武 寧 穆連運(yùn) 李 偉

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266000)

基于渦流導(dǎo)引的潛射魚雷反潛命中效能分析

武 寧 穆連運(yùn) 李 偉

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266000)

分析了基于渦流導(dǎo)引的魚雷反潛作戰(zhàn)的基本特征,建立了魚雷攻擊命中模型,通過仿真計(jì)算,獲得了渦流導(dǎo)引的潛射魚雷命中效能,研究得出相較于傳統(tǒng)導(dǎo)引方式,渦流導(dǎo)引魚雷具有更廣的攻擊角度和更好的命中穩(wěn)定性。

渦流檢測(cè); 導(dǎo)引; 魚雷; 效能

Class Number V279

1 引言

魚雷是潛艇實(shí)施反潛作戰(zhàn)的主要武器,其導(dǎo)引距離是決定其反潛能力的重要因素之一。目前,魚雷反潛主要采用聲學(xué)導(dǎo)引,即利用主、被動(dòng)聲吶探測(cè),發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后攻擊目標(biāo)[1]。該導(dǎo)引方式易受聲信號(hào)傳播特性和目標(biāo)特性的影響,導(dǎo)引距離受到很大限制,而且易受各種人工或自然假目標(biāo)的干擾。因此需要尋求新的導(dǎo)引技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑。隨著海洋物理理論和海洋探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,渦流導(dǎo)引技術(shù)已經(jīng)由理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展,利用其探測(cè)距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),可有效提高魚雷導(dǎo)引距離,提升作戰(zhàn)性能。本文旨在研究基于渦流導(dǎo)引的潛射魚雷反潛命中效能,探索提升魚雷反潛作戰(zhàn)能力的新途徑。

2 渦流導(dǎo)引的反潛作戰(zhàn)概述

2.1 基本概念

潛艇在分層流體中運(yùn)動(dòng)時(shí),艇體將巨大的動(dòng)能傳遞給周圍的水介質(zhì),水介質(zhì)與艇體的相互作用,導(dǎo)致艇體周圍形成繞艇體流動(dòng)的渦流[2]。這種渦流尺度有數(shù)公里之巨,其衰減需要幾天時(shí)間,可延伸至上百海里[3]?；跍u流檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)引的潛射魚雷反潛作戰(zhàn)是指發(fā)射平臺(tái)利用專門設(shè)備探測(cè)跟蹤這種聲異常渦流并導(dǎo)引渦流自導(dǎo)魚雷攻擊目標(biāo)的一種作戰(zhàn)方式。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與常用的水下導(dǎo)引方式——聲學(xué)導(dǎo)引相比,采用渦流導(dǎo)引擁有諸多優(yōu)勢(shì),突出體現(xiàn)在以下兩點(diǎn):

1) 探測(cè)距離遠(yuǎn)

潛艇渦流尺度主要受海水的Brunt-Vaisala周期T決定(海洋中的量級(jí)為4×10-2S-1)[4],在水下滯留時(shí)間以天計(jì)算。長(zhǎng)時(shí)間滯留,保持了潛艇后方尾流的連續(xù)性,這樣就可探測(cè)潛艇艇尾幾十甚至上百海里的渦流。

2) 受海洋環(huán)境影響小

潛艇渦流是艇體與水介質(zhì)的相互作用而成,所形成的物理場(chǎng)不容易模擬實(shí)現(xiàn),其受海面海況及海洋環(huán)境影響較小,因此,渦流導(dǎo)引方式抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)。

2.3 技術(shù)局限

1) 由于渦流位于航行潛艇的尾部延展區(qū)域,因此,渦流導(dǎo)引魚雷攻潛必須從目標(biāo)的后部進(jìn)行,無法迎擊和截?fù)裟繕?biāo)。

