李本昌, 梁 濤

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潛艇魚雷射擊模型的通用化處理及運用

李本昌1, 梁 濤2

(1. 海軍潛艇學院 軟件中心, 山東 青島, 266042; 2. 海司潛艇部, 北京, 100841)

依據解相遇原理, 采用參數替代的方法, 把潛艇各種自導方式的魚雷射擊模型整理成為形式相同的通用射擊方程, 并明確了魚雷航程和命中角等用于射擊決策時判斷發(fā)射時機或當前態(tài)勢是否滿足射擊條件的重要參數的物理意義。以期在達成工程實現的標準化和模塊化的同時, 更便于工程設計者與戰(zhàn)術運用者對相關概念理解的統(tǒng)一。

魚雷自導方式; 發(fā)射態(tài)勢; 相遇原理

0 引言

深入分析潛艇各種自導方式的魚雷射擊模型后發(fā)現, 盡管它們都是基于相遇原理而建立的射擊解算模型[1], 但由于其自導方式不同,使得各種自導(含直航)方式下魚雷的射擊方程的表達形式會存在較大的差異, 進而引致對射擊解算過程中需要提供給射擊決策者判斷發(fā)射態(tài)勢和發(fā)射時機等相關重要參數的理解產生偏差, 乃至在工程實現者和作戰(zhàn)使用者之間產生歧見。

為了解決上述問題, 并在工程模型上實現多種自導方式的共享, 現擬在對相關參數給出明確定義的基礎上, 建立潛射魚雷的通用射擊模型, 以期在魚雷武器系統(tǒng)和仿真試驗領域中達成工程和作戰(zhàn)運用的統(tǒng)一。

1 潛射魚雷的射擊諸元

組織各種自導方式的魚雷射擊, 在魚雷發(fā)射前, 都必須設定魚雷的彈道控制參數。這些對魚雷彈道具有控制作用的參數, 通常被稱為魚雷射擊諸元[2]。一般而言, 魚雷發(fā)射前需要設定的射擊諸元通常包括, 魚雷出管后的第一次轉角1,二次轉角2, 二次轉角前的航程S12(控制魚雷執(zhí)行二次轉角的時機)、自導開機距離(通常用魚雷出管后的航行距離來控制魚雷的自導開機時機)、尾流自導魚雷發(fā)現目標尾流后的轉向方向和魚雷定深H等。

除在緊急情況下只能依賴人工估計確定魚雷的射擊諸元之外[3], 在正常攻擊情況下, 魚雷射擊參數中的大多數都需要通過解算射擊方程而確定, 只有個別無法計算的參數才通過人工估計確定, 如魚雷的定深等。

為了及時發(fā)射魚雷, 在確定對既定的目標實施攻擊之前, 平臺魚雷武器系統(tǒng)都要按照當前的敵我態(tài)勢而實時計算魚雷的發(fā)射控制參數。

因此, 正常情況下, 潛艇魚雷攻擊都要經歷解算和修正目標運動要素的過程, 其目的就是為了提供解算射擊諸元所需要的基本條件。

為了滿足射擊決策者準確判斷射擊態(tài)勢和確定魚雷發(fā)射時機的需要, 魚雷發(fā)射前, 魚雷武器系統(tǒng)在解算射擊諸元時, 除了解算魚雷的轉角等參數以外, 還要把當前態(tài)勢下魚雷的命中角及魚雷從發(fā)射出管到命中或發(fā)現目標時所需要的航程S作為射擊參數解算的重要內容, 并在武器控制臺的顯要位置給予顯示[4]。其原因是盡管這兩個參數對魚雷彈道沒有實質性的控制作用, 但卻是判斷當前態(tài)勢是否滿足發(fā)射條件的重要依據。

2 齊射魚雷射擊諸元解算的基本依據

轉角射擊是潛射魚雷射擊控制的基本樣式。無論是直航魚雷射擊、聲自導魚雷射擊或尾流自導魚雷射擊, 不論是一次齊射1條魚雷或多條魚雷, 還是采用平行航向射擊或扇面射擊, 齊射中各條魚雷射擊諸元解算的基本依據都是對應態(tài)勢下中線魚雷的一次轉角。所以, 解算魚雷射擊參數的基本模型就是轉角射擊方程。

多雷齊射時, 各雷的一次轉角均以中線魚雷的轉角為基準, 且對稱地向兩側展開由齊射散角所決定的一個角度, 而后轉為平行航向或直航搜索目標。因此, 為了解算齊射各雷的射擊諸元, 必須首先解算中線魚雷的轉角參數。

按照魚雷各種自導方式的射擊要求和轉角射擊方程的建模原理, 在假設目標作等速定向運動的條件下, 解算魚雷射擊參數的已知條件必須包括以下幾類參數。

1) 目標運動參數: 目標速度V, 目標航向C。

2) 發(fā)射態(tài)勢參數: 發(fā)射魚雷時刻的目標距離D、目標方位B、目標舷角X和目標相對于本艇的舷角X。在射擊解算時,X和X均按照右舷為正數、左舷為負數的有符號數進行處理。

