陳顏輝,張建清

(1.中船重工集團(tuán)公司第709研究所,湖北 武漢 430205;2.中國人民解放軍91959部隊,海南 三亞 572000)

對潛射聲自導(dǎo)魚雷的攔截是艦載反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo,ATT)攔截運用的一個重要內(nèi)容。潛射聲自導(dǎo)魚雷的完整攻擊彈道可分為初始段、自控直航段、直航搜索段、自導(dǎo)追蹤段和再搜索段等部分[1-2]。綜合分析螺旋槳動力ATT的技術(shù)性能以及水面艦艇魚雷報警聲納的探測范圍,不難看出,ATT應(yīng)主要針對聲自導(dǎo)魚雷的直航搜索段末段以及自導(dǎo)追蹤段的彈道實施攔截。但是,目前的相關(guān)文獻(xiàn)主要是圍繞其自導(dǎo)追蹤段展開研究,而未提及本艦的規(guī)避機(jī)動對魚雷追蹤彈道的綜合影響[3-8]。事實上,聲自導(dǎo)魚雷在直航搜索段和自導(dǎo)追蹤段的彈道特征明顯不同,ATT針對這2段彈道的攔截原理也有著很大區(qū)別,由此就涉及到ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離概念,下面對此展開詳細(xì)探討。

1 ATT攔截聲自導(dǎo)魚雷原理

當(dāng)潛射聲自導(dǎo)魚雷處于直航搜索狀態(tài)時,其自導(dǎo)裝置雖已開機(jī)但尚未發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則魚雷通常仍保持定向直航。當(dāng)魚雷自導(dǎo)捕獲目標(biāo)后就會轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤狀態(tài),其彈道特征則由魚雷的自導(dǎo)追蹤方式和目標(biāo)航行狀態(tài)等因素綜合決定。2種不同的彈道決定了ATT要采取不同的攔截方式。

1.1 對直航搜索段魚雷的攔截

在發(fā)射ATT攔截處于直航搜索狀態(tài)的魚雷時,首先要預(yù)測其直航搜索段的彈道散布,以便有針對性地確定攔截區(qū)域,彈道預(yù)測原理詳見文獻(xiàn)[2,9-10],在此不作贅述。在預(yù)測出魚雷直航搜索段的彈道散布后,ATT可采取提前角攔截、迎擊彈道攔截或方位線攔截來實施對抗[11]。圖1為ATT提前角攔截示意圖,當(dāng)ATT自導(dǎo)扇面的前端中點(或幾何形心)與來襲魚雷構(gòu)成相遇三角形時,其自導(dǎo)搜索帶能夠?qū)ΨQ遮蓋目標(biāo)散布,捕獲概率最大,對應(yīng)于目標(biāo)方位的射擊提前角就是ATT的有利射擊提前角。

圖1 ATT提前角攔截要素求解示意圖

令雷艦距離為DT,聲自導(dǎo)魚雷航速為vT,射擊提前角為φ,ATT按照有利提前角η射擊,航速為vB,自導(dǎo)作用距離為rB,自導(dǎo)扇面前端中點B處所對應(yīng)目標(biāo)方位的提前角為φB。當(dāng)B點與T點魚雷彈道構(gòu)成相遇三角形時,有下面的關(guān)系式成立:

sinφB=[vTsin(φ-β)]/vB=(DTsinβ)/rB

(1)

經(jīng)化簡整理得到:

(2)

最終,得到ATT射擊的有利提前角η:

(3)

式中:來襲魚雷射擊提前角φ的求解原理詳見文獻(xiàn)[2,9]。

1.2 對自導(dǎo)追蹤段魚雷的攔截

當(dāng)來襲魚雷進(jìn)入自導(dǎo)追蹤狀態(tài)時,魚雷彈道則會呈曲線特征,可預(yù)測性差,這就增加了ATT攔截運用研究的難度。文獻(xiàn)[3-8]圍繞這種曲線彈道從不同角度展開了探索,但其研究背景中均未考慮本艦機(jī)動與魚雷追蹤彈道之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng),以及由此引起ATT攔截方式的變化,這是與實際不符的。因為任何水面艦艇發(fā)現(xiàn)魚雷來襲時都不可能無動于衷,但本艦一旦采取規(guī)避機(jī)動,則必然會引起魚雷的自導(dǎo)追蹤彈道也發(fā)生相應(yīng)變化,這種狀態(tài)下發(fā)射ATT實施攔截時,就要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整才能確?？煽棵?。調(diào)整原則就是通過本艦采取的典型規(guī)避機(jī)動方式來預(yù)測魚雷自導(dǎo)追蹤彈道的變化,從而確定ATT攔截方式及射擊要素。

