范 路,王志杰,曹小娟

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所,陜西 西安 710075; 2.水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710075)

0 引 言

隨著新技術(shù)在魚雷中的應(yīng)用越來越多，魚雷性能不斷提高，魚雷武器發(fā)展呈現(xiàn)出多樣性的趨勢，對艦艇造成的威脅也越來越大，反魚雷成為海戰(zhàn)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。世界發(fā)達(dá)國家在提高探測設(shè)備的同時(shí)，開始研發(fā)一系列魚雷對抗武器，例如反魚雷魚雷(以下稱ATT)、反魚雷水雷、反魚雷深彈、反魚雷浮標(biāo)等“硬殺傷”武器，以及誘餌、假目標(biāo)等“軟殺傷”手段。然而現(xiàn)代魚雷在航程、航速、殺傷力、智能化程度等方面已今非昔比，普遍具備多種搜索模式和機(jī)動打擊方式，從而使傳統(tǒng)的用誘餌欺騙魚雷的對抗方法日顯力不從心。另一方面，海軍中魚雷日益成為航母、兩棲艦船、補(bǔ)給船等高價(jià)值目標(biāo)在近?；顒拥闹饕{。硬殺傷是軟殺傷對抗魚雷攻擊的有效補(bǔ)充，需要很高的可靠性，并可隨著魚雷的發(fā)展而不斷改進(jìn)。ATT是硬殺傷手段中的最新技術(shù)，它裝載在艦艇和潛艇上，作為一種主動防御武器，能夠?qū)焖龠\(yùn)動的小目標(biāo)進(jìn)行捕獲、并具有較好的機(jī)動性，可在較大距離上利用其戰(zhàn)斗部的水下爆炸攔截毀傷來襲魚雷，能夠有效防御來襲魚雷攻擊，是近年來重點(diǎn)發(fā)展的水中兵器之一。

由于ATT攻擊的目標(biāo)是來襲魚雷，因此和普通魚雷相比，其目標(biāo)具有機(jī)動性和快速性較大，態(tài)勢變化快，作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。ATT與魚雷對抗時(shí)，通常需要處于迎擊狀態(tài)，與普通魚雷相比，ATT對導(dǎo)引方式要求更高，設(shè)計(jì)難度更大，單一采用追蹤法、固定提前角導(dǎo)引法、平行接近法、比例接近法、自動提前角導(dǎo)引法等常用導(dǎo)引方法難以滿足其發(fā)現(xiàn)及命中目標(biāo)的要求。本文通過分析幾種導(dǎo)引方法特點(diǎn)，提出一種適合于ATT使用的組合導(dǎo)引方法，并進(jìn)行仿真計(jì)算，為反魚雷魚雷彈道的設(shè)計(jì)研究打下基礎(chǔ)。

1 魚雷彈道導(dǎo)引方法分析

魚雷的導(dǎo)引彈道是自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后根據(jù)所獲得的目標(biāo)信息解算選擇的自導(dǎo)導(dǎo)引規(guī)律，操縱魚雷攻擊并攔截目標(biāo)。ATT作為一種特殊用途的聲自導(dǎo)魚雷，對彈道導(dǎo)引方法的要求是在雷體機(jī)動性、穩(wěn)定性允許的范圍內(nèi)使ATT具有較高的攔截目標(biāo)概率。目前魚雷常用的彈道導(dǎo)引方法有追蹤法、固定提前角導(dǎo)引法、平行接近法、比例接近法、自動提前角導(dǎo)引法等。

1.1 追蹤法

追蹤法，也稱直接瞄準(zhǔn)導(dǎo)引法或尾追法，是魚雷提前角ηt=0的一種導(dǎo)引方法。這種方法要求自導(dǎo)裝置測出魚雷速度方向?qū)σ暰€的水平面和垂直面的誤差角，即使魚雷聲自導(dǎo)裝置的測量坐標(biāo)系與雷縱軸固連，用雷縱軸線作為速度矢量方向，視線與縱軸夾角是導(dǎo)引中的誤差角，以該誤差角形成自導(dǎo)指令，就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引過程中魚雷速度矢量始終指向目標(biāo)，即彈道的切線始終與視線重合，其雷目模型如圖1所示。

圖1 追蹤法Fig.1 The back tracking method

追蹤法導(dǎo)引時(shí)有：

ηt=0，ηm=q，

(1)

