張靜遠, 王 鵬
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聲自導魚雷雙雷齊射有關技術與戰(zhàn)術問題分析
張靜遠, 王 鵬
(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北, 武漢, 430033)
針對當前聲自導魚雷雙雷齊射有關問題理解上存在的分歧, 從齊射涉及的戰(zhàn)術與技術問題分析入手, 界定了齊射互導與相互干擾的內(nèi)涵及屬性; 從裝備研制角度分析了齊射防護措施及其在抗齊射相互干擾和防互導方面的適用性; 從作戰(zhàn)使用角度分析了聲自導魚雷雙雷齊射所能采取的戰(zhàn)術措施及其作用, 從而明確了從技術和戰(zhàn)術不同角度解決聲自導魚雷齊射問題的思路和能力范圍, 對齊射能力的檢驗內(nèi)容和方法提出建議。
聲自導魚雷; 齊射防護; 作戰(zhàn)使用
齊射作為提高聲自導魚雷作戰(zhàn)使用效果的重要手段之一, 是我海軍魚雷裝備研制、試驗和使用領域研究的重要問題。國內(nèi)從戰(zhàn)術層面研究魚雷齊射使用方法的文獻較多[1-10], 研究魚雷齊射互導及其防護問題的文獻則較少[11-12], 關于魚雷齊射功能的考核方法也有一定的研究成果[13]。從這些文獻中不難發(fā)現(xiàn), 由于國內(nèi)對聲自導魚雷齊射問題研究起步較晚, 對于聲自導魚雷齊射過程中可能產(chǎn)生的互導、相互干擾等問題, 業(yè)內(nèi)缺乏一致的認知, 特別是哪些問題應該從技術上解決, 哪些問題應該從戰(zhàn)術使用層面加以注意, 對于此類問題的理解還存在不同程度的異議, 這導致了在裝備研制、試驗考核乃至作戰(zhàn)使用方面對于齊射及其防護問題還存在不同的理解和分歧。
本文站在技術和戰(zhàn)術相結(jié)合的角度, 從齊射涉及的戰(zhàn)術與技術問題分析入手, 對齊射互導與相互干擾的內(nèi)涵及屬性進行分析界定; 明確齊射防護的概念, 并從裝備研制角度分析齊射防護措施及其在抗齊射相互干擾和防互導方面的適用性; 從作戰(zhàn)使用角度分析聲自導魚雷雙雷齊射所能采取的戰(zhàn)術措施及其作用, 明確了從技術上和戰(zhàn)術使用上解決聲自導魚雷齊射問題的思路和能力范圍; 針對可能采取的戰(zhàn)術和技術措施, 對齊射能力的檢驗內(nèi)容和方法提出建議, 旨在為魚雷及武器系統(tǒng)研制和部隊作戰(zhàn)使用提供參考。
齊射是使用2枚或2枚以上魚雷同時對同一目標進行射擊[13]。齊射通常是對水面艦艇或者潛艇管裝發(fā)射而言, 也適用于直升機HATS發(fā)射。
聲自導魚雷齊射涉及到兩雷之間的互導和相互干擾等戰(zhàn)術和技術問題?!盎А弊钤缬杀粍勇曌詫~雷齊射引發(fā), 隨著主動聲自導魚雷的出現(xiàn), 還引申出了主動互導和互為目標等概念, 下面對互導和相互干擾等概念進行說明, 對他們的戰(zhàn)術與技術屬性進行界定。為表述方便, 后續(xù)分析及示意圖中將齊射的2條魚雷分別稱為雷和雷, 該稱謂僅為區(qū)分2雷, 不特指齊射中的某條魚雷。
齊射要考慮的首要問題是如何避免互導?;Х譃楸粍踊Ш椭鲃踊?。
1) 被動互導
“被動互導”是指聲自導魚雷齊射時, 兩雷聲自導裝置開啟并以被動方式工作后,雷航行噪聲被雷自導裝置接收, 導致雷對雷的追蹤, 從而改變了雷的預定搜索航向, 失去了雙雷齊射的意義。由于齊射時, 兩雷通常是沿由單雷射擊的有利提前角所決定的主航向(也稱中線)兩側(cè)向前搜索, 一旦發(fā)生被動互導, 實質(zhì)上變成了1條雷搜索目標, 其實際搜索效果比單雷射擊時按主航向搜索要差, 即產(chǎn)生互導后的兩雷齊射效果要遠低于單雷射擊的效果。
