懸浮式深彈攔截不確定型魚雷作戰(zhàn)模型研究

姚奉亮, 賈 躍, 丁 貝

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懸浮式深彈攔截不確定型魚雷作戰(zhàn)模型研究

姚奉亮1, 賈 躍2, 丁 貝1

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院 研究生1隊(duì), 遼寧 大連, 116018; 2. 海軍大連艦艇學(xué)院 水武與防化系, 遼寧 大連, 116018)

水面艦艇如何使用懸浮式深彈攔截魚雷是艦艇防御魚雷的重要問題之一。該文通過利用模糊數(shù)學(xué)知識將魚雷報(bào)警距離分為近、中、遠(yuǎn)3個(gè)模糊區(qū)域, 建立了魚雷報(bào)警距離隸屬函數(shù)關(guān)系, 預(yù)估了魚雷目標(biāo)航向、航速等運(yùn)動(dòng)要素, 最后建立了懸浮式深彈攔截不確定型魚雷作戰(zhàn)模型, 并對作戰(zhàn)模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真結(jié)果表明, 艦艇在不能確定來襲魚雷型號和自導(dǎo)方式時(shí), 選擇使用懸浮式深彈這一硬殺傷方式攔截魚雷是最為可行的方案, 能夠達(dá)到徹底毀傷魚雷, 從而保護(hù)艦艇安全的最終目的。

魚雷; 懸浮式深彈; 攔截策略; 水面艦魚雷防御; 作戰(zhàn)模型; 模糊; 仿真

0 引言

隨著現(xiàn)代魚雷技術(shù)的高速發(fā)展, 無論是魚雷的航速、航程、自導(dǎo)作用距離等基本戰(zhàn)技指標(biāo), 還是制導(dǎo)類型、智能程度、目標(biāo)識別能力等都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展, 從而對魚雷防御技術(shù)提出了更高的要求。對于魚雷防御方, 最重要的當(dāng)然是第一時(shí)間對來襲的魚雷進(jìn)行目標(biāo)報(bào)警、識別和定位,其中識別是指識別其型號或制導(dǎo)類型, 以便采取有針對性的防御方案。但在復(fù)雜多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境, 由于人員訓(xùn)練水平, 武器裝備的限制, 或魚雷突然來襲沒有充分的時(shí)間識別來襲目標(biāo), 而又必須盡快采取必要的防御措施。那么, 對在未知來襲魚雷制導(dǎo)類型的情況下, 研究相應(yīng)的防御戰(zhàn)術(shù)顯得尤為重要。本文討論使用懸浮式深彈攔截不確定型魚雷, 就是基于該戰(zhàn)術(shù)背景條件下的艦艇防御戰(zhàn)術(shù)。

1 魚雷報(bào)警距離估計(jì)

艦艇對魚雷目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的確定主要是通過測定魚雷的報(bào)警舷角Q與報(bào)警距離。然而由于本艦的魚雷報(bào)警聲納僅能給出目標(biāo)的方位信息, 無法測定目標(biāo)的距離信息, 因此, 對距離只能通過聲納性能、水文條件等多種因素來進(jìn)行預(yù)估[1]。魚雷報(bào)警聲納在良好的水文條件下, 報(bào)警距離不小于8 km; 中等水文條件下, 報(bào)警距離不小于6 km; 惡劣水文條件下, 報(bào)警距離不小于3.5km。根據(jù)報(bào)警聲納的這些性能, 把魚雷報(bào)警距離分為遠(yuǎn)、中、近3個(gè)模糊區(qū)域, 即

確定魚雷報(bào)警距離的各模糊區(qū)域之后, 即可預(yù)估魚雷報(bào)警距離。若各區(qū)域?qū)?yīng)的隸屬函數(shù)分別為

式中,()為輸入報(bào)警距離為D區(qū)域時(shí),D區(qū)域的隸屬函數(shù)。

假設(shè)聲納最遠(yuǎn)報(bào)警距離不超過10km, 則D=3 500 m,D=6 000 m,D=8 000 m,D=10 km。

魚雷位置的模糊區(qū)域劃分如表1所示。

表1 一定舷角條件下模糊區(qū)域劃分

2 魚雷運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)

