ocean current

從圖1可以看到，懸浮式深彈作為一個海洋纜系統(tǒng)在海水中受到海流影響姿態(tài)發(fā)生改變，其姿態(tài)改變以后水平方向受到的力和力矩也會隨海流的方向和大小發(fā)生變化。

但是，從理論上說，當海流的大小和方向均穩(wěn)定的情況下，該系統(tǒng)最終將作勻速直線運動，處于一種平衡的狀態(tài)。因此，可以通過試驗測量出在不同大小的海流作用下懸浮式深彈的運動速度，通過內插和擬和得到海流大小與懸浮式深彈運動速度之間的數(shù)值關系。這里先做簡化處理，即認為懸浮式深彈的布放位置隨海流做同向同速運動。

如圖2所示，以艦艇魚雷報警時刻的位置W0為坐標原點O，X和Y軸的取向同前，建立直角坐標系。假設海流的大小為Vhl，方向為Chl，懸浮式深彈布放數(shù)量為n，則第i枚懸浮式深彈的布放位置Pi將隨其懸浮時間tx發(fā)生變化，如式(1)所示。

2 非標準條件修正方法修正海流的問題

根據(jù)海流對懸浮式深彈布放位置影響的簡化模型可知，懸浮式深彈入水后在海流作用下運動，其布放位置隨時間一直在變化，所以除了海流的大小和方向，懸浮式深彈布放位置的偏移幅度與懸浮式深彈等待魚雷經過的懸浮時間密切相關?？紤]到聲吶主動工作方式下目標魚雷的距離已經很近，魚雷接近的時間非常短；所以這里只研究聲吶被動工作方式下的海流修正問題。這種情況下，懸浮式深彈通常按照“雙側基準點”方法實施布放[4]，所以對懸浮式深彈進行的海流影響修正也針對其雙側基準點展開，便于確定其布放方案。

要修正懸浮式深彈的布放位置，首先需要計算懸浮式深彈從開始受到海流影響到與來襲魚雷相遇的懸浮時間。但是，由于布放在2個基準點的懸浮式深彈是分別針對魚雷報警范圍遠、近端的來襲魚雷布放的，所以這里考慮的是布放在2個基準點的懸浮式深彈從開始受到海流影響到與遠、近端來襲魚雷相遇的懸浮時間。

如圖3所示，如果忽略各枚懸浮式深彈的發(fā)射間隔，那么從魚雷報警時刻開始，經過系統(tǒng)反應時間、武器空中飛行時間，布放在2個基準點的懸浮式深彈是同時入水的。也就是說，從魚雷報警時刻開始，到布放在2個基準點的懸浮式深彈入水，魚雷報警距離范圍遠、近端的魚雷航行時間相同，假設兩者航速均估計為50 kn，則兩者航行的距離相同。假設魚雷報警距離范圍遠、近端的魚雷當懸浮式深彈入水時分別航行至 T′1、T′2，則有魚雷報警距離范圍遠端魚雷可能位置到懸浮式深彈最大射程圓的距離大于近端魚雷可能位置到懸浮式深彈最大射程圓的距離[5]，即 T′1P1＞T′2P2。 所以，布放在遠端基準點的懸浮式深彈海流修正時間要大于布放在近端基準點的懸浮式深彈海流修正時間，布放基準點 P1、P2分別修正到 P′1、P′2點，其它懸浮式深彈則按照相等間隔布放在P′1和P′2之間。

圖3 按非標準射擊條件修正方法修正海流影響示意圖Fig.3 Schematic diagram of correcting ocean current influence using nonstandard condition correction method

這種修正海流影響的懸浮式深彈布放方法類似于非標準射擊條件的修正[6]，即按照海流產生的武器入水點偏差進行反向修正。這種方法雖然簡單易行，但是存在2個方面的問題：1)修正精度存在問題。由于懸浮式深彈發(fā)射以后在空中的飛行時間與其射程存在一一對應關系。當懸浮式深彈按照上述方法進行海流影響修正后，其落點位置的發(fā)射距離不再是其最大射程，所以當魚雷經過最大射程圓時，懸浮式深彈受海流影響運動的位置不在其期望修正的位置，這就使海流影響的修正存在誤差，將直接影響到懸浮式深彈對來襲魚雷的攔截概率。2)修正位置可能超出懸浮式深彈的射程范圍。由于魚雷報警距離遠時，懸浮式深彈的布放基準點通常取在其最大射程圓上。如果此時海流使懸浮式深彈存在向其發(fā)射位置點移動的趨勢，那么按照上述方法進行修正后，懸浮式深彈的布放位置將會超出武器的最大射程。這種情況下，懸浮式深彈武器系統(tǒng)的火控設備無法計算射擊諸元。綜合以上2點看，直接按照非標準射擊條件的修正方法對懸浮式深彈布放位置實施修正不是最佳選擇，所以下面研究了基于相對運動的海流修正方法。

