潛射線導(dǎo)魚雷蛇形彈道設(shè)計(jì)及仿真研究

王順杰，許兆鵬，朱偉良，野學(xué)范

(海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266199)

0 引言

線導(dǎo)魚雷攻擊是潛艇對(duì)水面目標(biāo)遠(yuǎn)距離攻擊的主要方式之一[1]，從理論上講只要有目標(biāo)方位信息就可以實(shí)施線導(dǎo)魚雷攻擊[2]。采用線導(dǎo)導(dǎo)引可擴(kuò)大魚雷的攻擊范圍，攻擊速度快，因此，國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)航程魚雷大都采用線導(dǎo)導(dǎo)引[3-5]。線導(dǎo)魚雷基本導(dǎo)引方法主要有現(xiàn)在方位導(dǎo)引法、修正方位導(dǎo)引法、前置點(diǎn)導(dǎo)引法和人工導(dǎo)引法[6-11]，任何一種導(dǎo)引方法的使用都需要滿足一定的條件，或者在某些特殊情況下使用[12]，如前置點(diǎn)導(dǎo)引時(shí)需要有較為準(zhǔn)確的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，因此一般情況下在一次線導(dǎo)魚雷攻擊過(guò)程中應(yīng)根據(jù)導(dǎo)引條件的變化適時(shí)調(diào)整導(dǎo)引方法，或通過(guò)合理的機(jī)動(dòng)為導(dǎo)引創(chuàng)造條件[13-14]。

當(dāng)沒(méi)有準(zhǔn)確距離信息時(shí)，當(dāng)目標(biāo)舷角0°，很難解算出目標(biāo)速度，此時(shí)由于沒(méi)有目標(biāo)距離和速度信息，不宜采用前置點(diǎn)導(dǎo)引法和人工導(dǎo)引法。若魚雷按現(xiàn)在方位導(dǎo)引法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)引，則無(wú)論是聲自導(dǎo)魚雷還是尾流自導(dǎo)魚雷，命中角都很小，導(dǎo)致目標(biāo)噪聲或尾流進(jìn)入角都很小，不利于魚雷捕獲目標(biāo)。

本文研究線導(dǎo)魚雷蛇形彈道搜索方法及其使用時(shí)機(jī)，不但可以利用魚雷蛇形機(jī)動(dòng)產(chǎn)生一定的目標(biāo)舷角，而且可以有效擴(kuò)大魚雷搜索范圍，可提高魚雷捕獲目標(biāo)的概率。

1 蛇形彈道搜索的概念

所謂蛇形彈道搜索是指魚雷按一定時(shí)間間隔交替向左或向右偏離主航向一定角度后直航搜索一定時(shí)間(直航搜索時(shí)間可以為0 s)，以擴(kuò)大搜索范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的蛇形機(jī)動(dòng)搜索。

2 蛇形彈道搜索使用時(shí)機(jī)

在線導(dǎo)魚雷攻擊時(shí)，為提高魚雷捕獲目標(biāo)的概率，蛇形彈道搜索可在以下兩種典型情況下使用。

2.1 只有目標(biāo)方位信息時(shí)的小目標(biāo)舷角攻擊

沒(méi)有準(zhǔn)確目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素，只有目標(biāo)方位信息時(shí)。如圖1所示，當(dāng)目標(biāo)舷角很小時(shí)，若強(qiáng)行采用現(xiàn)在方位導(dǎo)引法很難使魚雷有效捕獲目標(biāo)尾流，魚雷命中角非常小。而該態(tài)勢(shì)下由于沒(méi)有準(zhǔn)確目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素信息，也不宜采用前置點(diǎn)導(dǎo)引法進(jìn)行占位射擊，此時(shí)雖然可以采用人工導(dǎo)引法將魚雷向外導(dǎo)引，產(chǎn)生一定的舷角，但由于距離信息不準(zhǔn)確，受到人為定性判斷局限性的影響，人工操作很難對(duì)魚雷進(jìn)行持續(xù)、準(zhǔn)確地導(dǎo)引[15]。