式中：ηt，ηm分別為魚雷和目標(biāo)速度向量與視線的夾角。根據(jù)上式可得相對運(yùn)動方程為：

由于這種方法對魚雷自導(dǎo)裝置的要求較低，容易實(shí)現(xiàn)，目前在國內(nèi)外魚雷導(dǎo)引彈道設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。追蹤法的缺點(diǎn)也是顯而易見的，首先它要求魚雷從尾部擊中目標(biāo)，彈道彎曲浪費(fèi)航程，不利于主動自導(dǎo)工作和提高命中率。因此，對于通常與來襲魚雷處于迎擊狀態(tài)的ATT而言，命中概率不高。

1.2 固定提前角法

固定提前角導(dǎo)引法是一種魚雷提前角始終為一常數(shù)，此導(dǎo)引方法需要測出目標(biāo)相對于魚雷的運(yùn)動方向以及視線相對于提前角的偏差。在導(dǎo)引過程中，魚雷的速度方向以一個(gè)固定的提前角，指向目標(biāo)運(yùn)動前方的導(dǎo)引方法，固定提前角法一般只適用于水平面上，建立模型如圖2所示。

圖2 固定提前角法Fig.2 The fixed angle method in advance

根據(jù)約束方程ηt=常數(shù)≠0可得相對運(yùn)動方程：

由于固定提前角導(dǎo)引法的最大彈道回旋角速度小，這就降低了對魚雷機(jī)動性的要求，從而可以減少由于魚雷機(jī)動性限制所造成的脫靶。且固定提前角法在不同的速比下就有不同的命中角，這樣改變了追蹤法必須從尾部命中目標(biāo)的條件，大大增加了從目標(biāo)舷側(cè)命中目標(biāo)的可能。

1.3 平行接近法

在任何情況下都保持視線平行于自身移動的導(dǎo)引方法稱為平行接近法。

當(dāng)目標(biāo)作等速直線運(yùn)動時(shí)，用固定提前角導(dǎo)引，可以通過選擇提前角ηt，使導(dǎo)引彈道成為直線。

其中：

建立模型如圖3所示。

圖3 平行接近法Fig.3 The parallel approaching method

當(dāng)目標(biāo)作等速直線運(yùn)動時(shí)，相對運(yùn)動方程為：

其中，有約束方程

當(dāng)目標(biāo)作機(jī)動運(yùn)動(目標(biāo)速度大小和方向都可以隨時(shí)間變化的運(yùn)動)時(shí)，可寫出相對運(yùn)動方程：

其中，約束方程為

平行接近法的優(yōu)點(diǎn)是彈道的法向過載小。當(dāng)目標(biāo)作等速直線運(yùn)動時(shí)，用平行接近法導(dǎo)引，魚雷的彈道總是直線，彈道的法向過載為0。當(dāng)目標(biāo)機(jī)動運(yùn)動時(shí)，與其他導(dǎo)引法相比，平行接近法的導(dǎo)引彈道與直線彈道的差別最小，即彈道的法向過載最小。

平行接近法要求按目標(biāo)與魚雷的速比及視線角q設(shè)置提前角，而由于聲測量的誤差較大，較遠(yuǎn)的情況下不易準(zhǔn)確測量出視線角，同時(shí)，中遠(yuǎn)程彈道下不易測出來襲魚雷的速度，因此，工程上基本不可能實(shí)現(xiàn)該導(dǎo)引方法。

1.4 自動調(diào)整提前角法

由于多波束自導(dǎo)裝置在魚雷上的應(yīng)用，使魚雷在接近目標(biāo)的過程中，能夠自動調(diào)整提前角，使魚雷可以近似按平行接近法與目標(biāo)相遇。

圖4 自動調(diào)整提前角法Fig.4 The automatic advance angle method

如圖4所示，按式(4)準(zhǔn)確設(shè)置的提前角作為理想提前角，用ηI表示，即可得到：

(9)

Δηt=ηt-ηI，

(10)

當(dāng)Δηt很小時(shí)，式(3)的第二式為可寫為：

(11)

