潜艇鱼雷射击模型的通用化处理及运用

李本昌, 梁 涛



潜艇鱼雷射击模型的通用化处理及运用

李本昌1, 梁 涛2

(1. 海军潜艇学院 软件中心, 山东 青岛, 266042; 2. 海司潜艇部, 北京, 100841)

依据解相遇原理, 采用参数替代的方法, 把潜艇各种自导方式的鱼雷射击模型整理成为形式相同的通用射击方程, 并明确了鱼雷航程和命中角等用于射击决策时判断发射时机或当前态势是否满足射击条件的重要参数的物理意义。以期在达成工程实现的标准化和模块化的同时, 更便于工程设计者与战术运用者对相关概念理解的统一。

鱼雷自导方式; 发射态势; 相遇原理

0 引言

深入分析潜艇各种自导方式的鱼雷射击模型后发现, 尽管它们都是基于相遇原理而建立的射击解算模型[1], 但由于其自导方式不同,使得各种自导(含直航)方式下鱼雷的射击方程的表达形式会存在较大的差异, 进而引致对射击解算过程中需要提供给射击决策者判断发射态势和发射时机等相关重要参数的理解产生偏差, 乃至在工程实现者和作战使用者之间产生歧见。

为了解决上述问题, 并在工程模型上实现多种自导方式的共享, 现拟在对相关参数给出明确定义的基础上, 建立潜射鱼雷的通用射击模型, 以期在鱼雷武器系统和仿真试验领域中达成工程和作战运用的统一。

1 潜射鱼雷的射击诸元

组织各种自导方式的鱼雷射击, 在鱼雷发射前, 都必须设定鱼雷的弹道控制参数。这些对鱼雷弹道具有控制作用的参数, 通常被称为鱼雷射击诸元[2]。一般而言, 鱼雷发射前需要设定的射击诸元通常包括, 鱼雷出管后的第一次转角1,二次转角2, 二次转角前的航程S12(控制鱼雷执行二次转角的时机)、自导开机距离(通常用鱼雷出管后的航行距离来控制鱼雷的自导开机时机)、尾流自导鱼雷发现目标尾流后的转向方向和鱼雷定深H等。

除在紧急情况下只能依赖人工估计确定鱼雷的射击诸元之外[3], 在正常攻击情况下, 鱼雷射击参数中的大多数都需要通过解算射击方程而确定, 只有个别无法计算的参数才通过人工估计确定, 如鱼雷的定深等。

为了及时发射鱼雷, 在确定对既定的目标实施攻击之前, 平台鱼雷武器系统都要按照当前的敌我态势而实时计算鱼雷的发射控制参数。

因此, 正常情况下, 潜艇鱼雷攻击都要经历解算和修正目标运动要素的过程, 其目的就是为了提供解算射击诸元所需要的基本条件。

为了满足射击决策者准确判断射击态势和确定鱼雷发射时机的需要, 鱼雷发射前, 鱼雷武器系统在解算射击诸元时, 除了解算鱼雷的转角等参数以外, 还要把当前态势下鱼雷的命中角及鱼雷从发射出管到命中或发现目标时所需要的航程S作为射击参数解算的重要内容, 并在武器控制台的显要位置给予显示[4]。其原因是尽管这两个参数对鱼雷弹道没有实质性的控制作用, 但却是判断当前态势是否满足发射条件的重要依据。

2 齐射鱼雷射击诸元解算的基本依据

转角射击是潜射鱼雷射击控制的基本样式。无论是直航鱼雷射击、声自导鱼雷射击或尾流自导鱼雷射击, 不论是一次齐射1条鱼雷或多条鱼雷, 还是采用平行航向射击或扇面射击, 齐射中各条鱼雷射击诸元解算的基本依据都是对应态势下中线鱼雷的一次转角。所以, 解算鱼雷射击参数的基本模型就是转角射击方程。

