尾流自導(dǎo)魚雷經(jīng)典三波束彈道導(dǎo)引律設(shè)計(jì)優(yōu)化?

謝 攀 謝志強(qiáng) 潘元璋

（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

尾流自導(dǎo)追蹤對(duì)象是艦船尾流，其抗干擾能力強(qiáng)，自導(dǎo)裝置簡(jiǎn)單可靠，檢測(cè)并捕獲目標(biāo)的概率高，是現(xiàn)代魚雷反艦的重要手段［1～3］。各主要海軍國(guó)家對(duì)其開展了廣泛研究，通過優(yōu)化導(dǎo)引彈道從而減小魚雷航程損失是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［4］。

目前尾流自導(dǎo)魚雷多采用經(jīng)典導(dǎo)引方法，導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)思想比較簡(jiǎn)單，所用輸入導(dǎo)引信息為魚雷進(jìn)/出尾流的標(biāo)志位，輸出命令為魚雷回旋角度和魚雷回旋角速度，導(dǎo)引彈道航程/速度損失較大［5］。對(duì)此，本文將以三波束導(dǎo)引機(jī)制為基礎(chǔ)，充分利用各檢測(cè)通道所獲導(dǎo)引信息，設(shè)計(jì)優(yōu)化彈道導(dǎo)引律，進(jìn)而改善彈道品質(zhì)，減小航程損失，可為尾流自導(dǎo)魚雷彈道設(shè)計(jì)提供一定參考。

2 尾流自導(dǎo)彈道設(shè)計(jì)初始條件

2.1 尾流平面幾何模型

尾流自導(dǎo)屬于單平面自導(dǎo)，因此本文僅建立尾流的平面幾何模型，其主要特征參數(shù)主要包括長(zhǎng)度、寬度和船尾部水平面內(nèi)尾流的擴(kuò)展角和擴(kuò)展速度。如圖1所示，尾流在水平面內(nèi)自水面船尾沿航行反方向逐漸擴(kuò)散，在船尾的寬度約為船寬一半，隨后以約30°～60°線性發(fā)散；尾流擴(kuò)散到一定距離L后，發(fā)散角急劇減小至10以內(nèi)，此時(shí)的尾流寬度約為艦船寬度2.5倍［6］。

圖1 尾流平面幾何模型

尾流有效長(zhǎng)度Lw為

式中CA為尾流壽命，三級(jí)海況下一般為180s，VM為艦船速度。

尾流寬度Ww為

式中B為艦船寬度，λ為尾流船尾處的擴(kuò)散角。

對(duì)于已捕獲尾流的魚雷，尾流寬度Ww是影響其自導(dǎo)彈道特性的主要外部因素。

2.2 約束條件

為保證尾流自導(dǎo)魚雷攻擊水面目標(biāo)時(shí)能夠穩(wěn)定地沿尾流自主導(dǎo)引追蹤目標(biāo)，魚雷進(jìn)入尾流時(shí)刻，其進(jìn)入距離和進(jìn)入角必須在一定值域范圍內(nèi)［7～8］。其基本要求為［9］

式中Din為尾流進(jìn)入距離，指魚雷進(jìn)入目標(biāo)尾流時(shí)刻魚雷與目標(biāo)艦尾的距離，θin為進(jìn)入角，指魚雷進(jìn)入目標(biāo)尾流時(shí)刻魚雷反航向與目標(biāo)航向的夾角。

2.3 魚雷出/入尾流夾角測(cè)算方法

1）回旋法

艦船直航時(shí)，其尾流近似直線。如圖2，魚雷出尾流后，以恒定角速度回旋直至再次進(jìn)入尾流，其回旋角度為2α，由幾何關(guān)系可計(jì)算出為α。

圖2 回旋法示意圖

回旋法測(cè)得的魚雷出/入尾流夾角精度較高，但是要求魚雷通過完整的尾流外回旋過程，從而無(wú)法實(shí)時(shí)獲得魚雷出/入尾流夾角。并且大多數(shù)情況下尾流回旋的角速度是變化的，將造成測(cè)量誤差。另外，當(dāng)目標(biāo)機(jī)動(dòng)導(dǎo)致尾流形狀發(fā)生變化時(shí)，該方法所測(cè)結(jié)果也存在誤差。

2）邊界直航法

邊界直航法的基本原理是在魚雷直航態(tài)勢(shì)下，當(dāng)魚雷出/入尾流時(shí)，通過測(cè)量三個(gè)通道檢測(cè)到尾流的時(shí)間差，實(shí)時(shí)測(cè)得魚雷航向與尾流的夾角。

如圖3，魚雷入尾流時(shí)，當(dāng)左舷通道b檢測(cè)到尾流時(shí)，記錄該時(shí)刻，此時(shí)魚雷開始直航，直到a點(diǎn)、c點(diǎn)都檢測(cè)到尾流時(shí)，記錄時(shí)間，算出時(shí)間差和直航距離，由于b點(diǎn)和c點(diǎn)距離已知，根據(jù)三角函數(shù)可計(jì)算出魚雷航向與尾流夾角。同理，當(dāng)魚雷出尾流時(shí)，也可求出魚雷航向與尾流夾角。

