尾流自导鱼雷经典三波束弹道导引律设计优化∗

谢 攀 谢志强 潘元璋

（中国人民解放军91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

尾流自导追踪对象是舰船尾流，其抗干扰能力强，自导装置简单可靠，检测并捕获目标的概率高，是现代鱼雷反舰的重要手段［1～3］。各主要海军国家对其开展了广泛研究，通过优化导引弹道从而减小鱼雷航程损失是其中一项关键技术［4］。

目前尾流自导鱼雷多采用经典导引方法，导引律的设计思想比较简单，所用输入导引信息为鱼雷进/出尾流的标志位，输出命令为鱼雷回旋角度和鱼雷回旋角速度，导引弹道航程/速度损失较大［5］。对此，本文将以三波束导引机制为基础，充分利用各检测通道所获导引信息，设计优化弹道导引律，进而改善弹道品质，减小航程损失，可为尾流自导鱼雷弹道设计提供一定参考。

2 尾流自导弹道设计初始条件

2.1 尾流平面几何模型

尾流自导属于单平面自导，因此本文仅建立尾流的平面几何模型，其主要特征参数主要包括长度、宽度和船尾部水平面内尾流的扩展角和扩展速度。如图1所示，尾流在水平面内自水面船尾沿航行反方向逐渐扩散，在船尾的宽度约为船宽一半，随后以约30°～60°线性发散；尾流扩散到一定距离L后，发散角急剧减小至10以内，此时的尾流宽度约为舰船宽度2.5倍［6］。

图1 尾流平面几何模型

尾流有效长度Lw为

式中CA为尾流寿命，三级海况下一般为180s，VM为舰船速度。

尾流宽度Ww为

式中B为舰船宽度，λ为尾流船尾处的扩散角。

对于已捕获尾流的鱼雷，尾流宽度Ww是影响其自导弹道特性的主要外部因素。

2.2 约束条件

为保证尾流自导鱼雷攻击水面目标时能够稳定地沿尾流自主导引追踪目标，鱼雷进入尾流时刻，其进入距离和进入角必须在一定值域范围内［7～8］。其基本要求为［9］

式中Din为尾流进入距离，指鱼雷进入目标尾流时刻鱼雷与目标舰尾的距离，θin为进入角，指鱼雷进入目标尾流时刻鱼雷反航向与目标航向的夹角。

2.3 鱼雷出/入尾流夹角测算方法

1）回旋法

舰船直航时，其尾流近似直线。如图2，鱼雷出尾流后，以恒定角速度回旋直至再次进入尾流，其回旋角度为2α，由几何关系可计算出为α。

图2 回旋法示意图

回旋法测得的鱼雷出/入尾流夹角精度较高，但是要求鱼雷通过完整的尾流外回旋过程，从而无法实时获得鱼雷出/入尾流夹角。并且大多数情况下尾流回旋的角速度是变化的，将造成测量误差。另外，当目标机动导致尾流形状发生变化时，该方法所测结果也存在误差。

2）边界直航法

边界直航法的基本原理是在鱼雷直航态势下，当鱼雷出/入尾流时，通过测量三个通道检测到尾流的时间差，实时测得鱼雷航向与尾流的夹角。

如图3，鱼雷入尾流时，当左舷通道b检测到尾流时，记录该时刻，此时鱼雷开始直航，直到a点、c点都检测到尾流时，记录时间，算出时间差和直航距离，由于b点和c点距离已知，根据三角函数可计算出鱼雷航向与尾流夹角。同理，当鱼雷出尾流时，也可求出鱼雷航向与尾流夹角。

图3 边界直航法示意图

3 经典三波束弹道导引律设计与优化

主动声尾流自导可分为单波束、双波束和三波束声尾流自导，以三波束导引机制的自导弹道应用最广［10］。经典三波束导引弹道，分为：1）自适应调整确定门限和搜索弹道；2）第一次穿越尾流弹道；3）尾流外回旋搜索弹道；4）尾流内导引弹道；5）再搜索弹道。其设计思想是使鱼雷航向尽快朝尾流方向上收敛。