2) 目前,渦流探測(cè)無法進(jìn)行敵我目標(biāo)識(shí)別,因此,在多艇配合反潛時(shí),必須明確分配反潛陣地和搜索路徑。

3 渦流導(dǎo)引魚雷命中效能分析

3.1 模型建立

假定在指定的作戰(zhàn)海域,反潛方潛艇搭載渦流導(dǎo)引裝置,使用渦流自導(dǎo)魚雷實(shí)施反潛作戰(zhàn)。潛艇采取規(guī)則機(jī)動(dòng)方法進(jìn)行渦流反潛偵查,探測(cè)到目標(biāo)方位后,通過解算目標(biāo)信息獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素,采取適當(dāng)?shù)姆绞?迅速機(jī)動(dòng)占領(lǐng)有利發(fā)射陣位,實(shí)施魚雷攻擊。為了保證魚雷渦流自導(dǎo)裝置有效地檢測(cè)到目標(biāo)渦流,指控系統(tǒng)預(yù)先計(jì)算及輸出設(shè)定的魚雷射擊諸元時(shí)必須保證魚雷進(jìn)入目標(biāo)渦流的預(yù)定點(diǎn)在目標(biāo)的有效渦流范圍內(nèi)。

圖1 反潛作戰(zhàn)雙方相對(duì)位置圖

如圖1,潛艇獲得的目標(biāo)信息是-tp之前的目標(biāo)位置與運(yùn)動(dòng)要素信息,即獲得-tp時(shí)刻目標(biāo)觀測(cè)值位于P-tp點(diǎn),距離D2。根據(jù)本艇經(jīng)緯度坐標(biāo),可以得到-tp時(shí)刻目標(biāo)與潛艇之間的方位距離,將P-tp點(diǎn)轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)系上的(X2,Y2)點(diǎn)。潛艇指控系統(tǒng)通過連續(xù)接收目標(biāo)信息,對(duì)目標(biāo)建立航跡,計(jì)算出目標(biāo)航向Hm,目標(biāo)速度Vm。則經(jīng)tp后,目標(biāo)航行至P0(X1,Y1)點(diǎn),即0時(shí)刻目標(biāo)與潛艇之間的距離為Dm,舷角為Qm。以潛艇0時(shí)刻的位置點(diǎn)為原點(diǎn)O,正北方向?yàn)镹(y)軸,正東方向?yàn)镋(x)軸,建立直角坐標(biāo)系。此時(shí)潛艇發(fā)射魚雷,設(shè)瞄準(zhǔn)點(diǎn)S為目標(biāo)有效渦流長(zhǎng)度中距目標(biāo)艇尾某一距離處,b為S到目標(biāo)艇尾的距離。魚雷直航段速度Vl1,魚雷出管直航距離,魚雷出管直航時(shí)間t0,魚雷最大航程Smax。魚雷射擊參數(shù)根據(jù)所提供的目標(biāo)指示信息進(jìn)行計(jì)算,魚雷射擊有利提前角為a。

由于目標(biāo)位置信息與運(yùn)動(dòng)要素信息存在誤差,假設(shè)-tp時(shí)刻目標(biāo)的真實(shí)位置點(diǎn)位于P-tp0(X20,Y20)點(diǎn),目標(biāo)的真實(shí)航向Hm0,目標(biāo)的真實(shí)速度Vm0,經(jīng)tp后,目標(biāo)航行至P00(X10,Y10)點(diǎn),目標(biāo)與潛艇之間的距離為Dmo,目標(biāo)舷角為Qmo,目標(biāo)速度誤差為0均值正態(tài)分布隨機(jī)誤差的均分差σvm,目標(biāo)航向誤差為0均值正態(tài)分布隨機(jī)誤差的均分差σHm,目標(biāo)初始經(jīng)緯度為0均值正態(tài)分布隨機(jī)誤差的均分差(σλD,σφD),魚雷直航時(shí)航向誤差為0均值正態(tài)分布隨機(jī)誤差的均分差σHl,魚雷直航時(shí)速度誤差為0均值正態(tài)分布隨機(jī)誤差的均分差σVl。

本文假定目標(biāo)定速定向直航,在圖1中,根據(jù)遠(yuǎn)程目標(biāo)指示系統(tǒng)提供的觀測(cè)目標(biāo)信息,目標(biāo)以速度Vm沿Hm航向做直航運(yùn)動(dòng),其任一時(shí)刻ti觀測(cè)目標(biāo)的位置點(diǎn)為

(1)

式中:

(2)

由此可以求出0時(shí)刻觀測(cè)目標(biāo)的位置點(diǎn)、觀測(cè)目標(biāo)與潛艇的距離及觀測(cè)目標(biāo)所處潛艇舷角,見式(3)～(5)。

(3)

(4)

(5)