自動調(diào)整提前角法要求自導(dǎo)裝置能測出目標(biāo)相對于測量軸的方位角，因此，是以波束寬度分檔給出目標(biāo)方位，波束越寬，每次調(diào)整的提前角越大。過大的提前角會使魚雷彈道振蕩過大，波束過窄，會使彈道不穩(wěn)定，且在接近目標(biāo)時(shí)，提前角調(diào)整加快，使得需用法向過載過大，致使命中精度降低。

1.5 比例導(dǎo)引法

在比例接近導(dǎo)引法中，魚雷彈道切線的旋轉(zhuǎn)角速度與視線的旋轉(zhuǎn)角速度成正比，其約束方程為：

表1 不同態(tài)勢下的單一導(dǎo)引法適用性

1.6 仿真分析

設(shè)定來襲魚雷和ATT仿真工況如表2所示。

表2 仿真工況

仿真次數(shù)設(shè)定為100次，仿真結(jié)果分析如表3所示。

表3 單一導(dǎo)引法仿真結(jié)果

通過仿真系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)可以看出單一導(dǎo)引方法如尾追法、變提前角法、固定提前角法的攻擊效果由于受到了各種限制，使得其命中概率以及攻擊效果都較低，而比例導(dǎo)引法雖然攻擊效果高于其它導(dǎo)引規(guī)律，但在現(xiàn)實(shí)中，聲自導(dǎo)數(shù)據(jù)率較低，視線角難以測量，雷目距離較遠(yuǎn)時(shí)，無法迅速作出機(jī)動，使得其在部分彈道中無法使用。故需要尋求新的導(dǎo)引方法來彌補(bǔ)單一導(dǎo)引方法的缺陷，使得其攻擊效果提升。

2 反魚雷魚雷彈道組合導(dǎo)引方法研究

2.1反魚雷魚雷彈道需求分析

由于反魚雷魚雷的彈道特殊性，故需要在傳統(tǒng)彈道基礎(chǔ)上研究選擇適用于反魚雷魚雷自身特點(diǎn)的彈道。理想的自導(dǎo)導(dǎo)引彈道除要求無脫靶量外，還應(yīng)該具有彈道的曲率半徑大，對魚雷的機(jī)動性要求?。粚?dǎo)引時(shí)間短，減小魚雷的航程消耗；命中角大，增大目標(biāo)的有效尺寸。

在根據(jù)魚雷能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引方法的條件選擇導(dǎo)引規(guī)律后，必須進(jìn)行自導(dǎo)導(dǎo)引理論彈道的數(shù)學(xué)仿真。通過對導(dǎo)引規(guī)律的自導(dǎo)導(dǎo)引理論彈道數(shù)學(xué)仿真，解決不同戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢下的脫靶量及能否命中目標(biāo)，可攻擊范圍，魚雷的最大消耗航程，命中角范圍等問題。從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)彈道并獲得較高命中率。

2.2組合導(dǎo)引方法綜合分析

追蹤法在反魚雷魚雷上應(yīng)用有明顯的缺點(diǎn)，它要求魚雷從尾部擊中目標(biāo)，不僅浪費(fèi)航程，且不利于主動自導(dǎo)工作和提高命中率，故追蹤法不適用于末端攔截彈道。在反魚雷魚雷導(dǎo)引過程中，來襲魚雷若進(jìn)行機(jī)動，固定提前角將失去其優(yōu)點(diǎn)，故在來襲魚雷距艦艇較近時(shí)固定提前角將不適用于反魚雷魚雷。在導(dǎo)引的初始階段，由于來襲魚雷與反魚雷魚雷相距較遠(yuǎn)，對來襲魚雷的速度測量有很大的誤差，無法迅速求得視線角，在導(dǎo)引的末端階段，由于反魚雷魚雷作機(jī)動彈道，易丟失目標(biāo)，則平行接近法在實(shí)際應(yīng)用中存在制約，導(dǎo)引初期和末期均不適用于反魚雷魚雷。同樣，在導(dǎo)引初期，比例導(dǎo)引法也因無法通過有效的來襲魚雷數(shù)據(jù)迅速獲得視線角，而容易丟失目標(biāo)。自動調(diào)整提前角法由于末端機(jī)動彈道需用較大的過載，故在某些機(jī)動彈道下命中精度會降低。

而反魚雷魚雷由于其對彈道要求的特殊性，使得單一傳統(tǒng)導(dǎo)引方法不再適用于反魚雷魚雷。傳統(tǒng)單一彈道存在各種缺陷，需要通過組合導(dǎo)引法來彌補(bǔ)相互的缺陷，以求得更高的命中概率。

