小口徑艦炮攔截超音速反艦導(dǎo)彈的特性分析*

劉 楊 張龍杰 謝曉方

(1.北京市西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100841) (2.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系 煙臺(tái) 264001)

小口徑艦炮攔截超音速反艦導(dǎo)彈的特性分析*

劉 楊1張龍杰2謝曉方2

(1.北京市西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100841) (2.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系 煙臺(tái) 264001)

探討小口徑艦炮對(duì)超音速反艦導(dǎo)彈的攔截問題。選取典型對(duì)象彈作為研究對(duì)象,利用Monte Carlo法仿真分析了小口徑艦炮對(duì)不同特性反艦導(dǎo)彈的命中彈數(shù)。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,對(duì)比分析了小口徑艦炮對(duì)亞音速反艦導(dǎo)彈和超音速反艦導(dǎo)彈的攔截效果,進(jìn)一步探討了影響小口徑艦炮攔截超音速反艦導(dǎo)彈的有關(guān)影響因素,為小口徑艦炮的作戰(zhàn)使用提供參考。

火炮; 小口徑艦炮; 超音速反艦導(dǎo)彈

Class Number TJ391

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著各國(guó)海軍艦艇部隊(duì)綜合防御能力的提高,常規(guī)亞音速反艦導(dǎo)彈逐漸無法滿足當(dāng)前海戰(zhàn)的要求,各國(guó)在繼續(xù)升級(jí)改造現(xiàn)役亞音速反艦導(dǎo)彈的同時(shí),正在加緊研制和引進(jìn)機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、飛行速度快的超音速反艦導(dǎo)彈[1]。

對(duì)于超音速反艦導(dǎo)彈,導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的可用準(zhǔn)備時(shí)間更短、最大可攔截次數(shù)更少,攔截難度也更高,在這種情況下,探討小口徑艦炮對(duì)超音速反艦導(dǎo)彈的攔截問題就非常必要。

本文首先仿真分析了小口徑艦炮對(duì)不同飛行速度和外形尺寸反艦導(dǎo)彈的命中彈數(shù),通過對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比分析,深入剖析了影響小口徑艦炮攔截超音速反艦導(dǎo)彈的主要因素,對(duì)小口徑艦炮攔截超音速反艦導(dǎo)彈過程中出現(xiàn)的新特性進(jìn)行了歸納總結(jié),給出了結(jié)論。

2 艦炮對(duì)反艦導(dǎo)彈命中彈數(shù)的計(jì)算

由于小口徑艦炮對(duì)不同反艦導(dǎo)彈的命中彈數(shù)不是本文研究的重點(diǎn),因此對(duì)這部分內(nèi)容只簡(jiǎn)要進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)象彈選取

選取3種類型的對(duì)象彈作為反艦導(dǎo)彈的原型,各對(duì)象彈詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 各對(duì)象彈基本參數(shù)

表1中,1號(hào)對(duì)象彈為中小型超音速反艦導(dǎo)彈,2號(hào)對(duì)像彈為中小型亞音速反艦導(dǎo)彈,3號(hào)對(duì)像彈為大中型超音速反艦導(dǎo)彈。

1號(hào)和2號(hào)對(duì)象彈主要用于對(duì)比分析小口徑艦炮對(duì)亞音速和超音速反艦導(dǎo)彈的命中彈數(shù);1號(hào)和3號(hào)對(duì)象彈主要用于對(duì)比分析小口徑艦炮對(duì)不同尺寸超音速反艦導(dǎo)彈的命中彈數(shù)。

2.2 主要數(shù)學(xué)模型

誤差傳遞模型:主要考慮目標(biāo)坐標(biāo)的觀測(cè)誤差、估計(jì)誤差和預(yù)測(cè)誤差,彈道和氣象修正誤差,小口徑艦炮載體搖擺誤差,隨動(dòng)系統(tǒng)跟蹤誤差,彈丸散布誤差。主要誤差的計(jì)算過程見文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]。火控解算模型見文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]。導(dǎo)彈受彈判讀模型見文獻(xiàn)[3]。

2.3 仿真結(jié)果

采用Monte Carlo方法對(duì)1～3號(hào)對(duì)象彈進(jìn)行受彈統(tǒng)計(jì)分析,仿真進(jìn)行10000次,得到不同航路捷徑下各對(duì)象彈的受彈情況,如圖1所示。

