航母编队近程防空舰艇阵位配置方法

崔 强, 李敬辉, 吴 晶

(海军工程大学, 湖北 武汉 430033)

航母编队是以航空母舰为核心,集合了多种作战平台的混合舰艇编队,是现代海战中夺取制空权和制海权的重要兵力。但是作为编队核心的航空母舰,由于自身体积庞大、防御能力很弱,而成为敌方兵力的重点打击对象,会面临各个方向的威胁,其中来自空中的威胁最为突出,因此,提高航空母舰的对空防御能力以保障航空母舰的安全是航母编队指挥员优先考虑的问题。为应对这种威胁,通常是将航母编队内部的作战兵力在航空母舰周围构建三层防御体系,其中,近程防空舰艇是航母编队防御体系中的最后一道防线,主要负责拦截掩护幕内的敌导弹,也称之为防御幕舰。因此,研究近程防空舰艇的最优阵位配置,使其在防御幕内实现最大的对空防御效能,对提高航空母舰的生命力和整个航母编队的对空防御能力具有重要的军事意义。

近程防空舰艇的阵位配置是指确定近程防空舰艇相对航空母舰的距离和方位。针对该问题,研究人员也做了大量的工作,代表性的有:2008年徐圣良[1]在分析了防御幕舰的阵位确定方法的基础上,以敌方空舰导弹为主要作战对象,建立了防御幕舰的阵位配置模型,给出了防御幕舰的前出距离L与防御幕舰舰空导弹的射程S、相邻两艘防御幕舰防空扇面的重叠区夹角β、防御幕舰数量N之间的关系。2011年张永生等[2]从防御幕舰的掩护能力角度出发,以防御幕舰舰空导弹的有效射程为研究对象,分析了掩护区域和火力协同区域的配置方法,按照环形配置的要求,给出了相邻两艘掩护幕舰对航母的掩护扇面角α、所需掩护幕舰的数量N分别与掩护幕舰的前出距离L和相邻舰中心间距D的关系。2013年朴成日等[3]根据近程警戒舰配置的任务要求,综合考虑航海安全、通信和导航要求、舰空导弹射击安全、电子对抗互不干扰、舰空导弹火力衔接等因素,建立了警戒舰的阵位配置模型,给出了相邻警戒舰方位间隔与警戒舰到核心舰间距、相邻警戒舰之间的距离关系。2014年冯百胜[4]在分析了航空母舰基本防空作战过程的前提下,综合考虑防空舰武器拦截距离、防空舰航行速度、空袭目标速度等因素,提出了防空舰前置部署距离的计算公式,并在此基础上,分别建立了航母编队预警探测支援条件下和扇区防御任务下的防空舰作战部署模型。2015年张宇等[5]以两个类型四艘舰艇在航母的六个扇面上的8种典型配置方案为研究对象,根据编队防空舰艇火力分配方案,建立了以编队区域防空区对敌反舰导弹拦截效能、编队区域防空区对敌来袭导弹拦截能力均衡性、编队点防御区对敌来袭导弹拦截效能、编队点防御区对敌来袭导弹拦截能力均衡性四个指标来评价编队防空舰艇配置的指标体系,并应用Entropy-Topsis模型对8种方案的指标体系进行排序,并得到了最优解和最差解,具有一定的理论参考价值。

本文根据航母编队防空作战的战术要求,分析了近程防空舰艇的阵位配置原则,综合考虑防空哨舰雷达系统的性能参数、武器系统参数、敌方目标参数,建立了最优化的近程防空舰艇的阵位配置模型,并给出了具体的部署方案。

1 近程防空舰艇的部署原则

一个航母编队内近程防空舰艇的数量一般为4～6艘,通常以航空母舰为中心,在360°范围内成环形配置,组成航空母舰的最后一道防线,以应对全方位的威胁,以5艘近程防空舰艇为例,其配置如图1所示。S为单艘近程防空舰艇防御区域的半径,D为相邻两艘近程防空舰艇之间的距离,L为近程防空舰艇相对于航母之间的距离,α为相邻两艘近程防空舰艇的方位线夹角。

其主要任务就是拦截突破编队中程防空区域的敌航空兵力发射的反舰导弹,并尽可能将其在对我方编队内水面舰艇造成毁伤之前将其拦截,为实现该目的,其阵位配置须满足以下基本要求:

1)近程防空舰艇与航母之间的距离应满足航海安全;

2)近程防空舰艇与航空母舰之间的距离,应满足舰艇之间可靠的通信需求[6];

3)近程防空舰艇防空作战时,要满足火力协同的要求,实现最佳的拦截效果,以实现对航空母舰最优的掩护能力。

4)编队内近程防空舰艇对各个方向的来袭目标可以实现最大的防御纵深。

2 近程防空舰艇的阵位配置模型

近程防空舰艇的阵位配置,实际就是配置近程防空舰艇与航空母舰之间的相对方位和距离,通常是以航空母舰的位置点为矢量逻辑坐标的原点,在360°范围内成环形配置。为便于研究问题,假设编队内部所有近程防空舰艇的型号相同,预警探测设备和武器系统的参数也相同。