多雷齐射时, 各雷的一次转角均以中线鱼雷的转角为基准, 且对称地向两侧展开由齐射散角所决定的一个角度, 而后转为平行航向或直航搜索目标。因此, 为了解算齐射各雷的射击诸元, 必须首先解算中线鱼雷的转角参数。

按照鱼雷各种自导方式的射击要求和转角射击方程的建模原理, 在假设目标作等速定向运动的条件下, 解算鱼雷射击参数的已知条件必须包括以下几类参数。

1) 目标运动参数: 目标速度V, 目标航向C。

2) 发射态势参数: 发射鱼雷时刻的目标距离D、目标方位B、目标舷角X和目标相对于本艇的舷角X。在射击解算时,X和X均按照右舷为正数、左舷为负数的有符号数进行处理。

3) 鱼雷的性能参数: 鱼雷速度V和鱼雷的旋回半径R, 或旋回角速度ω和鱼雷自导探测距离r。

4) 观测点位置及其他修正参数: 观测点到鱼雷出管位置点的距离D, 鱼雷出管到开始一次转角的直航距离0。

5) 瞄准点位置参数: 直航鱼雷和声自导鱼雷的射击瞄准点均为目标位置点, 尾流自导鱼雷为目标舰尾距离D上的一点。

6) 期望与瞄准点相遇的鱼雷位置点参数: 直航鱼雷和尾流自导鱼雷为鱼雷自身的位置点, 声自导鱼雷为鱼雷自导扇面前沿弧线之中心。

由以上可见, 潜射鱼雷射击参数解算是在已知射距D, 目标舷角X, 潜艇舷角X, 目标速度V, 鱼雷速度V, 鱼雷旋回半径R, 鱼雷自导探测距离0, 射击瞄准点与目标之间的距离D, 以及其他修正参数D和0的条件下, 求解中线鱼雷的转角, 命中(进入)角和鱼雷直航段航程S。而鱼雷从发射到命中或发现目标所需要的航程为

(1)

在中线鱼雷射击参数的基础上, 齐射各雷的射击参数(ω1, ω2,S12,为齐射鱼雷的出管序号)由相应的齐射组织原则确定。

3 潜射鱼雷的射击通式

各种自导方式下鱼雷在射击方程的表达形式上产生某些差异的原因主要在于2个方面[5]: 一是不同自导方式所需要的射击瞄准点不同, 比如, 瞄准目标本身, 或者瞄准目标尾流中的一点; 二是期望与预定相遇点相遇的鱼雷位置点不同, 比如, 使鱼雷自身与预定的瞄准点相遇, 或者使声自导鱼雷自导扇面的前沿与预定的瞄准点相遇。

现综合分析直航鱼雷、声自导鱼雷和尾流自导鱼雷的射击原理。在由发射点W, 瞄准点M和预定相遇点所构成的转角射击三边形中, 如果把直航和尾流自导鱼雷射击的几何关系用图1所示之声自导鱼雷射击几何关系进行描述, 便可发现, 3种射击方式之间, 既有相关参数在物理意义上的差异性, 又有相遇关系在数学意义上的一致性。诸如:

当发射直航鱼雷时,M就是鱼雷发射时刻的目标位置点, 鱼雷发射出管后与目标同时到达预定相遇点而构成命中条件;

如果发射声自导鱼雷,M也是发射鱼雷时刻的目标位置点, 但鱼雷发射出管后航行到点时其自导扇面的前沿与目标同时到达预定相遇点点而构成鱼雷的发现条件;

如果发射尾流自导鱼雷,M则是发射鱼雷时刻目标舰尾后相距为D处的位置点, 鱼雷发射后与相距目标舰尾为D处的位置点同时到达点而构成发现条件。

而且, 在同样的射击条件下, 即使是对于相同的瞄准点, 也会由于期望以鱼雷自身或鱼雷自导扇面的前沿与该瞄准点相遇, 而导致所需要的鱼雷转角大不相同, 比如, 直航鱼雷射击的提前角要大于声自导鱼雷射击的提前角。

