羅 凱, 李代金, 黨建軍, 王育才

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基于二次攻擊模式的反魚雷魚雷彈道組織和動(dòng)力推進(jìn)模式

羅 凱, 李代金, 黨建軍, 王育才

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

包括反魚雷魚雷(ATT)等硬殺傷手段在內(nèi)的反魚雷作戰(zhàn)能力, 對(duì)于大型艦艇至關(guān)重要。針對(duì)ATT自來襲魚雷的前半球發(fā)起迎擊, 命中概率低, 提出了迎擊+追擊的二次攻擊模式, 并給出了彈道組織和理論分析方法。該二次攻擊模式可在迎擊失敗的條件下再進(jìn)行追擊, 可顯著提高攔截命中概率。結(jié)合二次攻擊模式的理論彈道計(jì)算, 通過對(duì)火箭噴氣推進(jìn)、常規(guī)渦輪機(jī)推進(jìn)以及渦輪泵噴水推進(jìn)等多種推進(jìn)模式的對(duì)比分析, 給出了各種推進(jìn)模式下ATT的理論作戰(zhàn)性能指標(biāo)。采用渦輪泵推進(jìn), 可支持二次攻擊的允許發(fā)射距離超過20 cab, 是火箭推進(jìn)模式允許發(fā)射距離的2.3倍。綜合考慮通用性、實(shí)現(xiàn)性和發(fā)展?jié)摿Φ纫蛩? 渦輪泵是適合于ATT使用的動(dòng)力推進(jìn)模式。

反魚雷魚雷; 二次攻擊; 命中概率; 推進(jìn)模式; 渦輪泵

0 引言

包括反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)等硬殺傷手段在內(nèi)的反魚雷作戰(zhàn)能力, 對(duì)大型水面艦艇至關(guān)重要[1]。與常規(guī)魚雷相比, ATT有以下特點(diǎn): 1) ATT一般尺寸較小; 2) ATT一般在目標(biāo)前半球發(fā)起攻擊, 采取迎擊模式; 3)考慮到ATT發(fā)射平臺(tái)的魚雷報(bào)警距離以及它的迎擊模式, ATT航程相對(duì)較小[2]。然而, 眾所周知, 采取在目標(biāo)前半球發(fā)動(dòng)的迎擊模式, 其命中概率是比較低的, 這就降低了ATT的作戰(zhàn)效能[3-4]?；诖? 本文擬就ATT的新型彈道組織模式及其與之配套的新型動(dòng)力推進(jìn)模式作初步討論, 提出了迎擊+追擊的二次攻擊模式, 以提高攔截命中概率。

1 迎擊+追擊的二次攻擊彈道模式

由于迎擊時(shí)ATT需用法向過載量大、脫靶量大、命中概率低, 可考慮在迎擊失敗的條件下再進(jìn)行追擊, 實(shí)施迎擊+追擊的二次攻擊模式, 如圖1所示。ATT與目標(biāo)相向運(yùn)動(dòng)并發(fā)生第一次迎擊交匯, 若迎擊失敗, 則開始回旋轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)至速度矢量指向來襲魚雷, 此后ATT以尾追法進(jìn)行追蹤, 直至形成追擊交匯。

圖1 迎擊+追擊的二次攻擊彈道模式

如此組織的彈道模式將顯著提高命中概率。顯然, 形成二次攻擊要求ATT航速大于來襲魚雷, 且能夠擁有一定的航程以保證追擊交匯點(diǎn)距離ATT發(fā)射平臺(tái)有足夠的安全距離。該彈道模式有以下幾個(gè)關(guān)鍵的距離和時(shí)間特征量。

且滿足關(guān)系

此后, ATT以尾追法追蹤直至追擊交匯命中, 導(dǎo)引時(shí)間為[5]