2 攔截方式變更的臨界距離

根據(jù)以上分析,針對聲自導(dǎo)魚雷的2個制導(dǎo)階段實施攔截時,相關(guān)的魚雷彈道特征和ATT攔截運用原理各不相同,這就涉及到了ATT攔截方式變更時對應(yīng)臨界雷艦距離D′T的求解問題?？紤]到魚雷自導(dǎo)追蹤彈道主要受本艦機(jī)動方式的影響,下面按照本艦分別采取背轉(zhuǎn)停車規(guī)避、保持原狀態(tài)航行和轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離規(guī)避3種典型態(tài)勢展開分析。

2.1 背轉(zhuǎn)停車規(guī)避

背轉(zhuǎn)停車規(guī)避能夠迅速降低本艦輻射噪聲,雖然從指揮作戰(zhàn)心理方面考慮難以被輕易接受,但理論上仍存在一定合理性。圖2給出了本艦采取背轉(zhuǎn)停車規(guī)避時的D′T求解示意:水面艦艇以航速vW沿x軸正向直航,抵達(dá)W點時探測到右舷xW處的T點出現(xiàn)可疑信息;水面艦艇經(jīng)分析后在W′點確認(rèn)報警,立即背轉(zhuǎn)停車并擇機(jī)發(fā)射ATT,對航行至T′點的魚雷實施提前角攔截;當(dāng)來襲魚雷航行至T″點時自導(dǎo)裝置捕獲本艦,之后魚雷將轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤彈道。不考慮各種誤差因素以及ATT追蹤彈道的曲率特性,如果由W′發(fā)射的ATT恰好與來襲魚雷在T″點相遇,則W′T′段雷艦距離D′T就是背轉(zhuǎn)停車規(guī)避態(tài)勢下ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離。

圖2 停車規(guī)避時D′T的求解示意圖

令魚雷自導(dǎo)作用距離為r,末制導(dǎo)采取尾追彈道,其余參數(shù)含義同前。觀察圖2,當(dāng)ATT恰好與來襲魚雷在T″點相遇時,存在以下關(guān)系式:

(4)

式中:DB為ATT從發(fā)射點W′到T″點的航程,若按照ATT自導(dǎo)捕獲時刻算則為DB-rB;sT為ATT走完DB段航程時間內(nèi)所對應(yīng)的T′T″段魚雷航程;γ為魚雷抵達(dá)T′點時相對本艦停車方位W′T′的提前角;DK為魚雷捕獲本艦時的T″點到W′T′方位線的垂直距離(即T″K段);DT為本艦開始背轉(zhuǎn)旋回時的雷艦距離;D′T為W′點水面艦艇在發(fā)射ATT時刻所對應(yīng)的W′T′段雷艦距離,滿足指定條件(由W′發(fā)射的ATT恰好與來襲魚雷在T″點相遇)時即為臨界雷艦距離。

按照以上想定進(jìn)行仿真,取水面艦艇航速vW=9 m/s,輻射噪聲各向同性,報警聲納探測到魚雷可疑信息的距離為5 000 m,當(dāng)雷艦距離DT=4 000 m時,確認(rèn)報警并立即停車;魚雷航速vT=22.5 m/s,在vW=9 m/s時,對應(yīng)魚雷被動自導(dǎo)距離為1 400 m,在水面艦艇停車時,按照魚雷主動探測,取自導(dǎo)距離同樣為1 400 m;令A(yù)TT航速vB=vT,λB=90°,rB為600～800 m。