图1 潜射鱼雷射击通式的几何原理

基于这种“不同相遇点”和“同时到达”的现实, 综合各种自导方式射击所包含的参数, 可把3种自导方式的鱼雷转角射击方程式整理成如声自导鱼雷射击方程的射击通式

由方程组(2)之二式可得

把式(4)代入方程组(2)之一式, 并用式(3)之关系消去其中的转角和命中角, 则可得关于转角射击提前角的超越方程式

式(3)～式(5)就是潜射鱼雷射击诸元解算的基本公式, 可称之为潜射鱼雷的通用射击模型, 或潜射鱼雷射击通式。式中:为目标速度与鱼雷速度之比, 称为速率比; sign()为符号函数, 其取值与发射敌舷角X, 本艇舷角X, 以及转角射击提前角有关。

当攻击目标右舷时, 如果目标处于发射平台之左舷且发射平台舷角之绝对值大于或等于转角提前角, 则取值1; 否则, 取值-1。

当攻击目标左舷时, 如果目标处于发射平台之右舷且发射平台舷角之绝对值大于或等于转角提前角, 则取值-1; 否则, 取值1。

在攻击过程中, 当射击态势和鱼雷的性能参数已经确定, 且目标速度和鱼雷速度之比<1、发射距离(或瞄准点的距离)大于鱼雷旋回半径与鱼雷管制距离之和时, 则式(5)有唯一的解。进而可由式(3)和式(4)解出中线鱼雷转角、命中角和鱼雷完成转角后的直航段航程S。

利用射击通式可由瞬时敌我态势参数而解算确定其瞬时射击诸元参数。在实施攻击过程中, 由于敌我态势(D,X和X)将随着时间的递推而不断发生变化, 这就会使转角射击提前角随之而变化。可见, 依靠人工的方法将难以完成这种射击的组织。同时, 在使用鱼雷武器系统组织射击时, 也要求其解算射击参数的周期尽可能短, 以保证鱼雷射击的精度要求。

4 潜射鱼雷射击通式的使用方法

在工程实现时, 为了保持鱼雷射击参数解算模型的通用性, 可将射击通式编程而使之成为一通用的射击参数解算模块。而在调用该模块时, 可根据所使用鱼雷的自导方式和性能参数而提供相应的输入参数, 从而使该模型适用于直航鱼雷、声自导作用和尾流自导鱼雷的射击解算。

1) 直航鱼雷射击

当使用直航鱼雷射击时, 因为鱼雷的射击瞄准点就是目标的当前位置点, 所以在使用射击通式(3)～式(5)计算中线鱼雷的射击参数时, 所需要的输入参数包括: 发射距离D、发射敌舷角X、目标相对于发射艇的舷角X和目标速度V, 并把鱼雷自导探测距离0赋值为0。这样, 由射击通式所解算得到的射击诸元参数就是直航鱼雷射击所需要的发射控制参数。

这种情况下, 式(4)所解得的鱼雷航程S为鱼雷完成一次转角到命中目标过程中的航程、命中角为鱼雷命中目标时刻目标航向线与鱼雷反航向线之夹角, 可直接用于判断当前态势是否满足鱼雷的航程要求。

2) 声自导鱼雷射击

当使用声自导鱼雷射击时, 提供与直航鱼雷相同的态势参数和目标运动要素, 并给定鱼雷自导探测距离0的估计值, 射击通式(3)~式(5)计算的结果就是声自导鱼雷的射击诸元参数。

该情况下, 所解算的鱼雷航程S为鱼雷完成一次转角到其声自导发现目标时刻所需要的航程, 命中角为鱼雷发现目标时刻目标航向线与鱼雷反航向线的夹角, 也可称之为声自导鱼雷发现目标舷角。在判断当前态势是否满足鱼雷航程要求时, 还须考虑声自导鱼雷发现目标后的追踪航程。