發(fā)生被動互導的條件是經(jīng)過一段時間航行后,雷逐漸超前雷, 并進入到雷的自導搜索扇面之中, 同時兩雷的距離小于雷的被動自導作用距離(反之亦然, 下同)。此時的陣位條件稱為滿足被動互導的陣位條件, 見圖1。
2) 主動互導
“主動互導”是指聲自導魚雷齊射時, 相鄰兩雷自導裝置開啟并以主動方式工作后,雷的主動探測信號捕獲到雷, 并判為目標, 導致雷對雷的追蹤, 從而改變了雷的預定搜索航向, 失去了雙雷齊射的意義。
發(fā)生這種主動互導的條件是經(jīng)過一段時間航行后,雷逐漸超前雷, 并進入到雷的自導搜索扇面之中(同時兩雷的距離小于雷對雷的主動自導作用距離)。此時的陣位條件稱為滿足主動互導的陣位條件, 參見圖1。
圖1 互導陣位態(tài)勢
3)互為目標
極端情況下, 當兩雷呈相向運動狀態(tài)時, 1枚魚雷的輻射噪聲被相向運動的另一枚魚雷接收, 并判為被動目標, 形成單向被動跟蹤, 或者互為目標狀態(tài)而形成雙雷被動雙互導跟蹤。1枚魚雷發(fā)射的自導探測信號被相向運動的另一枚魚雷接收, 并判為目標信號, 形成單向跟蹤, 或者互為目標而形成雙雷主動雙互導跟蹤, 見圖2。
圖2 互導與互為目標陣位態(tài)勢
除了上面的互導之外, 在聲自導魚雷雙雷齊射時, 還存在齊射兩雷相互干擾問題, 主要包括如下4個方面。
1)鄰雷航行噪聲的相互干擾
由于雷航行噪聲的存在, 通過水聲環(huán)境的傳播和各種反射、散射, 傳遞到雷的自導聲基陣, 導致自導系統(tǒng)的干擾噪聲增強, 影響主動或被動自導對目標的檢測。
2)鄰雷探測目標回波的干擾
對于主動聲自導魚雷來說, 除了鄰雷的航行噪聲影響外, 任意1枚魚雷所發(fā)射探測脈沖經(jīng)目標反射所產(chǎn)生的回波會對另一枚魚雷產(chǎn)生干擾, 即雷的探測脈沖經(jīng)目標反射的回波被雷自導裝置接收并正常處理, 或者反之,雷的探測脈沖回波被雷接收并正常處理, 導致2條魚雷的探測邏輯混亂, 無法實現(xiàn)對真實目標的有效探測、參數(shù)估計和跟蹤。由于主動自導通常采用距離門和隨跟蹤距離的變化改變主動探測周期等技術, 因此, 當對鄰雷自導探測回波進行處理而不是對本雷探測回波進行處理時, 通常無法實現(xiàn)對目標的正常跟蹤和攻擊, 其危害是巨大的。
3)鄰雷探測信號所產(chǎn)生混響的干擾
對于主動聲自導魚雷來說, 除了鄰雷探測目標回波的干擾外, 鄰雷發(fā)射的探測脈沖所產(chǎn)生的混響也將嚴重影響本雷對目標的探測。從信號處理的角度分析, 魚雷自導系統(tǒng)自身發(fā)射信號產(chǎn)生混響的到達時間和規(guī)律基本已知, 因此可以采用自動增益控制(automatic gain control, AGC)、混響增益控制(reverberation gain control, RGC)等信號處理手段, 針對性地進行混響抑制。而對于鄰雷發(fā)射信號產(chǎn)生的混響, 由于本雷無從得知其到達時間和衰減規(guī)律, 無法進行類似的混響抑制, 這使得鄰雷產(chǎn)生的混響成為重要的外來干擾。無論齊射兩雷處于何種陣位態(tài)勢, 只要兩雷自導波束指向同一方向(區(qū)域), 混響的相互干擾就不可避免地存在。這種情況當兩雷同時跟蹤目標到達一定距離, 使得兩雷相距較近時尤其顯著。
4)引信的相互干擾
由于齊射兩雷目的是命中目標, 因此還有兩雷引信方面的相互干擾問題, 即當相鄰兩雷(跟蹤目標)航行距離較近時, 可能會由于電磁等非觸發(fā)引信的相互干擾而造成引信的不動作或者誤動作, 從而影響命中毀傷目標, 這也是必須要考慮的重要問題。
