張洪剛，王　鵬，張靜遠(yuǎn)

（海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢，430033）

機動規(guī)避條件下尾流自導(dǎo)魚雷射擊瞄點選取方法

張洪剛，王鵬，張靜遠(yuǎn)

（海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢，430033）

隨著魚雷報警能力的提高，水面艦艇實施機動規(guī)避可有效對抗尾流自導(dǎo)魚雷。針對典型規(guī)避方式，仿真了不同瞄點下水面艦艇成功規(guī)避的臨界魚雷報警距離。仿真結(jié)果表明，臨界報警距離與來襲魚雷方位角有關(guān)，且隨比例系數(shù)k的增大而增大。因此，射擊瞄點的后移可提高尾流自導(dǎo)魚雷對機動規(guī)避方式的反對抗效果。

尾流自導(dǎo)魚雷； 水面艦艇； 機動規(guī)避； 臨界報警距離； 瞄點

0　引言

尾流自導(dǎo)魚雷抗干擾能力強、命中概率高、毀傷威力大，可對敵方水面艦艇構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為有效對抗尾流自導(dǎo)魚雷，各國一直在探索和研究尾流自導(dǎo)魚雷的防御技術(shù)，從軟殺傷、硬殺傷和非殺傷幾個方面提出了多種對抗方法［1］，雖然實際的對抗效果未經(jīng)檢驗，但如何有針對性地提高尾流自導(dǎo)魚雷的反對抗能力，提高對抗條件下的魚雷命中概率，仍是當(dāng)前迫切需要研究的問題。當(dāng)前國內(nèi)對尾流自導(dǎo)魚雷射擊原理、作戰(zhàn)使用方法的研究較多，但均基于攻擊目標(biāo)做勻速直線運動這一假設(shè)。實際上，隨著水面艦艇魚雷報警能力的提高，水面艦艇可采取包括機動規(guī)避等多種方式對抗尾流自導(dǎo)魚雷。針對水面艦艇典型的機動規(guī)避方式，文中對不同瞄點下成功規(guī)避的臨界報警距離進(jìn)行了仿真，得出規(guī)避條件下提高尾流自導(dǎo)魚雷反對抗效果的射擊瞄點選取方法。

1　發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)條件及瞄點選擇

1.1發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)的條件

不同于直航魚雷和聲自導(dǎo)魚雷，尾流自導(dǎo)魚雷射擊的目標(biāo)是艦船尾流，因此射擊控制要求尾流自導(dǎo)魚雷要在一定距離上，以一定的角度進(jìn)入目標(biāo)尾流。進(jìn)入角是目標(biāo)航向線與魚雷的反航向線之間的夾角θ，由于尾流自導(dǎo)裝置目標(biāo)檢測原理的特殊性，合適的進(jìn)入角是保證魚雷正常檢測和跟蹤目標(biāo)的重要前提條件，進(jìn)入角用區(qū)間范圍表示，通常合適的進(jìn)入角取30°～150°［2-3］。

進(jìn)入點是指魚雷進(jìn)入目標(biāo)尾流時與目標(biāo)艦尾的距離。尾流長度實際上測量的是尾流壽命，與艦船航速、海況以及尾流自導(dǎo)裝置的檢測能力有關(guān)，通?？捎檬剑?）描述

式中: LA為尾流長度； Vm為目標(biāo)速度； CA為系數(shù)，表示尾流的生存時間，與海況及尾流自導(dǎo)檢測能力有關(guān)。通常3級以下海況時，取CA= 180 s，在5級海況時，取CA=120 s。

