水面舰艇鱼雷防御武器系统

李 源,杨盛雷

(1.海军驻连云港七一六所军事代表室,江苏 连云港 222061； 2.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)



水面舰艇鱼雷防御武器系统

李 源1,杨盛雷2

(1.海军驻连云港七一六所军事代表室,江苏 连云港 222061； 2.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

介绍了国外水面舰艇鱼雷防御武器系统的研究现状,分析了水面舰艇鱼雷防御武器系统的发展趋势,提出了新型鱼雷防御武器系统发展框架,探讨了系统的关键技术和作战使用流程。仿真结果表明,软硬武器综合拦截鱼雷能有效提高水面舰艇的生存能力。

鱼雷防御武器系统;软硬武器；目标分配；综合控制技术

鱼雷是水面舰艇在现代海战场受到的主要威胁之一。随着技术进步,鱼雷在自导技术的智能化与自导方式的多样化(主/被动声自导、线导、尾流自导)、目标识别、推进控制系统等方面均取得了较大进展,主要表现在以下方面:

1) 线导鱼雷的大量使用,改进了鱼雷初始段跟踪目标的性能,增加了鱼雷远程作战能力;

2) 使用低频被动自导技术,增大了被动自导跟踪目标舰艇距离;

3) 数字硬件的快速发展,改善了自导信号处理性能,采用复杂的长脉冲主动寻的信号及处理技术,增强了鱼雷自导的反对抗能力;同时提高了鱼雷对假目标和诱饵的识别能力;

4) 采用先进计算机技术,提高了鱼雷制导控制系统的控制性能;

5) 尾流自导技术的全面研究与应用,提升了鱼雷反对抗能力;

6) 推进及动力系统的改进,提高了鱼雷航速,增加了鱼雷航程;

7) 鱼雷航行噪声降低,隐身性能进一步完善;

8) 随着作战方式的改变,现代反潜战已将重点由深海转移到浅海。水声环境和声学条件的恶劣,使得舰艇探测鱼雷更加困难。

因此,仅靠现有的水声对抗器材干扰及诱骗技术,或单独采用硬杀伤技术,已不能满足防御高智能化鱼雷的要求。水面舰艇鱼雷防御系统需要在提高系统快速反应能力的基础上,研究和应用主被动联合鱼雷目标探测、软硬武器综合、梯次防御等新技术和方法。

水面舰艇鱼雷防御成功的关键取决于两个因素:

1)尽量在远距离上实现对鱼雷目标的识别与探测;

2)快速计算系统,需要在短时间内实现对来袭鱼雷的识别、定位及多武器综合防御,最大限度地摧毁敌方目标,以提高水面舰艇的生存概率。

水面舰艇的鱼雷防御手段主要包括机动规避、软对抗及硬杀伤。由于作战环境的复杂性以及对抗手段的多样性,不同防御行动的对抗效果间可能存在相干性。简单地将多种武器叠加运用,可能达不到“1+1>2”的对抗效果。如何综合使用多种拦截器材,减小多种对抗行动之间的相互干扰,实现综合防御效能的最大化,是构建鱼雷综合防御系统的首要前提[1]。

1 国外鱼雷防御系统发展现状

1.1 美国AN/WSQ-11反鱼雷防御系统

美国是最早发展鱼雷防御系统的国家。目前正在研制的AN/WSQ-11鱼雷防御系统主要包括传感器、处理机、软对抗和硬杀伤武器,将装备“伯克级”驱逐舰和大型水面舰艇(航母、两栖舰和作战支援舰船),具备防御尾流自导鱼雷、声自导鱼雷和直航鱼雷的能力。AN/WSQ-11建立在美海军水面舰艇水声对抗软杀伤武器系统基础之上。在原被动鱼雷报警声纳基础上增加大功率声源、外触发式水声信号接收机、基阵等装备使其具备对鱼雷目标主动探测定位能力。在原AN/SLQ-25拖曳式声诱饵基础上增加ATT反鱼雷鱼雷,使系统具备对来袭鱼雷软硬综合杀伤能力。该系统可全自动目标探测、识别与定位,快速生成综合防御方案,控制声诱饵和反鱼雷鱼雷对来袭鱼雷实施诱骗与直接硬毁伤拦截[1-3]。