圖1 線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)魚雷攻擊示意圖

因此，為了提高尾流自導(dǎo)魚雷捕獲尾流概率，若判斷目標(biāo)舷角很小(0°左右)，當(dāng)目標(biāo)方位與魚雷方位基本一致時(shí)，魚雷航向與目標(biāo)航向大致相反，可適時(shí)控制魚雷進(jìn)行蛇形搜索。魚雷蛇形搜索過(guò)程中，一旦判斷出目標(biāo)機(jī)動(dòng)，可及時(shí)將系統(tǒng)導(dǎo)引方法轉(zhuǎn)換為現(xiàn)在方位導(dǎo)引法，使魚雷按現(xiàn)在方位攻擊目標(biāo)。

2.2 目標(biāo)方位無(wú)效

在遠(yuǎn)距離采用線導(dǎo)加被動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊后，若目標(biāo)采取降速措施對(duì)抗魚雷及艦殼聲納的探測(cè)，導(dǎo)致目標(biāo)方位突然丟失或無(wú)效時(shí)，可人工控制將魚雷導(dǎo)向目標(biāo)丟失前最后一個(gè)有效聲納方位的位置區(qū)域，為了擴(kuò)大魚雷搜索范圍，提高魚雷捕獲目標(biāo)概率，當(dāng)魚雷直航一定距離使魚雷快速接近目標(biāo)后，可適時(shí)轉(zhuǎn)換為蛇形彈道搜索。

3 蛇形彈道搜索控制模型

對(duì)于線導(dǎo)魚雷，其初始彈道通常采用修正方位導(dǎo)引法，航行一段時(shí)間后再適時(shí)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)在方位導(dǎo)引法搜索目標(biāo)。在線導(dǎo)魚雷搜索過(guò)程中，假設(shè)轉(zhuǎn)換為蛇形彈道搜索的初始時(shí)刻t1魚雷位于L(t1)點(diǎn)，此時(shí)以速度vl沿航向Cl(t1)航行，建立如下魚雷蛇形彈道搜索控制模型：

1)魚雷先向右以一定角速度ωl轉(zhuǎn)向一定角度β，轉(zhuǎn)向任意時(shí)刻魚雷位置為

除了作為技術(shù)人員要學(xué)習(xí)新的專業(yè)知識(shí)，最有挑戰(zhàn)性的是，項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)直接把整個(gè)儲(chǔ)罐專業(yè)的日常運(yùn)營(yíng)管理工作也交給了我。這就是說(shuō)，日常除了管技術(shù)還要帶團(tuán)隊(duì)。由于我們的團(tuán)隊(duì)人員結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，100 多人的團(tuán)隊(duì)，中方40 多人，其他60 人全是外方人員，具體包括印度人、巴基斯坦人、孟加拉人、阿富汗人，以及尼泊爾人。施工過(guò)程中，中方員工主導(dǎo)，起帶頭帶班作用，外籍人員輔助。

(1)

轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)刻為

(2)

魚雷航向?yàn)?/p>

Cl(t2)=Cl(t1)+β.

(3)

2)轉(zhuǎn)向結(jié)束后魚雷直航一定時(shí)間T，直航任意時(shí)刻魚雷位置為

L(t)=L(t-1)+vleiCl(t2)，

(4)

魚雷直航結(jié)束時(shí)刻為

t3=t2+T.

(5)

3)魚雷向反方向以一定角速度ωl轉(zhuǎn)向一定角度2β，轉(zhuǎn)向任意時(shí)刻魚雷位置為

(6)

轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)刻為

(7)

魚雷航向?yàn)?/p>

Cl(t4)=Cl(t3)-2β.

(8)

4)轉(zhuǎn)向結(jié)束后魚雷直航一定時(shí)間2T，直航任意時(shí)刻魚雷位置為

L(t)=L(t-1)+vleiCl(t4)，

(9)

則魚雷直航結(jié)束時(shí)刻為

t5=t4+2T.

(10)

5)反復(fù)執(zhí)行步驟3、步驟4.