式（1）表明，由于目標(biāo)尾流中氣泡的生存時間有限，尾流場中可供魚雷檢測的氣泡散射強度將隨時間的延長而逐漸減弱，如果魚雷進(jìn)入目標(biāo)尾流時距離目標(biāo)太遠(yuǎn)，就會因檢測的信號太弱而造成魚雷無法探測到尾流，因此魚雷不能在太遠(yuǎn)的距離上進(jìn)入尾流。該距離的邊界就是目標(biāo)有效尾流的上限D(zhuǎn)max。同時，魚雷進(jìn)入目標(biāo)尾流后通常需要一定的適應(yīng)與調(diào)整過程才能穩(wěn)定跟蹤尾流或在目標(biāo)尾流中航行，隨著魚雷進(jìn)入角的不同，魚雷的彈道也呈現(xiàn)不同的穩(wěn)定過程。因此，當(dāng)進(jìn)入點距離目標(biāo)較近時，可能魚雷彈道在振蕩過程中就從前面穿越了目標(biāo)而造成脫靶。因此要求魚雷盡量不要在較小距離上進(jìn)入目標(biāo)尾流，滿足魚雷彈道穩(wěn)定的最小距離就是目標(biāo)有效尾流的下限范圍內(nèi)進(jìn)入尾流效果最好。

1.2射擊瞄點選取的一般原則

魚雷發(fā)射時的瞄準(zhǔn)點即射擊時期望的魚雷與尾流的相遇點，顯然瞄點一定位于魚雷進(jìn)入尾流的限定區(qū)間Dmin，這就限定了魚雷在區(qū)間范圍內(nèi)。但瞄點的具體選取必須依據(jù)戰(zhàn)術(shù)條件來確定，因為在射擊控制時選擇的瞄點位置不同會產(chǎn)生不同的戰(zhàn)術(shù)效果。潛艇隱蔽攻擊時多用被動聲吶，可以認(rèn)為所測得的目標(biāo)參數(shù)是相對于艦尾的，設(shè)Ds為瞄點距目標(biāo)艦尾的距離［4］式中: A為目標(biāo)艦長； k為比例系數(shù)?？梢?，瞄點（或k值）的選取對尾流自導(dǎo)魚雷攻擊的命中概率有重要影響。通常認(rèn)為，射擊瞄點取目標(biāo)等效尾流長度的中點（即k=0.5），能保證魚雷尾流自導(dǎo)裝置發(fā)現(xiàn)目標(biāo)尾流的概率最高。但是，實際應(yīng)用中也并非一定選取尾流中點作為瞄點，比如在攻擊高速目標(biāo)（＞30 kn）時由于魚雷的追蹤航程消耗增大，通常將瞄點向目標(biāo)方向前移，雖不能保證發(fā)現(xiàn)尾流概率最大，卻可以得到對目標(biāo)最大的命中概率。

需要注意的是，以上結(jié)論都是在目標(biāo)做勻速直線運動的前提下得出的。實際上，被攻擊的目標(biāo)艦艇通常會采取多種方式來對抗尾流自導(dǎo)魚雷。那么，在對抗條件下為得到最高的魚雷命中概率，瞄點的選取必然有所區(qū)別，需要針對不同的具體條件進(jìn)行具體分析，本文就是針對艦艇采取機動規(guī)避條件下尾流自導(dǎo)魚雷瞄點的選取問題進(jìn)行仿真分析。

2　水面艦艇機動規(guī)避方法

目前發(fā)達(dá)國家水面艦艇裝備的艦殼聲吶和拖曳聲吶具有很強的遠(yuǎn)程探測能力，不僅可以探測到對方潛艇發(fā)射魚雷，還可探測到來襲魚雷的運動軌跡。據(jù)報道，理想水文條件下其探測距離可達(dá)5～10 km［5-6］，這樣的魚雷報警距離為水面艦艇對抗尾流自導(dǎo)魚雷提供了充足的時間和空間，必然對尾流自導(dǎo)魚雷的使用效果產(chǎn)生重大影響。

水面艦艇發(fā)現(xiàn)尾流自導(dǎo)魚雷來襲時會采取多種機動規(guī)避方法，在機動規(guī)避過程中還可能結(jié)合使用各種對抗器材以加強防御。對單艦規(guī)避防御而言，通常采取的機動規(guī)避方法有以下幾種［7］。