1.2 俄罗斯“蟒蛇-1M”鱼雷防御武器系统

俄罗斯在原有的深弹反潜武器系统基础上研制了 “蟒蛇-1M”反鱼雷火箭弹系统,综合使用助飞式噪声弹、助飞式爆破弹和火箭深弹对来袭鱼雷实施梯次分层拦截。该系统还专门研制了对鱼雷精确定位的主动式鱼雷定位声纳,联合舰壳声纳对约10 km范围内的来袭鱼雷进行探测和定位。该系统分三层进行鱼雷拦截。最外层是助飞式噪声弹,通常在3km左右的距离上先后发射2枚噪声弹干扰诱骗鱼雷。第二层是助飞式爆破弹,装有非触发引信。爆破弹可起到对鱼雷软硬杀伤的效果。如爆破的距离足够近,可将鱼雷直接损伤或通过冲击波致其制导失灵。即使不能直接毁伤,其爆炸噪声可覆盖水面舰艇产生的辐射噪声,使鱼雷声自导信号阻塞而丢失跟踪目标,干扰鱼雷的正常运动轨迹,从而起到保护舰艇的目的。第三层使用火箭深弹,它装有触发和定时引信。此时鱼雷离本舰较近,利用主动鱼雷定位声纳对鱼雷进行精确定位,引导深弹硬毁伤拦截鱼雷[4-6]。“蟒蛇-1M”系统是将水声软对抗和爆炸硬毁伤功能结合为一体的的鱼雷防御系统。

另外,法国、德国、意大利等国均建立了各自的水面舰艇鱼雷防御体系。

2 水面舰艇鱼雷防御武器系统发展趋势

2.1 对鱼雷由单一的被动探测向主/被动联合探测发展

目前鱼雷的探测定位主要通过被动式鱼雷报警声纳来实现,由于鱼雷航速高、声反射面积小,现有的被动声纳只能测量出来袭鱼雷的方位,难以实现对距离的精确探测,目标解算误差较大。解决这种问题,需要进行对鱼雷目标的主/被动联合探测。在中远程,鱼雷报警声纳采用被动工况实施对鱼雷目标报警,在近程采用主动工况实施对鱼雷目标探测定位。另外,利用舰壳声纳和拖曳线列阵鱼雷报警声纳可共同完成对鱼雷目标的探测定位[7-8]。

2.2 由单独使用软对抗或硬杀伤武器向综合使用软硬武器方向发展

各国水面舰艇上与鱼雷防御有关的武器系统主要有:以采用干扰或诱骗软对抗方式为主的水声对抗系统和以硬杀伤为主的鱼雷防御武器系统。在这种系统体系结构中,当探测传感器发现水下目标后,舰艇作战指挥系统将根据目标威胁程度和各武器系统状态及交战的可能性等,把目标分配给相应的武器系统,由各个武器系统或武器通道独立完成作战任务。在此情况下,舰艇在防御作战中的生存概率主要取决于作战效能相对较差的防御武器系统或武器通道。

为了提高水下防御综合作战效能,必须充分发挥舰载软、硬武器各自的优势,综合使用软硬武器,在整个拦截区段对鱼雷目标实施梯次拦截和集火拦截。

2.3 由单一层次防御向远中近多层次防御发展

最初反鱼雷技术比较单一,实施时往往靠一次对抗来完成,舰艇被命中的概率较大,尤其是新型鱼雷的出现(具有较强抗欺骗、抗干扰能力)对舰艇的威胁更大[9]。综观各国水面舰艇,反鱼雷作战需求可划分为三个层次:

1)外层鱼雷防御圈,在距舰艇3km以外的范围。在这个距离范围内,本舰声纳可以对来袭鱼雷进行报警、探测,具备对抗和拦截条件。对其防御主要以低频噪声干扰器材干扰鱼雷引导声纳和对鱼雷的远程拦截为主,并配合本舰机动。

2)中层鱼雷防御圈,在距舰艇1km～3km的范围内。在这个距离范围内,来袭鱼雷的自导装置已开机搜索目标,对其防御主要以声诱饵诱骗鱼雷自导装置和中程硬杀伤拦截为主,并配合本舰机动。

3)近层鱼雷防御圈,在距舰艇1km以内的范围。这个距离范围属于鱼雷防御的最末端,来袭鱼雷的自导装置已锁定本舰,靠本舰机动,无法摆脱鱼雷的追踪。对其防御主要以拖曳式声诱饵诱骗和近程末端硬杀伤拦截为主。

