趙丹輝, 何心怡, 陳兆峰, 朱 濱

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火箭自導深彈齊射方法研究

趙丹輝, 何心怡, 陳兆峰, 朱 濱

(海軍裝備研究院, 北京, 100161)

以“海矛”火箭自導深彈為原型, 根據(jù)公開報道的參數(shù)結合一般性的假設, 建立了虛擬火箭自導深彈的彈道模型和自導檢測模型, 確定了相應的齊射方法, 并以所建立的模型和確定的齊射方法為基礎對多枚深彈的齊射命中概率進行了仿真及比較, 結果表明, 在典型條件下, 3枚齊射可達到最優(yōu)費效比; 目標距離越近、機動程度越大, 齊射命中概率越高。

火箭自導深彈; 多枚齊射; 齊射方法; 最優(yōu)費效比

0 引言

火箭自導深彈是一種新型近程反潛武器, 主要用于淺海反潛, 并可兼顧深海作戰(zhàn), 具備自導功能, 作戰(zhàn)能力較傳統(tǒng)無自導火箭深彈大幅提升。目前西歐和俄羅斯等各海軍強國都研制了符合本國作戰(zhàn)需求的火箭自導深彈, 尤其是德國的“海矛”火箭自導深彈, 可利用獨特的舷側陣自導系統(tǒng)在水平360°范圍內搜索探測目標, 攻潛方式非常新穎, 代表了目前火箭自導深彈發(fā)展的最高水平, 阿特拉斯電子公司的大量試驗驗證了其具有較高的淺海反潛效能[1], 國內外對此類火箭自導深彈均很關注。

水面艦艇使用火箭自導深彈攻潛時, 通常向目標實施多枚齊射, 齊射方法的科學與否將直接對命中概率產生影響。因此, 有必要對火箭自導深彈的齊射方法進行研究。文中以“海矛”為原型, 根據(jù)公開報道的參數(shù)結合一般性的假設, 建立了虛擬“海矛”類火箭自導深彈(以下簡稱火箭自導深彈)的彈道模型和自導檢測模型, 研究給出了該武器的齊射方法, 并對其齊射命中概率進行了仿真, 仿真結果表明, 所給出的齊射方法具有較高的命中概率, 可為此類武器的作戰(zhàn)使用提供參考。

1 火箭自導深彈基本情況介紹

以先進的德國“海矛”為原型, 對火箭自導深彈作如下介紹[1]。

1.1 火箭自導深彈組成及結構參數(shù)

如圖1所示, 火箭自導深彈全彈由助推器、空投附件和水下彈幾部分組成, 作為有效載荷的水下彈又由彈體、彈頂陣自導系統(tǒng)、舷側陣自導系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、引信系統(tǒng)、動力系統(tǒng)以及戰(zhàn)斗部等組成。水下彈長度為900 mm, 彈徑124 mm, 質量20 kg, 加上助推器, 長度為2 300 mm, 質量小于43 kg。

圖1 火箭自導深彈組成示意圖

1.2 火箭自導深彈攻潛過程

火箭自導深彈的攻潛過程按照功能可劃分為6個階段, 如圖2所示。

圖2 火箭自導深彈攻潛過程示意圖

階段1: 火箭自導深彈由水面艦艇發(fā)射, 在助推器作用下按照預先設定好的助飛彈道飛行(助飛段彈道)。

階段2: 助飛彈道結束后, 助推器分離, 空投附件動作, 打開第1個降落傘。

階段3: 水下彈在降落傘的作用下減速穩(wěn)定飛行, 以一定速度和姿態(tài)入水(彈傘段彈道)。

階段4: 入水后, 水下彈的速度將被第2個降落傘瞬時降低, 且彈體的縱軸在控制系統(tǒng)作用下, 快速修正到垂直方向(入水段彈道), 開始勻慢速向下運動(準懸停沉降段彈道)。

階段5: 在準懸停沉降過程中, 舷側陣自導系統(tǒng)在水平360°范圍內搜索目標。為了降低海底和海面的界面混響, 該舷側陣自導系統(tǒng)的垂直搜索扇面很窄, 因此, 在探測到目標時水下彈所在深度幾乎與目標一致。

階段6: 舷側陣自導系統(tǒng)探測到目標時, 水下彈的動力系統(tǒng)啟動, 同時控制系統(tǒng)操舵使彈體朝目標傾斜轉向(傾斜轉向彈道), 轉為由彈頂陣自導系統(tǒng)搜索目標; 彈頂陣自導系統(tǒng)探測到目標后, 水下彈將依據(jù)一定的導引律對目標發(fā)起攻擊(導引攻擊段); 撞上目標后, 觸發(fā)引信動作引爆聚能戰(zhàn)斗部。

