基于效能分析的反鱼雷鱼雷拦截方式优选技术

彭会斌， 刘　希

(1.海军驻716所军事代表室, 江苏 连云港　222061;2.江苏自动化研究所, 江苏 连云港　222061)

水面舰艇是未来海战的主要兵力之一。随着鱼雷技术的发展,鱼雷的目标探测及跟踪能力得到提高,新型鱼雷不断涌现,水面舰艇很难通过改变航向、航速和利用声诱饵等手段来摆脱鱼雷的攻击,同时鱼雷智能化水平的提高也削弱了反鱼雷系统的软对抗效果,对水面舰艇和潜艇构成了巨大的威胁,各国海军对鱼雷防御系统和反鱼雷措施的研究也在不断深化。反鱼雷鱼雷(Anti-Torpedo Torpedo,ATT)武器是水面舰艇在水下作战空间的自然延伸,具备灵活性、主动性、机动性等特点。随着军事技术的发展,传统的软硬杀伤效能不断降低,而反鱼雷鱼雷武器作战使用范围可以在一定程度上削弱鱼雷智能化的制约,反鱼雷鱼雷与鱼雷对抗时,可以灵活使用多种弹道,拦截成功即可消除该来袭鱼雷对本舰的威胁,具有拦截对象多(可拦截声自导、尾流自导、直航等各种工作方式鱼雷)、自主作战能力强、作战效能高等特点,作为硬杀伤手段中的新技术,反鱼雷鱼雷已成为当前各国海军致力研究和发展的重点[1]。

许多发达国家的海军从20世纪80年代就已开展研究。如法意联合研制的MU90HK反鱼雷鱼雷,在MU90轻型反潜鱼雷的基础上研制的MU90HK反鱼雷鱼雷,秉承了MU90反潜鱼雷命中精度高、航速快和射程远的优点[2]。该雷声探测系统具有很高的定向精度,并支持齐射,发射60m或100m远后才打开安全引信,可确保发射舰的安全,并具有友舰识别功能。欧洲鱼雷公司在2年内已做了100万次先进仿真试验。试验统计表明, MU90HK可拦截软杀伤无法对抗的重型鱼雷, 对尾流自导鱼雷和直航鱼雷的平均拦截概率分别为77%和85%。

反鱼雷鱼雷根据其发射方式不同可以分为火箭助飞式和管装发射式,根据发射平台不同可以分为舰载和潜射两种。作为鱼雷防御体系结构中内层防御武器,反鱼雷鱼雷能否成功对抗来袭鱼雷不仅仅取决于其自身性能,而是涉及目标探测、识别、定位、跟踪、解算、发射、追踪、毁伤等一系列环节。概括来讲,影响ATT实际拦截来袭鱼雷作战效能的关键要素有3个,即:目标定位精度、ATT射击参数的解算精度、ATT武器的追击和摧毁能力。本文以舰载管装ATT为背景对系统作战使用方法开展研究。

1　反鱼雷鱼雷武器系统及作战样式

ATT武器系统一般由鱼雷预警及探测设备、火控系统、发射装置及武器组成。

鱼雷预警探测系统主要功能为对鱼雷目标进行预警、跟踪和探测,是鱼雷防御系统主要的目标信息来源。其主要性能体现在对鱼雷预警和探测能力两个方面。火控系统作为武器系统的核心,其对鱼雷距离、航向、航速等弹道信息只能通过估测求取,并进行目标概略定位,划定目标误差散布区域,并规划与之相匹配的ATT拦截弹道,以期ATT搜索区域能最大程度地覆盖目标散布误差。反鱼雷鱼雷主要由声自导、动力推进、控制、战斗部、引信等部分组成,作为一种鱼雷防御体系结构中内层防御武器,它既能主动发射脉冲信号探测来袭鱼雷,也可以采用被动接收来袭鱼雷航行过程中产生的噪音或发射的脉冲信号发现目标[3]。