3 基于相對運動的海流修正方法

如圖4所示，以水面艦艇的魚雷報警位置W0為坐標原點O，以正北方向為Y軸正向建立直角坐標系。水面艦艇航向為Cw，魚雷報警舷角為Qw，魚雷報警距離范圍的最遠和最近端位置分別為T1和T2，最遠和最近端位置的魚雷航向分別為Cm1和Cm2，懸浮式深彈的最大射程和最小射程分別用Rmax和Rmin表示。經過系統(tǒng)反應時間后，水面艦艇于W1點發(fā)射懸浮式深彈。布放海區(qū)的海流方向為Chl，海流速度為 Vhl。

假設懸浮式深彈發(fā)射后經過空中飛行時間后入水，此時魚雷報警范圍最遠和最近端魚雷分別航行至 T′1和 T′2點。 分別以 T′1和 T′2點為起點，以海流的流向和流速做出矢量T′1H1和T′2H2，以魚雷的航向 Cm1和 Cm2分別做出矢量 T′1H′1和T′2H′2。 再分別以H1和H2為起點，以H′1和H′2為終點，連接 H1H′1和 H2H′2。 矢量 H1H′1和 H2H′2的方向分別用C′m1和C′m2表示，即魚雷相對于海流的速度方向。 分別以 T′1和 T′2點為起點，以C′m1和C′m2為射向的射線與懸浮式深彈最大射程圓的交點P′1和P′2即修正海流影響后武器的布放基準點。各枚懸浮式深彈即按照相等間隔布放在P′1和P′2之間，構成修正海流影響的布放攔截陣列，這就是基于相對運動的海流影響修正方法。實際上這種方法就是將懸浮式深彈入水之后，其與來襲魚雷的運動進行矢量合成，將海流對懸浮式深彈的影響轉化為對魚雷運動的影響，將懸浮式深彈作為靜止的物體，即作為相對運動的基本參照系[7]，通過相遇三角形來求取修正后的懸浮式深彈布放位置。假設懸浮式深彈的系統(tǒng)反應時間為tsys，武器發(fā)射距離為最大射程圓的空中飛行時間為tfmax，魚雷航速為Vm，則T′1和T′2的坐標位置由式(2)和式(3)求得：

圖4 基于相對運動的懸浮式深彈修正海流布放示意圖Fig.4 Laying schematic diagram of suspended depth charge correcting ocean current based on relativemotion

根據(jù)式(2)和式(3)計算T′1H1和T′2H2終點坐標：

根據(jù)式(6) 和式(7) 計算 T′1H′1和 T′2H′2終點坐標：

H1H′1和 H2H′2的方向即 C′m1和 C′m2：

采用基于相對運動的海流誤差修正方法雖然計算方法上比較繁瑣，但是能夠有效解決按照位移簡單修正的精度較低以及武器修正位置超出武器最大射程的2點問題。

4 仿真算例檢驗

針對魚雷報警距離遠時，根據(jù)海流速度的不同，分別在不考慮海流影響、考慮海流對懸浮式深彈布放位置影響但不修正、考慮并修正海流對懸浮式深彈布放位置影響3種情況下仿真計算懸浮式深彈的攔雷概率。其中艦艇初始航向Cw為90°，航速Vw為18 kn，目標魚雷為線導+聲自導魚雷，速度50 kn[8]。

圖5 報警距離為遠流速3 kn時的攔截概率Fig.5 Interception probability when warning distance is far and current speed 3 kn

圖6 報警距離為遠流速2 kn時的攔截概率Fig.6 Interception probability when warning distance is far and current speed 2 kn

從圖5-7可以看出，當海流速度達到3 kn時，其對懸浮式深彈的作戰(zhàn)能力影響顯著。當魚雷報警距離遠時，懸浮式深彈按照修正海流影響的布放參數(shù)布放時其作戰(zhàn)能力得到提升，其攔截概率可提高10%～20%。由此可見，在魚雷報警距離較遠，且海流速度達到3 kn的作戰(zhàn)海區(qū)布放懸浮式深彈時，必須考慮并修正海流對其布放位置的影響。

圖7 報警距離為遠流速1 kn時的攔截概率Fig.7 Interception probability when warning distance is far and current speed 1 kn

5 結束語

對于考慮海流影響的懸浮式深彈布放參數(shù)修正方法同樣可以適用于深彈入水后其它自然因素(如海面風等)對懸浮式深彈布放位置的影響，但這是在其海區(qū)自然環(huán)境信息已經掌握前提下進行的。實際上，海區(qū)的海流方向和速度是實時改變的，在此情況下如何修正懸浮式深彈的布放參數(shù)，以求更大幅度地提高其攔截概率是懸浮式深彈作戰(zhàn)使用環(huán)節(jié)需要進一步研究的問題。