3) 尾流自导鱼雷射击

当使用尾流自导鱼雷射击时, 因为鱼雷的射击瞄准点是目标舰尾后距离D处的一点, 并且期望鱼雷自身与其相遇。所以, 在解算射击参数之前, 首先需要将射击通式中的发射态势参数替换为射击瞄准点对应的态势参数: 假设发射时刻目标的方位为B、距离为D、目标舷角为X、速度V、航向C、目标相对于本艇的舷角为X, 则射击瞄准点相对于发射艇的态势参数为: 方位B′、射距D′、瞄准点的目标X′和瞄准点相对于发射艇的舷角X′可通过目标的态势参数而采用以下模型计算确定[6]。

把射击通式中的射距D、发射敌舷角X和发射我舷角X, 分别用射击瞄准点对应的参数D′,X′和X′替代, 并把r赋值为0。则可解算出尾流自导鱼雷的射击诸元参数。

此时, 所解算的鱼雷航程S为鱼雷发射到尾流自导发现目标尾流时间内所需要的航程, 命中角为鱼雷进入目标尾流时刻目标航向线与鱼雷反航向线之夹角, 也称进入角。在判断当前态势是否满足鱼雷航程要求时, 还必须考虑尾流自导鱼雷发现目标后跟踪目标尾流所造成的航程消耗。

[1] 李本昌. 潜艇鱼雷攻击方式与射击控制的有关问题[J]. 潜艇学术研究, 2009(3): 11-13.Li Ben-chang. Some Issues of Attack Mode and Fire Control of Submarine Torpedo[J]. Submarine Academic Research, 2009(3): 1-13.

[2] 李本昌, 梁涛. 尾流自导鱼雷的齐射及其建模[J]. 火力与指挥控制, 2008, 33(6): 128-130.Li Ben-chang, Liang Tao. Salvo and Modeling of Wake Homing Torpedo[J]. Fire Control & Command Control, 2008, 33(6): 128-130.

[3] 李本昌, 尹文进. 潜艇鱼雷射击控制方式及其有关问题[J]. 火力与指挥控制, 2012, 37(11): 1-3.Li Ben-chang, Yin Wen-jin. Submarine Torpedo′s Fire Control and Its Related Issues[J]. Fire Control & Command Control, 2012, 37(11): 1-3.

[4] 赵正业. 潜艇火控原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003．

[5] 李本昌, 李长文. 预定相遇态势的潜射鱼雷射击及其技术方法[J]. 指挥控制与仿真,2013, 35(2): 5-8.Li Ben-chang, Li Chang-wen. The Shooting of Submarine Torpedo and Its Technical Method in Predetermined Situation[J]. Command Control & Simulation, 2013, 35(2): 5-8.

[6] 李本昌, 刘振峰. 尾流自导鱼雷的射击瞄点及射击解算[J]. 鱼雷技术, 2003, 11(1): 68-71.Li Ben-chang, Liu Zhen-feng. The Shooting Aiming Point and the Shooting Calculation of Wake Homing Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(1): 68-71.

Generalization and Application of Shooting Models of Submarine-launched Torpedo

LI Ben-chang1, LIANG Tao2

(1. Research Centre of Submarine Operation Software, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China; 2. Navy Headquarters Submarine Department, Beijing 100841, China)

This paper transforms the shooting models of submarine-launched torpedoes with various homing modes into a general equation according to the principle of solution encounter by using the method of parameter substitution, and clarifies the physical meanings of the key parameters, such as torpedo′s range, shooting angle, etc., for judging whether shooting occasion or the current situation meet the shooting requirements. The purpose of this study is to fulfill the standardization and modularization of a project, and to help project designers and tactics executants unanimously comprehend relative conceptions.

torpedo homing way; shooting situation; principle of encounter

TJ630.34

A

1673-1948(2013)05-0384-04

2013-05-16;

2013-06-03.

李本昌(1955-), 男, 教授, 研究方向为潜艇作战系统和武器运用.

(责任编辑: 许 妍)