目前，國內(nèi)外魚雷自導(dǎo)裝置的目標(biāo)識別技術(shù)是基于體目標(biāo)原理。這種目標(biāo)識別器的識別能力除受距離限制外，正確識別目標(biāo)的概率也與舷角有關(guān)。當(dāng)舷角大于165°或小于15°時(shí)，正確識別目標(biāo)的概率大大降低。導(dǎo)引開始時(shí)，由于不知道目標(biāo)相對魚雷的運(yùn)動方向，無法設(shè)置提前角。故可先采用追蹤法導(dǎo)引，等魚雷自導(dǎo)裝置測出了目標(biāo)相對于魚雷的運(yùn)動方向，再采用其他導(dǎo)引方法，就可以減小目標(biāo)識別器識別目標(biāo)的錯誤，提高攻擊效果。

而導(dǎo)引后期由于追蹤法有從尾部擊中目標(biāo)的缺陷，使用其他導(dǎo)引方法可以修正這種缺陷并提高導(dǎo)引效率，故提出了追蹤法+固定提前角法，追蹤法+比例導(dǎo)引法，追蹤法+自動提前角法等導(dǎo)引方法，以提高反魚雷魚雷的攔截概率。

3 組合導(dǎo)引法仿真分析

以反魚雷魚雷彈道仿真系統(tǒng)為平臺，設(shè)定來襲魚雷與反魚雷魚雷工況同上，統(tǒng)計(jì)100次，仿真結(jié)果如4所示。

表4 組合導(dǎo)引法仿真結(jié)果

通過數(shù)學(xué)仿真，由表3可看出，“追蹤法+比例導(dǎo)引法”的組合方式攔截概率高達(dá)95%以上，而其他組合導(dǎo)引方法攔截概率較低，同時(shí)脫靶量也較大。分析結(jié)果如下：

1)追蹤導(dǎo)引法對自導(dǎo)系統(tǒng)的要求很低，只要測出目標(biāo)在魚雷縱軸的上、下、左、右，根據(jù)這4種誤差信號，操縱魚雷縱軸對準(zhǔn)目標(biāo)。這使得在導(dǎo)引初期，即使雷目距離較遠(yuǎn)，自導(dǎo)也不易丟失目標(biāo)。且導(dǎo)引初期可以通過追蹤法來判斷舷別，以減少導(dǎo)引誤差，故導(dǎo)引初期采用追蹤法較為合適。

2)在末端彈道，來襲魚雷一般作機(jī)動彈道，此時(shí)，由于固定提前角法需用法向過載很大，使得固定提前角法無法獲得足夠的過載而脫靶。自動提前角導(dǎo)引法可在正確的提前角建立之后，目標(biāo)就停留在某一波瓣內(nèi)不動，從而視線的方向保持不變。但由于自動提前角法導(dǎo)引末期法向過載需求同樣較大，故導(dǎo)引效果也未能達(dá)到理想水平。比例導(dǎo)引法在導(dǎo)引后期由于數(shù)據(jù)獲得較快，而可以獲得良好的導(dǎo)引概率。在使用比例導(dǎo)引彈道時(shí)可借鑒反導(dǎo)導(dǎo)彈的比例導(dǎo)引法，在測出視線角后引入視線角加速度來修正從而彌補(bǔ)比例導(dǎo)引法的缺點(diǎn)。

追蹤法和比例導(dǎo)引的組合方式基本滿足現(xiàn)代反魚雷魚雷要求，故可以將此種導(dǎo)引方法引入反魚雷魚雷彈道研究中，并進(jìn)行進(jìn)一步修正以獲得更高的攔截概率。

4 結(jié) 語

本文對典型魚雷導(dǎo)引方式和新型魚雷導(dǎo)引方式均進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)合實(shí)際情況分析研究各種導(dǎo)引方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出適用于反魚雷魚雷的彈道方法，并作出數(shù)學(xué)仿真分析，提出新的組合導(dǎo)引方法。這樣使得各種彈道導(dǎo)引方法更加明晰，同時(shí)也為反魚雷魚雷今后的彈道設(shè)計(jì)，計(jì)算，工程研制提供一定的理論依據(jù)。

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