追擊交匯點(diǎn)與ATT發(fā)射點(diǎn)間的距離為

ATT總航程

則對(duì)應(yīng)ATT最大航程時(shí)最大迎擊交匯時(shí)刻

對(duì)應(yīng)的最大迎擊+追擊發(fā)射距離為

對(duì)應(yīng)的最小迎擊+追擊發(fā)射距離為

二次攻擊發(fā)射時(shí)機(jī)時(shí)間窗口為

如欲實(shí)施迎擊+追擊的二次攻擊模式, 速度比約1.5倍為最佳值, 考慮到自導(dǎo)等其他因素, 對(duì)于航速55 kn的來襲魚雷(如MK48), ATT航速以70 kn較適宜。以火箭噴氣推進(jìn)為例進(jìn)行理論計(jì)算, 計(jì)算條件: 來襲魚雷航速55 kn, ATT航速60/70 kn、航深15 m、口徑=180 mm、長(zhǎng)細(xì)比10、動(dòng)力艙段長(zhǎng)6.5、燃燒室溫度2300 K、壓力30 MPa、外部過線方式, ATT彈道回轉(zhuǎn)半徑為8倍雷長(zhǎng), 最小安全距離150 m。表1給出了火箭推進(jìn)模式下, ATT航速60/70 kn時(shí)的理論工作性能對(duì)比?？梢? 在火箭推進(jìn)模式下, ATT航速為60 kn時(shí), 二次攻擊發(fā)射時(shí)機(jī)時(shí)間窗口理論值也不足5 s, 實(shí)際作戰(zhàn)條件下難以實(shí)現(xiàn)二次攻擊。

表1 火箭推進(jìn)方式下ATT的理論工作性能對(duì)比

2 推進(jìn)模式

對(duì)于口徑180 mm左右的ATT, 如欲具備迎擊+追擊的二次攻擊能力, 航速宜達(dá)到70 kn, 故其動(dòng)力系統(tǒng)的功率負(fù)荷很大, 活塞機(jī)+推進(jìn)器推進(jìn)可暫不予考慮(推進(jìn)器輸入功率約85 kW)。而若采用常規(guī)魚雷的液體推進(jìn)劑+渦輪機(jī)+推進(jìn)器的推進(jìn)模式, 系統(tǒng)不僅構(gòu)成復(fù)雜、成本高, 且由于渦輪尺寸小, 轉(zhuǎn)速甚高, 由此帶來的問題難以短時(shí)間內(nèi)突破。

渦輪泵噴水推進(jìn)系統(tǒng)是采用固體火藥推進(jìn)劑,渦輪不經(jīng)減速而直接拖動(dòng)內(nèi)流道中的小尺寸軸流水泵的推進(jìn)模式, 內(nèi)流道進(jìn)水口開于雷體尾部殼體上, 排水口位于雷體尾部端面處。與常規(guī)推進(jìn)器推進(jìn)模式相比, 渦輪泵噴水推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單(無減速機(jī)構(gòu)、無輔機(jī))、無控制性瓶頸技術(shù)難題、工程實(shí)現(xiàn)容易、成本低、使用維護(hù)更方便。

渦輪泵推進(jìn)系統(tǒng)不自帶發(fā)電機(jī), 需另外攜帶電池進(jìn)行全雷供電, 但由于可以采用燃?xì)舛鏅C(jī), 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)用電量很少。另外, 由于來襲魚雷的聲學(xué)反射截面積很小, 似采用被動(dòng)聲自導(dǎo)為宜, 自導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)雷上電源容量的要求也不至于很高[6]。

對(duì)于輕型或更小口徑的高航速航行器, 渦輪泵系統(tǒng)的總效率相對(duì)較低, 但由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單、推進(jìn)劑可用艙段長(zhǎng)度大、推進(jìn)劑裝填體積利用率高、裝藥密度大, 其航程指標(biāo)與常規(guī)渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)接近。例如, 以MK46外形為例進(jìn)行計(jì)算, 燃料艙+尾段+推進(jìn)器長(zhǎng)度均取5.5D, 70 kn航速, 15 m航深下渦輪泵與常規(guī)渦輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)的重要性能指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

表2 渦輪泵與常規(guī)渦輪機(jī)系統(tǒng)推進(jìn)性能對(duì)比

渦輪泵噴水推進(jìn)系統(tǒng)的內(nèi)外流道速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布如圖2~圖4所示。

以下對(duì)火箭噴氣推進(jìn)、渦輪泵噴水推進(jìn)作初步對(duì)比理論計(jì)算, 計(jì)算條件為: 渦輪泵推進(jìn)燃燒室溫度1 600 K、壓力30 MPa, 其余條件與表1計(jì)算條件相同。ATT理論性能指標(biāo)對(duì)比見表3。

圖2 壓力云圖

圖3 外殼體壓力分布

圖4 內(nèi)流道壓力分布

表3 艦用180 mm口徑ATT的理論工作性能對(duì)比

可見, 渦輪泵推進(jìn)模式的性能顯著超出火箭推進(jìn), 最大迎擊+追擊發(fā)射距離達(dá)到火箭推進(jìn)的2.3倍。渦輪泵推進(jìn)模式可支持ATT在大于20 cab的距離上發(fā)射并實(shí)現(xiàn)迎擊+追擊的二次攻擊作戰(zhàn)模式。