互導與相互干擾都是由齊射引發(fā)的不利于魚雷使用的問題。這些問題可能發(fā)生在初始搜索階段, 也可能發(fā)生在跟蹤攻擊目標過程中的某一階段?;Ш拖嗷ジ蓴_的出現(xiàn)并非單一的, 往往是多種情況同時存在, 但是這兩種問題的性質(zhì)并不相同。
首先, 產(chǎn)生互導的條件是兩雷相對陣位滿足互導陣位條件。而陣位條件的選擇是戰(zhàn)術使用問題, 因此, 應該從魚雷戰(zhàn)術使用的角度考慮避免形成互導陣位, 從技術角度考慮如何避免在已經(jīng)形成互導陣位條件時,實際不產(chǎn)生互導??傊? 要避免互導, 需要在戰(zhàn)術和技術兩方面同時做工作。
其次, 齊射魚雷之間的相互干擾是由魚雷使用環(huán)境帶來的, 不管齊射兩雷相對陣位如何, 這些干擾始終存在, 只能通過產(chǎn)品設計技術手段解決。換句話說, 要降低或者消除相互干擾, 只能通過技術手段解決。
同時也應該看到, 各種相互干擾的危害性不盡相同。其中鄰雷探測目標回波的干擾最為嚴重, 如果聲自導魚雷不具備抑制鄰雷探測目標回波干擾的能力, 那么本質(zhì)上說該型魚雷就不具備雙雷齊射功能。其次是抑制鄰雷探測信號所產(chǎn)生混響的干擾問題, 該問題解決得如何, 將在很大程度上決定齊射使用效果。而引信相互干擾問題則是引信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的問題, 在此不做探討。
現(xiàn)代自導魚雷多為主動自導或者主被動聯(lián)合自導工作方式, 因此應同時考慮如何避免各類互導和相互干擾問題。由上述分析可知, 互導與相互干擾屬于不同屬性的問題, 其解決途徑也不同。其中自導、引信的相互干擾等問題必須通過采取對應的防干擾等技術措施, 在魚雷設計時解決; 而主動或者被動互導則必須通過作戰(zhàn)使用的組織實施并結(jié)合技術手段來解決。下面分別從技術與戰(zhàn)術層面給予分析。
聲自導魚雷為了實現(xiàn)齊射而專門采取的防相互干擾的技術措施, 此前有稱為齊射保護措施[10,12]。從保護一詞的屬性分析不是很貼切, 因此本文將其改稱為齊射防護技術。目前, 齊射防護技術主要應用于主動聲自導魚雷齊射, 目的是解決鄰雷探測目標回波的干擾和鄰雷探測信號所產(chǎn)生混響的干擾。從應用情況看, 解決聲自導魚雷主動齊射防護問題的技術途徑主要有下面幾種[10,12]。
1)采用標記頻率加保護通道。在魚雷自導系統(tǒng)中設置標記頻率和保護通道, 每1條魚雷的標記頻率可以在發(fā)射前設定。自導開機工作后, 在發(fā)射探測脈沖之前較短時間, 發(fā)射一窄的前置脈沖, 該脈沖通常為矩形包絡的CW信號, 其載波頻率為該雷的標記頻率。接收機系統(tǒng)同時設置一保護通道, 對自導接收信號處理通道實施控制。當系統(tǒng)接收到回波脈沖后, 首先在保護通道進行對前置脈沖回波信號的處理, 僅當接收到屬于本雷標記頻率的脈沖信號時, 保護通道才開啟自導接收通道, 進行對真實探測脈沖回波的接收處理; 如果保護通道處理的標記頻率不屬于本雷, 則保護通道關閉自導接收通道, 不對探測脈沖回波進行分析處理, 以此避免誤處理其他魚雷發(fā)射脈沖的回波。
2)采用不同的脈沖重復周期。2條雷的探測脈沖周期不同(發(fā)射前設定), 其中雷比雷的脈沖周期長一定比例(比如20%)。兩雷自導開機工作后, 盡管雷有可能會在某個時刻接收并處理雷的回波脈沖信號, 但是由于魚雷自導距離門的作用, 可以在下一個周期錯開并正確接收處理自身發(fā)射的探測脈沖回波。而一個周期的錯誤判定不會影響總的探測效果。
3)采用不同的探測波形。這一點很好理解, 比如2條雷在同樣頻帶范圍內(nèi)分別采用正、負不同的調(diào)頻方式, 避免互相干擾。還可以專門設計不同形式的探測波形, 利用齊射兩雷在波形上的差異對自身探測脈沖回波進行識別處理。
