反潜直升机武器挂载方案研究与仿真

康 乐

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

现代反潜机正向高度自动化、综合化及智能化方向发展，提供给驾驶员的信息复杂多样，仅仅依靠飞行员本身来考虑众多因素进而做出规划和决策几乎是不可能的。在武器平台性能一定的条件下，提高规划系统的决策效率能有效提高反潜战效能。通过量化反潜直升机应召搜潜和巡逻搜潜模式下的搜索效能、攻潜效能、任务执行时间、控制海区面积或拦阻长度等信息，结合预设作战想定，给出单机模式下反潜武器挂载方案辅助任务规划人员决策。

1 反潜直升机武器挂载方案模型建立

反潜直升机的主要作战模式分为应召反潜和巡逻搜潜[1]。不论哪种任务模式，由于海洋环境的复杂性、敌方潜艇的对抗策略，预设的作战想定可能随战况变化而需要调整，导致只依据单一预设想定进行规划的武器挂载方案不能灵活匹配实际作战任务需求。为提高反潜战效率，需要综合考虑预设作战想定和其它可能转入的作战模式，并由此规划反潜武器挂载方案。

以S-70B“海鹰”反潜直升机为参考对象[2]。假定反潜直升机可携带的武器类型包括鱼雷、声呐浮标、吊放声呐、对海搜索雷达、前视红外探测仪和磁探仪，其中对吊放声呐、对海搜索雷达、前视红外探测仪和磁探仪是固定挂载器材，鱼雷和声呐浮标为动态挂载器材。4人机组人员分别是正副驾驶员、传感器操作员和战术操作员。

传统的常规动力潜艇需要定期上浮充电，但是当前主要军事大国的潜艇基本以先进的AIP潜艇和核动力潜艇为主，具备水下长期航渡能力。即便是常规潜艇，其安静性、自持力和水下连续续航能力也大为提高，例如基洛级。综上考虑，假定潜艇在执行任务期间不上浮充电，并由此认为反潜直升机采用吊放声呐、声呐浮标、磁探仪对水下目标进行搜索，同时借助对海搜索雷达、前视红外传感器,目力对水面和近水面目标进行探测，帮助判断吊放声呐、声呐浮标、磁探仪发现的疑似目标是否是水面舰或其他虚警目标。

虽然吊放声呐和声呐浮标设备可以同时工作，但是鉴于本文假定的反潜直升机传感器操作员只有1人，无法同时判读声呐浮标声信号和吊放声呐声信号，假设吊放声呐系统和声呐浮标系统工作时间互斥。

1.1 应召反潜挂载方案

应召搜索的特征是已知目标在搜索前某一时刻的大概位置。相比声呐浮标复杂的准备流程和较长的布阵时间[3,4]、搜索深度固定、定位速度慢和精读差等缺点[1]，吊放声呐具有搜索速度快、机动灵活、工作深度可变、精读高等特点，且有多种工作模式，经济性也比声呐浮标好[5]。假设单机应召模式首先采用吊放声呐进行搜索[6～8]。

由于应召搜索距离不同，导致反潜机应召搜索效率、任务执行时间都不同。在这种条件下，需要考虑应召失败后是否需要进行拦阻或巡逻，以及携带多少声呐浮标进行拦阻或巡逻。本文假设应召失败后根据剩余留空时间决定用多少，以及侦听多长时间。

因为不携带鱼雷即使发现目标，也无法对目标进行反制，反潜任务失败，所以本文不考虑不携带鱼雷进行应召反潜的情况。应召条件下的武器挂载方案算法流程，如图1所示。

图1 单机应召搜索武器挂载方案解算流程

1.1.1 模型描述

采用蒙特卡洛法计算吊放声呐搜索概率。定义潜艇处于吊放声呐探测点所在有效战术作用距离时，认为潜艇被发现。采用吊放声呐，其搜索阵型和应召距离会影响到搜潜效率。文献[9]通过对比实验，给出同等应召条件下，扩展螺旋搜索方式搜潜效率最高。采用扩展螺旋搜索方式计算吊放声呐应召搜索效能。

搜潜效能定义为

Psrch=PdsPmad

(1)

式中，Pmad是磁探仪搜索效能；Pds是吊放声呐搜索效能。

文献[8]给出吊放声呐搜索效能Pds的定义，为

(2)

式中，n为探测到目标的次数；N为蒙特卡洛仿真次数。

不同挂载方案下的任务最大执行时间为

(3)

式中，tmax表示可执行最长任务时间；Wmax表示全部鱼雷和声呐浮标总重量；tdelay表示飞机应召往返海区单程时间；te表示飞机不携带鱼雷和声呐浮标时可执行任务时间；tf表示飞机携带全部鱼雷和浮标时可执行任务时间；Nbuoy表示携带的浮标数量、Ntorpedo表示携带的鱼雷数量、Wonetorpedo表示单枚鱼雷重量、Wonebuoy表示单枚鱼雷重量。

攻潜效能为

(4)

