使用航空深弹驱赶潜艇建模与仿真

孙明太, 任东彦, 李居伟, 王云翔



使用航空深弹驱赶潜艇建模与仿真

孙明太, 任东彦, 李居伟, 王云翔

(海军航空工程学院青岛分院, 山东青岛, 266041)

非战争时期, 驱赶可疑潜艇是航空深弹的主要作战任务, 也是其自身特点和优势体现。首先, 在分析驱赶潜艇作战原则的基础上, 利用航空深弹爆炸威力模型和潜艇壳体抗冲击模型, 给出了深弹起爆时距离目标的安全半径和最大有效半径; 然后, 根据投弹散布模型和目标定位模型, 提出了驱赶潜艇目标的投弹瞄准点位置, 通过权衡完成驱赶目标任务概率和对目标潜艇造成毁伤的概率, 确定投弹瞄准点。最后, 针对声纳系统和磁探仪的不同目标定位条件, 仿真分析了具体算例。仿真结果表明, 较高的投弹精度和水下目标定位精度能更好地控制作战效果。

航空反潜; 航空深弹; 驱赶潜艇; 投弹瞄准点位置; 定位精度

0 引言

各国海洋权益之争日益激烈, 一国潜艇入侵另一国领海的事件不断增多。既保护海洋权益, 又不至使冲突升级, 必须使用一定手段对敌水下活动进行有效控制——驱赶或迫使其上浮, 这正是反潜飞机使用航空深弹的作战任务之一。特别在和平时期, 或敌我对抗不明朗的时候, 不宜使用鱼雷将其击沉。反潜飞机使用航空深弹对可疑潜艇进行警告和驱离, 是航空反潜的优势体现, 也是航空深弹自身特点赋予的主要作战任务之一。

1 驱赶潜艇的作战原则

驱赶潜艇和以毁伤为目的的反潜作战不同, “驱赶”的目的是在不对可疑潜艇造成严重损伤的前提下, 干扰其活动计划的实施、阻止其进一步的行动。作战中, 根据目标的类型、深度、航速和航向等信息, 可以通过控制深弹投放时的入水点和爆炸深度来实现上述作战效果。即, 若设深弹起爆时与目标的距离为, 则考虑不对目标造成严重毁伤时,应越大越好; 同时, 考虑到对可疑目标的警告作用,不宜太大。

2 建立计算模型

2.1 航空深弹爆炸威力模型

航空深弹水中爆炸对潜艇的破坏作用表现为两种形式, 一是冲击波, 爆炸瞬间产生强大超压; 二是爆炸后产生的气泡脉动压力波, 以及由此压力波产生的水流运动(动流)。

其中, 冲击波的能量与到爆炸中心的距离的平方成反比, 冲击波最大压强、装药量与到爆心距离的关系

而气泡脉动压力波的最大压力一般仅有冲击波的10~20%, 但持续时间更长, 且更靠近水面, 对爆炸中心上方的目标, 特别是处于爆炸气泡的第2次膨胀附近的目标, 破坏作用较为明显。但气泡脉动压力波距离爆心较近, 如450 kg TNT当量的炸药水下30 m爆炸时, 气泡脉动压力波的破坏距离不大于10 m, 远小于下文中的安全半径(见表1)。因此, 在控制驱赶潜艇的作战效果时, 主要考虑冲击波对目标的破坏作用。

表1 潜艇深度与安全半径的关系

2.2 潜艇壳体抗冲击模型

根据式(1)水中深弹爆炸威力模型, 以及对潜艇壳体可承受爆炸压力的研究, 圆筒形潜艇壳体的安全半径为

(3)

(4)

该函数可通过查表求解。

又有

因此, 根据式(2)~式(4)可采用逐次逼近的方法求得比较精确的潜艇安全半径的值。该安全半径是使用深弹驱赶潜艇时, 深弹爆炸时与目标距离的最小允许值, 即

(6)

此外, 为了使水下爆炸对潜艇目标起到一定的威胁作用, 深弹爆炸时与目标的距离不应过大, 要小于最大有效半径。在这个距离内潜艇受到的冲击较为显著, 可以使艇内人员感到明显震动。此时, 可以使用水下爆炸的冲击因子来表达对潜艇的冲击效果, 根据文献[4]和[5]的研究, 冲击因子的计算主要从潜艇自身特性考虑, 没有涉及潜艇所处深度的信息。而潜艇承受冲击的能力与深度密切相关, 此处暂定最大有效半径为5, 即

2.3 投弹散布模型

,(9)

2.4 目标分布模型

反潜飞机定位目标的主要设备是声纳系统(包括浮标声纳和吊放声纳)和磁探仪。

使用磁探仪定位目标时, 一般认为目标在如图1(a)所示的范围内服从均匀分布。图1(b)为垂直剖面图。图中,为飞机投弹时的高度;为磁探仪探测距离;为随深度变化的探测宽度;为目标深度。并有

一般情况下声纳系统和磁探仪都无法测得目标深度, 因此都假设目标深度在上服从均匀分布, 其中,是一个定值, 即目标潜艇的最小安全深度,为目标的最大可能深度。

3 驱赶潜艇的投弹标准

3.1 声纳系统定位目标

使用声纳系统定位目标时, 为实现驱赶威慑潜艇的目的, 深弹爆炸时与目标的距离应满足(见图2)。

设

(12)