由于水下战场环境的复杂性,目前对于较远距离的鱼雷目标,系统对其定位的精度有限,无法符合反鱼雷鱼雷精准拦截的需求,在此条件下,可使用其他“面杀伤”武器配合软杀伤武器对来袭鱼雷实施拦截。反鱼雷鱼雷拦截主要分为2个防御阶段:正常防御和应急防御。

正常防御时,来袭鱼雷与本舰尚有一定的距离,此时可给系统预留一定的时间进行解算,在对目标进行准确定位的基础上进一步解算反鱼雷鱼雷射击诸元,可在一定程度上保证反鱼雷鱼雷作战效能。

应急防御时,此时鱼雷目标与本舰距离较近,系统需要短时间内解算出射击诸元并进行应急武器发控。发射ATT对鱼雷目标实施拦截。

1.1　正常防御作战

正常防御作战情况下,鱼雷报警声呐在较远距离上使用被动探测方式,近距离使用主动探测方式对来袭鱼雷目标进行探测。在被动探测方式下,鱼雷报警声呐可给武器系统提供来袭鱼雷的告警信息,同时对该目标进行持续的被动跟踪和探测,此时系统可依据一系列的纯方位信息,结合声呐性能、海洋外部环境参数以及必要的辅助参数信息对鱼雷目标运动要素进行估算,同时结合战术数据库对鱼雷目标制导方式进行预判。在此情况下,受信息量的限制,系统对鱼雷的定位及弹道预估精度有限,仅能作为系统制定作战方案及拦截策略的依据,可结合鱼雷的制导类型,利用诱饵、干扰器等软杀伤武器对来袭鱼雷实施外层防御。在此作战环境下,由于没有高精度的目标要素信息支持,使用ATT进行防御作战效能有限,仅能作为一种手段。

当来袭鱼雷目标进入鱼雷报警声呐主动作用范围时,武器系统可以得到含距离的来袭鱼雷探测信息。在前期估算鱼雷目标运动要素基础上,系统结合主动探测信息可以在较短时间内进行目标定位,并对其攻击弹道进行解算,此时系统对鱼雷目标定位的精度已达到火控级,在此基础上,以战场环境为基础,结合ATT武器的性能进行射击诸元的解算,并规划相应的拦截弹道,可充分发挥ATT武器的作战效能,提高防御成功概率。正常情况下作战使用流程见图1。

图1　武器系统正常作战流程

反鱼雷鱼雷武器系统正常作战信息处理流程如下:鱼雷预警探测系统对鱼雷目标进行告警、定位和跟踪,并实时将探测信息发送至火控系统,火控系统综合处理战场态势信息,依据指挥员决策信息进行火控解算,将拦截参数设定至ATT。当指挥员下达发射命令后,由发射装置完成武器出管,ATT按照设定的拦截参数航行至预定位置后开启自导装置,当其接近到来袭鱼雷一定距离时进行自爆,或摧毁来袭鱼雷,或使其自导、控制系统功能失效,从而实现对来袭鱼雷目标的拦截。

在正常防御作战模式下,系统的拦截效能不仅依赖于武器自身的性能,更多依赖于声呐对目标的跟踪性能、武器系统及火控解算精度。

1.2　应急防御作战

由于环境因素等导致鱼雷报警声呐未能在其报警距离指标范围内发现来袭鱼雷,发现来袭鱼雷时鱼雷距离本舰距离较近,在这种危急情况下,如果按照常规的系统信息处理模式进行火控解算然后组织反鱼雷发射的处理方式需要耗费大量的时间,明显不能满足这种应急条件下对来袭鱼雷的拦截,需要启动系统应急响应机制,应急规划反鱼雷鱼雷拦截弹道,并解算拦截参数,同时立即组织发射反鱼雷鱼雷,具体作战流程见图2。