編譯并運行仿真程序,標(biāo)注報警舷角XW為30°,60°,90°,120°,150°時所對應(yīng)的T″點,計算DB,sT以及相應(yīng)的臨界雷艦距離D′T,再根據(jù)DB,sT和T″點標(biāo)注出D′T的遠(yuǎn)端點T′,對T′作擬合曲線,如圖3所示。

圖3 停車規(guī)避時T′點擬合曲線

在圖3中,對應(yīng)的ATT發(fā)射點W′為固定點,魚雷從艦首到艦尾不同舷角入射時的T′點圍繞W′點近似呈對稱分布。

2.2 原狀態(tài)航行

本艦發(fā)現(xiàn)魚雷報警后繼續(xù)保持原狀態(tài)航行的情況在實際對抗中并不具有代表性,但相關(guān)對抗策略研究仍是業(yè)內(nèi)關(guān)注的一個重點內(nèi)容。圖4給出了本艦保持原狀態(tài)航行時的D′T求解示意:水面艦艇以航速vW沿x軸正向直航,抵達(dá)W點時探測到右舷XW處的T點出現(xiàn)可疑信息;經(jīng)過分析確認(rèn)魚雷并報警后,水面艦艇繼續(xù)保持原狀態(tài)航行,并于W′點發(fā)射ATT,對航行至T′點的魚雷實施提前角攔截;本艦在抵達(dá)W″點時被航行至T″點魚雷自導(dǎo)裝置捕獲,之后魚雷將轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤彈道。不考慮各種誤差因素以及ATT追蹤彈道的曲率特性,如果由W′發(fā)射的ATT恰好與來襲魚雷在T″點相遇,則W′T′段雷艦距離D′T就是原狀態(tài)航行態(tài)勢下ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離。

圖4 保持原狀態(tài)航行時D′T的求解示意圖

令sW為水面艦艇在W′W″段的航程,ATT航速vB=vT,其余參數(shù)含義同前,則存在以下關(guān)系式:

(5)

令魚雷和ATT參數(shù)設(shè)置同前,取水面艦艇航速vW=9 m/s,報警聲納探測到魚雷可疑信息的距離為5 000 m,確認(rèn)魚雷報警后繼續(xù)保持原航行狀態(tài)。編譯并運行仿真程序,標(biāo)注報警舷角XW為30°,60°,90°,120°,150°時所對應(yīng)的W″點和T″點,計算DB,sT以及相應(yīng)的臨界雷艦距離D′T,再根據(jù)DB,sT和T″點標(biāo)注出D′T的遠(yuǎn)端點T′和近端點W′,對T′作擬合曲線,如圖5所示。

圖5 保持原狀態(tài)航行時T′點擬合曲線

在圖5中,對應(yīng)的ATT發(fā)射點W′和本艦被捕獲點W″均非固定點,而是沿著本艦航行方向,并隨報警舷角XW的增加由近至遠(yuǎn)排列。T′點則在艦首方向距離W′最遠(yuǎn),在艦尾部方向最近。

2.3 轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離規(guī)避

本艦發(fā)現(xiàn)魚雷報警后立即轉(zhuǎn)向規(guī)避是一種典型的對抗方式,但與純機(jī)動規(guī)避目的不同,當(dāng)無法擺脫魚雷的捕獲與攻擊,且在ATT可用的情況下,應(yīng)將全力保障ATT的攔截效果作為規(guī)避機(jī)動的主要目的。而根據(jù)魚雷自導(dǎo)追蹤特征,當(dāng)本艦立即轉(zhuǎn)向?qū)Ⅳ~雷置于艦尾舷角遠(yuǎn)離航行時,無論來襲魚雷采取哪一種追蹤方式,都只有沿著當(dāng)前或近似當(dāng)前雷艦方位線接近本艦,才能確保命中(否則不會對本艦構(gòu)成威脅),這種態(tài)勢下的自導(dǎo)追蹤彈道也就具備了可清晰預(yù)測的特征。此時水面艦艇再投放ATT并使其沿雷艦方位定向直航,則可獲得最佳的攔截效果[12]。