3) 魚雷的性能參數: 魚雷速度V和魚雷的旋回半徑R, 或旋回角速度ω和魚雷自導探測距離r。

4) 觀測點位置及其他修正參數: 觀測點到魚雷出管位置點的距離D, 魚雷出管到開始一次轉角的直航距離0。

5) 瞄準點位置參數: 直航魚雷和聲自導魚雷的射擊瞄準點均為目標位置點, 尾流自導魚雷為目標艦尾距離D上的一點。

6) 期望與瞄準點相遇的魚雷位置點參數: 直航魚雷和尾流自導魚雷為魚雷自身的位置點, 聲自導魚雷為魚雷自導扇面前沿弧線之中心。

由以上可見, 潛射魚雷射擊參數解算是在已知射距D, 目標舷角X, 潛艇舷角X, 目標速度V, 魚雷速度V, 魚雷旋回半徑R, 魚雷自導探測距離0, 射擊瞄準點與目標之間的距離D, 以及其他修正參數D和0的條件下, 求解中線魚雷的轉角, 命中(進入)角和魚雷直航段航程S。而魚雷從發(fā)射到命中或發(fā)現目標所需要的航程為

(1)

在中線魚雷射擊參數的基礎上, 齊射各雷的射擊參數(ω1, ω2,S12,為齊射魚雷的出管序號)由相應的齊射組織原則確定。

3 潛射魚雷的射擊通式

各種自導方式下魚雷在射擊方程的表達形式上產生某些差異的原因主要在于2個方面[5]: 一是不同自導方式所需要的射擊瞄準點不同, 比如, 瞄準目標本身, 或者瞄準目標尾流中的一點; 二是期望與預定相遇點相遇的魚雷位置點不同, 比如, 使魚雷自身與預定的瞄準點相遇, 或者使聲自導魚雷自導扇面的前沿與預定的瞄準點相遇。

現綜合分析直航魚雷、聲自導魚雷和尾流自導魚雷的射擊原理。在由發(fā)射點W, 瞄準點M和預定相遇點所構成的轉角射擊三邊形中, 如果把直航和尾流自導魚雷射擊的幾何關系用圖1所示之聲自導魚雷射擊幾何關系進行描述, 便可發(fā)現, 3種射擊方式之間, 既有相關參數在物理意義上的差異性, 又有相遇關系在數學意義上的一致性。諸如:

當發(fā)射直航魚雷時,M就是魚雷發(fā)射時刻的目標位置點, 魚雷發(fā)射出管后與目標同時到達預定相遇點而構成命中條件;

如果發(fā)射聲自導魚雷,M也是發(fā)射魚雷時刻的目標位置點, 但魚雷發(fā)射出管后航行到點時其自導扇面的前沿與目標同時到達預定相遇點點而構成魚雷的發(fā)現條件;

如果發(fā)射尾流自導魚雷,M則是發(fā)射魚雷時刻目標艦尾后相距為D處的位置點, 魚雷發(fā)射后與相距目標艦尾為D處的位置點同時到達點而構成發(fā)現條件。

而且, 在同樣的射擊條件下, 即使是對于相同的瞄準點, 也會由于期望以魚雷自身或魚雷自導扇面的前沿與該瞄準點相遇, 而導致所需要的魚雷轉角大不相同, 比如, 直航魚雷射擊的提前角要大于聲自導魚雷射擊的提前角。

圖1 潛射魚雷射擊通式的幾何原理

基于這種“不同相遇點”和“同時到達”的現實, 綜合各種自導方式射擊所包含的參數, 可把3種自導方式的魚雷轉角射擊方程式整理成如聲自導魚雷射擊方程的射擊通式

由方程組(2)之二式可得

把式(4)代入方程組(2)之一式, 并用式(3)之關系消去其中的轉角和命中角, 則可得關于轉角射擊提前角的超越方程式

式(3)～式(5)就是潛射魚雷射擊諸元解算的基本公式, 可稱之為潛射魚雷的通用射擊模型, 或潛射魚雷射擊通式。式中:為目標速度與魚雷速度之比, 稱為速率比; sign()為符號函數, 其取值與發(fā)射敵舷角X, 本艇舷角X, 以及轉角射擊提前角有關。

當攻擊目標右舷時, 如果目標處于發(fā)射平臺之左舷且發(fā)射平臺舷角之絕對值大于或等于轉角提前角, 則取值1; 否則, 取值-1。

當攻擊目標左舷時, 如果目標處于發(fā)射平臺之右舷且發(fā)射平臺舷角之絕對值大于或等于轉角提前角, 則取值-1; 否則, 取值1。

在攻擊過程中, 當射擊態(tài)勢和魚雷的性能參數已經確定, 且目標速度和魚雷速度之比<1、發(fā)射距離(或瞄準點的距離)大于魚雷旋回半徑與魚雷管制距離之和時, 則式(5)有唯一的解。進而可由式(3)和式(4)解出中線魚雷轉角、命中角和魚雷完成轉角后的直航段航程S。