反鱼雷鱼雷武器系统应急防御作战信息处理流程如下:鱼雷预警探测系统对鱼雷目标进行告警、定位并实时将探测信息发送至火控系统,火控系统立即进行拦截参数应急解算,并将拦截参数设定至ATT,同时应急发控完成武器出管。ATT到达概略位置后,开启自导装置搜索鱼雷目标。

在应急防御作战模式下,由于系统没有充分的时间进行解算,拦截效能更依赖于反鱼雷鱼雷自导系统的性能。

图2　武器系统应急作战流程

2　反鱼雷鱼雷拦截弹道优选技术

2.1　反鱼雷鱼雷拦截弹道

反鱼雷鱼雷由于其对弹道要求的特殊性,使得单一传统导引方法不再适用于反鱼雷鱼雷[5]。弹道的多样化使得在同一时刻,对来袭鱼雷规划不同的拦截航路均能达到预定位置拦截来袭鱼雷。同样,对于同一鱼雷目标,选择不同的发射时机规划反鱼雷鱼雷目标航路也能达到拦截来袭鱼雷的目的。每种不同的拦截方式均可规划不同的拦截弹道,而弹道选择直接影响ATT对来袭鱼雷的拦截效果。在这种情况下,对反鱼雷鱼雷功能系统来说,选择合适的拦截弹道及发射时机尤为重要。

目前常见的一般有直接拦截、迎面拦截、应急拦截。

1)直接拦截弹道

直接拦截方式就是将ATT发射到来袭鱼雷未来弹道航路的附近,使来袭鱼雷刚好处于其自导搜索扇面形心位置,进而实现对鱼雷目标的捕获和拦截。该拦截弹道适用于武器系统对来袭鱼雷进行精确定位的前提条件下,只有获得了一定精度的目标要素信息(目标距离Dm、方位Cm、航速Vm、航向Co等),才能在此基础上解算直接拦截弹道射击诸元,实现“点对点”的拦截。见示意图3,本舰航速Vb,ATT发射角Ct,航速V,经过时间t后于A点实施拦截。

图3　反鱼雷鱼雷直接拦截示意图

相应的数学模型[4]为

2) 迎面拦截弹道

迎面拦截方式就是将ATT发射到来袭鱼雷未来弹道航路附近,使其经过转向机动后达到目标航向线正前方,并沿着来袭鱼雷攻击航向相反的方向展开搜索,实现对来袭鱼雷的捕获和拦截,该拦截弹道同样适用于武器系统对来袭鱼雷进行精确定位的前提条件下,实现“点对点”的拦截,见图4。

相应的数学模型为

式中:V为ATT航速,Ct为ATT航向

机动后搜索弹道:

式中:w为转角。

图4　ATT迎面拦截方式示意图

3)应急拦截弹道

应急拦截方式就是在无法准确掌握目标运动趋势或本舰在近距离发现目标时,系统在较短时间内对根据目标方位信息估算目标散布区域,沿着目标的方位线(相对本舰)发射ATT实施拦截。应急对来袭鱼雷目标实施实现概略位置的拦截。对来袭鱼雷实施应急拦截的射击方式比较简单,只要得到来袭鱼雷方位即可发射,即ATT发射角为当前目标方位。模型建立较为简单,即ATT出管的方向角Ct为来袭鱼雷方位Cm的方向Ct=Cm。

2.2　基于系统效能分析的拦截方式优选

在鱼雷预警探测系统进行鱼雷预警后,系统可基于纯方位信息进行鱼雷要素信息估算,同时对其制导方式进行预判,制定有针对性的防御方案指导后续的防御行动。此时,从系统拦截效能层面考虑,不宜使用ATT实施拦截,可使用其他软硬武器实施防御。若需要,则可考虑使用基于方位线的应急拦截方法发射ATT实施拦截,但该方法仅作为一种手段,若要保证拦截效能,可采用多雷齐射或连射方式实施拦截,以期尽可能覆盖目标误差散布区域。