2.1 魚雷航向估計(jì)

按魚雷制導(dǎo)類型分, 現(xiàn)服役的主戰(zhàn)魚雷包括直航魚雷、聲自導(dǎo)魚雷、尾流自導(dǎo)魚雷和線導(dǎo)魚雷等4種類型。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)介紹了各型魚雷的特點(diǎn)、射擊原理及模型等, 并對其命中概率進(jìn)行了仿真計(jì)算。從中可以分析得到, 各型魚雷由于瞄準(zhǔn)點(diǎn)的不同, 魚雷射擊時(shí)的提前角有差異, 如直航魚雷瞄準(zhǔn)的是未來與目標(biāo)相遇點(diǎn), 其提前角最大, 記作max; 聲自導(dǎo)魚雷以有利提前角射擊時(shí), 是使聲自導(dǎo)裝置發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率最高, 其有利提前角的求解是通過使自導(dǎo)扇面遮蓋中心與目標(biāo)相遇實(shí)現(xiàn)的; 尾流自導(dǎo)魚雷是使魚雷與有效尾流和目標(biāo)艦長度在內(nèi)的有效長度中心相遇, 瞄準(zhǔn)的是目標(biāo)尾流某點(diǎn), 可知其提前角最小, 記作min; 線導(dǎo)魚雷通常采用零提前角、固定提前角和現(xiàn)時(shí)提前角3種射擊方法。可以從中估算出來襲不確定型魚雷的航向范圍, 即可確定出來襲魚雷提前角的范圍,即min≤≤max, 這時(shí)魚雷的可能航向就分布在min所確定的C1航向及max所確定的C2航向之間。

2.2 魚雷航速估計(jì)

從表2[3-4]的數(shù)據(jù)可以得到, 國外反艦魚雷航速主要集中在30～55 kn范圍內(nèi), 仿真時(shí)可以假設(shè)來襲魚雷的航速在此范圍內(nèi)均勻分布。

表2 國外反艦魚雷性能參數(shù)

3 攔截不確定型魚雷作戰(zhàn)模型

3.1 艦艇攔截過程概述

設(shè)艦艇向東航行, 以艦艇航向?yàn)檩S, 魚雷報(bào)警時(shí)刻艦艇位置點(diǎn)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn), 建立坐標(biāo)系。魚雷報(bào)警聲納報(bào)警后, 經(jīng)過系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間t, 艦艇到達(dá)1點(diǎn)發(fā)射懸浮式深彈。艦艇使用懸浮式深彈攔截來襲魚雷時(shí)很有可能不能確定來襲魚雷的型號、自導(dǎo)方式。若來襲魚雷為尾流自導(dǎo)魚雷, 由于其瞄準(zhǔn)點(diǎn)為艦艇尾流, 其射擊提前角最小為min; 若來襲魚雷為直航魚雷, 其提前角最大為max。魚雷的可能航向就分布在min所確定的C1航向及max所確定的C2航向之間。為了盡可能覆蓋魚雷的可能航向范圍, 這時(shí)將懸浮式深彈布放到C1,C2航向夾角DC1PC2平分線上, 其布放基準(zhǔn)點(diǎn)為1。布放位置如圖1所示。

圖1 不確定雷型時(shí)深彈布放示意圖

3.2 懸浮式深彈發(fā)射時(shí)機(jī)確定

魚雷報(bào)警聲納報(bào)警后, 若艦艇經(jīng)過系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間t發(fā)射懸浮式深彈, 深彈飛行時(shí)間為t, 深彈從入水到開始工作時(shí)間為t, 深彈水中懸浮時(shí)間為t, 深彈引信作用半徑為￠, 則可以確定出一個(gè)深彈可攔截魚雷的最近和最遠(yuǎn)攔截距離范圍攔min和攔max, 其可由下式表示[5]

