基于二次攻击模式的反鱼雷鱼雷弹道组织和动力推进模式

罗 凯, 李代金, 党建军, 王育才



基于二次攻击模式的反鱼雷鱼雷弹道组织和动力推进模式

罗 凯, 李代金, 党建军, 王育才

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

包括反鱼雷鱼雷(ATT)等硬杀伤手段在内的反鱼雷作战能力, 对于大型舰艇至关重要。针对ATT自来袭鱼雷的前半球发起迎击, 命中概率低, 提出了迎击+追击的二次攻击模式, 并给出了弹道组织和理论分析方法。该二次攻击模式可在迎击失败的条件下再进行追击, 可显著提高拦截命中概率。结合二次攻击模式的理论弹道计算, 通过对火箭喷气推进、常规涡轮机推进以及涡轮泵喷水推进等多种推进模式的对比分析, 给出了各种推进模式下ATT的理论作战性能指标。采用涡轮泵推进, 可支持二次攻击的允许发射距离超过20 cab, 是火箭推进模式允许发射距离的2.3倍。综合考虑通用性、实现性和发展潜力等因素, 涡轮泵是适合于ATT使用的动力推进模式。

反鱼雷鱼雷; 二次攻击; 命中概率; 推进模式; 涡轮泵

0 引言

包括反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo, ATT)等硬杀伤手段在内的反鱼雷作战能力, 对大型水面舰艇至关重要[1]。与常规鱼雷相比, ATT有以下特点: 1) ATT一般尺寸较小; 2) ATT一般在目标前半球发起攻击, 采取迎击模式; 3)考虑到ATT发射平台的鱼雷报警距离以及它的迎击模式, ATT航程相对较小[2]。然而, 众所周知, 采取在目标前半球发动的迎击模式, 其命中概率是比较低的, 这就降低了ATT的作战效能[3-4]。基于此, 本文拟就ATT的新型弹道组织模式及其与之配套的新型动力推进模式作初步讨论, 提出了迎击+追击的二次攻击模式, 以提高拦截命中概率。

1 迎击+追击的二次攻击弹道模式

由于迎击时ATT需用法向过载量大、脱靶量大、命中概率低, 可考虑在迎击失败的条件下再进行追击, 实施迎击+追击的二次攻击模式, 如图1所示。ATT与目标相向运动并发生第一次迎击交汇, 若迎击失败, 则开始回旋转向机动至速度矢量指向来袭鱼雷, 此后ATT以尾追法进行追踪, 直至形成追击交汇。

图1 迎击+追击的二次攻击弹道模式

如此组织的弹道模式将显著提高命中概率。显然, 形成二次攻击要求ATT航速大于来袭鱼雷, 且能够拥有一定的航程以保证追击交汇点距离ATT发射平台有足够的安全距离。该弹道模式有以下几个关键的距离和时间特征量。

且满足关系

此后, ATT以尾追法追踪直至追击交汇命中, 导引时间为[5]

追击交汇点与ATT发射点间的距离为

ATT总航程

则对应ATT最大航程时最大迎击交汇时刻

对应的最大迎击+追击发射距离为

对应的最小迎击+追击发射距离为

二次攻击发射时机时间窗口为

如欲实施迎击+追击的二次攻击模式, 速度比约1.5倍为最佳值, 考虑到自导等其他因素, 对于航速55 kn的来袭鱼雷(如MK48), ATT航速以70 kn较适宜。以火箭喷气推进为例进行理论计算, 计算条件: 来袭鱼雷航速55 kn, ATT航速60/70 kn、航深15 m、口径=180 mm、长细比10、动力舱段长6.5、燃烧室温度2300 K、压力30 MPa、外部过线方式, ATT弹道回转半径为8倍雷长, 最小安全距离150 m。表1给出了火箭推进模式下, ATT航速60/70 kn时的理论工作性能对比。可见, 在火箭推进模式下, ATT航速为60 kn时, 二次攻击发射时机时间窗口理论值也不足5 s, 实际作战条件下难以实现二次攻击。

表1 火箭推进方式下ATT的理论工作性能对比

2 推进模式

对于口径180 mm左右的ATT, 如欲具备迎击+追击的二次攻击能力, 航速宜达到70 kn, 故其动力系统的功率负荷很大, 活塞机+推进器推进可暂不予考虑(推进器输入功率约85 kW)。而若采用常规鱼雷的液体推进剂+涡轮机+推进器的推进模式, 系统不仅构成复杂、成本高, 且由于涡轮尺寸小, 转速甚高, 由此带来的问题难以短时间内突破。

涡轮泵喷水推进系统是采用固体火药推进剂,涡轮不经减速而直接拖动内流道中的小尺寸轴流水泵的推进模式, 内流道进水口开于雷体尾部壳体上, 排水口位于雷体尾部端面处。与常规推进器推进模式相比, 涡轮泵喷水推进系统构成简单(无减速机构、无辅机)、无控制性瓶颈技术难题、工程实现容易、成本低、使用维护更方便。

涡轮泵推进系统不自带发电机, 需另外携带电池进行全雷供电, 但由于可以采用燃气舵机, 舵机驱动用电量很少。另外, 由于来袭鱼雷的声学反射截面积很小, 似采用被动声自导为宜, 自导系统对雷上电源容量的要求也不至于很高[6]。