圖1 各對(duì)象彈受彈統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖1中,橫坐標(biāo)Lsc表示反艦導(dǎo)彈飛行航路捷徑的大小,縱坐標(biāo)N為反艦導(dǎo)彈平均受彈數(shù)量的統(tǒng)計(jì)仿真分析結(jié)果。

3 影響艦炮命中能力的因素分析

分析圖1中的統(tǒng)計(jì)仿真分析結(jié)果,可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1) 對(duì)于小航路捷徑反艦導(dǎo)彈,航路捷徑不同時(shí),導(dǎo)彈的受彈數(shù)量也不同。就選取的1～3號(hào)對(duì)象彈而言,亞音速反艦導(dǎo)彈的受彈數(shù)量最大,小型超音速反艦導(dǎo)彈的受彈數(shù)量最小。

2) 對(duì)比分析1號(hào)和2號(hào)對(duì)象彈的受彈統(tǒng)計(jì)結(jié)果,導(dǎo)彈飛行速度越快,末端攻擊過程中受彈數(shù)量越小;對(duì)比分析1號(hào)和3號(hào)對(duì)象彈的受彈統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在相同飛行速度下,導(dǎo)彈彈體尺寸越大,受彈數(shù)量越大。

下面結(jié)合統(tǒng)計(jì)仿真分析情況,對(duì)影響亞音速以及超音速反艦導(dǎo)彈受彈數(shù)量的主要因素進(jìn)行分析。

3.1 命中機(jī)理發(fā)生變化

小口徑艦炮對(duì)空作戰(zhàn)攔截方式[5]主要分為跟蹤集火攔截和彈幕攔截[6～9]兩種。傳統(tǒng)小口徑艦炮對(duì)空作戰(zhàn)大都采用跟蹤集火攔截方式,近年來,隨著小口徑艦炮射速的提高,彈幕攔截方式逐步得到推廣。

彈幕攔截主要是指在目標(biāo)航路上形成“彈丸飽和空間”并保證目標(biāo)與彈丸相遇[5],如果目標(biāo)能夠順利穿越“彈丸飽和空間”,就不能稱作是彈幕攔截。

對(duì)于亞音速反艦導(dǎo)彈,彈幕攔截方式是有效的,對(duì)于超音速反艦導(dǎo)彈,已經(jīng)無法達(dá)到彈幕攔截的條件,下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

小口徑艦炮反導(dǎo)作戰(zhàn)過程中,考慮彈丸和反艦導(dǎo)彈彈體大小的情況下,艦炮彈丸飛行軌跡與反艦導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡的空間位置關(guān)系可歸結(jié)為三種情況:

1) 艦炮彈丸飛行軌跡偏離反艦導(dǎo)彈前置點(diǎn),與反艦導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡沒有交匯點(diǎn)。

2) 從飛行軌跡看,艦炮彈丸飛行軌跡與反艦導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡存在交匯點(diǎn),但是艦炮彈丸與反艦導(dǎo)彈穿越交匯點(diǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同。

3) 彈丸飛行軌跡與反艦導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)交匯點(diǎn),并且在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)。

在第1)和第2)種情況下,不論反艦導(dǎo)彈的飛行速度多大,艦炮彈丸都無法命中反艦導(dǎo)彈,只有在第3)種情況下,艦炮彈丸才有可能命中反艦導(dǎo)彈。下面針對(duì)第3)種情況,分析亞音速反艦導(dǎo)彈和超音速反艦導(dǎo)彈穿越艦炮彈幕的過程。

第1步:分析亞音速反艦導(dǎo)彈和超音速反艦導(dǎo)彈的穿越能力。

假設(shè)前后兩枚連續(xù)發(fā)射的彈丸C1與C2之間的平均時(shí)間間隔為tc0,它們穿越同一點(diǎn)(彈丸C1的尾部飛越某一點(diǎn)到彈丸C2的頭部到達(dá)該點(diǎn))的時(shí)間間隔為

tc12=tc0-lc/vc

式中:vc為艦炮彈丸遭遇反艦導(dǎo)彈時(shí)刻的存速,lc為艦炮彈丸長(zhǎng)度。在tc12時(shí)間內(nèi),反艦導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的距離:

lm=vm·tc12

根據(jù)小口徑艦炮的射速、艦炮彈丸的尺寸以及飛行速度,計(jì)算得到亞音速反艦導(dǎo)彈(2號(hào)對(duì)象彈)在tc12時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離lym=2.0m,超音速反艦導(dǎo)彈(1號(hào)和3號(hào)對(duì)象彈)在tc12時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離lcm=5.6m。