需要特別注意的是, 水下彈在準懸停沉降時, 彈頂陣自導系統(tǒng)僅作為回聲探測儀使用, 在淺?？梢詫崟r獲取深彈沉降位置與海底的距離, 并依此判斷水下彈是否在目標的正上方, 實現(xiàn)對目標“天頂”的攻擊。

2 彈道模型和自導檢測模型

根據(jù)公開報道的“海矛”火箭自導深彈的參數(shù)和攻潛過程, 結合國內相關研究得到的部分參數(shù)及一般性的假設, 建立火箭自導深彈的彈道模型和自導檢測模型, 各模型中坐標系的含義均與文獻[2]中相同。

2.1 彈道模型

總的來說,火箭自導深彈的彈道分為空中和水下兩段。其空中段彈道包括助飛段彈道和彈傘段彈道; 水下段彈道包括入水段彈道、準懸停沉降段彈道、傾斜轉向段彈道和導引攻擊段彈道。

2.1.1 空中段彈道模型

建立地面坐標系表示質心在空間中的位置, 原點為發(fā)射位置。為了簡化計算, 假設彈體運動過程中無傾斜和側向運動, 在縱平面內研究其空中段的彈道。

1) 助飛段彈道模型

助飛段彈道從火箭自導深彈發(fā)射開始到助推器分離為止。除地面系外, 另建立彈道坐標系, 研究該段質心的運動情況。其助飛彈道方程為[3]

2) 彈傘段彈道模型

彈傘段彈道從助推器分離開始到水下彈入水為止。除地面系和彈道系外, 另建立彈體坐標系研究彈傘系統(tǒng)的位置及姿態(tài), 如圖3所示。

圖3 彈傘系統(tǒng)示意圖

彈傘系統(tǒng)彈道方程為

2.1.2 水下段彈道模型

水下段彈道需要考慮水下彈所受到浮力的作用, 首先給出其縱平面內質點動力學方程(地面坐標系)。

入水段、準懸停沉降段、傾斜轉向段3個階段的水下彈道都可用式(6)中的微分方程通過數(shù)值方法計算, 只是不同階段各參數(shù)的取值和解微分方程時的初值不同而已。

1) 入水段彈道模型

2) 準懸停沉降段彈道模型

準懸停沉降段彈道從水下彈速度降為準懸停沉降速度開始到舷側陣自導系統(tǒng)探測到目標為止。準懸停沉降段同樣是無動力段, 此階段水下彈所受到的負浮力=阻力, 彈道傾角始終為–90°, 即水下彈以入水段結束時的速度做勻速垂直向下的運動。

3) 傾斜轉向段彈道模型

傾斜轉向段彈道從舷側陣自導系統(tǒng)探測到目標開始到彈頂陣自導系統(tǒng)探測到目標為止。在傾斜轉向段, 水下彈動力系統(tǒng)啟動, 以一定的推力、轉彎半徑朝目標傾斜轉向。將準懸停沉降段結束時的參數(shù)作為初值, 求解式(6)的微分方程, 可以得到該段的彈道參數(shù)。

4) 導引攻擊段彈道模型

導引攻擊段彈道從彈頂陣自導系統(tǒng)探測到目標開始到水下彈撞上目標或超過航程自毀為止。文中采用運動學模型和比例導引律研究水下彈的導引攻擊段彈道。比例導引律是指武器運動過程中速度矢量的轉動角速度與目標線的轉動角速度成比例的一種導引方法。

圖4為自導深彈與目標在一個縱平面內的相對運動示意圖。

圖4 水下彈與目標的相對運動

在一個縱平面內彈目的相對運動方程為

比例導引律方程為

火箭自導深彈導引攻擊過程是在3D空間中進行的, 為便于研究, 考慮到水下彈具有良好橫滾控制性能的前提下, 彈體的側向運動與縱向運動可以解耦, 因此可將3D空間運動投影到2個相互垂直的縱平面內, 利用上述模型在這2個平面內分別進行比例導引計算, 然后再合成到3D空間中, 即可得到對應的3D導引攻擊彈道。

