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鱼雷变速对潜艇防御鱼雷时间影响分析*

2013-08-10孙国振陈路伟

舰船电子工程 2013年7期
关键词:声纳航速鱼雷

孙国振 陈路伟

(91388部队93分队 湛江 524022)

1 引言

随着电动力在鱼雷发动机的应用与发展,鱼雷可以实现10%~100%转速范围内的无级变速[1],而热动力系统亦可实现较小范围的变速。鱼雷动力装置决定着鱼雷的航速、航程、航深、航迹和噪声等性能,同时影响着鱼雷作战效能。鱼雷速度固定容易被舰艇探测其航行轨迹,并实施有效拦截,鱼雷变速不仅可以躲避反鱼雷武器攻击,还可以通过改变速度,改变鱼雷自噪声,使舰艇探测跟踪难度加大。鱼雷的速度决定于动力装置,鱼雷速度越大,噪声越大,自导效果也会随之降低,达到一定程度,便无法自导。

鱼雷在水下航行会受到噪声干扰、水流的影响,鱼雷速度的改变会使鱼雷辐射噪声发生改变[2],辐射噪声对潜艇鱼雷报警声纳的报警距离产生影响,鱼雷航速越大,报警距离就越远[3]。鱼雷的较强噪声虽然容易被潜艇探测,同样可以作为隐藏鱼雷的手段,较强的噪声可以吸引目标潜艇进行防御攻击,突然的变速可以隐藏鱼雷准确位置,造成目标潜艇无法锁定鱼雷,大大提高了攻击能力。鱼雷的攻击效能不仅体现在目标探测方面,而且体现在攻击能力方面;鱼雷的攻击能力体现在发起攻击的时间,本文着重讨论鱼雷速度与攻击时间的关系。

2 鱼雷速度对辐射噪声的影响

鱼雷辐射噪声是主要由螺旋桨噪声和发动机产生的机械噪声,可以用经验公式表示其声源级[4]。

其中SLT表示鱼雷噪声级;vt为鱼雷航速;ft为鱼雷工作频率;R表示潜艇与鱼雷距离;T为鱼雷重量。图1为鱼雷航速与自身辐射噪声之间的关系曲线。

图1 鱼雷航速与鱼雷辐射噪声关系

通过二战时所测量的鱼雷噪声谱可以看出,鱼雷的噪声级与鱼雷航速的关系可以线性表示[3],与经验公式描述类似,表示如下:

其中vmin为鱼雷最小速度;vmax为鱼雷最大速度;SL0为零点噪声级,由观测得到。潜艇通过鱼雷的噪声进行探测来袭鱼雷,而鱼雷噪声在水下传播,而潜艇会受到自身噪声干扰,潜艇探测声纳一般为被动声纳,被动声纳方程表示如下。

其中,TL表示声传播损失;DI表示空间增益;DT表示检测域;NL潜艇自噪声级,噪声在水下传播损失是由球面波扩展和海水吸收引起的,经验公式[5]如下:

其中fmc为潜艇探测声纳系统工作的中心频率。

3 鱼雷速度与潜艇鱼雷报警距离的关系

假设鱼雷速度在vmin时,潜艇对鱼雷的最远探测距离为R0,由公式计算出ND0=NL-DI+DT,并为固定值,进而得到鱼雷速度与最远探测距离的关系式:

鱼雷为了更好地攻击目标潜艇,尽量避开潜艇的鱼雷探测声纳,所以鱼雷的攻击过程可以分为隐身过程和全速过程;在隐身过程中,通过控制鱼雷的速度控制鱼雷的辐射噪声,鱼雷距潜艇的距离Rs应大于相应的R:

其中,α可由当前的海洋环境和目标决策决定,目标决策可以分为安全方式、折中方式和冒险方式。安全方式是确保鱼雷在要求的距离内无法被目标潜艇探测到,此时α>1.5;折中方式则为在安全与攻击效率之间寻求最佳方案,1<α<1.5;危险方式,α<1。

图2 鱼雷航速与目标潜艇鱼雷报警距离关系图示

4 鱼雷航速与潜艇反应时间关系

常规鱼雷的速度假设为vx,由式(5)得到目标潜艇鱼雷报警距离Rx,反应时间为tx=Rx/vx,经计算得到图3,由图3可以看出反应时间是随着鱼雷速度增加而增加,原因是由于鱼雷速度变大,使得鱼雷辐射噪声增大,潜艇发现距离变远,鱼雷速度与发现距离之间比例关系小于1,导致反应时间增大。

此时鱼雷变速可以解决这个问题,鱼雷以低速行进至探测距离临界点,然后以最大速度对目标实施攻击,可以有效缩短潜艇反应时间。当鱼雷速度为vmin,到达距潜艇β R0(β≥1)时,加速至vmax。而β是由从鱼雷暴露到预计攻击至潜艇的时间决定,计算方法如下:

图3 鱼雷航速对其攻击时间的影响

从vmin加速至vmax,加速度为a,时间为

其中,tw为全速过程时间。将上式整理可得:

虽然tw+ta决定了整个攻击的时间,但是ta为定值,所以对tw取最小值即可,通过计算可以得到β=1。

鱼雷以最大速度攻击目标时,由式(5)计算得到Rmax=vmaxtmax,进而得到被潜艇探测到的反应时间tmax=Rmax/vmax,为了更好地理解鱼雷航速对潜艇探测时间的影响,令ts=tmax-tw,得到鱼雷航速与潜艇探测时间的变化情况,如图4所示。

图4 鱼雷航速与潜艇探测时间的变化情况

由图(4)可以看出在鱼雷速度在30kn时变速可以得到缩短反应时间的极值,当舰艇与目标潜艇的距离小于R0时,无论鱼雷是否变速,都应当以最大速度攻击目标,因为速度的变化不能提供隐身功能。

5 结语

本文通过对鱼雷变速所引起的连锁反应进行了分析,鱼雷的速度与自身辐射噪声存在类似线性关系,鱼雷速度越大,自身辐射噪声越大,越容易被目标潜艇探测发现,由于辐射噪声大于鱼雷速度的变化,虽然鱼雷速度提高了,但是相对目标潜艇的反应时间是增加了,目标潜艇更有充分的时间防御来袭鱼雷。本文对目标潜艇的反应时间进行了深入的分析,得到鱼雷在速度为30kn时变速反应时间差别最大。本文下一步工作是各类鱼雷的发动系统进行分析比较,得到鱼雷速度变化与鱼雷辐射噪声之间更为精准的关系。

[1]查志武.鱼雷动力技术发展展望[J].鱼雷技术,2005,13(01):1-4.

[2]刘孟庵.水声工程[M].杭州:浙江科学技术出版社,2002.

[3]曹震卿,贾跃.鱼雷航速对潜艇鱼雷报警距离的影响分析[J].鱼雷技术,2011,19(4):260-262.

[4]查志武,史小锋,钱志博.鱼雷热动力技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[5]陈剑,鲁民月,庞天照.潜艇噪声水平对声呐探测性能影响分析[J].舰船科学技术,2009,31(12):22-25.

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