图1 水面舰艇鱼雷防御层次划分

2.4 具备快速解算、决策及多武器协同使用能力

大型水面舰艇上携带的鱼雷防御武器数量比较多,软对抗武器有助飞式声干扰器、助飞式声诱饵、拖曳式声诱饵、气幕弹等,硬杀伤武器有反鱼雷深弹、反鱼雷鱼雷、拦雷网等。每种武器的作用机理不同,对不同制导体制的来袭鱼雷,需使用不同武器或其组合实施拦截。如对抗直航鱼雷或已进入尾流的尾流自导鱼雷,软对抗武器不起作用。同时声纳和大部分鱼雷防御武器均基于声传播机理完成对目标探测或实施对抗的,硬杀伤武器在水中爆炸后,形成强声源对声纳和别的武器使用产生强干扰。由于防雷作战属于舰艇末端自防御,交战时间短,战场态势变化多端,靠人工实现多种软硬武器的最优分配相当困难,因此,必须研制相关多武器协调使用决策软件,以总体拦雷作战效能最大化为目标,综合考虑目标特性、作战态势、武器射界范围及打击性能、反应时间、武器配置、不同对抗器材以及与声纳之间声学兼容等因素,快速制定火力优化拦截方案,实现软硬武器的实时动态调度控制。

3 新型水面舰艇鱼雷防御武器系统发展构想及关键技术

3.1 系统组成

具备主被动鱼雷报警、软硬多武器综合控制、分层梯次拦截能力的新型水面舰艇鱼雷防御武器系统构成如图2所示,该系统主要由声纳、火力控制设备、发射装置和软、硬鱼雷防御武器组成。

图2 鱼雷防御武器系统构成图

1)火力控制设备

火控设备通过接收到的本舰导航参数、目标参数和各种命令数据,完成鱼雷类型判别,快速生成软硬武器综合防御方案,解算目标射击参数,向发射装置实时发送发射要素,进行鱼雷防御武器和发射装置的射前准备及发射控制。

2)声纳

声纳接收鱼雷航行过程中的辐射噪声和鱼雷主动自导寻的信号,实施对鱼雷目标的检测、分类和定位。为了有效对抗鱼雷攻击,各国海军正在努力提升声纳对鱼雷目标的探测性能。

3)发射装置

各型鱼雷防御武器可采用独立发射装置,也可采用共架共控方式完成武器装载及发射。其中共架共控武器发射能够遂行多种任务并节约作战资源,是武器装备和武器系统的发展方向。

助飞式声诱饵和助飞式声干扰器可以与舷外干扰发射装置共架发射;助飞式悬浮深弹可采用专用12联装发射装置,也可与舷外干扰发射装置共架发射,采用何种发射方式具体取决于武器的种类型号以及平台的安装需求;反鱼雷鱼雷可采用专用4联装发射装置,也可与现有的轻型鱼雷共用发射装置,具体取决于平台的安装需求及安装条件;拖曳式声诱饵采用独立控制设备控制发射。

4)鱼雷防御武器

鱼雷防御武器主要有助飞式声干扰器、助飞式声诱饵、拖曳式声诱饵、反鱼雷深弹(助飞式悬浮深弹、助飞式爆破弹、大装药深弹等)、反鱼雷鱼雷、拦雷网等。

3.2 系统信息接口

鱼雷防御武器系统通过火力控制设备与舰艇作战指挥系统相互联系。火力控制设备接收作战指挥系统的综合导航参数、目标指示参数、禁射/允射参数等,并向作战系统回告目标威胁判断参数、综合拦截策略、鱼雷防御武器系统的状态参数和射击诸元参数等数据。信息接口如图3所示。

图3 鱼雷防御武器系统信息接口

3.3 鱼雷防御系统作战流程

水面舰艇鱼雷防御武器系统作战流程可分为目标探测、目标运动参数解算、生成鱼雷防御方案、武器通道组织、射击参数计算、发射控制等。具体流程见图4。

图4 鱼雷防御武器系统作战流程

3.4 系统关键技术

1)基于模糊推理的来袭鱼雷制导类型识别定位技术

由于不同制导方式的鱼雷需要使用不同武器实施对抗或拦截,对鱼雷制导类型的识别是制定多武器使用方案的前提条件。鱼雷的判别与报警一般基于鱼雷的噪声信号特征,通常能分辨出目标是否是鱼雷,但不能给出鱼雷的类型信息。对鱼雷报警信息来源与信号特征进行分析,在利用传统水声信息的基础上,结合不同类型潜射鱼雷(声自导鱼雷、线导鱼雷、直航鱼雷及尾流自导鱼雷)的使用条件和弹道特征,通过构建目标特征函数,采用模糊推理方法,实现对潜射鱼雷的类型进行判别。