2.2 自導檢測模型

火箭自導深彈同時擁有舷側陣自導系統(tǒng)和彈頂陣自導系統(tǒng), 如圖5所示。在準懸停沉降過程中水下彈利用舷側陣自導系統(tǒng)搜索目標, 發(fā)現(xiàn)目標后彈體向目標所在方位傾斜轉向時, 水下彈轉為開始利用彈頂陣自導系統(tǒng)搜索目標。

圖5 自導系統(tǒng)工作示意圖

設1,2分別為舷側陣和彈頂陣自導系統(tǒng)作用距離,1,2分別為舷側陣和彈頂陣自導扇面角,為目標潛艇與水下彈距離,1,2分別為目標在舷側陣和彈頂陣自導系統(tǒng)測量系中的角度, 在準懸停沉降段, 若同時滿足約束條件≤1,1≤1, 則認為舷側陣自導系統(tǒng)探測到目標, 在傾斜轉向段, 若同時滿足≤2,2≤2, 則認為彈頂陣自導系統(tǒng)探測到目標, 彈頂陣探測到目標后, 自導深彈將按照導引律向目標運動。

3 火箭自導深彈齊射方法

3.1 基本射擊方法

對目標提前點射擊和對目標當前點射擊是火箭自導深彈2種基本射擊方法[3]。

1) 對目標提前點射擊法

火箭自導深彈發(fā)射時刻, 若探測設備此前一直保持對目標的穩(wěn)定跟蹤, 并且火控系統(tǒng)已解算出目標的航向、航速等運動要素, 可以對目標提前點進行射擊。

2) 對目標當前點射擊法

火箭自導深彈發(fā)射時刻, 火控系統(tǒng)未能及時解算或根本無法解算目標運動要素, 我艦僅知道目標潛艇的位置坐標時, 可以對目標當前點進行射擊。

3.2 基本射擊方法比較與分析

表1從解目標運動要素程度、反應時間和命中概率3個方面對2種基本射擊方法進行了比較。

表1 基本射擊方法比較

對目標提前點射擊雖然命中概率高, 但對火控系統(tǒng)要求也很高, 需要解算目標運動要素并對目標將要到達的位置進行預測, 往往需要幾分鐘的時間, 有時甚至根本無法解算, 達不到快速反應的要求, 容易貽誤戰(zhàn)機。

對目標當前點射擊的命中概率不及提前點射擊高, 但對火控系統(tǒng)要求較低, 且不需要解算目標運動要素并準確預測目標將要到達的位置, 可以大幅縮短反應時間。

火箭自導深彈為近程反潛武器, 具有空中飛行速度快(遠遠大于潛艇的航速)的特點, 發(fā)射后可以在很短的時間內到達瞄準點。為了最大程度地發(fā)揮其可快速攻擊的優(yōu)點, 應選擇對目標當前點射擊的方法實施攻潛, 同時可采取多枚齊射的方式彌補其命中概率低于提前點射擊法的不足。

3.3 當前點齊射方法的提出

向目標當前點射擊時, 對我方而言, 目標是在火箭自導深彈運動過程中, 以未知的航速和航向駛離當前點的, 形成了一個可能位置區(qū)域。因此, 目標的距離越遠、深度越大, 其可能位置區(qū)域就越大。當目標可能位置區(qū)域大到一定程度時, 單枚彈以當前點為瞄準點的射擊方法就無法達到較高的作戰(zhàn)效能, 傳統(tǒng)火箭深彈以固定發(fā)射時間間隔(0.2 s), 對同一瞄準點齊射的方法也不適用。因此, 應采取圍繞目標當前點向不同瞄準點實施分時點射的齊射方法[4], 以盡量覆蓋較大的目標可能位置區(qū)域。

3.4 當前點齊射瞄準點的選擇

火箭自導深彈齊射是指, 水面艦艇發(fā)射2枚或2枚以上火箭自導深彈對同一目標進行射擊, 使火箭自導深彈同時或在較短時間間隔內抵達預定落水點(瞄準點)的射擊方式[5]。齊射時, 應根據(jù)齊射數(shù)量、舷側陣自導系統(tǒng)作用范圍, 以當前點水平位置為中心, 合理組織各枚彈的瞄準點(落點)位置。

選擇火箭自導深彈齊射瞄準點應遵循以下原則: 首先, 應盡量覆蓋較大的目標可能位置區(qū)域; 其次, 各枚彈搜索范圍之間應有一定的重合部分。

1) 坐標系的選擇

2) 2枚當前點齊射瞄準點選擇

圖6 2枚齊射瞄準點選擇示意圖

3) 3枚當前點齊射瞄準點選擇

圖7 3枚齊射瞄準點選擇示意圖

3.5 齊射各枚彈的發(fā)射時間確定

齊射時, 各枚彈射程不同, 飛行時間也將不同。若要滿足齊射定義中“同時或在較短時間間隔內抵達預定落水點”的要求, 必須對各枚彈的發(fā)射時間做出規(guī)定。