由于目標(biāo)指示信息存在誤差,-tp時(shí)刻目標(biāo)真實(shí)位置位于P-tp0(X20,Y20)點(diǎn),目標(biāo)以真實(shí)速度Vm0沿Hm0航向做直航運(yùn)動(dòng),其任一時(shí)刻ti目標(biāo)的真實(shí)位置點(diǎn)為

(6)

式中:X20=X2+ΔXm,Y20=Y2+ΔYm,Hm0=Hm+ΔHm,Vm0=Vm+ΔVm。

由此可以求出0時(shí)刻真實(shí)目標(biāo)的位置點(diǎn)、真實(shí)目標(biāo)與潛艇的距離及真實(shí)目標(biāo)所處潛艇舷角,見式(7)～(9)。

(7)

(8)

Qm0=Q20+β

(9)

假設(shè),渦流自導(dǎo)魚雷有效渦流探測(cè)距離1h×目標(biāo)航速。

見圖1,0時(shí)刻魚雷位于原點(diǎn),魚雷出管后慣性直航,航行了距離a,于t0時(shí)刻位于T0點(diǎn),然后以Vl1速度沿方向Hl直航運(yùn)動(dòng),則此后的任一時(shí)刻ti魚雷的位置坐標(biāo)為

(10)

式中:

(11)

由正弦定理可得

(12)

則

(13)

式中α為魚雷射擊有利提前角。

魚雷進(jìn)行渦流自導(dǎo)航行時(shí),魚雷渦流自導(dǎo)彈道基本類似于振幅遞減阻尼振蕩曲線,終止于魚雷命中目標(biāo)或魚雷航程終了或魚雷丟失目標(biāo)渦流。因此,魚雷沿目標(biāo)渦流自導(dǎo)追蹤時(shí)在目標(biāo)尾流航向上的投影速度將是一個(gè)復(fù)雜的遞增的變量。在滿足不影響魚雷追蹤命中目標(biāo)精度的前提下,按照渦流進(jìn)入角大小不同,渦流自導(dǎo)段魚雷速度損失為15%～20%。

因此,在魚雷跟蹤渦流直至命中目標(biāo)的航程與航速的關(guān)系為

航行時(shí)間

t=La/2(k·Vl2-Vm)

(14)

魚雷跟蹤渦流航程

S2=Vl·t=La/2/(k·Vl2-Vm)·Vl

(15)

式(15)中La為渦流長(zhǎng)度,k為魚雷在目標(biāo)航向上的速度損失,Vl2為魚雷在渦流跟蹤段速度,Vm為目標(biāo)速度。

3.2 參數(shù)計(jì)算

1) 有利提前角計(jì)算

有利提前角的計(jì)算原則就是要使魚雷與有效渦流和目標(biāo)艦長(zhǎng)度在內(nèi)的有效長(zhǎng)度中心相遇。據(jù)此,可以推導(dǎo)渦流自導(dǎo)魚雷射擊的有利提前角。

由正弦定理可得

(16)

相對(duì)于瞄準(zhǔn)點(diǎn)S的等效初始射距為

(17)

又由

(18)

得

(19)

2) 魚雷航跡與目標(biāo)航向線相交時(shí)參數(shù)計(jì)算

魚雷航跡與目標(biāo)航線相交時(shí)魚雷運(yùn)動(dòng)了t0+tG的時(shí)間

-2D20[Vmo(t0+tG+tp)-b]cosQ20

(20)

魚雷航跡與目標(biāo)航向線相交時(shí)魚雷搜索彈道航程計(jì)算:

魚雷搜索彈道航程

S1=a+tGVl1

(21)

魚雷航跡與目標(biāo)航向線相交時(shí)目標(biāo)與魚雷位置點(diǎn)計(jì)算:

相交時(shí)目標(biāo)位置點(diǎn)

(22)

相交時(shí)魚雷位置點(diǎn)

(23)

3) 魚雷進(jìn)入目標(biāo)渦流判斷

判斷魚雷航跡與目標(biāo)航向線相交時(shí)魚雷是否進(jìn)入目標(biāo)渦流

|XlG-XmG|<|XmG|+|La·sinHm|

(24)

4) 魚雷渦流進(jìn)入角計(jì)算

θ=Hl+π-Hm

(25)

