許兆鵬，李　博，李　斌，王向陽（. 海軍潛艇學院，山東　青島 6604；. 中國人民解放軍935部隊，山東　威海 6400）

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主動聲自導魚雷極限射距主要影響因素仿真研究

許兆鵬1，李博1，李斌1，王向陽2
（1. 海軍潛艇學院，山東青島 266042；2. 中國人民解放軍91352部隊，山東威海 264200）

摘要:在魚雷攻擊中適宜的射距是確保魚雷命中目標的關(guān)鍵之一，在使用魚雷時必須確保所采用的射距在極限射距之內(nèi)，因此在射擊條件已知的前提下，要確定極限射距并且熟悉影響其值大小的主要因素及各因素的影響規(guī)律。依據(jù)主動聲自導魚雷的射擊模型，建立起極限射距的表達式，進而得出影響其值大小的主要因素。通過仿真對各影響因素進行定量研究，找出它們對極限射距的影響規(guī)律。此研究可為指揮員在作戰(zhàn)使用時提供必要的參考，以期充分靈活地利用研究成果，提高主動聲自導魚雷的命中概率。

關(guān)鍵詞：主動聲自導魚雷；極限射距；作用距離；目標舷角

0　引　言

在魚雷攻擊中適宜的射距和合適的魚雷射向是確保魚雷命中目標的關(guān)鍵[1]。所謂射距即發(fā)射魚雷時敵我之間的距離。有時按提前角（魚雷射向相對目標方位提前的角度，即發(fā)射方位到魚雷射向之間的夾角）確定的魚雷射向?qū)嵤┥鋼?，并不一定都能命中目標。這是因為魚雷攜帶的動力能源有限，魚雷極限射程（魚雷穩(wěn)定在設(shè)定速度和設(shè)定深度的最大航程）也有限，因此射距也必有限制，其最大允許值就是極限射距。如果發(fā)射魚雷時，敵我的距離大于極限射距，即便是魚雷射向合適，魚雷也不可能命中目標。極限射距嚴格定義是“在一定射擊條件下，魚雷從發(fā)射至命中目標所消耗的航程正好是魚雷極限射程，則發(fā)射魚雷時發(fā)射平臺與目標之間的距離稱極限射距?！?/p>

以往對魚雷極限射距的研究主要是針對直航魚雷，這是因為直航魚雷射擊模型簡單，攻擊過程比較直觀。而主動聲自導魚雷與直航魚雷相比本質(zhì)差別較大，其利用所安裝的主動聲自導裝置發(fā)出主動聲信號，經(jīng)目標艦船反射后被接收，進而識別、跟蹤、直至命中目標。因此主動聲自導魚雷的射擊模型較為復雜。

目前在使用主動聲自導魚雷時，對極限射距的考慮還不夠充分，因此有必要對其進行深入研究，找出影響其大小的主要因素以及各因素的影響規(guī)律，從而為指揮員在使用主動聲自導魚雷時提供必要的參考，以確保較高的命中概率。

1　極限射距及其主要影響因素

如圖1 所示，ds和 Ws分別為發(fā)射魚雷時的目標位置點和發(fā)射平臺位置點，目標的航向為 Hd，魚雷出管時的射向為 Hl；為假定魚雷直航時的命中角（攻擊時可由指控系統(tǒng)實時計算得出），為提前角，Xds為發(fā)射魚雷時的敵舷角；CT 為魚雷主動聲自導作用距離，用 r 表示；TWs為魚雷搜索段航程，用 Sl1表示；弧線 Sl2為自導追蹤段航程[2]，Dsj為極限射距；T 為魚雷發(fā)現(xiàn)目標時的位置點。

在三角形 WsdsC 中，依據(jù)敵速與雷速的關(guān)系可得：

式中：Vd為目標速度；Vl為魚雷速度。目標速度與魚雷速度的比值可用 m 來表示，即速度比。則依據(jù)余弦定理，極限射距可表示為：

對式（2）進行整理后得：

假定魚雷命中目標時，其所航行的距離恰巧為極限射程，則依據(jù)極限射程的定義可得：

其中 Slj為魚雷的極限射程，則

Sl2有明確的表達式[3]，即

式中 Xd為主動聲自導魚雷在搜索段航行過程中發(fā)現(xiàn)目標時的目標舷角。

通過式（3）、式（5）和式（6）可看出，主動聲自導魚雷的極限射距 Dsj與 Vd，Vl，Slj，r 和 Xd密切相關(guān)，上述各參數(shù)即為影響魚雷極限射距的主要因素。