另外, 盡管火箭推進(jìn)模式可勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)艦用ATT的二次攻擊, 但從艦用、潛用的通用性以及技術(shù)發(fā)展?jié)摿Φ慕嵌葋砜? 它并不適合[7]。表4給出了在500 m航深下的ATT理論性能對(duì)比。

表4 潛用180 mm口徑ATT的理論工作性能對(duì)比

可見, 180 mm口徑的潛用ATT, 若采用火箭推進(jìn)模式, 二次攻擊發(fā)射時(shí)機(jī)時(shí)間窗口理論值也不足8 s, 實(shí)際作戰(zhàn)條件下實(shí)現(xiàn)二次攻擊非常勉強(qiáng)。而采用渦輪泵推進(jìn)則還能夠支持15 cab左右的發(fā)射距離, 其性能指標(biāo)可以接受。

另外, 若ATT能夠采用低速迎擊+高速追擊的變速攻擊模式, 則命中概率會(huì)有所提高, 且發(fā)射距離可以顯著增大[8]。渦輪泵系統(tǒng)可以支持此種變速彈道, 而火箭推進(jìn)則不能。

若艦用ATT采用324 mm口徑, 則性能還會(huì)顯著提高, 以MK46的總長(zhǎng)度為例, 采用渦輪泵推進(jìn)的ATT理論性能指標(biāo)如表5所示, 其余計(jì)算條件同表3。

表5 艦用324 mm口徑ATT的理論工作性能

可見, 渦輪泵推進(jìn)模式可以支持324 mm口徑ATT在大于30 cab的距離上發(fā)射并實(shí)現(xiàn)迎擊+追擊的二次攻擊作戰(zhàn)模式, 這已經(jīng)達(dá)到了魚雷報(bào)警距離的量值, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)來襲魚雷發(fā)現(xiàn)即發(fā)射的作戰(zhàn)模式, 性能非常理想。

3 結(jié)論

1) 由于ATT是在目標(biāo)前半球發(fā)起攻擊, 命中概率低, 可考慮在迎擊失敗的條件下再進(jìn)行追擊, 實(shí)施迎擊+追擊的二次攻擊模式, 命中概率會(huì)顯著提高。

2) 如欲實(shí)施迎擊+追擊的二次攻擊模式, ATT航速以70 kn為宜。

3) 若ATT采用180 mm口徑, 對(duì)于艦用ATT, 盡管火箭推進(jìn)模式可勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)二次攻擊, 但渦輪泵推進(jìn)模式更適合, 其性能指標(biāo)超出甚多。

4) 對(duì)于潛用ATT, 火箭推進(jìn)模式支持二次攻擊非常勉強(qiáng), 而渦輪泵推進(jìn)模式能夠勝任。

5) 渦輪泵系統(tǒng)可以支持低速迎擊+高速追擊的變速ATT攔截攻擊模式。

6) 若ATT采用324 mm口徑, 配置渦輪泵推進(jìn)系統(tǒng), 其性能指標(biāo)將非常理想。

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Trajectory Organization and Propulsion Mode of Anti-torpedo Torpedo Based on double Attack Mode

LUO Kai, LI Dai-jin, DANG Jian-jun, WANG Yu-cai

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnicial University, Xi′an 710072, China )

The operational capacity of hard killing anti-torpedo weaponry, such as anti-torpedo torpedo, is essential for heavyweight warships. The hit probability of an anti-torpedo torpedo is low since it attacks from the fore-hemisphere of an incoming torpedo. This paper proposes a double attack mode including attacking and chasing, and provides trajectory organization and theoretical analysis method. This double attack mode can pursuit the target in the case of attack failure and improve the intercept hit probability significantly. Through theoretical trajectory calculation of the double attack mode, the theoretical operational performance indexes of an anti-torpedo torpedo with various propulsion modes are obtained via comparative analysis of the rocket jet propulsion, conventional turbine engine propulsion, turbine pump water jet propulsion and other propulsion modes. The allowable launch distance is more than 20 cab in turbine pump propulsion mode, which is 2.3 times of the allowable launch distance in rocket propulsion mode. By considering generality, reliability, developmental potential and other factors, the turbine pump is the best power propulsion mode for an anti-torpedo torpedo.

anti-torpedo torpedo; double attack; hit probability; propulsion mode; turbine pump

TJ630.1

A

1673-1948(2013)05-0321-05

2012-08-28;

2013-06-12.

羅 凱(1972-), 男, 副教授, 博士后, 主要研究方向?yàn)樗聞?dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及自動(dòng)控制.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)