圖6給出了本艦采取轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離規(guī)避時的D′T求解示意:水面艦艇以航速vW沿x軸正向直航,抵達(dá)W點時探測到右舷XW處的T點出現(xiàn)可疑信息;經(jīng)過分析確認(rèn)魚雷并報警后,水面艦艇立即轉(zhuǎn)向,將魚雷置于艦尾舷角并高速脫離,期間于某點W′發(fā)射ATT實施提前角攔截,本艦在抵達(dá)W″點時被航行至T″點魚雷的自導(dǎo)裝置捕獲,之后魚雷將轉(zhuǎn)入自導(dǎo)追蹤彈道。不考慮各種誤差因素以及ATT追蹤彈道的曲率特性,如果由W′發(fā)射的ATT恰好與來襲魚雷在T″點相遇,則W′T′段雷艦距離D′T就是轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離態(tài)勢下ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離。

圖6 轉(zhuǎn)向規(guī)避時D′T的求解示意圖

轉(zhuǎn)向規(guī)避的對抗態(tài)勢比較復(fù)雜,為計算方便,可做如下近似:

DB/vB≈fr/(vB+vW)

(6)

當(dāng)水面艦艇規(guī)避航速vW=9 m/s時,可取經(jīng)驗系數(shù)f=1.38-0.15XW,其中,XW以弧度為單位。則有以下關(guān)系式:

(7)

令魚雷和ATT參數(shù)設(shè)置同前,取水面艦艇航速vW=9 m/s,報警聲納探測到魚雷可疑信息的距離為5 000 m,當(dāng)雷艦距離DT=4 000 m時,確認(rèn)魚雷報警并滿舵轉(zhuǎn)向;取水面艦艇規(guī)避決策延遲時間td=10 s,旋回角速度ω=0.03 rad/s,當(dāng)水面艦艇以vW=9 m/s航行時魚雷自導(dǎo)距離為1 400 m,當(dāng)處于滿舵轉(zhuǎn)向狀態(tài)或以vW=15 m/s高速規(guī)避時,魚雷自導(dǎo)距離均為2 500 m。

編譯并運行仿真程序,標(biāo)注報警舷角XW為30°,60°,90°,120°,150°時,所對應(yīng)的W″點和T″點,計算DB,sT以及相應(yīng)的臨界雷艦距離D′T,再根據(jù)DB,sT和T″點標(biāo)注出D′T的遠(yuǎn)端點T′和近端點W′,對T′作擬合曲線,如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)向規(guī)避時T′點擬合曲線

在圖7中,對應(yīng)的ATT發(fā)射點W′和本艦被捕獲點W″均非固定點,尤其W′點或者位于本艦轉(zhuǎn)向點,或者位于轉(zhuǎn)向后的本艦航線上。T′點在艦首方向距離W′最遠(yuǎn),在艦尾部方向最近。

2.4 數(shù)值仿真與規(guī)律分析

利用上述3種模型及給定參數(shù),圍繞D′T進(jìn)行數(shù)值仿真,如圖8所示;圍繞DK進(jìn)行數(shù)值仿真,如圖9所示。其中,對轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離規(guī)避情形,按照轉(zhuǎn)向后航速分別為9 m/s和15 m/s進(jìn)行了仿真。

圖8 3種態(tài)勢下D′T的數(shù)值仿真

圖9 3種態(tài)勢下DK的數(shù)值仿真

在仿真給定條件下,分析不同態(tài)勢的D′T和DK,可以得出以下規(guī)律:

①觀察比較圖8、圖9和圖3,當(dāng)水面艦艇采取背轉(zhuǎn)停車規(guī)避時,魚雷從首尾附近入射時D′T≈2r,從正橫附近入射時D′T有所減小,這主要是魚雷提前角φ隨報警舷角XW呈小幅變化所致的波動。

魚雷從正橫附近入射時,有DK≥500 m,這意味著本艦向正橫附近、T′以遠(yuǎn)的魚雷方位發(fā)射ATT時,將無法覆蓋到T″點附近的魚雷彈道(見圖3)。

