水下目标敷设吸声材料对抗鱼雷作战效果仿真研究

2013-09-20杨连红

中国传媒大学学报(自然科学版) 2013年4期

杨连红

(中国传媒大学理学院，北京100024)

1 引言［1］

随着水声对抗愈演愈烈，目前大多数潜艇均敷设有消声瓦。消声瓦不仅具有降低潜艇的目标反射强度，还具有隔振和隔声的作用，对于提高潜艇隐身性具有不可忽视的作用。据“简氏防务周刊”报道:“前苏联潜艇的消声瓦覆盖层可使美国MK-46鱼雷的自导作用距离减小31% ～62%，相当于覆盖消声瓦后目标强度降低约6dB ～15dB”。同时，另据资料报道，俄罗斯新研的核潜艇敷设新一代消声瓦后不仅能吸收敌方主动声呐的探测声波、隔绝和降低本艇的噪声(降低20dB以上)，而且可使西方舰艇探测系统的探测能力下降50%～75%。

消声瓦上述优异性能带动了对消声瓦技术研究的热潮。我国学者就此问题开展了相关研究，并在消声瓦吸声机理、吸声材料、测试方法、生产工艺、目标强度计算以及潜艇回声特性等方面取得了不少成果［1-7］［10-12］，但国内对消声瓦的研究主要集中在消声瓦吸声机理、吸声材料、吸声效果计算方法等方面，而对潜艇敷设消声瓦前、后对抗来袭鱼雷的实际效果研究相对较少，因此，本文从对抗角度出发，建立了敷瓦潜艇对抗来袭鱼雷的对抗效果仿真模型，重点就来袭鱼雷对潜艇敷设消声瓦前后的攻击效果进行仿真研究，据此提出了消声瓦技术发展的几点建议，期望能对消声瓦技术的发展和应用提供一定的参考意义。

2 敷瓦潜艇对抗效能仿真模型和对抗效能评估方法

2.1 仿真建模

潜艇敷设消声瓦的最终目的是使敌方探测器材难以发现或延缓发现己方，同时降低来袭鱼雷的命中概率。而鱼雷命中概率不仅与鱼雷自身性能指标、作战方法、被攻击对象、发射平台乃至作战海域水文条件等多方面因素密切相关还受到鱼雷-目标相对运动等因素的影响。本文仅介绍潜艇目标强度的计算模型，目标、鱼雷的运动数学模型以及鱼雷-目标相对运动模型等在此不再累述，可参阅文献［8］和［9］。

2.1.1 未敷瓦潜艇目标强度计算

潜艇目标强度的变异性较为显著，不但同一潜艇的不同时间段回声与回声之间的变化很大，而且不同潜艇由不同的操作者在不同的时间所测得的目标强度平均值以及由所换算出的目标强度也存在很大差异，目标强度与目标的大小、形状和声学性质有关，并随入射声纳波的方向、频率和波形而发生改变［7］。另一方面，由于消声瓦是具有复杂声学结构的粘弹性材料吸声层，这给计算和评价敷瓦潜艇的目标强度带来了更大难度。

不失一般性，本文中未敷瓦潜艇目标反射强度按文献［7］所提目标强度分布规律来计算。根据文献［7］潜艇的目标强度随方位变化呈现“蝴蝶”形分布(见图1)，该图具有下列特征［7］:①在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达25dB;②在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约10～15dB;③在艇首和艇尾20°附近，比相邻区域高出1～2dB;④在其它方向上呈圆形。

图1 未敷瓦潜艇目标强度分布图

2.1.2 敷瓦潜艇目标强度计算

目前国内已经有一些文献给出了潜艇目标强度的预测和计算方法［1-6］［10-12］，但不论从理论或实验上都还没有形成一个计算和评价潜艇目标强度(含敷瓦潜艇)的成熟的理论和方法。考虑到分析问题的需要，仿真中对敷瓦潜艇的目标反射强度计算则以文献［1］和［2］中研究数据和结果为基准来进行计算，本文仿真中采用的是拟合处理后的结果，拟合后的敷瓦潜艇目标强度分布图见图2所示。

图2 敷瓦潜艇目标强度分布图

从图中不难看出敷瓦潜艇目标强度值明显比未敷瓦潜艇大大降低，目标位于艇的正横90°±40°方位角内敷瓦潜艇目标强度值明显比未敷瓦潜艇大约下降5.0dB～10.0 dB左右，其它角度内大约下降8.0dB～12dB左右，随入射方位变化的目标强度分布图趋势基本相同。

2.2 敷瓦潜艇对抗效能评估方法

为便于分析潜艇敷设消声瓦后的对抗效能，本文用反潜鱼雷对敷设消声瓦潜艇的命中概率绝对降低值Δ和相对降低值η来表示，Δ和η的定义如下(除特别说明外，文中Δ和η的含义均同此):