由传感器组获取的输入信息除了传统意义上的目标特征证据集外,还包括环境信息证据集和态势信息证据集,而专家的判别依据则主要集中于水声数据库、装备知识库和战术规则库。将比对后的信息进行基本概率赋值,最后由某种合成规则得到对不同假设空间的信任测度,实现对潜射鱼雷的类型判断。其中:目标特征信息包括了鱼雷重量、航态变化、动力装置、主动声波;环境信息包括了水文条件、海况等级、海区深度;态势信息包括了舰艇航速、机动频度、攻击征兆、射击距离、齐射数量、攻击舷角。

图5 鱼雷类型识别信息流程

2)基于遗传算法的多武器目标分配技术

不同的来袭鱼雷,由于其自导方式不同,使用软硬武器的种类不同,根据不同武器的工作频率,分析综合使用时相互影响,并考虑战场敌我态势、武器射程范围、武器配置、反应时间等,从时域、频域、空域三个方面,综合生成鱼雷防御方案。

基于遗传算法的鱼雷防御系统武器-目标分配算法以鱼雷防御武器的配置信息为基础,根据实际作战中武器种类和目标威胁等级,建立武器-目标分配算法初始种群;综合考虑软硬武器作战时声兼容影响,将鱼雷防御武器对目标的毁伤效能作为遗传进化后代适应度函数。流程如图6所示。

图6 基于遗传算法的多武器目标流程图

3)多武器综合控制技术

鱼雷目标速度快、威胁大,这就要求鱼雷防御武器系统必须要在尽量短的时间内做出决策,并完成对目标的有效打击,以保障本舰安全。系统可采用全自动设计思想,根据武器控制特点,规范武器控制流程。结合软硬武器拦截不同制导体制鱼雷的作战任务和由此产生的不同武器的多种组合方式,提出对应不同组合方式下的武器控制流程。根据拦截方案执行武器发射时序,实施武器发控。在系统流程设计中尽量避免人工干预环节,节约防御时间。系统能根据拦雷态势的改变,动态改变和优化控制流程。

3.5 仿真计算

在以下假定态势下进行仿真计算:

假设我舰速度Vw=15kn,航向Cw=0运动;假定鱼雷为声自导鱼雷,此刻鱼雷报警距离Dm范围(1500m～3000m),鱼雷报警舷角Qw范围30°～150°,系统反应时间不超过90s,鱼雷自导作用距离Ra=2000m,鱼雷航速Vt=42kn。拦截武器配置:助飞式声诱饵2枚,助飞式声干扰器2枚,拖曳式声诱饵1个,助飞式悬浮深弹8枚(暂不考虑反鱼雷鱼雷)。利用蒙特卡洛法仿真运行1000次,计算软硬武器综合拦截鱼雷平均效能,仿真结果如表1所示。单独使用助飞式悬浮深弹8枚,计算拦截鱼雷平均效能,仿真结果如表2所示。

表1 软硬武器综合拦截鱼雷效能

软硬武器综合拦截鱼雷平均概率为:0.639

表2 单独使用助飞式悬浮深弹拦截鱼雷效能

单独使用助飞式悬浮深弹拦截鱼雷平均概率为0.439。

仿真计算表明:使用多种武器综合拦截鱼雷概率比单独使用助飞式悬浮深弹拦截鱼雷的概率提高约45%,有效地提高了水面舰艇的鱼雷防御能力。

4 结束语

从当前鱼雷技术的发展来看,单一的防御手段已难以满足水面舰艇鱼雷防御的需求。软硬武器综合梯次拦截方式逐渐成为鱼雷防御发展的趋势。本文初步提出了鱼雷防御武器系统的发展思路,随着鱼雷报警性能的提高和新型反鱼雷武器的发展,必定会形成更加完备的鱼雷防御系统,为构建新型水面舰艇鱼雷防御体系奠定技术基础。

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Surface Ship Anti-torpedo Weapon System

LI Yuan1, YANG Sheng-lei2

(1.Navy Representative Office in Lianyungang 716 Institute, Lianyungang 222061;2.Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061, China)

This paper introduces the sum-up of foreign Anti-torpedo weapon system researching, analyzes the development trend of Anti-torpedo weapon system, presents a new type of Anti-torpedo weapon system framework, and discusses the key technologies and the combat using method of the system. The simulation results show that the soft-kill and hard-kill weapons integrated interception torpedo can effectively improve the survivability of the surface ship.

anti-torpedo weapon system; soft-kill and hard-kill weapons; target allocation; integrated control

2017-02-22

李 源(1983-),男,辽宁本溪人,硕士,工程师,研究方向为舰艇指火控系统。 杨盛雷(1984-),男,硕士,工程师。

1673-3819(2017)03-0031-05

TJ670；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.007

修回日期： 2017-03-21