發(fā)射懸浮式深彈, 首先必須根據(jù)魚雷報(bào)警距離的近、中、遠(yuǎn), 判斷其報(bào)警區(qū)域的遠(yuǎn)端是否在深彈的攔截距離范圍之內(nèi)(根據(jù)魚雷報(bào)警聲納的性能可知, 魚雷的報(bào)警距離都大于深彈攔雷的最近距離, 判斷魚雷是否在深彈的攔截范圍之內(nèi), 主要判斷魚雷報(bào)警距離是否在深彈攔雷的最遠(yuǎn)距離之內(nèi)), 即判斷預(yù)警是否滿足攔min<預(yù)警<攔max(當(dāng)報(bào)警距離為近時(shí)預(yù)警=D, 當(dāng)報(bào)警距離為中時(shí)預(yù)警=D, 當(dāng)報(bào)警距離為遠(yuǎn)時(shí)預(yù)警=D); 其次, 當(dāng)魚雷在深彈的攔截距離范圍內(nèi)時(shí), 判斷射擊距離11是否在深彈的射界(min,max)之內(nèi)(主要考慮11是否小于最大射界), 判斷公式可由下式確定

式中：C為艦艇航向, 這里假設(shè)艦艇向東航行,C為0°;Q為魚雷報(bào)警方位;x1和y1分別為艦艇橫縱坐標(biāo);max為懸浮式深彈最大有效射界;D為魚雷報(bào)警距離預(yù)估區(qū)域;max為報(bào)警距離最大時(shí)的提前角。

通過判斷式(6)是否有根, 來判斷射擊距離11是否在最大布放距離max之內(nèi)。

3.3 懸浮式深彈布陣方案

3.3.1 深彈布放基準(zhǔn)點(diǎn)及布放長度

式中：x1和y1分別為深彈布放位置點(diǎn)1坐標(biāo);min為報(bào)警距離最小時(shí)的魚雷射擊提前角; (,)為C1反向延長線與C2的交點(diǎn)的坐標(biāo)。,,x1,y1,R可由下式求得

當(dāng)報(bào)警距離為近時(shí)，D=D,D=1; 當(dāng)報(bào)警距離為中時(shí)，D=D,D=2; 當(dāng)報(bào)警距離為遠(yuǎn)時(shí)，D=D,D=3。

其中，x1和y1分別為艦艇經(jīng)過系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間t后航行到1點(diǎn)的坐標(biāo)。

攔截寬度12為, 則

3.3.2 深彈布放個(gè)數(shù)與間隔

根據(jù)攔截線的長度及布放間隔就可以確定需要發(fā)射的懸浮式深彈的數(shù)量, 要完全覆蓋理論攔截線長度所需的發(fā)射數(shù)量

式中:為攔截線布放長度;為深彈破壞半徑;為深彈間距比例系數(shù)。

射擊時(shí), 為了保證盡可能寬的攔截陣面, 又能保證盡可能高的對魚雷毀傷概率,的取值為0.8～1.5。選取合適的使得攔截魚雷的概率最大。

3.3.3 轉(zhuǎn)向航向的確定

水面艦艇按照以上布陣方案布放懸浮式深彈, 并立刻進(jìn)行背轉(zhuǎn)魚雷加速規(guī)避。由于潛艇是靠觀測我艦的方位引導(dǎo)魚雷的, 因此艦艇規(guī)避時(shí), 只要使魚雷方位線始終穿過攔截陣, 就能將魚雷引向攔截陣, 從而毀傷魚雷。根據(jù)上述原理, 則艦艇規(guī)避轉(zhuǎn)向角可由下式確定

4 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

4.1 仿真計(jì)算條件

艦艇航行初速18kn, 航向90°, 決策反應(yīng)時(shí)間為30s, 若艦艇進(jìn)行機(jī)動(dòng)規(guī)避, 則艦艇操縱反應(yīng)時(shí)間為5s, 規(guī)避機(jī)動(dòng)航速30 kn, 艦艇規(guī)避角速度3.0°/s, 旋回半徑450 s。魚雷速度30～55 kn, 航程18 000 m。懸浮式深彈最大發(fā)射數(shù)量為12枚, 從發(fā)射到入水后正常工作時(shí)間不超過25 s。當(dāng)本艦以18 kn航速拖曳魚雷報(bào)警聲納航行, 魚雷報(bào)警聲納聲陣中心與本艦距離為1000 m, 聲納對來襲魚雷報(bào)警正確率不小于80%, 在2 km距離上漏報(bào)率不大于40%。

