王改娣, 翁 璐, 呂艷慧, 劉孟秦

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魚雷攻擊體目標命中效果仿真方法

王改娣1, 翁 璐2, 呂艷慧1, 劉孟秦1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 海軍裝備部, 北京, 100163)

魚雷的命中效果一般用命中參數來表征。用點源目標評價魚雷命中效果只有單一脫靶量, 且實航試驗中為避免魚雷與聲靶或真實目標相撞, 常采取規(guī)避措施, 難以得到實際命中參數。針對此, 文中提出一種用體目標評價魚雷命中效果的仿真方法, 建立了魚雷跟蹤目標過程的全彈道數學模型和描述體目標幾何特性和命中參數的數學模型, 并進行了魚雷攻擊體目標效果的仿真計算和分析。仿真結果表明, 魚雷命中效果與目標幾何特性、目標速度、雷目相對態(tài)勢等因素有關。該方法為評價魚雷命中目標效果提供了一種有效的手段, 可為魚雷彈道和導引規(guī)律的優(yōu)化設計提供參考。

魚雷; 體目標; 命中效果; 全彈道

0 引言

魚雷是一種水下自主航行, 自動搜索、發(fā)現、跟蹤、攻擊并命中目標的水中兵器, 為了提高對目標的命中效果, 在魚雷制導系統(tǒng)設計中[1], 往往采取相應技術措施, 設法導引魚雷攻擊目標的中心部位或要害部位, 以期達到最大毀傷效果。在水聲物理場中[2], 魚雷跟蹤目標實際上是跟蹤由魚雷發(fā)射信號在目標體上形成的聲反射點產生的目標回波, 而聲反射點與目標的幾何特性有關, 不同的幾何位置會影響魚雷的命中效果。由于用實航驗證魚雷攻擊目標效果代價很大, 通常采用數學仿真方法來評估魚雷攻擊命中目標的效果。

近年來, 陸續(xù)有魚雷攻擊命中目標效果相關研究的報道。武志東等[3]用射擊通式和目標運動要素, 采用解析方法對魚雷命中結果偏差進行了研究; 陳道升等[4]研究了潛艇目標運動要素對魚雷命中概率的影響, 但沒有考慮目標幾何特性; 文獻[5]~[7]雖然研究了體目標下的攻擊效果, 但是把體目標簡化為橢球體, 與真實目標幾何特性相差較大。另外, 在這些研究中均沒有考慮魚雷跟蹤攻擊目標過程中的制導性能和彈道特性, 命中參數也主要用單一脫靶量表征, 不能全面反映魚雷跟蹤命中目標效果。

在魚雷彈道設計[8]和仿真中, 通常把目標看作一個質點, 即用點源目標來評價魚雷攻擊效果,這種方法只能得到魚雷距點源的距離, 即脫靶量。而在魚雷實航試驗中, 一般采用點源聲靶或由多個點源組成的體目標聲靶來模擬體目標聲學特性, 但在魚雷跟蹤并逐步接近目標的過程中, 為了避免與聲靶相撞, 常采用規(guī)避措施, 因此, 實航試驗只能對魚雷自導作用距離、宏觀導引規(guī)律進行評價, 無法對魚雷攻擊目標效果進行有效評價。

文中在建立體目標幾何模型、魚雷動力學和運動學模型的基礎上, 考慮魚雷制導系統(tǒng)特性和全彈道邏輯, 對不同條件下的魚雷跟蹤攻擊目標全彈道運動過程進行仿真, 在近程計算魚雷與目標體最近點的變化軌跡和命中參數, 并對命中效果進行分析。

1 數學模型

1.1 魚雷模型

研究魚雷攻擊命中體目標效果是通過對魚雷全彈道運動過程仿真來完成, 由于魚雷彈道是魚雷武器綜合性能的主要體現, 彈道建模涉及到魚雷總體、動力、推進、控制、自導、彈道邏輯等系統(tǒng)性能和參數[9-12], 受篇幅所限, 在此只列出對魚雷運動建模的需求, 具體包括: 魚雷動力學方程、運動學方程、控制系統(tǒng)模型、自導系統(tǒng)模型、導引算法模型、目標回波模型、彈道邏輯模型以及控制指令模型等。