在上述各參數(shù)中，Vd可通過指控系統(tǒng)計算得出，Vl和 Slj根據(jù)所采用主動聲自導魚雷的型號可提前確定。而 r 與發(fā)現(xiàn)目標時的目標舷角Xd有很大關(guān)系，其隨著 Xd的不同而變化。這是因為目標對聲波的反射強度具有方向性，魚雷接近目標所處的目標舷角（或命中角）不同，魚雷自導裝置發(fā)現(xiàn)目標的距離 r 會有較大的差異。

通常在計算過程中，近似地取魚雷自導裝置發(fā)現(xiàn)目標時的目標舷角為直航段時對目標的命中角，即 Xd等于θ，如圖1 所示，可認為魚雷自導扇面中線發(fā)現(xiàn)目標。則如上所述，在 Vd，Vl，Slj已知的條件下，Dsj可表示為 Xd和 r 的函數(shù)，亦可以表示為 θ 和 r 的函數(shù)。因此要想求得極限射距，關(guān)鍵是要求出魚雷在不同 Xd或 θ 條件下的主動聲自導作用距離 r。

圖1　主動聲自導魚雷攻擊示意圖Fig. 1　Active acoustic homing torpedo attack picture

2　主動聲自導作用距離

以往在計算極限射距的過程中 r 通常取定值，其常常取目標正橫方向上所對應(yīng)的主動聲自導作用距離，而實際上 r 隨著 Xd的不同而變化，這樣勢必會帶來一定的誤差，因此必須首先求出不同目標舷角所對應(yīng)的 r，之后才可以較準確地計算極限射距。

影響 r 的主要因素有水文條件[4]、目標反射強度、魚雷自噪聲、海洋混響等，同時還與魚雷自導裝置性能密切相關(guān)[5]。

在計算 r 的過程中，關(guān)系式的建立隨著主要背景噪聲的不同而不同，這里主要依據(jù)背景噪聲是否為各向同性噪聲。當背景干擾為各向同性的環(huán)境噪聲時，r理論計算可參照主動聲吶方程[6]：

式中：TL 為聲源到目標的聲傳播損失；SL 為聲源級；TS 為目標反射強度；NL 為背景噪聲干擾級；GL 為魚雷自導裝置處理增益；DT 為魚雷自導裝置檢測閾。

當主要背景噪聲為海洋混響時，由于混響是非各向同性的，主動聲吶方程則變?yōu)椋?/p>

其中 RL 為等效平面波混響級。在理想的水文條件下，魚雷自導裝置上的主動聲吶主要是受各向同性背景噪聲的影響，因此本文采用式（7）。

TL 可表示為擴展損耗 20lnr 和吸收損耗 βr 的和，即

其中 β 為聲波傳播衰減系數(shù)。

式中：t 為海水的溫度；h 為魚雷搜索深度；f 為魚雷中心工作頻率。

因此，式（7）可寫成：

上式亦稱魚雷主動聲自導方程，其中：

對于主動聲自導魚雷來說，目標對聲信號的反射強度 TS 至關(guān)重要，它直接影響 r。TS 與目標的大小、材料及入射波的角度有關(guān)。目標的幾何尺寸愈大，反射愈強；反射體的反射系數(shù)愈大，反射愈強；聲波從目標正橫入射，反射強；從目標首、尾入射，反射弱。為估算目標反射強度，可將目標等效為橢球體，其長、短半軸 A，B，C 分別對應(yīng)目標的長度、寬度和吃水深度（對水下目標為其高度）。目標強度估算公式為：

式中 K 為聲波反射系數(shù)，對鋼材料的艦艇該值為0.94。

將以上各項參數(shù)代入式（11）中，即可求出不同Xd（或 θ）所對應(yīng)的 r，進而依據(jù)式（3）可求得在不同 Xd（或 θ）條件下的極限射距。