2.1轉(zhuǎn)向規(guī)避

尾流自導(dǎo)魚雷首次穿出尾流后的轉(zhuǎn)向方向由“目標(biāo)舷別”標(biāo)志決定，如果“目標(biāo)舷別”標(biāo)志為“左舷”，則魚雷首次出尾流后就會向左邊旋回，如果是“右舷”則首次出尾流后就向右邊旋回。該標(biāo)志在魚雷發(fā)射前通過參數(shù)設(shè)定寫入雷上的存儲器件，該參數(shù)在魚雷出管后就無法更改（除非在線導(dǎo)方式下通過線導(dǎo)指令更改設(shè)置）。魚雷首次進(jìn)入尾流后一旦“目標(biāo)舷別”標(biāo)志與實際不符，根據(jù)預(yù)設(shè)定的彈道邏輯，魚雷就會沿目標(biāo)尾流進(jìn)行反向追蹤，如圖1所示。

圖1　迎雷轉(zhuǎn)向規(guī)避Fig. 1　Schematic of ship turning for elusion as toward a torpedo

如果水面艦艇在魚雷進(jìn)入尾流之前采取迎雷轉(zhuǎn)向的方法將其置于異舷，那么魚雷就會捕獲轉(zhuǎn)向后的尾流，按照最初輸入的“目標(biāo)舷別”標(biāo)志，魚雷就會沿著尾流向相反的方向進(jìn)行反向追蹤，直至航程耗盡或邏輯錯亂。

2.2停車規(guī)避

停車規(guī)避如圖2所示。圖中C′為瞄點，水面艦艇勻速直航時C點為魚雷與尾流的相遇點。如果水面艦艇在O點立即停車，則分析對抗態(tài)勢可知，若相遇點C位于水面艦艇停車位置點后方，停車規(guī)避是無法阻止魚雷捕獲尾流的，除非預(yù)警距離非常遠(yuǎn)，足以確保停車后有效尾流在被魚雷捕獲前完全消失。如果不考慮魚雷在相遇點未發(fā)現(xiàn)尾流時展開的再搜索過程，則停車規(guī)避成功運用的前提是解算得到魚雷攻擊的相遇點位于水面艦艇停車位置點的前方。

圖2　停車規(guī)避Fig. 2　Schematic of ship stopping for elusion

2.3其他規(guī)避方式

圖3　交叉航跡規(guī)避Fig. 3　Schematic of ship keeping cross track for elusion

當(dāng)魚雷報警距離較近，水面艦艇無法阻止魚雷捕獲本艦尾流時，若本艦航速較高可采取加速直航的方式進(jìn)行機動，并在機動過程中采取各種軟硬殺傷手段對抗來襲魚雷。

目前的普遍觀點是，尾流自導(dǎo)魚雷一旦成功發(fā)現(xiàn)尾流并正向跟蹤，隨著現(xiàn)代魚雷的智能化及抗干擾能力的提高，水面艦艇對抗成功的概率很低，這也是尾流自導(dǎo)魚雷最大的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢［2］。但是，水面艦艇借助日益增強的魚雷遠(yuǎn)程報警能力，通過規(guī)避機動的方式使得魚雷不能進(jìn)入尾流或進(jìn)入尾流后進(jìn)行錯誤的反向跟蹤，從而能夠成功對抗尾流自導(dǎo)魚雷。因此為保證尾流自導(dǎo)魚雷的作戰(zhàn)使用效果，研究水面艦艇典型機動規(guī)避條件下提高魚雷命中概率的問題就非常迫切。

3　不同瞄點下的魚雷報警距離仿真

通過以上分析，在具備較大魚雷報警距離的前提下，水面艦艇可通過機動規(guī)避方式有效對抗尾流自導(dǎo)魚雷。下面對轉(zhuǎn)向規(guī)避和停車規(guī)避這2種典型情況下，魚雷報警距離對水面艦艇機動規(guī)避效果的影響進(jìn)行建模，進(jìn)而對尾流自導(dǎo)魚雷瞄點的選取對攻擊效果的影響進(jìn)行仿真。