式中，μ是单枚鱼雷命中率，μ∈[0,1]。

影响鱼雷命中概率的主要因素是鱼雷入水时距离潜艇的距离、角度和收吊放声呐到投放鱼雷的总耗时[10～12]。假设战术操作员空投鱼雷条件均满足文献[9～11]推荐的攻击条件，否则不予投雷。文献[10]证明满足上述条件下进行鱼雷攻击的命中率μ∈[0.8,1]。

如果应召失败，转入拦阻或巡逻可继续执行任务时间为

(5)

式中，tds是吊放声呐有效搜索时间；wbuoy表示未携带的声呐浮标重量；wtorpedo表示未携带的鱼雷重量；Nmeasurebuoy表示温深海噪声浮标数量；Nbuoy表示携带的浮标数量；Ntorpedo表示携带的鱼雷数量；Wonetorpedo表示单枚鱼雷重量；tprepare表示温深海噪声测量时间；tthrowbuoy表示布放浮标时间；μbuoy表示声呐浮标成活率。

wbuoy和wtorpedo为

(6)

吊放声呐搜索时间tds定义为

(7)

其中n为探测到目标的次数。

当吊声和磁探仪搜索失败时，需要在剩余的留空时间用声呐浮标进行拦阻或者包围，继续对潜艇进行反制。

由于圆形包围阵比方形包围阵有更好的经济性和搜索效能[3,4,13]，只将声呐浮标圆形阵作为仿真对象。

文献[4]定义圆形声呐浮标搜索阵型搜索面积为

(8)

其中

(9)

式中，k为声呐浮标重叠系数；Rss表示声呐浮标搜索半径；m表示外围浮标阵所需浮标个数。

声呐浮标拦阻阵型拦截长度为

l=2k(n-1)Rss+2Rss

(10)

式中，k为声呐浮标重叠系数[13]；n为浮标拦截阵浮标数量。

1.1.2 仿真条件

初始为应召搜潜条件下的仿真条件，见表1。单机应召搜索武器挂载方案解算流程(如图1所示)。

表1 应召搜潜仿真条件

1.1.3 仿真结果

不同距离，不同应召条件下的单机武器挂载方案，见表2。

1.2 单机巡逻反潜挂载方案

巡逻搜索的特征是未知目标情报，对指定海域进行搜索，查明指定海域有无潜艇。此种背景下，更宜采用声呐浮标对海区进行搜索，且隐蔽性强[1,4]。

如果巡逻海区较小，可使用圆形声呐浮标阵对海区进行包围侦听；如果海区太大，可以采用声呐浮标拦阻阵隔离潜艇和保卫目标。圆形包围阵比方形包围阵有更好的经济性和搜索效能，只将声呐浮标圆形阵作为仿真对象。

1.2.1 模型描述

单位时间花费的搜索时间，即时间面积比为

(11)

式中，tss表示最大搜索时间；areass表示包围阵型搜索面积，它的计算方法见式(8)。

表2 单机应召搜索武器挂载方案应召

鱼雷击毁潜艇所带来收益，即鱼雷击毁潜艇的效费比为

(12)

式中，Csubmarine表示潜艇成本；Ntorpedo表示鱼雷数量；Ctorpedo表示鱼雷成本；攻潜概率πattack定义见式(5)。

1.2.2 仿真条件

初始为巡逻搜潜条件下的仿真条件，见表3。单机巡逻搜索武器挂载方案解算流程，如图2所示。

表3 巡逻搜潜仿真条件

图2 单机巡逻搜索武器挂载方案解算流程

1.2.3 仿真结果

单机巡逻搜索武器挂载方案，见表4。

表4 单机巡逻搜索武器挂载方案

在携带同等数量声呐浮标情况下，根据式(8)知，携带鱼雷数量小的方案其巡逻时间和巡逻面积优于携带携带鱼雷多的方案。由于表2提供的候选集携带的鱼雷数量都是1，因此其巡逻时间和巡逻面积一定高于同等条件下携带2枚鱼雷的方案，所以对于巡逻面积或巡逻时间的限制，如果表2满足，那么携带2枚鱼雷同等其他条件下的方案就无需考虑。

例如，假设巡逻区域离基地150 km，要求监视时间不小于1 h，严密包围面积不小于200 km2。从表2中可以得出，携带浮标数量25枚，携带鱼雷数量1。

假设巡逻区域离基地200 km，要求监视时间不小于1.5 h，从表2中可知无可行方案，并由此可确定携带2枚鱼雷的方案更不可行。

2 结 语

建立了反潜直升机不同武器挂载的搜攻潜效能、搜索时间和搜索面积等数学模型并进行仿真后给出不同情况下的武器挂载方案供任务规划人员决策。仿真结果表明：武器挂载方案考虑到了不同背景条件和战术应用特点，结合搜索效能、攻潜效能和效费比等参数，量化不同情况下的挂载方案各项指标，便于操作，可辅助战术规划人员进行相关规划。

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