2.1 满足航海安全的阵位配置

为满足航海安全的需要,航母编队内任意两艘舰艇之间的距离应不小于两者的战术直径之和。战术直径是指水面舰艇从开始转向到航向改变180°时,两航向线之间的垂直距离,用DT表示[7]。而战术直径的大小与舰艇的长度有关系,假设舰艇的长度为l,则舰船满舵时DT/l为3～5[8]。如果用DT1表示航空母舰的战术直径,用DT2表示近程防空舰艇的战术直径,则近程防空舰艇到航空母舰之间的距离L应不小于两者的战术直径之和(DT1+DT2),相邻两艘近程防空舰艇之间的距离D应不小于两者的战术直径之和2DT2。

假设航空母舰的长度为l1,近程防空舰艇的长度为l2,战术直径取5倍的舰长,则从航海安全的角度,近程防空舰艇与航空母舰之间的距离L应不小于5(l1+l2),相邻两艘近程防空舰艇之间的距离D应不小于10l2。

2.2 满足通信需要的阵位配置

近程防空舰艇与航空母舰之间的距离应在超短波通信范围之内,以保证编队内部的统一指挥,便于协同作战。假设超短波的通信距离为Stx,则近程防空舰艇与航空母舰之间的距离L应小于Stx。

2.3 满足火力协同需求的阵位配置

满足火力协同需求是指相邻两艘近程防空舰艇的对空防御区域应该有重叠区域,这样所有近程防空舰艇对空防御区域可以连接成一个整体,对航空母舰实现360°范围的对空防御,可以提供给航母最优的对空防御能力。假设S为单艘近程防空舰艇对空防御区域的半径,由舰空导弹的作战过程可知,该半径与雷达系统对目标的有效探测距离和舰空导弹的射程有关。当雷达对目标的有效探测距离大于舰空导弹射程时,则S取舰空导弹的有效射程, 反之,则S取雷达对目标的有效探测距离。

由近程防空舰艇的主要任务可知,近程防空舰艇的主要任务是拦截敌方反舰导弹,因此,近程防空舰艇的雷达有效探测距离应以敌方反舰导弹为对象进行计算,则根据雷达有效探测距离的计算模型,近程防空舰艇的雷达对敌反舰导弹的有效探测距离为[9]

(1)

式中:R为对空警戒雷达对敌反舰导弹的有效探测距离;Pt为雷达的发射功率;G为雷达发射天线的增益;σ为敌反舰导弹的有效散射面积;λ为雷达发射的电磁波的波长;(S/N)min为最小可检测信噪比;k为波尔兹曼常数,通常为1.38×10-23J/°K;Ts为接收系统噪声温度;Bn为接收机检波前滤波器的噪声带宽;L为系统的衰减因子;θ为雷达扫描波束的方位角;φ为雷达扫描波束的俯仰角;F(θ,φ)为天线的方向图传播因子。

另外,由于研究近程防空舰艇的阵位配置是在二维平面上进行的,因此,计算单艘近程防控舰艇对空防御的区域的半径时应以雷达对目标在二维平面上的有效探测距离为参数,即雷达对目标的有效探测距离在二维平面上的投影。而雷达对于不同高度的目标的有效探测距离在二维平面上的投影距离是不相同的,假设敌反舰导弹的巡航高度为h,则雷达对敌反舰导弹有效作用距离在二维平面上的投影距离为

(2)

2.4 满足近程防空作战需要的阵位配置

为满足协同作战的需要,相邻两艘近程防空舰艇的对空防御区域应该有重叠区域。而重叠区域的大小与单艘防空舰艇的防御区域和两艘防空舰艇之间的距离有关。在单艘防空舰艇的防御区域一定的前提下,两舰的间距越小,则重叠区域越大,从整个编队的防御能力考虑,则整个编队的防御区域变小,也导致编队的防御纵深变小;反之,间距过大,则导致近程防控舰艇对重叠区域内的敌目标的打击效果变差。因此,两舰之间的距离应在满足打击效果的前提下尽可能取较大的值。

从对重叠区域内目标的打击效果考虑,要求相邻两艘防空舰艇的舰空导弹对从两者之间飞过的敌目标进行射击时,其射击次数应不小于其中每艘舰艇的防空导弹对直接在其上空飞过的目标所实施的设计次数的数学期望[10]。简化计算过程,可以将打击次数要求转化为纵深要求,认为相邻两艘防空舰艇的间距取值应满足重叠区域最长纵深不应小于单舰零航路捷径时的火力纵深,即单艘近程防空舰艇防御区域的半径。下面以此为条件,求解相邻两艘防空舰艇间距的最大值Dmax,如图2所示:航空母舰的位置点为逻辑坐标的原点,记为O,相邻两艘舰艇的位置点记为A和B,在威胁轴两侧对称布置,两艘舰的有效防御区域的边界交点记为C和E,威胁轴向记为y轴,与威胁轴垂直且经过原点O的射线记为x轴,S为单艘近程防空舰艇防御区域的半径,L为防空舰艇据航空母舰的距离,AB之间的距离为舰艇间距D,CE之间的距离为重叠区的最大防御纵深。