4 線導(dǎo)魚雷蛇形彈道搜索仿真分析

4.1 線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)蛇形彈道搜索仿真分析

想定條件：假設(shè)目標(biāo)方位060°，距離60 鏈，目標(biāo)舷角0°，目標(biāo)速度16 kn，魚雷速度36 kn，本艇航向060°，速度4 kn，魚雷速度均方誤差1 kn，魚雷航向均方誤差1.0°.魚雷轉(zhuǎn)向時(shí)曲線相對(duì)主搜索航向的最大切線角度為±35°，轉(zhuǎn)向角速度為5°/s，右或左循環(huán)轉(zhuǎn)舵的每個(gè)周期約26 s(轉(zhuǎn)向14 s，直航12 s)。

表1為不同方位誤差條件下，采用現(xiàn)在方位導(dǎo)引法和執(zhí)行蛇形彈道搜索法對(duì)尾流的捕獲概率及進(jìn)入角大于30°時(shí)的概率。通過(guò)分析可以看出：在誤差一定時(shí)，現(xiàn)在方位導(dǎo)引法捕獲尾流概率較低，由于尾流進(jìn)入角非常小，可以認(rèn)為仿真條件下現(xiàn)在方位導(dǎo)引法成功捕獲并進(jìn)入尾流的概率為0；而采用蛇形彈道搜索法時(shí)，首先魚雷捕獲尾流概率明顯提高，其次如圖2所示魚雷進(jìn)入尾流角也有明顯的改善，因此可以認(rèn)為蛇形彈道搜索法成功捕獲并進(jìn)入尾流的概率較現(xiàn)在方位導(dǎo)引法有明顯的提高。

表1 魚雷捕獲尾流及進(jìn)入尾流角大于30°概率

圖2 線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)蛇形彈道搜索示意圖

圖3為魚雷航向隨時(shí)間的變化曲線圖，圖4為每10 s一個(gè)周期時(shí)的魚雷方位曲線圖，仿真假設(shè)目標(biāo)方位060°，根據(jù)魚雷航向與魚雷方位的變化規(guī)律，當(dāng)目標(biāo)方位與魚雷方位基本一致，魚雷航向變化不大時(shí)，可控制魚雷進(jìn)行蛇形彈道搜索。由于魚雷轉(zhuǎn)向時(shí)曲線相對(duì)主搜索航向的最大切線角度為±35°，當(dāng)魚雷執(zhí)行蛇形彈道搜索后航程損失大約為13.8%，以仿真采用魚雷速度36 kn計(jì)算，相當(dāng)于損失約5 kn的速度。

圖3 魚雷航向變化曲線圖

圖4 魚雷方位變化曲線圖

通過(guò)上述分析可以看出，蛇形彈道搜索在一定程度上可以提高魚雷捕獲尾流概率，但由于尾流自導(dǎo)魚雷攻擊時(shí)需要有準(zhǔn)確的目標(biāo)舷別，而采用蛇形彈道搜索法時(shí)無(wú)法預(yù)判魚雷進(jìn)入尾流時(shí)的目標(biāo)舷別，因此若自始至終一直使用尾流自導(dǎo)方式搜索攻擊目標(biāo)，必然會(huì)有諸多的問(wèn)題使魚雷不能成功命中目標(biāo)。由于蛇形彈道搜索的特點(diǎn)決定了魚雷進(jìn)入距離不會(huì)超過(guò)一個(gè)蛇形間隔，也就是當(dāng)魚雷捕獲尾流時(shí)，魚雷離目標(biāo)已經(jīng)非常近了，且目標(biāo)一定處于本艇和魚雷之間，相對(duì)位置關(guān)系比較確定。因此線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)蛇形彈道搜索可更多地用來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后的攻擊方式可采用聲自導(dǎo)方式。

假設(shè)目標(biāo)出尾流時(shí)刻Tw位于L(Tw)點(diǎn)，航向Cl(Tw)，關(guān)閉尾流自導(dǎo)、開啟聲自導(dǎo)并以速度vs、角速度ωs轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向任意時(shí)刻魚雷位置為

(11)

任意時(shí)刻魚雷航向?yàn)?/p>

Cl(t)=Cl(t-1)+ωs.