尾流自導(dǎo)魚雷有一次轉(zhuǎn)角射擊、帶角射擊、二次轉(zhuǎn)角射擊、齊射以及線導(dǎo)＋尾流自導(dǎo)等多種射擊方式，具體射擊原理各不相同，但是射擊瞄點的選取原則是一致的，因此這里以基本的一次轉(zhuǎn)角射擊進(jìn)行分析。

3.1轉(zhuǎn)向規(guī)避尾流自導(dǎo)魚雷數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)向規(guī)避是水面艦艇在魚雷報警后采取迎雷轉(zhuǎn)向，將來襲魚雷置于異舷，使得魚雷捕獲轉(zhuǎn)向后的尾流從而進(jìn)行反向追蹤，或從艦艇轉(zhuǎn)向的前方穿過而不能捕獲尾流。顯然轉(zhuǎn)向規(guī)避與水面艦艇的魚雷報警距離密切相關(guān)。

尾流自導(dǎo)魚雷完成轉(zhuǎn)角后直航段的攻擊態(tài)勢如圖4所示，水面艦艇勻速直線航行至M點時在右舷發(fā)現(xiàn)來襲魚雷，艦艇聲吶系統(tǒng)測得來襲魚雷方位角為α，距離為Dt，水面艦艇魚雷報警后即以角速度ω向右轉(zhuǎn)向γ角度后再高速直航脫離［8］。

圖4　水面艦艇轉(zhuǎn)向規(guī)避尾流自導(dǎo)魚雷態(tài)勢Fig. 4　Situation of a surface ship turning for elusion as toward a wake homing torpedo

魚雷航速為VT，達(dá)到T點時引起水面艦艇的魚雷報警，此時魚雷期望進(jìn)入尾流的瞄點為S，瞄點距目標(biāo)艦尾的距離為Ds，魚雷航向指向提前點C。

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下面根據(jù)水面艦艇的魚雷報警信息推導(dǎo)魚雷的航向信息。在圖4中從魚雷位置點T向水面艦艇初始航線做垂線交于K點，在△SKT中利用已知條件可得瞄點S對應(yīng)的魚雷舷角α′。

在△STC中，有

由式（3）和式（4）可得到魚雷預(yù)期進(jìn)入尾流的進(jìn)入角

水面艦艇解算得到來襲魚雷距離Dt和進(jìn)入角β后，就要判斷進(jìn)行迎雷轉(zhuǎn)向規(guī)避能否成功規(guī)避來襲魚雷。由圖4可知，水面艦艇轉(zhuǎn)向角為γ，即旋回一段圓弧MT后轉(zhuǎn)高速直航離開。隨進(jìn)入角β的變化，若魚雷航向指向水面艦艇前方，則進(jìn)行迎雷轉(zhuǎn)向規(guī)避后水面艦艇航跡與魚雷航跡不相交，此時水面艦艇顯然可以規(guī)避成功。若魚雷航行軌跡與水面艦艇航跡相交，則規(guī)避成功的條件是水面艦艇先于魚雷通過軌跡的相交點，此情況下規(guī)避成功條件可表示為

關(guān)于規(guī)避艦艇轉(zhuǎn)向角的選取，其限制條件是保證艦艇先于魚雷穿過魚雷預(yù)定航跡的最佳航向，經(jīng)證明該航向與艦艇和魚雷的航速比值有關(guān)，在假定魚雷航速的情況下，計算得到最佳轉(zhuǎn)向角度約為59°。若解算得到艦艇航跡與魚雷航跡的交點位于艦艇轉(zhuǎn)向階段或航跡沒有交點，則艦艇轉(zhuǎn)向180°后直航脫離。