1.2 目標模型

1.2.1 運動特性

目標運動遠距離時可把目標看作為質點, 近距離時可把目標看作具有一定形狀的運動體即體目標[4]。無論是點目標還是體目標, 研究目標運動時均不考慮目標動力學特性, 只研究目標運動規(guī)律。

目標運動的數學模型

1.2.2 幾何特性

以潛艇目標為例, 目標幾何特性如圖1所示。

圖1 目標幾何特性示意圖

圖中, 建立目標坐標系OXYZ, 原點O位于潛艇主體縱軸與艦橋對稱軸交點上,OX軸與潛艇縱軸重合且正方向朝艇艏,OY軸位于潛艇的徑向對稱平面內且通過艦橋對稱軸, 方向朝上,OZ軸符合右手坐標系定則。

將潛艇目標體分為4部分, 其中: 第1和第3部分為橢圓旋轉體, 第2部分為圓柱體, 第4部分為橢圓柱體, 目標尺度特性可以用1～4,1～4參數來描述。具體含義如下:1為前橢球體半長;2為前圓柱體長度;3為后圓柱體長度;4為后橢球體半長;1為圓柱體半徑;2為艦橋高度;3為艦橋橢圓頂半長軸;4為艦橋橢圓頂半短軸。

在目標坐標系中, 目標體幾何特性的數學描述公式如下。

第1部分

第2部分

第3部分

第4部分

其中, 第4部分的艦橋高度2是確定魚雷與目標體最近點位置的條件之一。

1.3 相對運動模型

雷目距離

水平目標角

垂直目標角

魚雷在目標坐標系中的位置

1.4 命中參數模型

命中參數用于表征魚雷的命中效果, 反映了魚雷跟蹤導引彈道綜合性能。魚雷攻擊目標體的命中參數包括命中部位、脫靶量和命中角, 其中, 脫靶量表征了魚雷命中精度, 命中部位和命中角直接影響目標毀傷效果。

1.4.1 最近點位置

圖2 命中參數示意

1.4.2 脫靶量

脫靶量在此用魚雷與目標體上最近點距離描述, 即

1.4.3 命中角

魚雷命中目標的角度可用下述量描述

根據命中角的定義, 當=180°時為垂直命中態(tài)勢進入目標體, 當1=90°時為垂直于目標縱平面進入目標體, 當2=90°時為垂直于橫平面進入目標體。

2 命中效果仿真及與分析

2.1 瞄準點選取

魚雷在跟蹤攻擊目標時, 為了達到最大毀傷效果, 瞄準點一般選在目標要害部位, 如潛艇目標頭部。魚雷尾追態(tài)勢下, 收到的目標回波前沿對應潛艇尾部, 后沿對應潛艇頭部, 遠距離時, 目標的頭和尾反射回來的目標角差別不大, 可以按照點目標處理, 并采用前沿(尾部)操舵, 以保證魚雷對準目標; 而近距離時, 頭和尾的目標角差別較大, 明顯帶有目標尺度信息, 為增大魚雷命中效果, 通常采用后沿(頭部)操舵。因此, 尾追狀態(tài)仿真中, 瞄準點為艇艏相當于后沿操舵, 瞄準點為艇艉相當于前沿操舵。相反地, 迎擊狀態(tài)目標回波前沿對應艇艏, 后沿對應艇艉。假設魚雷瞄準點就是目標體上的聲學反射點, 則不同瞄準點會影響魚雷命中效果, 仿真選取若干特征瞄準點, 分別對魚雷跟蹤靜目標和動目標的命中效果進行仿真分析。

假設潛艇體目標尺度參數:1=18 m,2=21 m,3=32 m,4=38 m,1=5 m,2=5.1 m,3=8 m,4=3.4 m。

2.2 跟蹤靜止目標

仿真條件: 目標位置(570,–30,0) m, 設定魚雷搜索深度30 m, 主航向0°。

仿真中, 魚雷蛇行搜索, 發(fā)現目標, 跟蹤攻擊直至命中目標。針對目標體上不同瞄準點, 得到的魚雷命中時刻(D=0)參數見表1。

表1 靜止目標下不同瞄準點命中參數仿真結果

由表1可以看出:

1) 不同瞄準點, 命中目標的時間不同, 從艇艉到艇艏, 時間延長, 符合魚雷跟蹤導引規(guī)律;

2) 不同瞄準點, 命中目標的部位不同, 從艇艉到艇艏, 命中部位靠前, 命中參數中的命中角、1、2變小, 則命中效果變差;

3) 當瞄準點位于潛艇尾部或艦橋上時,≈180o, 命中效果接近垂直命中。

2.3 跟蹤運動目標

魚雷運動條件不變, 目標勻速直航, 速度5 m/s, 模擬魚雷與目標不同跟蹤態(tài)勢, 得到目標體上不同瞄準點下的魚雷命中參數仿真結果, 見表2, 其中尾追和迎擊瞄準艇艏的仿真曲線見圖3。

圖3 不同態(tài)勢下瞄準艇艏的水平彈道仿真曲線

根據表2和圖3可以看出:

1) 尾追態(tài)勢下, 瞄準點為艇艏時, 魚雷從目標左后下方穿入命中; 瞄準點為艇艉時, 魚雷從目標尾部正中穿入命中;

2) 尾追態(tài)勢下, 只要魚雷速度大于目標速度且魚雷有足夠的航程, 都能命中目標;

3) 迎擊態(tài)勢下, 瞄準點為艇艏時, 魚雷從目標右前下方穿入命中; 瞄準點為艇艉時, 魚雷從目標左后下方穿入;

4) 迎擊態(tài)勢下, 命中效果與目標速度關系很大, 目標速度越大, 越容易脫靶。

上述結果說明, 在魚雷速度和制導體制一定的前提下, 魚雷命中目標的效果除了與目標幾何特性有關外, 還與目標速度、相對態(tài)勢等因素有關, 同時也驗證了仿真方法的正確性和可行性。

4 結束語

為了彌補用點目標和實航試驗方法評價魚雷命中目標效果的不足, 提出了一種魚雷攻擊體目標命中效果的仿真方法。建立了包含雷目相對運動、潛艇目標幾何特性和魚雷命中參數在內的魚雷全彈道數學模型, 對影響魚雷命中效果的瞄準點、目標速度和相對態(tài)勢等進行了導引跟蹤彈道仿真, 得到了不同仿真條件下的魚雷命中參數, 驗證了仿真方法的正確性和可行性。該方法為評價魚雷命中效果提供了一種有效的手段, 可為魚雷彈道和導引規(guī)律的優(yōu)化設計提供參考。

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Simulation Method for Hitting Effect of Torpedo Attacking Body Target

WANG Gai-di1, WENG Lu2, Lü Yan-hui1, LIU Meng-qin1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Ordnance Equipment Bureau of Naval Equipment Department, Beijing 100163, China)

The hitting effect of a torpedo is usually represented by the hitting parameters. However, evaluating hitting effect via point target can only get the miss distance, and eluding measures are often taken to prevent a torpedo colliding with an acoustic target or a real target in sea trial, the actual hitting parameters are difficult to be obtained. In this paper, a simulation method for evaluating torpedo hitting effect with body target is presented. A whole trajectory’s mathematical model of torpedo tracking target process and a mathematical model describing the geometric characteristics and hitting parameters of the body target are established. Simulation calculation and analysis on the hitting effect of a torpedo attacking body target are carried out. Simulation results show that the torpedo hitting effect is related to the geometric characteristics of the target, the target velocity, the relative situation between the torpedo and the target, and so on. This method may provide an effective means for evaluating torpedo hitting effect, and may provide a reference for optimization designs of torpedo trajectory and guidance law.

torpedo; body-target; hitting effect; whole trajectory

王改娣, 翁璐, 呂艷慧, 等. 魚雷攻擊體目標命中效果仿真方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2019, 27(1): 78-82.

TJ631

A

2096-3920(2019)01-0078-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.013

2018-07-26;

2018-09-20.

王改娣(1964-), 女, 研究員, 主要研究方向為魚雷總體性能和彈道仿真建模.

(責任編輯: 楊力軍)