表示能够实现驱赶潜艇目的的概率

表示未能实现驱赶目的时, 对目标潜艇造成了毁伤的概率。将和作为评定作战效果的因素。

则当目标分布情况、投弹水平散布情况和引信设定深度一定时,和为主要取决于投弹瞄准点与目标分布中心的距离(即为图2中的虚线)的大小。因此, 可以通过控制投弹瞄准点与目标分布中心的距离控制作战效果。

3.2 磁探仪定位目标

使用磁探仪定位目标时, 投弹标准与使用声纳系统时相同, 仅有目标的分布情况不同。认为目标在如图1(a)所示的半球体范围内均匀分布。

4 算例分析

设航空深弹的装药量为100 kg TNT当量, 目标潜艇的钢质壳体半径为1.71 m, 壳板厚度为1.1 cm,临界压力为25.78 kg/cm。由于潜艇深度与安全半径的关系密切, 并且计算中需要使用查表数据和逐次逼近的方法, 过程较为复杂。因此, 仿真计算时, 首先算得一组数据(基本符合指数关系, 见表1。=), 然后进行曲线拟合, 得到潜艇深度与安全半径之间的近似函数关系, 见式(14)。由此, 在下文蒙特卡洛法仿真方法的使用中, 减少了计算复杂度。

4.1 声纳系统定位目标的一次仿真结果

表2 计算数据

采用表2所示的声纳定位目标数据, 编制4000次蒙特卡洛仿真计算程序, 得到平均值为=0.8598, 即完成驱赶任务的概率约为85%;=0.0983, 即对目标潜艇造成毁伤的概率约为10%。

下文将距离不同投弹瞄准点对作战效果的影响, 为确定最佳投弹瞄准点位置提供依据。

4.2 投弹瞄准点位置对作战效果的影响

图3中显示投弹瞄准点与目标分布中心的距离=150 m时,>0.85,<0.05, 是比较合适的选择。

图4是在浮标定位目标数据不变的情况下, 不同投弹散布对的影响。其中, 投弹散布1的散布均方差; 投弹散布2的散布均方差。图中投弹散布1的散布均方差较小, 而的最大值更大, 这表明, 投弹精度越高, 作战效果更易控制。

由图4、图5可知, 较高的投弹精度和目标定位精度有利于完成驱赶潜艇的任务。

4.3 磁探仪定位目标

反潜飞机使用磁探仪定位目标数据见表3。

表3 磁探仪定位目标时的仿真数据

图6中显示, 当使用磁探仪定位目标时, 投放深弹对目标造成毁伤的概率很小, 这是由于事先假设了目标在图1(a)所示的半球形内服从均匀分布, 且范围很大。此时, 使用1枚深弹能够毁伤目标的概率很低, 这样的结论与文献[1]关于深弹攻潜命中概率的研究相符。

同时, 随着瞄准点偏离目标分布中心的程度增加, 落在半球外的投弹点越来越多。当>220 m时, 瞄准点已经偏离到目标分布范围(例中目标分布最大半径为223.61 m)之外, 使得可能对潜艇目标造成毁伤的概率迅速降低。此时, 可在综合考虑和的情况下, 作出投弹瞄准点的选择=200 m。此时, 对目标造成毁伤的概率小于0.05, 而完成驱赶目标任务的概率不低于0.7, 是比较合适的选择。

5 结束语

本文依据反潜飞机对水下潜艇目标的定位情况、投放航空深弹的散布情况、航空深弹爆炸威力模型和潜艇抗毁能力模型, 给出了使用航空深弹驱赶潜艇作战的投弹标准: 通过权衡完成任务的概率和对目标潜艇造成毁伤的概率, 进而确定投弹瞄准点。能够为使用航空深弹驱赶潜艇作战提供理论依据。仿真结果也证实了该方法的有效性。同时, 仿真结果也表明, 虽然驱赶潜艇不是以“摧毁”为目标, 但和以毁伤为目的的反潜战一样, 都需要保证较高的投弹精度和水下目标定位精度, 以便更好地控制作战效果。

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Xu Wei-jun, Yao Xiong-liang, Liang De-li. Research on Si- mulation of Underwater Shock Environment of Submarine Subjected to Underwater Explosion Impact Loads[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2006, 27(3): 372-376.

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Yao Xiong-liang, Guo Jun, Cao Yu, et al. A New Impulsive Factors on the Underwater Shock Load[J]. Ship Building of China, 2008, 49(2): 52-60.

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(责任编辑: 许 妍)

Modeling and Simulation of Airborne Depth Charge for Driving out Submarine

SUN Ming-tai, REN Dong-yan, LI Ju-wei, WANG Yun-xiang

(Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041, China)

The underwater blast power model of an airborne depth charge and the resisting shock wave model of a submarine hull are employed to compute the safe-radius to the depth charge and the largest effective-radius based on the analysis of driving out submarine principle. A method to ascertain the bomb-dropping aiming point position is proposed according to the bomb-dropping dispersion model and the target location model, namely, the aiming point of bomb-dropping is determined by weighing the probability of accomplishing driving out target mission and the probability of destroying a submarine. In addition, some examples with different target location conditions of sonobuoy and magnetic anomaly detector are simulated, and the results indicate that better operational effectiveness control can be achieved based on higher precisions of bomb-dropping and underwater target location.

airborne anti-submarine; airborne depth charge; driving out submarine; bomb-dropping aiming point position; location accuracy

TJ650.1

A

1673-1948(2012)06-0449-05

2012-3-15;

2012-5-10.

孙明太(1961-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为航空反潜装备及作战使用.