式中:θ為魚雷渦流進(jìn)入角;Hl為魚雷航向;Hm為目標(biāo)航向。

5) 雷命中目標(biāo)判斷

魚雷命中目標(biāo)分為兩種情況,一種情況是魚雷經(jīng)過搜索彈道后,以要求的渦流進(jìn)入角進(jìn)入目標(biāo)渦流,然后經(jīng)跟蹤目標(biāo)渦流彈道命中目標(biāo);另一種情況是魚雷經(jīng)過搜索彈道直接命中目標(biāo);兩種情況都要求魚雷走過的總航程小于它的最大航程。

其中由式(15)計(jì)算S2,由式(20)計(jì)算S1。

若魚雷能同時(shí)滿足以下三個(gè)條件,則魚雷能夠命中目標(biāo),否則為不能命中目標(biāo)。

1)S1+S2≤Smax;

2) |XlG-XmG|<|XmG|+|La·sinHm|;

3) 30°≤θ≤150°。

3.3 仿真分析

取目標(biāo)速度8kn,目標(biāo)航向90°,潛艇與目標(biāo)初始距離30km,信息傳遞老化時(shí)間1min,魚雷航速36kn,渦流探測(cè)距離1h×目標(biāo)航速,觀察潛艇所處目標(biāo)舷角Q(0°～180°)對(duì)魚雷命中概率P的影響,見表1、2。

表1 目標(biāo)舷角對(duì)尾流自導(dǎo)魚雷命中概率影響

表2 目標(biāo)舷角對(duì)渦流自導(dǎo)魚雷命中概率影響

從表中可以看到,渦流自導(dǎo)魚雷的命中概率舷角范圍60°～170°,而尾流自導(dǎo)魚雷命中概率舷角范圍在20°～90°,可攻擊范圍大大增加。

取目標(biāo)速度8kn,目標(biāo)航向90°,觀察潛艇所處目標(biāo)舷角70°,信息傳遞老化時(shí)間1min,魚雷航速36kn,渦流探測(cè)距離1h×目標(biāo)航速,最大航程50km,潛艇與目標(biāo)初始距離30km～50km對(duì)魚雷命中概率P的影響,見表3。

表3 不同發(fā)射距離對(duì)渦流自導(dǎo)魚雷命中概率影響

與目標(biāo)初始距離的增加,命中概率隨著減小,初始距離從30km增加到50km,命中概率減小70%。

4 結(jié)語

本文對(duì)潛艇利用渦流檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)引魚雷的攻潛的命中效能進(jìn)行了研究,通過仿真計(jì)算表明渦流導(dǎo)引魚雷反潛具有更廣的攻擊角度和更好的命中穩(wěn)定性。根據(jù)這一結(jié)果,進(jìn)一步探索研究運(yùn)用渦流檢測(cè)技術(shù)實(shí)施超遠(yuǎn)距離反潛作戰(zhàn)的新方式,可為提高潛艇反潛能力提供新方向。

[1] 高永琪,劉洪,張毅.魚雷制導(dǎo)體制的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2003(02):2-5.

[2] 張軍,張效慈,趙峰,等.源于水動(dòng)力學(xué)的潛艇尾跡非聲探測(cè)技術(shù)研究之進(jìn)展[J].船舶力學(xué),2003,7(2):121-128.

[3] Lillberg E, Alin N, Fureby C. A computational study of wakes behind submarines and surface ships[J]. Defence research establishment weapons and protection division,2000:131-147.

[4] 張效慈,張軍.潛艇內(nèi)波波跡一航空獵潛的新對(duì)象[J].船舶力學(xué),2007,11(4):508-513.

Hitting Efficiency Analysis of Submarine-launched Torpedo Based on Vortex Guidance

WU Ning MU Lianyun LI Wei

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266000)

The basic characteristics of the torpedo anti submarine warfare are analyzed based on the guidance of vortex. And the model of torpedo attack and hit is established. The hitting efficiency of submarine-launched torpedo which guided by vortex is achieved by simulation calculation. Compared with the traditional guiding method, the torpedo based on vortex guidance has a wider angle of attack and better stability. And the conclusion has been proved in the research.

eddy current testing, guidance, torpedo, efficiency

2016年8月3日,

2016年9月27日

武寧,男,碩士研究生,研究方向:軍事裝備學(xué)。穆連運(yùn),男,碩士,教授,研究方向:水中兵器發(fā)射理論。李偉,男,博士,教授,研究方向:魚雷制導(dǎo)工程。

V279

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.025