对于轻型或更小口径的高航速航行器, 涡轮泵系统的总效率相对较低, 但由于系统简单、推进剂可用舱段长度大、推进剂装填体积利用率高、装药密度大, 其航程指标与常规涡轮机动力系统接近。例如, 以MK46外形为例进行计算, 燃料舱+尾段+推进器长度均取5.5D, 70 kn航速, 15 m航深下涡轮泵与常规涡轮机动力系统推进的重要性能指标对比如表2所示。

表2 涡轮泵与常规涡轮机系统推进性能对比

涡轮泵喷水推进系统的内外流道速度场、压力场分布如图2~图4所示。

以下对火箭喷气推进、涡轮泵喷水推进作初步对比理论计算, 计算条件为: 涡轮泵推进燃烧室温度1 600 K、压力30 MPa, 其余条件与表1计算条件相同。ATT理论性能指标对比见表3。

图2 压力云图

图3 外壳体压力分布

图4 内流道压力分布

表3 舰用180 mm口径ATT的理论工作性能对比

可见, 涡轮泵推进模式的性能显著超出火箭推进, 最大迎击+追击发射距离达到火箭推进的2.3倍。涡轮泵推进模式可支持ATT在大于20 cab的距离上发射并实现迎击+追击的二次攻击作战模式。

另外, 尽管火箭推进模式可勉强实现舰用ATT的二次攻击, 但从舰用、潜用的通用性以及技术发展潜力的角度来看, 它并不适合[7]。表4给出了在500 m航深下的ATT理论性能对比。

表4 潜用180 mm口径ATT的理论工作性能对比

可见, 180 mm口径的潜用ATT, 若采用火箭推进模式, 二次攻击发射时机时间窗口理论值也不足8 s, 实际作战条件下实现二次攻击非常勉强。而采用涡轮泵推进则还能够支持15 cab左右的发射距离, 其性能指标可以接受。

另外, 若ATT能够采用低速迎击+高速追击的变速攻击模式, 则命中概率会有所提高, 且发射距离可以显著增大[8]。涡轮泵系统可以支持此种变速弹道, 而火箭推进则不能。

若舰用ATT采用324 mm口径, 则性能还会显著提高, 以MK46的总长度为例, 采用涡轮泵推进的ATT理论性能指标如表5所示, 其余计算条件同表3。

表5 舰用324 mm口径ATT的理论工作性能

可见, 涡轮泵推进模式可以支持324 mm口径ATT在大于30 cab的距离上发射并实现迎击+追击的二次攻击作战模式, 这已经达到了鱼雷报警距离的量值, 可以实现对来袭鱼雷发现即发射的作战模式, 性能非常理想。

3 结论

1) 由于ATT是在目标前半球发起攻击, 命中概率低, 可考虑在迎击失败的条件下再进行追击, 实施迎击+追击的二次攻击模式, 命中概率会显著提高。

2) 如欲实施迎击+追击的二次攻击模式, ATT航速以70 kn为宜。

3) 若ATT采用180 mm口径, 对于舰用ATT, 尽管火箭推进模式可勉强实现二次攻击, 但涡轮泵推进模式更适合, 其性能指标超出甚多。

4) 对于潜用ATT, 火箭推进模式支持二次攻击非常勉强, 而涡轮泵推进模式能够胜任。

5) 涡轮泵系统可以支持低速迎击+高速追击的变速ATT拦截攻击模式。

6) 若ATT采用324 mm口径, 配置涡轮泵推进系统, 其性能指标将非常理想。

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Trajectory Organization and Propulsion Mode of Anti-torpedo Torpedo Based on double Attack Mode

LUO Kai, LI Dai-jin, DANG Jian-jun, WANG Yu-cai

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnicial University, Xi′an 710072, China )

The operational capacity of hard killing anti-torpedo weaponry, such as anti-torpedo torpedo, is essential for heavyweight warships. The hit probability of an anti-torpedo torpedo is low since it attacks from the fore-hemisphere of an incoming torpedo. This paper proposes a double attack mode including attacking and chasing, and provides trajectory organization and theoretical analysis method. This double attack mode can pursuit the target in the case of attack failure and improve the intercept hit probability significantly. Through theoretical trajectory calculation of the double attack mode, the theoretical operational performance indexes of an anti-torpedo torpedo with various propulsion modes are obtained via comparative analysis of the rocket jet propulsion, conventional turbine engine propulsion, turbine pump water jet propulsion and other propulsion modes. The allowable launch distance is more than 20 cab in turbine pump propulsion mode, which is 2.3 times of the allowable launch distance in rocket propulsion mode. By considering generality, reliability, developmental potential and other factors, the turbine pump is the best power propulsion mode for an anti-torpedo torpedo.

anti-torpedo torpedo; double attack; hit probability; propulsion mode; turbine pump

TJ630.1

A

1673-1948(2013)05-0321-05

2012-08-28;

2013-06-12.

罗 凯(1972-), 男, 副教授, 博士后, 主要研究方向为水下动力系统、液压系统以及自动控制.

(责任编辑: 陈 曦)