圖3 邊界直航法示意圖

3 經(jīng)典三波束彈道導(dǎo)引律設(shè)計(jì)與優(yōu)化

主動(dòng)聲尾流自導(dǎo)可分為單波束、雙波束和三波束聲尾流自導(dǎo)，以三波束導(dǎo)引機(jī)制的自導(dǎo)彈道應(yīng)用最廣［10］。經(jīng)典三波束導(dǎo)引彈道，分為：1）自適應(yīng)調(diào)整確定門限和搜索彈道；2）第一次穿越尾流彈道；3）尾流外回旋搜索彈道；4）尾流內(nèi)導(dǎo)引彈道；5）再搜索彈道。其設(shè)計(jì)思想是使魚雷航向盡快朝尾流方向上收斂。

3.1 第一次穿越尾流彈道設(shè)計(jì)優(yōu)化

假設(shè)目標(biāo)艦船位于魚雷右舷，當(dāng)魚雷結(jié)束自適應(yīng)彈道后第一次檢測(cè)到尾流時(shí)，在保證快速穿越的基礎(chǔ)上，為使其能夠從正橫方向出尾流，根據(jù)邊界直航法測(cè)得或預(yù)估的入射角α0的不同，進(jìn)行彈道調(diào)整，分三種情況。

1）逆向進(jìn)入：入射角0°≤ α0≤ 60°時(shí)，魚雷以順時(shí)針角速度偏轉(zhuǎn)60°后直航至出尾流；2）正橫進(jìn)入：入射角60°≤α0≤120°時(shí)，魚雷直航至檢測(cè)出尾流；3）追擊進(jìn)入：入射角120°≤ α0≤ 180°時(shí)，魚雷以逆時(shí)針角速度偏轉(zhuǎn)60°后直航至出尾流。

當(dāng)魚雷執(zhí)行第一次穿越彈道將出尾流時(shí)，利用邊界直航法測(cè)得出尾流角度α，然后輸出命令控制其回旋角度α。出尾流角度α越大，回旋角速度越大。在魚雷再次入尾流之前，若回旋結(jié)束，則回旋角速度降低，回旋角度增加。

3.2 尾流內(nèi)追蹤彈道設(shè)計(jì)與優(yōu)化

尾流內(nèi)追蹤彈道分為入尾流調(diào)整彈道、尾流夾角測(cè)量、出尾流調(diào)整彈道三部分，目的是保證魚雷航行于尾流內(nèi)。為降低魚雷航程損失，保證其航向與尾流方向盡可能收斂，魚雷將隨時(shí)調(diào)整彈道。

1）入尾流調(diào)整彈道

魚雷尾流外回旋將要進(jìn)入尾流時(shí)，魚雷轉(zhuǎn)為直航，同時(shí)利用邊界直航法測(cè)得入尾流角度α，可知此時(shí)魚雷航向與尾流方向夾角為α。進(jìn)入尾流后，魚雷開始執(zhí)行入尾流調(diào)整彈道，并以較大角速度回旋α，回旋方向與魚雷尾流外回旋方向相反，以保證魚雷航向與尾流方向一致。

2）出尾流調(diào)整彈道［5］

魚雷經(jīng)過入尾流調(diào)整彈道后，其航向理論上與尾流方向相同，但由于目標(biāo)機(jī)動(dòng)、回旋誤差及海流影響等原因，魚雷仍可能會(huì)出尾流。出尾流調(diào)整彈道的作用是在魚雷將要出尾流時(shí)，通過校正彈道，避免魚雷出尾流。

根據(jù)三波束導(dǎo)引機(jī)制，若三個(gè)檢測(cè)通道中一個(gè)或兩個(gè)檢測(cè)不到尾流時(shí)，則認(rèn)為魚雷處在尾流邊緣將要出尾流，此時(shí)魚雷航向一般與尾流方向夾角較小，魚雷需調(diào)整回旋角速度不大。若左（右）舷通道先檢測(cè)不到尾流，則輸出命令控制魚雷順（逆）時(shí)針方向回旋，直至三個(gè)通道均檢測(cè)到尾流后，則可認(rèn)為魚雷未出尾流。計(jì)算回旋角度為2α，由回旋法可知此時(shí)魚雷航向與尾流方向的夾角為α，隨后輸出命令魚雷以不變角速度逆（順）時(shí)針回旋α角度，然后直航。

4 結(jié)語(yǔ)

如何調(diào)整彈道降低航程損失，是尾流自導(dǎo)魚雷彈道設(shè)計(jì)的基本要求和主要方向。本文提出了一種利用魚雷出入尾流角度信息對(duì)經(jīng)典三波束導(dǎo)引律進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的方案，其可使魚雷航向收斂于尾流方向，保持魚雷盡可能地航行于尾流內(nèi)，從而降低航程損失。但是由于該導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)是基于目標(biāo)直航，依然無(wú)法克服魚雷獨(dú)立使用尾流制導(dǎo)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攻擊效果差的不足。魚雷出管后，一旦目標(biāo)艦船進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)，勢(shì)必引起尾流幾何形狀及聲學(xué)特性發(fā)生較大變化，容易造成魚雷對(duì)尾流產(chǎn)生誤判，航程加大甚至丟失目標(biāo)［11～12］。

本文所做研究較為粗淺，設(shè)計(jì)優(yōu)化的導(dǎo)引律效果尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，如何進(jìn)一步優(yōu)化尾流自導(dǎo)彈道導(dǎo)引律，增強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的攻擊效果，如何根據(jù)作戰(zhàn)實(shí)際，合理搭配各種制導(dǎo)方式，克服尾流自導(dǎo)魚雷的的弱點(diǎn)，值得持續(xù)深入研究。