從圖4所示的態(tài)勢及以上分析容易看出，水面艦艇具備的魚雷報警距離越大，則計算得到的提前點C距離瞄點越遠(yuǎn)，甚至指向水面艦艇艦首的前方，這種情況下水面艦艇規(guī)避成功的概率就高。另一方面，水面艦艇的魚雷報警距離是確定的，那么在進(jìn)行尾流自導(dǎo)魚雷射擊時，如果設(shè)定的瞄點S越靠后，即式（2）中的k>0.5，那么水面艦艇規(guī)避成功的概率顯然會降低。

圖5為對不同k值下水面艦艇成功規(guī)避的最小魚雷報警距離的仿真曲線。仿真條件為，水面艦艇初始航速，艦艇航速，旋回角速度ω=1.7（o）/s，旋回半徑R=300m，轉(zhuǎn)向完成后以高速Va=30kn直航離開，魚雷航速VT=50kn，3級海況下對應(yīng)的尾流長度由式（1）可得LA=1620m。

圖5　不同比例系數(shù)下的臨界魚雷報警距離Fig. 5　Critical torpedo alarm distances under different proportionality coefficients

從圖5曲線可以看出，尾流自導(dǎo)魚雷選取瞄點的k值增大時，水面艦艇成功進(jìn)行轉(zhuǎn)向規(guī)避所需的魚雷報警距離大大增加，即對抗難度增大。另一方面，魚雷射擊時選取較大的k值提高了尾流自導(dǎo)魚雷的反對抗能力，提高了魚雷命中概率。同時從圖中可以看出，隨著水面艦艇發(fā)現(xiàn)來襲魚雷的方位角增大，臨界魚雷報警距離快速增大，即對雷轉(zhuǎn)向規(guī)避在來襲魚雷位于較小方位角時效果較好，隨著方位角的增大，水面艦艇成功實施轉(zhuǎn)向規(guī)避的難度增大。當(dāng)來襲魚雷方位角>90°時，對雷轉(zhuǎn)向規(guī)避并不是好的選擇，一方面是由于臨界報警距離較大，另一方面現(xiàn)代魚雷多采取線導(dǎo)方式，此時如果發(fā)射艇遙控魚雷轉(zhuǎn)向并改變攻擊舷別，則加快了水面艦艇被命中的速度。因此，水面艦艇此時采取停車規(guī)避或背雷轉(zhuǎn)向會有更好的效果。

3.2瞄點對停車規(guī)避效果影響分析

圖6　水面艦艇停車規(guī)避尾流自導(dǎo)魚雷態(tài)勢Fig.6　Situation of a surface ship stopping for eluding a waking homing torpedo

來襲魚雷方位角>90°時的態(tài)勢如圖6所示，分析可知，若水面艦艇魚雷報警后解算得到尾流自導(dǎo)魚雷與艦艇尾流的預(yù)期相遇點位于艦艇前方，則水面艦艇采取停車規(guī)避（或背雷轉(zhuǎn)向后逃離）的方式可成功規(guī)避魚雷，該條件可表示為β＞α（7）對圖6進(jìn)行分析并結(jié)合上節(jié)的仿真結(jié)論，魚雷射擊時若設(shè)定的瞄點S越靠后，越不利于水面艦艇進(jìn)行停車規(guī)避，即魚雷有更高的命中概率。如果采取與3.1節(jié)相同的仿真設(shè)定值，對不同瞄點設(shè)置（對應(yīng)于不同的k值）下水面艦艇成功進(jìn)行停車規(guī)避的臨界報警距離計算結(jié)果如表1所示。

表1　不同k值下停車規(guī)避的臨界報警距離Table 1　Critical alarm distances of stopping for elusion under different proportionality coefficients

