潜射弹道导弹海洋环境影响评估指标体系*

2022-08-19刘丙杰王瑞臣

指挥控制与仿真 2022年4期

颜骥,刘丙杰,王瑞臣

(海军潜艇学院,山东青岛 266199)

潜射弹道导弹作战使用应从敌情、我情、海情三方面综合考虑,海情指海洋环境因素,是影响导弹武器系统作战使用的重要因素。潜射弹道导弹武器系统以弹道导弹核潜艇为发射平台,包括弹道导弹、艇上导弹配套设备和技术保障装备等。近年来对潜射弹道导弹的作战使用的研究主要集中在武器系统本身;一些文献研究了海浪和海流对潜射弹道导弹水下运动特性的影响,但往往是针对其中的某一个问题进行研究,同时采取了很多假设,尚无法对水下发射全过程进行准确预报,不能给决策者提供较为直观的决策支持;部分学者研究了海洋环境对潜艇航行安全性和隐蔽性的影响,但鲜有将潜艇航行安全性和隐蔽性结合潜射弹道导弹作战使用背景展开研究。潜射弹道导弹作战使用过程一般包括作战准备、作战展开、巡航待机、导弹攻击和撤收返航五个阶段,因此,海洋环境对潜射弹道导弹作战使用的影响,体现在作战全过程对弹道导弹核潜艇航行安全性和隐蔽性的影响以及导弹攻击阶段对导弹发射安全性的影响。影响潜射弹道导弹作战使用的海洋环境因素很多,各因素对发射平台的安全性、隐蔽性、对导弹发射安全性的影响方式和影响程度不同,各因素之间相互耦合,对潜射弹道导弹作战使用各方面既有积极影响又有消极影响,加上海洋环境信息获取的不完整性和不确定性,给作战决策者带来巨大的决策压力。

在潜艇航行安全性评估方面,研究成果较多，也较为成熟;在潜艇隐蔽性方面,利用磁、光学、电场、红外特征、水动力学特性变化等方法可以探测水下目标,但水下探潜设备主要是声呐,对潜艇隐蔽性的评估可以转换为对声呐搜潜概率的评估。从现有研究成果看,搜潜概率公式是一个多元非线性公式,其关键参数难以精确计算,需要对很多因素进行简化假设,尚不能为潜艇的隐蔽性综合评估提供较为完备的结论;同样的问题也存在于导弹发射安全性的评估当中,导弹发射的安全性可从导弹的出水弹道和弹体载荷两个方面进行评估,但弹体水下运动过程经历了复杂物理环境的交替变化,先后穿越了海水和海空界面,期间受到平台运动、海流、海浪、海面风场等水文气象因素以及“筒口效应”和“空化效应”等特殊物理现象的影响。导弹在水下所受流体动力相对较大,虽然水下运动的距离较短,但速度和姿态变化较为剧烈,特别是在海浪、海流、流切变、空泡溃灭等多种干扰力和力矩的作用下,呈静不稳定状态的导弹在无控状态下:1)姿态呈非线性增长并急剧发散;2)弹体载荷在穿越水面阶段呈现极强的随机性和非线性特征。这使得导弹出水弹道和弹体载荷全过程准确预报十分困难。

综上,在无法采取准确数值计算的前提下,基于作战部队现有海洋环境数据和作战使用经验,构建部队官兵熟悉的、方便操作使用的海洋环境影响综合评估系统,开展海洋环境对潜射弹道导弹发射影响的综合评估,从海洋环境角度对潜艇水下航行的安全性、隐蔽性和导弹发射的安全性进行量化评估,为决策者“趋利避害”,有效选择航线，确定潜射弹道导弹作战海域,提高潜射弹道导弹在海洋战场环境中的作战效能具有重要意义。

1 海洋环境对潜射弹道导弹作战影响因素

海洋环境是指影响潜艇及艇载武器、探测设备的整体技术、战术性能的海洋气象、海洋水文和海洋地质等方面的自然条件,其直接影响潜艇战术行动的作战效能。海洋环境因素对潜射弹道导弹发射的影响主要体现在对导弹发射平台航行安全性和隐蔽性的影响,对导弹发射的安全性产生的影响有两个方面,既有积极影响又有消极影响,两者都与潜艇和弹道导弹自身性能有关。