第2步:根據(jù)艦炮彈丸與反艦導(dǎo)彈遭遇時(shí)的交匯角,分兩種情況分析亞音速反艦導(dǎo)彈和超音速反艦導(dǎo)彈穿越艦炮彈幕的過程。

情況1 彈丸與反艦導(dǎo)彈以接近90°角交匯

圖2 亞音速反艦導(dǎo)彈以接近90°角與彈丸交匯

圖2為亞音速反艦導(dǎo)彈(2號(hào)對(duì)象彈)與彈丸以接近90°角遭遇時(shí)的位置關(guān)系圖。假設(shè)在時(shí)間區(qū)間[t1,t2]內(nèi),反艦導(dǎo)彈穿越交匯點(diǎn)OMC,同時(shí)在該時(shí)間區(qū)間內(nèi),艦炮彈丸陸續(xù)穿越交匯點(diǎn)OMC,t1時(shí)刻對(duì)應(yīng)反艦導(dǎo)彈彈體頭部到達(dá)交匯點(diǎn)OMC的時(shí)刻,t2時(shí)刻為第二枚彈丸到達(dá)交匯點(diǎn)OMC的時(shí)刻。

要想順利避開艦炮彈丸的打擊,最理想的情況是反艦導(dǎo)彈彈體頭部飛抵交匯點(diǎn)OMC的時(shí)刻恰好有彈丸C1飛越交匯點(diǎn)OMC,如圖2(a)所示。

圖2(b)為t2時(shí)刻的交匯態(tài)勢(shì)圖。根據(jù)前述計(jì)算,亞音速反艦導(dǎo)彈(2號(hào)對(duì)象彈)在此時(shí)間段內(nèi)飛行的距離明顯低于彈體長(zhǎng)度,必然會(huì)被后續(xù)彈丸命中,因此彈丸的散布相對(duì)反艦導(dǎo)彈而言是“飽和的”,所以即使在誤差條件適中的情況下,亞音速反艦導(dǎo)彈也很難突破艦炮彈丸的攔截。

圖3為超音速反艦導(dǎo)彈與彈丸以接近90°角遭遇時(shí)的位置關(guān)系圖,圖中各參數(shù)含義同圖2。

由圖3,對(duì)于1號(hào)超音速反艦導(dǎo)彈,在前后兩枚彈丸穿越交匯點(diǎn)OMC的時(shí)間內(nèi),導(dǎo)彈飛行的距離大于彈體長(zhǎng)度,能夠順利穿越彈丸攔截區(qū);對(duì)于3號(hào)超音速反艦導(dǎo)彈,在前后兩枚彈丸穿越交匯點(diǎn)OMC的時(shí)間內(nèi),導(dǎo)彈飛行的距離小于彈體長(zhǎng)度,無法穿越彈丸攔截區(qū)。

圖3 超音速反艦導(dǎo)彈以接近90°角與彈丸交匯

下面以外形尺寸相同的1號(hào)和2號(hào)對(duì)象彈為例,分析更一般的情況。

圖4 反艦導(dǎo)彈以 大角度與彈丸交匯

如圖4所示,假設(shè)超音速反艦導(dǎo)彈彈體頭部到達(dá)交匯點(diǎn)OMC時(shí),彈丸C1已經(jīng)飛越交匯點(diǎn)OMC一段距離lc1,要保證在彈丸C2飛抵交匯點(diǎn)OMC之前導(dǎo)彈能夠完全穿越交匯點(diǎn)OMC,彈丸C2飛抵交匯點(diǎn)OMC的時(shí)間tc2必須大于反艦導(dǎo)彈穿越交匯點(diǎn)OMC的時(shí)間tm,即

tc2≤tm

而

綜合以上兩式,結(jié)合艦炮彈丸的有關(guān)參數(shù),得到lc1≤2.1m?？梢钥闯?只要超音速反艦導(dǎo)彈彈體頭部到達(dá)交匯點(diǎn)OMC時(shí),第一枚彈丸飛越交匯點(diǎn)OMC的距離小于2.1m,導(dǎo)彈就能夠完全突破彈丸的攔截。對(duì)于亞音速導(dǎo)彈,無論如何都無法安全穿越彈丸散布區(qū)。

情況2 彈丸與反艦導(dǎo)彈以接近0°角交匯

艦炮彈丸以接近0°角與攔截反艦導(dǎo)彈時(shí),可將彈丸速度分解為沿導(dǎo)彈飛行方向反方向的速度vcn和垂直導(dǎo)彈飛行速度方向的分速度vcτ,如圖5所示。

