王新為,譚安勝，尹成義

(海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018)

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反潛巡邏機聲吶浮標投放諸元確定方法研究*

王新為,譚安勝，尹成義

(海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018)

從作戰(zhàn)使用的角度,提出了聲吶浮標投放應(yīng)滿足“四性”要求,分析了影響聲吶浮標投放的“五個主觀因素”和“兩個客觀因素”,建立了聲吶浮標投放諸元的確定模型?；诜抡娼Y(jié)果指出反潛巡邏機浮標投放諸元的確定,不僅要滿足聲吶浮標投放的基本要求,而且還要滿足反潛巡邏機使用聲吶浮標對潛搜索方法的要求。

反潛巡邏機;聲吶浮標;投放諸元

反潛巡邏機對潛搜索的常規(guī)手段是投放與目標分布相匹配的聲吶浮標陣。浮標陣搜索效率的高低,不僅取決于浮標陣中浮標的密度,還取決于陣內(nèi)浮標投放位置的準確性和投放存活率[1]。在特定的環(huán)境下,聲吶浮標投放位置的準確性和投放存活率是由反潛巡邏機投放時的飛行高度、飛行速度、投放飛行航向、聲吶浮標的開傘時刻和投放時機決定的。而投放時機可以用投放時刻、飛機在水平面上的投影點與該浮標的期望投放點的水平距離表示[2]。為此,我們將上述五要素稱為聲吶浮標投放諸元。本3就投放諸元的確定問題進行系統(tǒng)研究,為指揮員決策提供依據(jù)。

1 聲吶浮標投放要求及影響因素

1.1 聲吶浮標投放的基本要求

聲吶浮標的投放應(yīng)滿足“四性”要求。1)開傘安全性。浮標離開機艙開傘時,應(yīng)與飛機具有一定的安全距離,保證不能與機體發(fā)生接觸。2)著點準確性。投放的聲吶浮標的落點應(yīng)與在海平面上設(shè)計的聲吶浮標陣中該枚浮標所在的位置點重合,也就是與該枚浮標的期望投放點重合。3)是擊水安全性。聲吶浮標落水瞬間受到的海面沖擊力,應(yīng)不大于保持聲吶浮標可靠工作所能承受的最大沖擊力。即聲吶浮標受到海面沖擊后,仍能有極高的概率保持浮標可靠工作。4)入水鉛垂性。聲吶浮標的入水角不能大于允許的最大入水角(入水速度矢量與水平面法線的夾角),即以該入水角入水能夠保證浮標自入水點垂直下沉至設(shè)定的深度[3-4]。

1.2 影響聲吶浮標投放的因素

著點的準確性是由投放后的浮標空中運動軌跡決定的。當浮標的軌跡通過期望投放點時即可滿足著點準確性要求。而浮標空中運動軌跡是由反潛巡邏機投放聲吶浮標時的飛行高度、速度、航向、時機、浮標開傘時刻以及大氣環(huán)境等因素決定的。

擊水安全性是由聲吶浮標入水速度、入水角以及海水密度等決定的。而入水速度和入水角是由飛行高度、飛行速度和開傘時機決定的。間接地擊水安全性是由飛行高度、飛行速度和開傘時機決定的。

入水鉛垂性是由聲吶浮標的入水角決定的。而入水角是由飛行高度、飛行速度和開傘時機決定的。間接地入水鉛垂性是由飛行高度、飛行速度和開傘時機決定的。

綜上所述,影響反潛巡邏機投放聲吶浮標的因素可歸結(jié)為:反潛巡邏機投放聲吶浮標時的飛行高度、速度、航向、時機、浮標開傘時刻五個主觀因素以及大氣環(huán)境和海水密度兩個客觀因素。從作戰(zhàn)使用的角度,將五個主觀因素稱為聲吶浮標投放諸元[5-7]。

2 聲吶浮標投放諸元確定模型

2.1 基本假設(shè)

1)不考慮風對反潛巡邏機飛行及對聲吶浮標運動軌跡的影響;

2)投放聲吶浮標時反潛巡邏機總是以等高等速直線飛行;

3)聲吶浮標開傘過程瞬間完成,即忽略開傘過程對聲吶浮標運動的影響;