1.1 海洋环境对潜艇航行安全性的影响

海流和潮汐有可能使潜艇偏离航线,行驶到不安全的海域;恶劣的海况可能会使航行中的潜艇断裂;当潜艇离障碍物比较近时可能会造成触碰。潜艇航行安全是指要尽可能地避免与沉船、水下山脉、暗礁、岛屿等障碍物碰撞而造成失事,避免密度跃层、中尺度漩涡和海洋内波等海洋物理环境对潜艇航行安全造成重大影响。潜艇自身的性能限制也是潜艇航行安全中不可忽略的因素。潜艇的适航深度、最大拐弯角、最大爬升/俯冲角、操纵性、型长和导航设备精度等因素对潜艇航行安全有重大影响。

1.2 海洋环境对潜艇隐蔽性的影响

弹道导弹核潜艇自身防护能力不强,当它被发现后,任意一艘具备反潜能力的水面舰艇都能对它构成致命威胁,保持自身的隐蔽性是弹道导弹核潜艇抵达作战海区,发挥核威慑和核反击作用的重要保障和前提条件。海水的透明度、水色主要影响敌反潜飞行器、光学设备、雷达等对潜艇的探测;从声学探测来讲,潜艇航行隐蔽性的实质是反潜声呐设备与潜艇之间的侦查与反侦查的对抗过程。潜艇在海洋中航行时造成的各类噪声以及海洋环境对声波传播的影响都关系着潜艇能否被敌方声呐装备探测到。海洋环境对声波传播的影响主要体现在三个方面:海水对声波的折射、反射的影响,声波在海水中的衰减和海洋噪声。跃层、海浪、海底地形、降雨、海洋生物噪声等因素都会对声波的传播造成影响。从潜艇自身来讲,影响隐蔽性的因素包括下潜深度、暴露率、噪声和目标声场强度等指标。

1.3 海洋环境对导弹发射安全性的影响

潜射弹道导弹通常在水下40 m以内深度组织发射,由于海水密度是空气的800倍,导弹在水下所受流体动力相对较大,对导弹的速度和姿态影响较为剧烈。相比而言,导弹在深水段受扰动小,而在近水面处,导弹除受水气自由面边界的影响外,风、波浪、潮流、涌等多种海洋现象也对导弹出水过程造成影响。潜射弹道导弹水下运动过程中,在弹体肩部及尾部会产生空化现象,由于空泡处于不断发展、脱落的动态过程,使得空泡区的位置及所受压力一直在变化,导致弹体所受的水动力载荷不断变化。弹体穿越水面时,空泡发生溃灭,溃灭载荷作用在弹体表面将对弹体结构及弹道产生影响。

除海洋环境因素外,导弹的出筒速度、发射深度、艇速等导弹发射条件和弹体结构也和海洋环境因素相互耦合,影响导弹发射的安全性。

发射深度太小,海浪影响下,潜艇操纵不稳定,深度太大则给导弹发射带来困难,同时还需考虑发射海域深度和齐射时导致的潜艇深度变化。出筒速度也影响导弹在水下的运动过程。对于俯仰运动而言,俯仰角速度改变量随出筒速度增大而减小。对轴向运动而言,出筒速度越大,导弹头出水速度和尾出水速度也越大。导弹发射出筒后与海流的相对速度就是艇与海流的相对流速,艇速越大,导弹攻角越大,对弹的姿态和载荷均有不利影响，但浅深度发射和齐射时要加大艇速以提高艇的操纵性。

弹体结构在主要完成导弹空中飞行任务的同时,还须兼顾水下发射时承受的载荷,保护弹上设备水下航行时状态完好,可顺利转入空中段飞行。弹体结构,尤其是头型参数会影响导弹的水动外形和肩空泡形态,从而对导弹的水下受力和载荷造成影响。

2 海洋环境对潜射弹道导弹发射影响评估指标体系

指标是指描述评价对象不同特征的量。本文评价对象为弹道导弹核潜艇航渡或作战的某一海域。建立合理的指标体系是综合评价的基础,将影响到综合评价的质量。作者分析海洋环境各影响因素之间,海洋环境因素与装备自身战技性能之间的关系,建立潜艇水下航行安全性、隐蔽性和导弹发射安全性的综合评估指标体系。潜艇航行安全性和隐蔽性指标集可见文献[7],本文主要介绍导弹发射安全性指标集的确立。