(12)

圖5為采用線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)魚雷蛇形彈道搜索捕獲目標(biāo)后，魚雷轉(zhuǎn)聲自導(dǎo)并向本艇方向轉(zhuǎn)向的示意圖。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)魚雷捕獲尾流后轉(zhuǎn)聲自導(dǎo)攻擊目標(biāo)，聲自導(dǎo)再次成功捕獲目標(biāo)的概率接近100%.因此該方法在一定程度上保證了魚雷命中目標(biāo)概率。

圖5 蛇形彈道搜索捕獲尾流后轉(zhuǎn)聲自導(dǎo)攻擊示意圖

4.2 線導(dǎo)加聲自導(dǎo)蛇形彈道搜索仿真分析

想定條件：假設(shè)目標(biāo)初始方位055°，目標(biāo)初始速度20 kn，目標(biāo)采用降速措施規(guī)避魚雷(目標(biāo)方位丟失時(shí)魚雷目標(biāo)距離3 000 m)，變速后目標(biāo)速度12 kn，目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行變向機(jī)動(dòng)(變向角速度2/s，加速度-1 kn/s)，方位均方誤差為1，魚雷航速均方誤差為1 kn.魚雷轉(zhuǎn)向時(shí)曲線相對(duì)主搜索航向的最大切線角度為±30°，轉(zhuǎn)向角速度為5°/s，右或左循環(huán)轉(zhuǎn)舵的每個(gè)周期約12 s(轉(zhuǎn)向12 s，直航0 s)。由于存在一定的距離誤差，當(dāng)方位無(wú)效時(shí)，距離信息的不準(zhǔn)確將導(dǎo)致人工導(dǎo)引魚雷向目標(biāo)最后聲納方位直線航行時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生一定的方位誤差，且該方位誤差直接影響魚雷航向，將此時(shí)的魚雷航向均方誤差稱為綜合航向均方誤差，其值為1°(2°或3°).

表2～表4為取不同綜合航向均方誤差、不同條件下直航搜索和直航加蛇形彈道搜索時(shí)的魚雷捕獲目標(biāo)概率。圖6和圖7分別為魚雷直航搜索和直航加蛇形彈道搜索時(shí)捕獲目標(biāo)示意圖。

表2 綜合航向均方誤差1°時(shí)魚雷捕獲目標(biāo)概率

分析以上數(shù)據(jù)可以得出2點(diǎn)規(guī)律：1)相同條件下，直航加蛇形彈道搜索捕獲目標(biāo)概率要高于直航搜索捕獲概率；2)由于距離誤差導(dǎo)致的人工導(dǎo)引魚雷向目標(biāo)最后方位航行航向誤差越大時(shí)，直航搜索和直航加蛇形彈道搜索概率都有所減低，但直航加蛇形彈道搜索的整體效果也越好。

5 結(jié)論

本文對(duì)潛射線導(dǎo)魚雷蛇形彈道搜索進(jìn)行了研究，對(duì)提出的蛇形彈道典型使用時(shí)機(jī)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過(guò)分析，得到以下結(jié)論：

表3 綜合航向均方誤差2°時(shí)魚雷捕獲目標(biāo)概率

表4 綜合航向均方誤差3°時(shí)魚雷捕獲目標(biāo)概率

圖6 魚雷直航搜索捕獲目標(biāo)示意圖

圖7 魚雷直航加蛇形彈道搜索時(shí)捕獲目標(biāo)示意圖

1)當(dāng)只有目標(biāo)方位信息且目標(biāo)舷角很小時(shí)(0°左右)，可利用線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)蛇形彈道搜索目標(biāo)尾流，在一定程度上可以提高魚雷捕獲目標(biāo)尾流概率。另外，提出的線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)蛇形彈道搜索轉(zhuǎn)聲自導(dǎo)攻擊組合使用方法，可以有效解決線導(dǎo)加尾流自導(dǎo)蛇形彈道搜索目標(biāo)尾流時(shí)目標(biāo)舷別不確定所帶來(lái)的問(wèn)題，可在魚雷捕獲到尾流后保證魚雷命中目標(biāo)概率。

2)采用線導(dǎo)加被動(dòng)聲自導(dǎo)對(duì)目標(biāo)攻擊時(shí)，若方位無(wú)效，采用直航加蛇形彈道搜索捕獲目標(biāo)可以有效擴(kuò)大魚雷搜索范圍，其捕獲目標(biāo)概率要高于直航搜索捕獲目標(biāo)概率。

本文提出的潛射線導(dǎo)魚雷蛇形彈道搜索法可以為將來(lái)魚雷彈道設(shè)計(jì)提供一種新的思路與參考。對(duì)于魚雷的彈道控制，可通過(guò)優(yōu)化彈道參數(shù)來(lái)提高魚雷搜索效能，在以后的工作中將進(jìn)一步研究。