在满足对目标的打击效果的前提下,两舰之间的距离取最大值,即重叠区域最长纵深为单舰零航路捷径时的火力纵深,有CE=S,则很明显EBC和EAC为正三角形,则∠BEC=∠AEC=60°,又因为A、B两舰对称布置,则AB垂直平分CE,因此,AB之间的距离可表示为

(3)

2.5 近程防空舰艇的优化部署模型

(4)

由式(4)可知,当近程防控舰艇的数量一定时,近程防空舰艇的前出距离与舰艇之间的间距成正比。

综合以上的分析,当近程防空舰艇的雷达探测系统参数、武器系统参数、敌反舰导弹参数的确定时,即可确定单艘近程防空舰艇的防御区域大小,从而可以确定S。

在单艘近程防空舰艇防御区域的半径S,有效通信距离Stx,防空舰艇的长度l1,防空舰艇的数量N航母的长度l2确定的条件下,编队内的近程防空舰艇要实现最大的防御纵深,即最大的前出距离,则近程防空舰艇的阵位配置应满足模型:

(5)

3 实例仿真

战术想定:航母编队需要前往某一海域执行作战任务,为防止航空母舰在航渡过程中被敌方空舰导弹袭击,航母编队内部的近程防空舰艇应组成有效的对空防御队形。假设近程防空舰艇的数量为5,与航空母舰之间的有效通信距离为60km,其他参数值如表1、2所示。

表1 近程防空舰艇的雷达性能参数

表2 敌方的导弹参数

表3 我方舰艇长度和导弹射程参数

由表1、2 中的参数,利用式(1)、(2),采用循环迭代的方法,可计算出防空舰艇的雷达系统对于平飞高度为50m左右的AGM-119空舰导弹的有效探测距离为21.6km,小于我方舰空导弹的射程,因此,近程防空舰艇的有效防御区域的半径为21.6km。同时可以计算出相邻两艘近程防空舰艇之间的最大间距为37.4km。

由表3中的数据可以计算出相邻两艘防空舰艇之间的最小距离为1.4km,防空舰艇与航母之间的最小距离为2.25km。

则可以根据2.5节中的优化部署模型计算出5艘防空舰艇相对航目的方位分别为(0°,72°,144°,216°,288°),防空舰艇的前出距离为31.8km。

由以上的计算过程可知,在已知近程防空舰艇的雷达性能参数、舰空导弹系统参数、针对明确的作战对象,可以给出具体的最优编队防空队形配置方案,充分说明了该模型可有效解决航母编队近程防空舰艇的阵位配置问题,具有较强的实用性。

4 结束语

本文针对航渡中航母编队内近程防空舰艇的对空防御阵位的配置问题,以近程防空舰艇的作战任务为背景,归纳出近程防空舰艇阵位配置的基本准则,综合考虑近程防空舰艇的雷达系统参数、武器系统参数、敌方目标参数因素,以实现对敌反舰导弹的最大防御纵深为前提,给出了近程防空舰艇阵位配置的数学模型,并通过实例仿真,给出了近程防空舰艇阵位求解的具体方法。结果表明:该方法能有效解决航母编队内近程防空舰艇的阵位配置问题,且贴近实战,为航母编队内近程防空舰艇阵位配置提供一种新的方法。不足之处是:模型的针对性较强,依赖敌目标参数,当目标不明的时候,需根据历史经验进行估计。

[1] 徐圣良, 姜青山, 王焕章,等. 航母编队掩护幕内防空舰艇阵位仿真研究[J]. 舰船电子工程， 2008,28(9):146-149.

[2] 张永生, 杨楠楠. 近程警戒舰艇在航母编队防空作战中的兵力需求[J]. 舰船科学技术， 2011,33(7):112-114，134.

[3] 朴成日, 沈治河. 舰艇编队近程警戒舰阵位配置模型与仿真[J]. 计算机仿真， 2013,30(7):25-28，45.

[4] 冯百胜,周晓光, 孔涛，等. 航母编队防空舰防空作战部署问题建模分析[J]. 系统仿真技术， 2014, 10(3):223-228.

[5] 张宇, 王义涛, 孙庆声. 基于Entropy-Topsis的水面舰艇编队防空配置方案优选研究[J]. 指挥控制与仿真， 2015,37(1):31-35.

[6] 谭安胜,邱延鹏,汪德虎. 新型驱护舰编队防空队形配置[J]. 火力与指挥控制,2003,28(6):5-9

[7] 王孝通. 航海基础[M]. 北京:海潮出版社,2006.

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[9] 杨涛. 组网雷达系统“四抗”效能评估方法研究[D].长沙:国防科学技术大学,2008.

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