△ =(P未敷瓦－ P敷瓦)*100

η =(P未敷瓦－ P敷瓦)*100/P未敷瓦

式中，P未敷瓦表示鱼雷命中未敷设消声瓦的潜艇目标的概率，P敷瓦表示鱼雷命中敷设消声瓦的潜艇目标的概率。

3 敷瓦潜艇对抗效果仿真计算和分析

鱼雷对潜艇目标的攻击过程通常分为发射入水段，线导导引段，自导搜索、跟踪段，丢失后再搜索、再跟踪等阶段，其中鱼雷能否命中目标，是衡量鱼雷攻击效果的最本质指标，因此，本文将“计算鱼雷命中概率”作为研究敷瓦潜艇对抗来袭重型鱼雷作战效能的手段，以“命中概率”为衡量尺度，对潜艇敷设消声瓦前、后对来袭重型鱼雷命中概率的变化影响进行分析和研究。

3.1 命中概率计算方法

已知目标的真实速度Vm、舷角Qm、射距Dm，则经过多次观测，可得到不同的观测值 Vmi、Qmi、Dmi。每一次观测均得到一组目标信息，从而就可以使用鱼雷实施对目标的一次攻击。假设舰艇进行了多次鱼雷攻击，每一次攻击可能命中目标，也可能不能命中目标。若在N次攻击中命中目标M次，则根据蒙特卡罗法的原理，鱼雷命中概率P就是命中次数M次与总攻击次数N的比值。

3.2 仿真条件

为全面、客观地研究敷瓦潜艇对来袭鱼雷的对抗效果，本仿真中以瑞典的TP2000型鱼雷和意大利的A184-3型鱼雷为基本原形，假想了两种自导性能不同的鱼雷分别进行仿真，其中A型鱼雷航速37kn，自导作用距离约700m;B型鱼雷航速45kn，自导作用距离约1100m;假定潜艇目标航速5节，做匀速直线运动，潜艇敷设消声瓦前后的目标反射强度的分布规律见本文2中描述。

此外，为分析潜艇敷设消声瓦后的最佳预期降低值问题，本文还对A和B两型鱼雷在潜艇敷设消声瓦后的不同理想预期ΔTS降低值下(注ΔTS=n dB，则表示潜艇敷设消声瓦后的目标强度普遍下降n dB，下同)的对抗效果进行了仿真分析。

3.3 仿真结果

由于篇幅有限，下面仅给出射距30链时的A型鱼雷和B型鱼雷的对抗绝对效果和相对效果。其中A型鱼雷对敷设不同频率消声瓦的潜艇目标的对抗绝对效果和对抗相对效果见图3～图4，A型鱼雷对不同预期ΔTS降低值下的对抗绝对效果和对抗相对效果见图5～图6。B型鱼雷对敷设不同工作频率消声瓦的潜艇目标的对抗绝对效果和对抗相对效果见图7～图8，B型鱼雷对不同预期ΔTS降低值下的对抗绝对效果和对抗相对效果见图9～图10。

图3 A型鱼雷对抗绝对效果图

图4 A型鱼雷对抗相对效果图

图5 A型鱼雷在不同ΔTS值下的对抗绝对效果

图6 A型鱼雷在不同ΔTS值下的对抗相对效果图

图7 B型鱼雷对抗相对效果图

通过对仿真数据和图表的分析，对给定条件下的潜艇目标，敷设消声瓦前后对A、B两型来袭鱼雷的效果影响分析如下:

1)在给定频率下，与未敷设消声瓦相比，潜艇敷设消声瓦可使A、B两型来袭鱼雷的命中概率的绝对降低值和相对降低值下降，具体下降幅度与来袭鱼雷的种类有关。如对A型鱼雷而言，A型来袭鱼雷命中概率的绝对降低值和相对降低值均为几个百分点左右，对抗效果较为明显，但是对B型鱼雷而言，B型来袭鱼雷命中概率的绝对降低值和相对降低值均＜1%;对抗效果则不甚明显;

图8 B型鱼雷对抗绝对效果图

图9 B型鱼雷在不同ΔTS值下的对抗绝对效果

图10 B型鱼雷在不同ΔTS值下的对抗相对效果图

2)命中概率的绝对降低值和相对降低值均随着消声瓦工作频率的增大而减小。尽管这种下降幅度较小，有时还会出现特殊点，但是总体规律是一致的;

3)给定频率下，随着反射强度预期降低值的增大，命中概率的绝对降低值和相对降低值也相应增大。随着预期降低值的增大，来袭鱼雷的命中概率下降，但是当预期降低值不同时，其下降的幅度有一定差异，当预期降低值增大到一定程度时，其下降的幅度则不甚明显。对A型来袭鱼雷来说，当反射强度预期降低值为15dB或18dB时，此时鱼雷的发现概率绝大部分在40%左右，此时对来袭鱼雷来说时是极为不利的。对B型鱼雷来说，当反射强度预期降低值为20dB时，其使来袭鱼雷命中概率的绝对降低值和相对降低值在9% ～25%之间，但此时鱼雷的命中概率仍然很高，因此。其对B型来袭鱼雷的对抗效果不是十分明显。这种情况主要是B型鱼雷自导性能较A型鱼雷先进，因此目标反射强度的一定降低，对其效果影响不大所致。