4)采用不同的工作頻段。當換能器基陣頻帶范圍允許時, 可以設定2條雷工作于不同的頻段, 徹底排除相互干擾。
兩年前的2016年6月,鄭州大學第一附屬醫(yī)院(以下簡稱“鄭大一附院”)神經(jīng)內(nèi)科開始關注卒中后吞咽障礙患者營養(yǎng)管理。
5)采用抗干擾信號處理手段。通過信號處理手段, 對本雷探測脈沖回波信號之外的信息進行抑制, 排除鄰雷探測脈沖所產(chǎn)生的回波、混響和噪聲等干擾。
6)采用抗互導信號處理手段。通過目標識別等信號處理手段, 盡可能避免當兩雷已形成互導陣位態(tài)勢時, 一方將另一方作為主動或者被動目標進行跟蹤攻擊。顯然一般的抗干擾信號處理手段解決不了抗互導問題, 需要專門針對性地研究信號處理方法。
上述方法在一型雷上可能應用其中一種或者同時應用幾種。比如, 同時采用標記頻率加保護通道和采用不同脈沖重復周期的組合等。
上述齊射防護措施方法各異, 使用效果也不盡相同。
1)無論采用哪種齊射防護措施, 鄰雷噪聲的干擾是無法徹底消除的, 只能通過抗干擾信號處理手段進行抑制。因此抗干擾信號處理手段是任何齊射防護措施都需要的。
2)采用標記頻率加保護通道的方法可以有效避開對鄰雷探測脈沖回波的處理, 但是無法消除由鄰雷探測脈沖所產(chǎn)生的混響對本雷的影響。同時, 采用該方法會帶來額外的好處: 當被攻擊對象采用聲誘餌進行水聲對抗作戰(zhàn)時, 其前置脈沖具有一定的水聲反對抗功能, 即當誘餌識別出前置脈沖頻率并進行應答時, 脈沖突然中止; 當誘餌正在應答前置脈沖時, 后續(xù)正式的探測脈沖來到, 誘餌來不及對探測脈沖進行頻率識別和應答處理, 對抗效果將受到影響。因此, 魚雷水聲反對抗措施之一, 就是在探測脈沖之前發(fā)射誘騙誘餌應答的窄脈沖, 稱為前置誘發(fā)脈沖。用于齊射時作為標記頻率使用的前置脈沖, 本身就是前置誘發(fā)脈沖。
3)采用不同發(fā)射波形的方法整體看效果不會太理想。首先, 類似正負調(diào)頻這樣的波形在對抗鄰雷回波干擾時會有一定效果, 但是會使檢測門限有所抬高, 使檢測距離有所下降; 其次, 由于不同的發(fā)射波形屬于同一個頻帶范圍, 無法對抗鄰雷探測信號所產(chǎn)生混響的干擾。因此, 單純利用該方法效果將十分有限。
4)采用不同的工作頻帶, 由于齊射兩雷的自導探測信號頻段不同, 所產(chǎn)生的混響不會對鄰雷造成本質(zhì)的影響, 因此無論是抑制鄰雷探測目標回波的干擾, 還是抑制鄰雷探測信號所產(chǎn)生混響的干擾都將是最為有效的方法。同時該方法最為直接, 在信號處理上也較為簡單, 其最大不足是損失了寶貴的自導換能器有效帶寬。另外, 當要求2枚以上魚雷齊射時, 對換能器帶寬的要求就更高了。
綜合各種齊射防護技術措施分析可知, 通過技術設計, 可以在一定程度上解決魚雷齊射所產(chǎn)生的相互干擾, 但是無法解決滿足互導陣位態(tài)勢時可能產(chǎn)生的主動或者被動互導。要避免互導, 必須采用抗互導信號處理手段, 而這樣的技術要求在當前是非常難以實現(xiàn)的, 需要結(jié)合合理的戰(zhàn)術使用來解決。
廣義上講, 聲自導魚雷的搜索彈道分為兩大類: 主航向類和圖形類。所謂主航向類搜索彈道是指魚雷發(fā)射后, 以某一運動方式(直航、蛇行、折線、梯形等)沿搜索主航向方向搜索。圖形類搜索彈道是指魚雷并不固定地向某一方向長時間、遠距離地搜索, 而是以某一運動方式(圓形、螺線形、螺旋形、“8”字形等)圍繞入水點附近搜索。聲自導魚雷根據(jù)其使用工作方式不同, 可能采取單一的主航向類彈道、圖形類彈道進行初始搜索, 也可能采用主航向加圖形類初始搜索彈道。通常魚雷齊射主要指采用主航向類搜索彈道魚雷的應用, 下面專門給予分析。
魚雷齊射有2種組織實施方法: 扇面齊射和平行航向齊射。其中扇面齊射則是分析齊射戰(zhàn)術使用問題的基礎。