4.2 布放懸浮式深彈參數(shù)計(jì)算

艦艇進(jìn)行背轉(zhuǎn)魚雷規(guī)避, 則可分別算得不同態(tài)勢情況下艦艇規(guī)避轉(zhuǎn)向角/(°), 布放懸浮式深彈得布放距離R/m, 布放方位B/(°), 表3所示。

表3 不同報(bào)警距離下懸浮式深彈布放參數(shù)

Table 3 Parameters of hovering depth charges deploy- ment in different alarming distance

4.3 懸浮式深彈攔截效果

從圖2可知, 報(bào)警距離為近時(shí)攔截概率最高, 報(bào)警距離為遠(yuǎn)時(shí)攔截概率最低, 而深彈攔截概率受報(bào)警舷角的影響較小。

圖2 深彈攔截未知雷型魚雷的概率

4.4 艦艇規(guī)避時(shí)生存概率

由圖3可知, 艦艇生存概率隨著報(bào)警舷角和報(bào)警距離的不同而不同。報(bào)警舷角對艦艇生存概率的影響是: 隨著報(bào)警舷角的增大, 艦艇生存概率不斷增加, 報(bào)警舷角30°時(shí)為0.61, 報(bào)警舷角150°時(shí)為0.825。對于不同報(bào)警距離, 可以得到類似的結(jié)論。

報(bào)警距離對艦艇生存概率的影響是: 隨著報(bào)警距離的增加, 艦艇的生存概率不斷增加。以報(bào)警舷角90°時(shí)為例, 當(dāng)魚雷報(bào)警距離為近時(shí)艦艇生存概率為0.73; 當(dāng)報(bào)警距離為中時(shí), 艦艇生存概率為0.77; 報(bào)警距離為遠(yuǎn)時(shí), 艦艇生存概率為0.865。

圖3 深彈攔截未知雷型魚雷時(shí)艦船生存概率

5 結(jié)論

在實(shí)際作戰(zhàn)中, 水面艦艇很有可能不能確定來襲魚雷的型號和自導(dǎo)方式。這時(shí), 選擇使用懸浮式深彈這一硬殺傷方式攔截魚雷是最為可行的方案, 適用于任何制導(dǎo)類型的魚雷, 達(dá)到徹底毀傷魚雷或是魚雷自導(dǎo)和控制系統(tǒng)失靈, 不能有效攻擊, 從而達(dá)到保護(hù)艦艇安全的最終目的。那么, 可以根據(jù)文中所確定的攔截策略進(jìn)行布放, 當(dāng)艦艇進(jìn)行規(guī)避機(jī)動(dòng)時(shí)艦艇能獲得較高的生存概率, 特別是對于大舷角的情況, 這時(shí)艦艇平均生存概率可達(dá)到80%以上。

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Jia Yue, Song Bao-wei, Li Wen-zhe. Theory and Method of Intercepting Torpedo Using Rocket Depth Charges[J]. Systems Engineering-theory & Practice, 2004 (4): 137- 140.

Operational Model for Intercepting Uncertain Type of Torpedo with Hovering Depth Charge

YAO Feng-liang1, JIA Yue2, DING Bei1

(1. No.1 Graduate Team, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2.Department of Underwater Weaponry and Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

How to use hovering depth charge to intercept torpedo is one of the main problems in surface ship torpedo defense. Fuzzy mathematics knowledge is used in this paper for dividing a torpedo warning distance into near, middle, and far fields to establish torpedo warning distance functions and estimate torpedo course and speed. Hence, an operational model for surface ship to intercept uncertain type of torpedo with hovering depth charge is constructed. Simulation via the Monte-Carlo method is performed, and the result shows that intercepting uncertain type of torpedo with hovering depth chargeis the most available measure, which can achieve the purpose of completely damaging the torpedo and ensuring the safety of surface ship.

torpedo; hovering depth charge; intercepting strategy; surface ship torpedo defense; operational model; fuzzy; simulation

TJ630; TJ650.1

A

1673-1948(2011)01-0063-05

2010-01-06;

2010-01-25.

姚奉亮(1986-), 男, 在讀碩士, 主要從事兵種戰(zhàn)術(shù)、反潛武器作戰(zhàn)運(yùn)用等方面的研究.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)