②觀察比較圖8、圖9和圖5,當(dāng)水面艦艇始終保持原狀態(tài)航行時,魚雷從艦首附近入射,D′T>2r,從艦尾附近入射,D′T<2r。從正橫方向一定舷角范圍內(nèi)入射時D′T和DK無解,即式(5)中根號下為負(fù)值,出現(xiàn)vW/vB

魚雷從正橫附近入射時,DK較小,意味著沿T′魚雷方位發(fā)射的ATT能夠覆蓋到較大部分的魚雷自導(dǎo)追蹤彈道。

③觀察比較圖8、圖9和圖7,當(dāng)水面艦艇采取背轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離規(guī)避時,魚雷從艦首附近入射,所對應(yīng)的ATT發(fā)射點W′并不在本艦轉(zhuǎn)向后的航線上,而是位于轉(zhuǎn)向點W上。這是由于水面艦艇規(guī)避艦首入射魚雷時需要實施大角度轉(zhuǎn)向,在轉(zhuǎn)向點W的時間消耗較長,轉(zhuǎn)向完畢前就被魚雷自導(dǎo)裝置成功捕獲,所對應(yīng)的D′T,DK均與圖3中背轉(zhuǎn)后停車情形相近。

當(dāng)魚雷從艦尾附近入射時,水面艦艇轉(zhuǎn)向旋回的角度很小,在轉(zhuǎn)向點W的時間消耗較短,若轉(zhuǎn)向完畢繼續(xù)保持vW=9 m/s常速航行,則D′T,DK與圖5中保持原狀態(tài)航行的情形相近。

當(dāng)水面艦艇采取vW=15 m/s高速規(guī)避時,魚雷自導(dǎo)距離會增加,進(jìn)而導(dǎo)致D′T和DK也相應(yīng)增加,甚至?xí)霈F(xiàn)D′T>DT的情形(見圖7中XW≤90°時),說明這種情況下水面艦艇一經(jīng)發(fā)現(xiàn)魚雷就只能攔截其自導(dǎo)追蹤彈道,而無法對其直航搜索彈道實施攔截。魚雷從正橫附近入射時,DK≥500 m,也意味著本艦向正橫附近、T′以遠(yuǎn)的魚雷方位發(fā)射ATT時,將無法覆蓋到T″點附近的魚雷彈道。

3 結(jié)束語

根據(jù)以上分析,水面艦艇在對抗聲自導(dǎo)魚雷時,ATT攔截方式變更的臨界雷艦距離D′T是客觀存在的。當(dāng)實際雷艦距離DT≥D′T時,應(yīng)針對魚雷的直航搜索彈道確定ATT射擊要素;當(dāng)實際雷艦距離DT

盡管D′T是客觀存在的,但是考慮到本艦輻射噪聲的聲場分布、報警聲納的測向誤差、魚雷性能估計誤差、魚雷彈道預(yù)測散布以及本艦規(guī)避策略的多樣性等因素的影響,實際對抗中要對D′T予以準(zhǔn)確把握和利用并不容易。如何降低D′T的不利影響,尋求與D′T無關(guān)或弱相關(guān)的對抗策略,這將成為ATT攔截運用研究中需要重點關(guān)注的問題。目前可考慮從以下幾個戰(zhàn)技方向著手采取措施:

①發(fā)射2枚或多枚ATT,針對來襲魚雷直航搜索段彈道散布和自導(dǎo)追蹤段的彈道散布同時構(gòu)成有效遮攔。

②從技術(shù)層面著手增加ATT的自導(dǎo)探測范圍,或者從運用層面著手探討對ATT攔截航向的進(jìn)一步修正,以確保ATT的遮攔寬度能對2種彈道散布構(gòu)成全部覆蓋。

③不以毀傷魚雷概率最大為目的實施提前角攔截或迎擊彈道攔截,而是以對本艦當(dāng)前位置點W能構(gòu)成最強(qiáng)防護(hù)為目的實施方位線攔截。

④利用本艦規(guī)避機(jī)動與魚雷自導(dǎo)追蹤彈道的關(guān)聯(lián)性,選擇合理的規(guī)避方式來提高對魚雷自導(dǎo)追蹤彈道的預(yù)測精度,并判斷魚雷距離比較近時再沿其方位線發(fā)射ATT攔截。