4)降落傘阻力系數(shù)不受高度、速度影響,為一常數(shù)。

2.2 模型建立

本文以反潛巡邏機投放該枚聲吶浮標時刻在水平面上的投影點O為坐標原點,以飛行航向為x軸,建立直角坐標系,如圖1所示。

圖1 反潛巡邏機空投聲吶浮標示意圖

(1)

假設(shè)浮標開傘在瞬間完成，則在K點聲吶浮標在降落傘的作用下的受力情況如圖2所示[8]。

圖2 聲吶浮標開傘狀態(tài)空中運動受力示意圖

設(shè)任意時刻t,聲吶浮標軸線與水平方向的夾角為θ(t)(將其定義為聲吶浮標姿態(tài)角)、降落傘在tk時刻產(chǎn)生的阻力為F(tk),則在(tk,tk+N·Δt) 時間內(nèi),自tk時刻起在沖量作用過程中,聲吶浮標的速度不斷減小,從而使F(t)(t>tk)不斷減小,同時在(tk,twx)時間內(nèi),在變力矩作用下,經(jīng)過n次沖量過程,于Wx點(稱為水平穩(wěn)定點)使得

(2)

其中,降落傘運動阻力F為

(3)

式中，C為降落傘阻力系數(shù);S為降落傘阻力面積(m2);vz2(t)為聲吶浮標開傘狀態(tài)t時刻空中運動速度(km/h);ρ為空氣密度(kg/m3),隨高度和溫度變化,由下式計算:

式中，ρ0為0℃大氣壓下的空氣密度,取1.293kg/m3;Tj為絕對溫度(℃);T0為海平面溫度(℃);T1為聲吶浮標在高度y1處的溫度(℃);yz為聲吶浮標所處高度(m)。

自Wx點開始,在(twx,N·Δt)時間內(nèi),浮標在垂直方向上,經(jīng)過N-n次沖量過程,于Wy點(稱為垂直穩(wěn)定點)使得其運動速度趨向于一個常數(shù),即

(5)

此后,浮標將以此速度vzy(twy)→con垂直向下運動至著水點B。

通過上述分析可以看出:聲吶浮標的運動過程包括“四個關(guān)鍵點,三種運動模式”?！八膫€關(guān)鍵點”是指投放點A、開傘點K、水平穩(wěn)定點Wx和垂直穩(wěn)定點Wy;“三種運動模式”是指自A至K點的斜下拋運動、自K至Wx點的變扭矩旋轉(zhuǎn)拋物沖量運動、自Wx至Wy點的鉛垂變加速沖量運動[9-10]。

在作戰(zhàn)指揮決策過程中,指揮員所關(guān)心的是,反潛巡邏機在多大高度ha、采用什么航向Ca、以多大速度va飛行、距期望的浮標布放點多遠的距離la上開始投放,能夠使浮標準確落在期望布放點B上。在不考慮風、流對浮標影響的情況下,反潛巡邏機的飛行航向應(yīng)當是過點(期望布放點B)飛行。

設(shè)保持聲吶浮標有效工作的最大落水速度為Vz max,顯然浮標在Wy點的速度vzy(Wy)應(yīng)不大于Vz max,以滿足“擊水安全性”要求,即

vzy(Wy)≤Vz max

(6)

假設(shè)反潛巡邏機的最低安全飛行高度為ha min、最小允許飛行速度為vamin,則任意時刻t要求有:

(7)

不同運動軌跡的Wy點不同,在空中運動受風的作用時間不同,著水點產(chǎn)生的偏差就不同。因此,在確定浮標投放諸元時必須予以考慮,以滿足浮標“著點準確性”要求。在同一高度同一投放點以不同飛行速度投放聲吶浮標時,將形成一個浮標軌跡簇。如圖3所示。

圖3 聲吶浮標軌跡簇示意圖

在這個浮標軌跡簇中滿足“擊水安全性”和“入水鉛垂性”要求的所有軌跡中,時間最短的軌跡應(yīng)是首選的,即tz=min(tB1,tB2,…,tBm)。

通過上述分析可以看出:聲吶浮標的投放諸元(ha,va,la;Ca)是一個滿足各種必要約束的數(shù)據(jù)組合。需要通過迭代優(yōu)化求解。為此,建立浮標投放諸元優(yōu)化模型如下:

A(ha,va,la;Ca)=Opt(ha,va,la;Ca)

(8)

3 仿真計算與分析

針對上述模型采用龍格—庫塔(Runge-Kutta)法求解。

3.1 參數(shù)設(shè)定

1)浮標參數(shù):聲吶浮標降落傘阻力系數(shù)C和降落傘阻力面積S乘積為0.22m2,聲吶浮標出艙速度v0為10m/s,聲吶浮標在未啟動降落傘階段運動時間t1為1s,聲吶浮標質(zhì)量m為4kg。

2)環(huán)境參數(shù):海平面溫度T0=15℃,高度h1=10000m處的高空溫度T1=-50℃。

3)飛行參數(shù):反潛巡邏機飛行速度320km/h～600km/h;飛行高度300m～1000m

3.2 仿真結(jié)果

表1和表2給出了聲吶浮標入水點和穩(wěn)定點參數(shù)與投放高度和投放速度對應(yīng)關(guān)系。其中,聲吶浮標入水點參數(shù)包括:入水速度vz(tr)(m/s)、入水姿態(tài)角θz(tr)(°)、入水時間tr(s)和水平投放距離la(m);穩(wěn)定點參數(shù)包括:穩(wěn)定點速度vw(m/s)、穩(wěn)定點時間tw(s)、穩(wěn)定點水平距離lw(m)和穩(wěn)定點高度hw(m)。

表1 聲吶浮標入水點參數(shù)與投放高度/速度對應(yīng)關(guān)系

表2 聲吶浮標穩(wěn)定點參數(shù)與投放高度/速度對應(yīng)關(guān)系

從表1和表2可以看出:

1)反潛巡邏機投放飛行速度對浮標入水點的水平距離影響較大,飛行速度越快水平距離越大。

2)在相同的投放高度上,穩(wěn)定點的高度隨投放速度的增加而減小、浮標留空時間增加,水平運動距離明顯增大。

3)任何投放高度和投放速度下,浮標具有基本相同的穩(wěn)定速度和穩(wěn)定姿態(tài)角。當投放高度不小于300m時,浮標入水姿態(tài)角達恒定值90°,入水速度基本穩(wěn)定在16m/s。

3.3 研究結(jié)論

反潛巡邏機浮標投放諸元的確定,不僅要滿足聲吶浮標投放的基本要求,而且還要考慮反潛巡邏機使用聲吶浮標對潛搜索的具體方法。

1)反潛巡邏機投放浮標時,應(yīng)在滿足監(jiān)聽距離和保證飛行安全的盡可能低的高度上飛行,以便縮短聲吶浮標留空時間,減小浮標落點散布。綜合本文給定條件下的仿真結(jié)果,浮標投放高度在300m是最適宜的。

2)投放飛行速度應(yīng)當根據(jù)搜索方法要求的布陣時間進行選擇。當采用布聽異步搜索法時,應(yīng)當選擇較高的投放飛行速度;當采用布聽同步搜索法時,應(yīng)當選擇與要求的監(jiān)聽時間相匹配的投放飛行速度。

4 結(jié)束語

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Research on Determinative Method of Characteristic Data for Anti-submarine Patrol Aircraft Airdrop Sonobuoy

WANG Xin-wei， TAN An-sheng， YIN Cheng-yi

(Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

From the perspective of operational use, put forward four qualities of sonobuoy airdrop, analyzed five subjective factors and two objective factors which impact sonobuoy airdrop, built the determinative model of sonobuoy airdrop data. Based on the results of simulation, pointed out the determative method of characteristic data for anti-submarine patrol aircraft airdrop sonobuoy which meet the basic requirements on sonobuoy airdrop and method requirements on anti-submarine patrol aircraft using sonobuoy to search submarine.

anti-submarine patrol aircraft; sonobuoy; airdrop data

2017-01-16

2017-03-26

大連艦艇學院科研發(fā)展基金軍事學術(shù)課題

王新為(1988-),男,江蘇泰興人,博士研究生,研究方向為軍事運籌、艦載武器作戰(zhàn)使用。 譚安勝(1963-)，男，博士，教授，博士生導師。 尹成義(1977-)，男，博士，副教授。

1673-3819(2017)02-0019-05

E926.38；V271.48

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.005