聲自導魚雷扇面齊射要解決的基本問題是雷數(shù)和散角。對自導魚雷而言, 由于需要自導齊射防護等技術措施, 齊射雷數(shù)通常不多于2條。因此, 需要著重討論的是雙雷齊射下的散角問題。
所謂齊射散角是指齊射中線與魚雷航向線之間的角度。顯然, 齊射散角是針對齊射的每1枚魚雷單獨而言的, 不是同時針對齊射的2條雷。也就是說, 齊射的2枚魚雷有各自的齊射散角, 不同魚雷的齊射散角可以不同。
分析聲自導魚雷齊射散角的基本思路: 按保證齊射兩雷不發(fā)生互導的陣位關系確定最小允許散角; 按齊射兩雷自導扇面在齊射中線與目標航向線交點處相銜接的陣位關系, 確定最大允許理論散角。在此基礎上, 優(yōu)化求得在一定射擊條件下, 保證兩雷不發(fā)生互導時, 使齊射魚雷發(fā)現(xiàn)目標總概率最高的散角, 即自導魚雷扇面齊射的最優(yōu)散角[12]。其形式為(參見圖3)
式中: 系數(shù)為優(yōu)化所得, 通常依據(jù)水聲環(huán)境的不同取某一小于1的值; 為自導作用距離, 當系統(tǒng)的系數(shù)取定值時, 可以根據(jù)水聲環(huán)境的不同, 通過調(diào)整自導作用距離的取值, 得到不同的齊射散角; 為自導扇面開角; 為齊射中線上魚雷發(fā)射點到期望命中點的距離, 中線可由單雷射擊的有利提前角確定。
平行航向齊射是指齊射兩雷先向齊射主航向兩側(cè)扇形展開, 然后轉(zhuǎn)入與齊射主航向平行的方向上以一定間隔平行向前搜索目標。由于魚雷技術水平的不斷提高, 平行航向齊射因其有較好的使用效果, 已成為自導魚雷齊射的主要組織實施方法。
圖4 平行航向齊射時的陣位態(tài)勢
平行航向齊射魚雷射擊參數(shù)求解依據(jù)下面原則建模。
1)兩雷自導搜索扇面的等信號區(qū)的中心和目標應同時達到提前點(齊射中線與目標航向線的交點);
2)在自導系統(tǒng)開機開始搜索目標時刻, 齊射的所有魚雷應同時到達與齊射中線相垂直的線上, 形成平行航向狀態(tài);
3)魚雷自導開機和魚雷轉(zhuǎn)至與齊射中線相平行的航向后, 魚雷航行線之間應保持一定距離, 以確保相鄰兩雷不會產(chǎn)生互導。
平行航向齊射時, 通常根據(jù)魚雷特性首先設定展開距離值, 再依據(jù)下面公式計算出齊射散角
齊射中線可通過2種方法確定。
無論平行航向齊射還是扇面齊射, 所有可以采取的戰(zhàn)術措施只能防止魚雷初始搜索階段形成互導的陣位態(tài)勢, 無法避免魚雷發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標過程中自然形成的可能造成互導的陣位形勢, 這一點務必引起魚雷設計人員的重視。
當魚雷空投發(fā)射(HATS發(fā)射除外)或者火箭助飛發(fā)射時, 通常采用圖形類初始搜索彈道。無論對于何種搜索圖形, 在一定距離內(nèi)有2枚魚雷同時工作時, 必然會形成1枚魚雷處于另一枚魚雷自導搜索扇面之內(nèi)的互導陣位形勢, 甚至可能會形成2枚魚雷同時存在于對方自導扇面之內(nèi)而形成互為目標的陣位態(tài)勢(參見圖2)。
由于魚雷航向俯仰姿態(tài)的不穩(wěn)定性, 要想通過設定不同初始搜索深度的方式來避免圖形類初始搜索彈道下互導陣位的形成也是不現(xiàn)實的。要真正實現(xiàn)在助飛發(fā)射方式下的齊射攻擊, 必備的條件是魚雷具有在已經(jīng)形成互導陣位條件下, 主動和被動均不會產(chǎn)生互導的能力。這需要在技術層面做大量的工作, 特別是對同類魚雷目標的識別能力要求非常之苛刻。縱觀世界各國魚雷技術發(fā)展, 目前階段要求魚雷實現(xiàn)這種能力似乎過于苛刻。但是對一次具體的作戰(zhàn)行動來說, 并不等于不可以使用助飛魚雷實施雙雷齊射攻擊, 對于威脅較大的水下目標或者緊急情況下, 使用助飛魚雷進行齊射也是可以嘗試的, 因此對其作戰(zhàn)使用方法進行研究十分必要。同樣, 還應進一步對助飛魚雷連射使用方法進行研究。