在系统有主动探测信息支持的情况下,ATT使用迎面拦截方式和直接拦截方式拦截来袭鱼雷均有较高的拦截概率。当系统反应时间有限的情况下,可优先使用迎面拦截方式实施拦截。同时,由于使用迎面拦截方式对敌我态势有一定的要求,在迎面拦截不适用的情况下,可使用直接拦截方式作为补充。

当系统在较近距离上发现来袭鱼雷目标(主动探测方式)时,系统转入应急工作流程,此时系统没有充裕的时间进行解算,需立即进入武器应急发射诸元解算模式。在这种情况下,由于没有高精度的要素信息支持,系统无法使用迎面和直接拦截方式对来袭鱼雷实施拦截,可使用基于当前位置的应急拦截方式对来袭鱼雷实施拦截,从系统作战效能层面分析,此时目标距离较近,ATT作战交敌时间较短,目标散布误差有限,直接利用ATT武器自身的自导搜索扇面对目标进行捕获,就可获得较大的发现概率。

3　仿真分析

3.1　捕获鱼雷的条件

当系统发射ATT后,以发射时刻本舰位置为原点,每隔t间隔实时计算ATT的位置(Xt,Yt),目标的位置(Xm,Ym),目标与ATT的连线与ATT航向线的夹角Bw,假设反鱼雷鱼雷自导扇面半角为θ,自导左右距离为R,搜索段航程为D(取ATT航程80%),则目标鱼雷被捕获的条件为:

2) ATT与目标的距离不大于自导作用距离:

3) 目标与ATT的连线与ATT航向线的夹角:|Bw|≤θ。

3.2　仿真试验

分别选取正常和应急防御作战场景进行效能仿真分析。由于不同拦截方式对目标的信息需求程度及精度不同，正常方式下对迎面拦截和直接拦截方式进行仿真分析如图5，应急作战方式下(近距离发现目标情况),对方位线拦截和当前位置拦截方式进行仿真分析。

图5　系统正常作战方式下,针对某态势下,三种拦截方式的系统发现概率比较示意图

基于相关研究及仿真验证,不同拦截方式对系统的信息需求及特点见表1。

表1　不同拦截方式对目标信息需求及特点

4　结束语

本文分析了基于反鱼雷鱼雷武器系统正常和应急两种模式下对作战方法及流程,并对反鱼雷鱼雷常用的拦截方式进行了归纳分析,建立了系统作战使用模型。但本文的讨论仅基于来袭鱼雷和反鱼雷鱼雷处于在同一平面内运动,要建立更完备的作战使用模型,需结合实际基于以上分析和讨论,结合ATT武器的性能特点,初步得到了不同信息源及反应时间要求下的ATT拦截方式使用策略。

从目前国外相关发展趋势来看,为了充分发挥反鱼雷鱼雷武器智能化、弹道灵活的优势,进一步拓宽反鱼雷鱼雷武器在水下战场的应用场景,对ATT进行远程投送实施鱼雷目标外层防御任务,及利用ATT兼顾执行反潜任务是未来ATT系统发展的重点思路,需要同步开展相关研究工作。

参考文献:

[1]杨日杰， 高学强， 韩建辉. 现代水声对抗技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社,2007.

[2]钱动, 崔立, 顾险峰. MU90HK反鱼雷鱼雷的作战效能[J]. 鱼雷技术,2004，12(4)：5-8.

[3]陈春玉, 张静远, 王明州,等. 反鱼雷技术[M]. 北京：国防工业出版社,2006.

[4]李晓宁, 明星, 朱若寒.反鱼雷鱼雷拦截弹道及拦截概率[J]. 鱼雷技术,2008，16(3)：9-12.

[5]范路, 王志杰, 曹小娟.反鱼雷鱼雷拦截弹道导引方法研究[J].舰船科学技术,2014,36(2):77-81.