可見，尾流自導(dǎo)魚雷瞄點的選擇對水面艦艇的停車規(guī)避效果有顯著影響。當(dāng)瞄點指向尾流中點（k=0.5）時，水面艦艇只要魚雷報警距離大于2 250 m就可以成功實施規(guī)避，而當(dāng)瞄點指向尾流后部（k=0.8）時，要求魚雷報警距離不小于3 600 m才能成功實施規(guī)避。當(dāng)前尾流自導(dǎo)魚雷具有丟失目標(biāo)后的再搜索功能，且通常尾流自導(dǎo)與聲自導(dǎo)結(jié)合使用，因此若水面艦艇解算出停車能夠成功規(guī)避來襲魚雷，一般采取背雷轉(zhuǎn)向以遠(yuǎn)離魚雷發(fā)射載體和來襲魚雷的方式進(jìn)行規(guī)避，但是其數(shù)學(xué)模型與停車規(guī)避是一致的。

4　結(jié)束語

尾流自導(dǎo)魚雷特殊的制導(dǎo)方式?jīng)Q定了只要魚雷準(zhǔn)確識別尾流并正向跟蹤，水面艦艇成功實施對抗的概率非常低，因此采取機動規(guī)避的方式使得魚雷不能進(jìn)入尾流或進(jìn)入尾流后反向跟蹤，是當(dāng)前水面艦艇對抗尾流自導(dǎo)魚雷最有效的方式。

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為尾流自導(dǎo)魚雷瞄點選取的原則是保證魚雷進(jìn)入目標(biāo)尾流的概率盡可能高和魚雷航程盡可能?。?］，因此通常選取目標(biāo)尾流中點（k=0.5）作為瞄點。但是隨著水下探測能力的提高，大型的水面艦艇具備很強的魚雷報警能力，文中仿真結(jié)果證明了水面艦艇采取機動規(guī)避方式可有效對抗尾流自導(dǎo)魚雷。因此，尾流自導(dǎo)魚雷瞄點適當(dāng)后移（增大k值）可有效降低水面艦艇的機動規(guī)避效果，從而提高魚雷攻擊的成功概率。瞄點后移雖然會增大魚雷追擊過程的航程損失，但是隨著新型魚雷航速的提高、航程的增大以及追擊彈道的優(yōu)化，魚雷航程損失對魚雷攻擊效果的影響因素大大降低。

文中仿真結(jié)果表明，尾流自導(dǎo)魚雷攻擊無魚雷報警能力的輔助艦船、商船等目標(biāo)時瞄點的選取可不考慮艦艇規(guī)避的影響，一般選取目標(biāo)尾流中點（k=0.5）作為瞄點； 而在攻擊有魚雷報警能力的大型水面艦艇時，瞄點可適當(dāng)后移，具體數(shù)值在保證命中概率最高的前提下綜合多種因素給出。同時，仿真結(jié)果還說明，提高尾流自導(dǎo)裝置的性能，使得可檢測的目標(biāo)有效尾流長度增加，也是提高尾流自導(dǎo)魚雷攻擊效果的重要途徑。

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（責(zé)任編輯: 許妍）

An Aiming Point Selection Method for Wake Homing Torpedo Against Elusive Maneuver

ZHANG Hong-gang，WANG Peng，ZHANG Jing-yuan
（Department of Weapon Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

With torpedo alarm distance increasing，a surface ship can effectively evade the attack of a wake homing torpedo by elusive maneuver. In this study，aiming at typical elusion mode，the critical alarm distance for a surface ship to successfully evade a wake homing torpedo is simulated with different aiming points. Simulation results show that the critical alarm distance is relative to the azimuth of an incoming torpedo，and increases with the increase in proportionality coefficient. As a result，moving the aiming point backward can improve the anti-countermeasure effect of a wake homing torpedo against elusive maneuver of a surface ship.

wake homing torpedo； surface ship； elusive maneuver； critical alarm distance； aiming point

TJ631.5

A

1673-1948（2015）02-0145-05

2014-10-19；

2014-11-09.

張洪剛（1980-），男，博士，講師，主要研究方向為水中兵器自導(dǎo)技術(shù)、水聲建模與仿真.