2.1 导弹出水过程及受力分析

潜射弹道导弹出水过程一般分为三个阶段:出筒段、水中段和出水段。在出筒段,导弹在发射工质气体作用下运动速度不断增大,由于发射平台运动速度的影响,导弹在流体动力、弹筒支反力作用下俯仰姿态不断变大;在水中段,导弹轴向速度不断减小,流体动力的作用使得导弹俯仰姿态继续发散。空泡的存在改变了导弹表面压力分布特性,从而对俯仰姿态的发散程度造成一定的影响。在出水段,浮力逐渐消失,导弹在自身重力作用下轴向速度急剧减小,受到出入水过程的影响,流体动力、附加质量随导弹出水过程而急剧变化。在复杂海浪的影响下，导弹出水姿态变化更加复杂,呈现较大的离散特征。

导弹的水下弹道由导弹在水下运动时所受外力决定。导弹水下运动的流体动力特征与导弹的水动外形和空泡状态密切相关。水动外形影响水下导弹的流体动力特性,空化现象导致导弹表面产生空泡,改变压力分布规律,对导弹的外力分布特性有较大影响。

导弹水下运动过程中,在导弹轴向空间上,根据是否被空泡覆盖,可划分为头锥沾湿区、空泡覆盖区、空泡末端回射区及尾部沾湿区,各区受流体动力如图1所示。

图1 水中运动导弹所受流体动力示意图

在平台运动速度影响下,导弹头锥沾湿区域迎流面压力高于背流面,在法向存在压力差,从而产生法向力和力矩,头锥段受力是导致导弹俯仰姿态改变的主要因素。头锥段法向力及力矩与导弹外形、头锥部相对海水的局部攻角、导弹的运动速度等相关,攻角越小,头锥段法向力及力矩越小,俯仰角速度改变量小。

空泡覆盖区为导弹被空泡包裹的主要区域,其范围主要由迎流面空泡长度所决定,柱段空泡区内所受法向合力为零。

空泡末端回射区是由迎、背流面空泡不对称性所决定的区域。攻角不为零时,迎、背流面由于泡长差和空泡末端回射造成的局部高压,正向压差较大。附体空泡发展决定回射压力作用位置、与质心的相对关系,从而影响导弹法向受力及俯仰力矩。空泡末端过质心后,空泡推进速度越快,空泡长度越长,回射区所引起的法向力力臂越大,俯仰扶正力矩越大,对导弹姿态越有利。

尾部沾湿区位于空泡末端与导弹尾部之间,由背流面空泡长度所决定。导弹尾部沾湿区与水介质相对运动从而产生法向力和法向力矩。尾部沾湿区,迎流面压力系数高于背流面,使得尾部迎流面压力大于背流面。

导弹头型参数、空化数和导弹攻角是影响导弹肩空泡形态的三个主要因素。

综上,影响导弹水下运动特征的海洋环境因素和发射平台、导弹自身因素的相互关系可用图2表示。

图2 导弹水下运动特征与影响因素相互关系

2.2 导弹发射安全性指标集

由于潜射弹道导弹一般为轴对称体,导弹的水动外形可用导弹的头型参数表示。头型参数、空化数和导弹的攻角三者相互独立,且为定量化指标,可直接作为评估指标。

导弹的初始攻角主要由艇速和出筒速度决定。初始攻角越小,出筒速度越大,相同条件下导弹出水姿态越稳定,而艇速越大,攻角越大,对弹的姿态和载荷均有不利影响，因而，可将艇速与出筒速度的反正切值来表征初始攻角，作为一项指标值。

发射深度是影响水下垂直发射导弹运动特征的主要因素之一。发射深度越大,导弹在水下运动时间越长,水中段速度衰减量越大,俯仰姿态也更恶劣。导弹出筒速度越大,其水下运动时间越短,受扰动越小。发射深度还需考虑发射海域深度和齐射时导致的潜艇深度变化,由于在潜艇航行安全性中已考虑发射海域深度,此处不再考虑。发射深度和出筒速度两者相关性强,对导弹出水姿态的影响相反,可将发射深度/出筒速度作为评估发射安全性的指标。