利用射擊通式可由瞬時敵我態(tài)勢參數而解算確定其瞬時射擊諸元參數。在實施攻擊過程中, 由于敵我態(tài)勢(D,X和X)將隨著時間的遞推而不斷發(fā)生變化, 這就會使轉角射擊提前角隨之而變化?？梢? 依靠人工的方法將難以完成這種射擊的組織。同時, 在使用魚雷武器系統(tǒng)組織射擊時, 也要求其解算射擊參數的周期盡可能短, 以保證魚雷射擊的精度要求。

4 潛射魚雷射擊通式的使用方法

在工程實現時, 為了保持魚雷射擊參數解算模型的通用性, 可將射擊通式編程而使之成為一通用的射擊參數解算模塊。而在調用該模塊時, 可根據所使用魚雷的自導方式和性能參數而提供相應的輸入參數, 從而使該模型適用于直航魚雷、聲自導作用和尾流自導魚雷的射擊解算。

1) 直航魚雷射擊

當使用直航魚雷射擊時, 因為魚雷的射擊瞄準點就是目標的當前位置點, 所以在使用射擊通式(3)～式(5)計算中線魚雷的射擊參數時, 所需要的輸入參數包括: 發(fā)射距離D、發(fā)射敵舷角X、目標相對于發(fā)射艇的舷角X和目標速度V, 并把魚雷自導探測距離0賦值為0。這樣, 由射擊通式所解算得到的射擊諸元參數就是直航魚雷射擊所需要的發(fā)射控制參數。

這種情況下, 式(4)所解得的魚雷航程S為魚雷完成一次轉角到命中目標過程中的航程、命中角為魚雷命中目標時刻目標航向線與魚雷反航向線之夾角, 可直接用于判斷當前態(tài)勢是否滿足魚雷的航程要求。

2) 聲自導魚雷射擊

當使用聲自導魚雷射擊時, 提供與直航魚雷相同的態(tài)勢參數和目標運動要素, 并給定魚雷自導探測距離0的估計值, 射擊通式(3)~式(5)計算的結果就是聲自導魚雷的射擊諸元參數。

該情況下, 所解算的魚雷航程S為魚雷完成一次轉角到其聲自導發(fā)現目標時刻所需要的航程, 命中角為魚雷發(fā)現目標時刻目標航向線與魚雷反航向線的夾角, 也可稱之為聲自導魚雷發(fā)現目標舷角。在判斷當前態(tài)勢是否滿足魚雷航程要求時, 還須考慮聲自導魚雷發(fā)現目標后的追蹤航程。

3) 尾流自導魚雷射擊

當使用尾流自導魚雷射擊時, 因為魚雷的射擊瞄準點是目標艦尾后距離D處的一點, 并且期望魚雷自身與其相遇。所以, 在解算射擊參數之前, 首先需要將射擊通式中的發(fā)射態(tài)勢參數替換為射擊瞄準點對應的態(tài)勢參數: 假設發(fā)射時刻目標的方位為B、距離為D、目標舷角為X、速度V、航向C、目標相對于本艇的舷角為X, 則射擊瞄準點相對于發(fā)射艇的態(tài)勢參數為: 方位B′、射距D′、瞄準點的目標X′和瞄準點相對于發(fā)射艇的舷角X′可通過目標的態(tài)勢參數而采用以下模型計算確定[6]。

把射擊通式中的射距D、發(fā)射敵舷角X和發(fā)射我舷角X, 分別用射擊瞄準點對應的參數D′,X′和X′替代, 并把r賦值為0。則可解算出尾流自導魚雷的射擊諸元參數。

此時, 所解算的魚雷航程S為魚雷發(fā)射到尾流自導發(fā)現目標尾流時間內所需要的航程, 命中角為魚雷進入目標尾流時刻目標航向線與魚雷反航向線之夾角, 也稱進入角。在判斷當前態(tài)勢是否滿足魚雷航程要求時, 還必須考慮尾流自導魚雷發(fā)現目標后跟蹤目標尾流所造成的航程消耗。

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[4] 趙正業(yè). 潛艇火控原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003．

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[6] 李本昌, 劉振峰. 尾流自導魚雷的射擊瞄點及射擊解算[J]. 魚雷技術, 2003, 11(1): 68-71.Li Ben-chang, Liu Zhen-feng. The Shooting Aiming Point and the Shooting Calculation of Wake Homing Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(1): 68-71.

Generalization and Application of Shooting Models of Submarine-launched Torpedo

LI Ben-chang1, LIANG Tao2

(1. Research Centre of Submarine Operation Software, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China; 2. Navy Headquarters Submarine Department, Beijing 100841, China)

This paper transforms the shooting models of submarine-launched torpedoes with various homing modes into a general equation according to the principle of solution encounter by using the method of parameter substitution, and clarifies the physical meanings of the key parameters, such as torpedo′s range, shooting angle, etc., for judging whether shooting occasion or the current situation meet the shooting requirements. The purpose of this study is to fulfill the standardization and modularization of a project, and to help project designers and tactics executants unanimously comprehend relative conceptions.

torpedo homing way; shooting situation; principle of encounter

TJ630.34

A

1673-1948(2013)05-0384-04

2013-05-16;

2013-06-03.

李本昌(1955-), 男, 教授, 研究方向為潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)和武器運用.

(責任編輯: 許 妍)