圖5 反艦導(dǎo)彈以小角度角與彈丸交匯

由于交匯角很小,圖5中沿x軸方向反艦導(dǎo)彈穿越彈丸C1與C2之間的空隙區(qū)的時(shí)間:

tx=vc·tc0/(vcn+vm)

由于交匯角接近0°,因此與vcn相比,彈丸vcτ比較小,對(duì)于亞音速反艦導(dǎo)彈,由上式計(jì)算得亞音速反艦導(dǎo)彈在x軸方向穿越彈丸C1與C2之間的空隙區(qū)的時(shí)間tx1=5.4ms。對(duì)于超音速反艦導(dǎo)彈,由上式計(jì)算得亞音速反艦導(dǎo)彈在x軸方向穿越彈丸C1與C2之間的空隙區(qū)的時(shí)間tx2=3.8ms。

由于不論對(duì)于亞音速反艦導(dǎo)彈還是超音速反艦導(dǎo)彈,彈丸分速度vcn和vcτ是相同的。這樣,在反艦導(dǎo)彈沿x軸方向(見圖5)穿越的過程中,對(duì)于亞音速反艦導(dǎo)彈,艦炮彈丸沿y軸方向(見圖5)的偏移量lc1=tx1vcτ,對(duì)于超音速反艦導(dǎo)彈,艦炮彈丸沿y軸方向的偏移量lc2=tx2vcτ。則反艦導(dǎo)彈沿x軸方向穿越的過程中,對(duì)于亞音速反艦導(dǎo)彈和超音速反艦導(dǎo)彈,艦炮彈丸沿y軸方向運(yùn)動(dòng)的偏移量的比值:

I=lc1/lc2=1.4

即在選定的1號(hào)和2號(hào)對(duì)象彈的條件下,亞音速導(dǎo)彈穿越過程中艦炮彈丸沿y軸方向的偏移量是超音速導(dǎo)彈的1.4倍,相當(dāng)于彈丸沿反艦導(dǎo)彈橫切面方向(圖5中的y軸方向)的切割長(zhǎng)度更大,更容易命中目標(biāo)。

綜合分析圖2～圖5,對(duì)于亞音速反艦導(dǎo)彈(2號(hào)對(duì)象彈),小口徑艦炮的攔截方式本質(zhì)上屬于彈幕攔截;對(duì)于中小型超音速反艦導(dǎo)彈(1號(hào)對(duì)象彈),艦炮彈丸已經(jīng)無法形成密集彈幕,小口徑艦炮的攔截方式已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧鹕鋼裟Ｊ?對(duì)于大中型超音速反艦導(dǎo)彈(3號(hào)對(duì)象彈),艦炮彈丸的彈幕攔截方式在交匯角較大時(shí)仍然適用,但是在交匯角較小時(shí),由于彈體尺寸較大,小口徑艦炮的攔截方式已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧鹕鋼簟?/p>

3.2 艦炮隨動(dòng)系統(tǒng)性能限制

下面結(jié)合圖1的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和文獻(xiàn)[2]中對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)跟蹤誤差的計(jì)算結(jié)果,分析隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)小口徑艦炮攔截超音速反艦導(dǎo)彈能力的影響。

1) 航路捷徑較小的情況(小于400m)

航路捷徑較小時(shí),隨著目標(biāo)接近,艦炮隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤誤差快速增加,目標(biāo)未到達(dá)艦炮射擊近界時(shí)隨動(dòng)系統(tǒng)的跟蹤能力已經(jīng)飽和,出現(xiàn)無法有效跟蹤目標(biāo)的情況,導(dǎo)致射擊誤差增大,命中彈數(shù)降低。

另外,航路捷徑Lsc較小時(shí),彈丸與導(dǎo)彈遭遇時(shí)的交匯角q相對(duì)減小,相同誤差條件下增大了彈丸脫靶量,如圖6所示。

圖6 不同遭遇角下的距離誤差

圖6中:M為導(dǎo)彈的質(zhì)心點(diǎn)位置;S1和S2為航路捷徑不同的兩個(gè)射擊點(diǎn),并且S1M=S2M,γ1=γ2;q1和q2為對(duì)應(yīng)的交匯角;Lsc1和Lsc2為對(duì)應(yīng)的航路捷徑大小。

由圖6可以看出,在攔截距離和射擊誤差相同的情況下,由于Lsc2MM2,最終在航路捷徑為L(zhǎng)sc1時(shí)艦炮彈丸命中導(dǎo)彈,而航路捷徑為L(zhǎng)sc2時(shí)艦炮彈丸脫靶。