本文從戰(zhàn)術使用與技術措施2個方面, 詳細分析了聲自導魚雷齊射中的互導與相互干擾的內(nèi)涵及屬性。研究表明, 聲自導魚雷齊射中, 互導和相互干擾都是影響齊射作戰(zhàn)使用效果的不利因素, 然而兩者屬性不盡相同。相互干擾是技術層面的問題, 由魚雷使用環(huán)境條件決定, 因此只能通過技術措施來降低其影響和危害?;У某霈F(xiàn)既包括戰(zhàn)術使用方法的問題, 又包括魚雷本身的技術防護能力問題, 要避免互導則要從技術與戰(zhàn)術2個層面進行考慮。
自導魚雷齊射能力檢驗的問題同樣是該領域的關鍵問題, 重點應放在以防止和抑制齊射相互干擾為主的齊射防護能力檢驗上。當前條件下對魚雷自導抗互導技術能力的檢驗應該以定性考核為主, 即通過形成互導陣位后魚雷對鄰雷是否產(chǎn)生跟蹤以及在什么條件下才能產(chǎn)生跟蹤進行試驗, 得到相關的數(shù)據(jù), 為后續(xù)齊射防護能力的改進和提高奠定基礎。
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Technical and Tactical Analysis of Two-Torpedo Salvo for Acoustic Homing Torpedo
ZHANG Jing-yuan, WANG Peng
(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )
For clarifying different understandings of two-torpedo salvo of an acoustic homing torpedo, the meanings and attributions of mutual-homing and mutual-interference are discriminated. Measures of salvo protection are analyzed, and the applicability of the measures to anti mutual-homing and anti mutual-interference is discussed. Considering operational application, the possible tactical ways of two-torpedo salvo is analyzed. Thus the solutions to solve the technical and tactical problems in the two-torpedo salvo and the corresponding limitation are described. In addition, test items and test methods of salvo capability of an acoustic homing torpedoes are suggested.
acoustic homing torpedo; salvo protection; operational application
TJ631.5
A
1673-1948(2013)04-0299-07
2013-05-07;
2013-05-18.
張靜遠(1964-), 男, 教授, 博士生導師, 研究方向為水聲制導信號處理, 魚雷作戰(zhàn)使用與武器系統(tǒng)分析.
(責任編輯: 許 妍)