3　仿真及分析

通過計算分析偏角不對中軸系勻速過程橫向振動特性，可知：

假設(shè)魚雷的極限射程為 10 km，航速為 30 kn，聲自導裝置的處理增益 GL 為 20 dB，自導裝置檢測閾DT 為 10 dB，魚雷中心工作頻率為 24 kHz，魚雷搜索深度 h 為 15 m；攻擊海區(qū)為等溫層，水溫 t 為 5 ℃；目標艦船排水量 3 000 t。主動聲自導魚雷的聲源級為140 dB，目標為潛艇，其強度參照文獻[6]中實例[4.1]。仿真時目標速度分 4 種情況即 16 kn，18 kn，20 kn 和 22 kn。首先可以求出不同的目標舷角條件下魚雷的主動聲自導作用距離，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2　主動聲自導魚雷作用距離Fig. 2　The effecting range of active acoustic homing torpedo

從 r 的求解過程可看出其值與目標速度沒有聯(lián)系。圖2 中 r 明顯具有離散性，其與潛艇目標強度所具有的離散性相一致。即潛艇某一方向上的強度大，則在該方向上魚雷主動作用距離就大。正橫方向上，目標強度大由艇殼的鏡反射引起；首尾方向上，目標強度小由艇殼和尾流的遮蔽效應(yīng)引起；在艇首 30°附近強度大，估計由艙室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生。

從圖3 可看出，在目標速度一定的情況下，Dsj隨θ 的增大而逐漸減小。此外，當 θ 較小時，Dsj隨目標速度的增大而增大；當 θ 較大（約大于 110°）時，Dsj隨目標速度的增大而減小。從圖3 還可看出，出現(xiàn)拐點時所對應(yīng)的命中角為 110°（這里姑且稱其為“拐點命中角”），而這一“拐點命中角”會隨著水文環(huán)境及射擊條件的不同而變化。

依據(jù)上面的仿真結(jié)果，當指揮員下定決心采用主動聲自導魚雷后，根據(jù)當時的水文條件及敵我態(tài)勢，若指控系統(tǒng)所計算的命中角為 θ0，而此時敵我之間距離小于 θ0所對應(yīng)的極限射距時，則可采取措施減小θ（使 θ< θ0），從而使極限射距適當增大以滿足射擊條件?；虍斠呀?jīng)確定 θ0后，若發(fā)現(xiàn)目標的實際速度大于指控系統(tǒng)解算的目標速度時，則可采取措施減小θ（ θ0小于“拐點命中角”時）或增大 θ（ θ0大于“拐點命中角”時），從而使極限射距適當增大以滿足射擊條件。

圖3　主動聲自導魚雷極限射距Fig. 3　The utmost firing distance of active acoustic homing torpedo

4　結(jié)　語

主動聲自導魚雷極限射距與諸多因素有關(guān)，這里僅僅對幾個主要影響因素進行研究。指揮員在使用主動聲自導魚雷時，必須綜合態(tài)勢、敵我速度、魚雷性能等方面，在此基礎(chǔ)上除了確定魚雷射向外，必須顧及到射距，使射距控制在極限射距之內(nèi)。這就需要指揮員充分把握影響到極限射距的各個因素，熟悉其影響規(guī)律，從而能在使用主動聲自導魚雷時做到心中有數(shù)，以提高魚雷的命中概率。

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Research on the simulation of mainly effecting factors about the utmost firing distance of the active acoustic homing torpedo

XU Zhao-peng1, LI Bo1, LI Bin1, WANG Xiang-yang2
(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, China; 2. No. 91352 Unit of PLA, Weihai 264200, China)

Abstract:The appropriate firing distance is one of the most important factors during torpedo attack, the fire distance should be smaller than the utmost firing distance when firing torpedo, so it is necessary to ascertain the firing distance and familiar with the mainly effecting factors which affect the value as well as the effecting rules with the known firing condition. The expression of utmost firing distance is established based on the attacking model of active acoustic homing torpedo; then the mainly effecting factors are gotten. Quantitative research is carried out about the mainly effecting factors by simulation and the effecting law is gotten. Necessary reference is given by this research to the commanding officer during operation, in order to apply this conclusion fluently; so that the hit probability could be improved.

Key words:active acoustic homing torpedo；utmost firing distance；effecting range；relative angle of target

作者簡介：許兆鵬(1982–)，男，博士，講師，主要研究方向為潛艇攻擊和指控系統(tǒng)。

收稿日期：2015–06–25； 修回日期: 2015–09–09;

文章編號：1672–7619(2016)03–0143–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.030

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A