4 仿真想定及結果分析

根據(jù)所建立的模型及給出的齊射方法, 在典型條件下, 對當前點齊射命中概率進行蒙特卡洛模擬仿真, 并分析仿真結果?；鸺詫顝椫饕獏?shù)設定見表2。

表2 火箭自導深彈主要戰(zhàn)術技術參數(shù)

4.1 誤差取值

基于蒙特卡洛法進行仿真, 各種隨機變量的誤差取值合適與否是仿真結論可信性的關鍵。根據(jù)一般經驗確定計算中涉及的主要誤差取值見表3[7]。

表3 主要誤差取值

表中:為目標與我艦的實際距離;為火箭自導深彈空中飛行距離。

4.2 目標初始態(tài)勢想定及仿真結果分析

目標潛艇航速范圍0~20 kn, 航向范圍0~360°, 深度范圍0~50 m。發(fā)射時刻, 目標潛艇的航速、航向以及深度按均勻分布隨機產生。為保證結果具有較高的置信度, 仿真次數(shù)取2 000, 結果如下。

1) 目標勻速直航時的齊射命中概率

為了體現(xiàn)直觀性, 圖8給出了對距離6 km的勻速直航目標齊射時, 命中范圍俯視圖。從圖中可以看出, 2枚齊射時存在明顯的攻擊盲區(qū)。

圖8 齊射命中目標范圍仿真示意圖

圖9給出了目標實際運動為勻速直航時的命中概率。如圖所示, 目標距離小于3 km時, 2枚齊射和3枚齊射的發(fā)現(xiàn)概率均在90%以上。隨著目標距離的增加, 2枚齊射命中概率迅速減小, 當距離為7 km時, 2枚齊射的命中概率下降到60%, 而3枚齊射在射程允許范圍內的命中概率均在90%以上。

2) 目標S狀運動時的齊射命中概率

圖10給出了目標潛艇為避免我艦解算運動要素而作S狀機動時的命中概率。從圖中可知, 該情況下3枚齊射命中概率同樣在90%以上, 2枚齊射命中概率較高于直航情況。原因是火箭自導深彈飛行和沉降過程中, 目標潛艇駛離當前點所產生的目標可能區(qū)域要小于直航情況。

圖9 對勻速直航目標齊射命中概率

圖10 對S狀運動目標齊射命中概率

3) 目標旋回機動時的齊射命中概率

圖11給出了目標在火箭自導深彈發(fā)射時刻為勻速直線運動, 而后進行旋回機動時的齊射命中概率。

圖11 對旋回機動目標齊射命中概率

從圖中可以看出, 對于隨機機動的潛艇目標, 齊射命中概率也大于直航運動潛艇。

5 結束語

文中建立了“海矛”類火箭自導深彈彈道模型和自導檢測模型, 并給出了齊射方法, 以此為基礎對不同條件下的當前點齊射命中概率進行了仿真。經研究認為, 在火箭自導深彈射程范圍內, 對在深度為50 m淺海水域活動的潛艇, 一次對目標當前點齊射3枚以上可達到90%以上的命中概率。所得到的結論可為進一步研究此類武器的作戰(zhàn)使用提供一定的參考。

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(責任編輯: 許 妍)

Study on Salvo Method of Rocket Homing Depth Charges

ZHAO Dan-huiHE Xin-yiCHEN Zhao-fengZHU Bin

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Taking Germany Seapike as an example, we establish a virtual trajectory model and a detecting model of a rocket homing depth charge based on the data from public reports and routine hypothesis, offer its salvo method, and compare the simulated hit probabilities of depth charge salvos with different number of depth charges. The results show that in typical conditions, 3 charges salvo could achieve the best cost-efficiency ratio, and higher hit probability of depth charge salvo can be obtained in the case of shorter target distance and larger maneuver.

rocket homing depth charge; multiple salvo; salvo method; best cost-efficiency

TJ65

A

1673-1948(2014)03-0214-07

2013-11-14;

2014-02-16.

國家自然科學基金(60902071).

趙丹輝(1984-), 男, 碩士, 研究方向為武器系統(tǒng)與運用工程.