海浪对导弹的受力和运动的影响主要表现在两个方面:一方面波浪导致水质点的运动,使得导弹各部段相对水流的速度均发生变化,从而导致导弹攻角和受力的改变;另一方面由于波浪相位的影响,使得导弹在水中段的运动行程相比静水下发生变化。因此将海浪的影响分解为两个方面：一是海浪的有效波高,主要影响轴向速度;二是海浪的传播方向对头锥段受力和对柱段空泡回射区的影响。当波浪水质点运动速度方向与导弹运动速度方向相反,一方面使得头锥段局部攻角增大,进而导致头锥段所受俯仰力矩增大;另一方面增大了柱段空泡区的局部攻角,从而使得迎、背流面空泡长度差增大,空泡回射区的范围增大。总体上来看,海浪对俯仰角速度的影响仍呈现逆浪波峰状态更为恶劣的趋势,有效波高越高,导弹发射越不安全。海浪传播方向与潜艇航向的夹角为0度时,亦即导弹随浪发射时,导弹俯仰角有减小的趋势;海浪传播方向与潜艇航向的夹角为180度时,亦即导弹逆浪发射时,导弹俯仰角有增大的趋势。由于两个指标描述的是同一物理量,应该综合为一个指标,根据它们对导弹出水姿态的影响,此指标可表示为|180°-夹角|/有效波高。

海流在导弹出水运动的时间尺度内,其量值和方向在短时间内不会发生较大的变化,因此海水对导弹出水过程的影响等同于在特定方向上增加常值干扰。艇速一般按照相对海流的速度控制,在初始攻角时已经考虑,此处不再单独表示。最后确定的指标如下

根据上述确定的指标集,建立潜艇航行安全性的评估指标体系,如图3所示。

图3 导弹发射安全性评估指标体系

2.3 导弹发射安全性指标权重分析

头型影响导弹水下流体动力特性、初生空化数和空泡形态,对导弹水下运动姿态的稳定性有较大影响。随着潜射技术研究的深入,世界主流潜射弹道导弹均采用了钝头体外形以利于导弹水中运动姿态的稳定,从该角度来看,头型对发射安全性的影响变小,头型参数在评估体系中的权重不宜过大(10%)。

空化数对导弹肩空泡的形态和发展过程有显著影响。对于常见的出筒速度和发射深度,空化数越小,导弹表面越易空化,空泡尺度越大,空泡回射流压力峰值越大,导弹水动力特征参数变化越明显。自然空化情况下,随着空化数的降低,空化区域非定常特性越明显,引起的压力波动越剧烈,弹体姿态越不可控;通气空化情况下,通过对自然空泡补气,可有效增加泡内压力,降低空化数,提高空化的稳定性，降低空泡溃灭压力,实现对弹道的精确控制。空化数在评估体系中的权重应占相当比重(20%)。

初始攻角对导弹水下运动时所受外力影响显著,其在评估体系中的权重应占较大比重(25%)。

发射深度和出筒速度影响导弹水下运动时间和水动力大小,从而对导弹水下弹道和水载荷产生重大影响。发射深度/出筒速度在评估体系中的权重应占相当比重(20%)。

海浪的随机性使得其对导弹出水的影响较大,加之空泡溃灭的影响,指标|180°-夹角|/有效波高在评估体系中的权重应占较大比重(25%)。

3 综合评估数学建模关键问题

在评价指标体系的基础上,影响被评系统综合评估结果的因素有所选取的评估模型、评估指标的权重值、一致化指标类型的方法和无量纲化指标的方法。

指标一般分为极大型、居中型、区间型和极小型四类。如指标|180度-夹角|/有效波高为极大型指标,取值越大越好;指标初始攻角为极小型指标,取值越小越好。评估前要对指标进行一致化处理和无量纲化处理。

指标权重的确定有主观赋权法和客观赋权法两大类,本文指标权重分析即为主观赋权法,也可根据导弹发射试验数据,进行各因素相关性分析,采用客观赋权法。此外，还应考虑超标权的确定问题,如当海浪超过5级时,即便其他指标在标准值范围内,导弹发射亦是不安全的。主动排气空泡技术也用于对导弹附体空泡的控制,其导弹头型和充气方式异于主动通气空泡技术,在采用不同技术时,导弹头型参数指标权重的确定应分别考虑。

评估模型解决将多个评价指标值合成为一个总体性的综合评估值的问题,应根据评估指标特性选择合适的评估方法。