3.1 第一次穿越尾流弹道设计优化

假设目标舰船位于鱼雷右舷，当鱼雷结束自适应弹道后第一次检测到尾流时，在保证快速穿越的基础上，为使其能够从正横方向出尾流，根据边界直航法测得或预估的入射角α0的不同，进行弹道调整，分三种情况。

1）逆向进入：入射角0°≤ α0≤ 60°时，鱼雷以顺时针角速度偏转60°后直航至出尾流；2）正横进入：入射角60°≤α0≤120°时，鱼雷直航至检测出尾流；3）追击进入：入射角120°≤ α0≤ 180°时，鱼雷以逆时针角速度偏转60°后直航至出尾流。

当鱼雷执行第一次穿越弹道将出尾流时，利用边界直航法测得出尾流角度α，然后输出命令控制其回旋角度α。出尾流角度α越大，回旋角速度越大。在鱼雷再次入尾流之前，若回旋结束，则回旋角速度降低，回旋角度增加。

3.2 尾流内追踪弹道设计与优化

尾流内追踪弹道分为入尾流调整弹道、尾流夹角测量、出尾流调整弹道三部分，目的是保证鱼雷航行于尾流内。为降低鱼雷航程损失，保证其航向与尾流方向尽可能收敛，鱼雷将随时调整弹道。

1）入尾流调整弹道

鱼雷尾流外回旋将要进入尾流时，鱼雷转为直航，同时利用边界直航法测得入尾流角度α，可知此时鱼雷航向与尾流方向夹角为α。进入尾流后，鱼雷开始执行入尾流调整弹道，并以较大角速度回旋α，回旋方向与鱼雷尾流外回旋方向相反，以保证鱼雷航向与尾流方向一致。

2）出尾流调整弹道［5］

鱼雷经过入尾流调整弹道后，其航向理论上与尾流方向相同，但由于目标机动、回旋误差及海流影响等原因，鱼雷仍可能会出尾流。出尾流调整弹道的作用是在鱼雷将要出尾流时，通过校正弹道，避免鱼雷出尾流。

根据三波束导引机制，若三个检测通道中一个或两个检测不到尾流时，则认为鱼雷处在尾流边缘将要出尾流，此时鱼雷航向一般与尾流方向夹角较小，鱼雷需调整回旋角速度不大。若左（右）舷通道先检测不到尾流，则输出命令控制鱼雷顺（逆）时针方向回旋，直至三个通道均检测到尾流后，则可认为鱼雷未出尾流。计算回旋角度为2α，由回旋法可知此时鱼雷航向与尾流方向的夹角为α，随后输出命令鱼雷以不变角速度逆（顺）时针回旋α角度，然后直航。

4 结语

如何调整弹道降低航程损失，是尾流自导鱼雷弹道设计的基本要求和主要方向。本文提出了一种利用鱼雷出入尾流角度信息对经典三波束导引律进行设计优化的方案，其可使鱼雷航向收敛于尾流方向，保持鱼雷尽可能地航行于尾流内，从而降低航程损失。但是由于该导引律的设计是基于目标直航，依然无法克服鱼雷独立使用尾流制导对机动目标攻击效果差的不足。鱼雷出管后，一旦目标舰船进行战术机动，势必引起尾流几何形状及声学特性发生较大变化，容易造成鱼雷对尾流产生误判，航程加大甚至丢失目标［11～12］。

本文所做研究较为粗浅，设计优化的导引律效果尚需进一步验证。同时，如何进一步优化尾流自导弹道导引律，增强对机动目标的攻击效果，如何根据作战实际，合理搭配各种制导方式，克服尾流自导鱼雷的的弱点，值得持续深入研究。