2) 航路捷徑適中的情況(400m～700m)

航路捷徑在400m～700m時(shí),目標(biāo)距離適中,艦炮最大可持續(xù)射擊時(shí)間較長(zhǎng),隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤誤差相對(duì)較低,在艦炮射擊近界附近仍然能夠有效的跟蹤目標(biāo),導(dǎo)彈的受彈數(shù)量也相對(duì)較高。

3) 航路捷徑較大的情況(大于700m)

目標(biāo)航路捷徑超過700m以后,雖然隨動(dòng)系統(tǒng)跟蹤誤差較小,但是艦炮可用射擊時(shí)間太短,過大的彈目距離增加了彈丸的線性偏移量,導(dǎo)致反艦導(dǎo)彈受彈數(shù)量很低。

4 結(jié)語

利用小口徑艦炮攔截超音速反艦導(dǎo)彈時(shí),會(huì)出現(xiàn)一些新的問題。一方面針對(duì)亞音速反艦導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的彈幕攔截方式可能無法應(yīng)用到對(duì)超音速反艦導(dǎo)彈的攔截作戰(zhàn)中。另一方面,攔截超音速反艦導(dǎo)彈要求艦炮隨動(dòng)系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)能力和更高的隨動(dòng)精度,對(duì)艦炮的俯仰、旋回加速度和俯仰、旋回速度提出了更高的要求,而片面增大隨動(dòng)功率,將使艦炮變得十分笨重,喪失應(yīng)有的機(jī)動(dòng)性、貽誤戰(zhàn)機(jī),同時(shí)會(huì)提高裝備訂購(gòu)和使用成本,增加維修保障的負(fù)擔(dān)。因此,必須綜合考慮,統(tǒng)籌分析,針對(duì)出現(xiàn)的新問題、新特點(diǎn),探討可行的解決方案。

[1] 王誠(chéng)成,謝曉方,張龍杰,等.國(guó)外反艦導(dǎo)彈裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].飛航導(dǎo)彈,2013(2):20-24.

[2] 張龍杰,謝曉方,孫濤,等.艦載CIWS對(duì)小航路捷徑超音速導(dǎo)彈的攔截射擊分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2013,30(1):123-130.

[3] 張龍杰,謝曉方,孫濤,等.艦艇搖擺對(duì)小口徑艦炮射擊精度的影響分析[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2013(1):11-15.

[4] 張龍杰,謝曉方.密集陣攔截高超音速導(dǎo)彈有效性分析[J].彈道學(xué)報(bào),2012,24(4):37-41.

[5] 王學(xué)軍,潘志剛.高速導(dǎo)彈的飽和攔截[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2006(1):69-72.

[6] 孫世巖,邱志明,王航宇,等.攔阻面彈丸散布中心配置方法[J].彈道學(xué)報(bào),2008,20(4):16-19.

[7] 胡金春,郭治.未來空域窗的數(shù)學(xué)描述[J].兵工學(xué)報(bào),1998,19(4):293-297.

[8] Sun Shi-yan, Wang Liang, Qiu Zhi-ming, et al. Research on disposition method of barrage firing curtain[C]//2007 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics,2007:477-482.

[9] 胡炎,楊斌,蘇卿,等.小口徑艦炮武器系統(tǒng)射擊方式比較[J].艦船電子工程,2010,30(6):24-27.

Interception Characteristic Analysis of Small Caliber Naval Gun to Supersonic Anti-ship Missile

LIU Yang1ZHANG Longjie2XIE Xiaofang2

(1. No. 19 Xisanhuan Central Road, Beijing 100841) (2. Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

In order to study the interception ability of small caliber naval gun to supersonic anti-ship missile, after adopting typical model missiles as target, the hit counts of small caliber naval gun to different anti-ship missiles were calculated by Monte Carlo method. Based on the simulation result, the interception effect to subsonic anti-ship missile and supersonic anti-ship missile was studied comparatively, as well as the influence factors to interception ability of small caliber naval gun to supersonic anti-ship missile, which has much reference value for the combat applications of small caliber naval gun.

gun, small caliber naval gun, supersonic anti-ship missile

2013年7月9日,

2013年8月20日

劉楊,男,高級(jí)工程師,研究方向:裝備技術(shù)管理。張龍杰,男,講師,研究方向:武器系統(tǒng)建模優(yōu)化與仿真。謝曉方,男,教授,研究方向:武器系統(tǒng)建模優(yōu)化與仿真。

TJ391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.008