战场海流对管装鱼雷反潜作战效能影响分析

程 帅,李 斌,黄华红,陈嘉杰

(中国船舶集团有限公司 第705 研究所,陕西 西安,710077)

0 引言

现代海战中,潜艇扮演着十分重要的角色,潜艇的隐蔽性很强,可能会对我方的重要平台和设施造成威胁。如何进行反潜作战,提高反潜作战效能,对于现代海战至关重要[1]。

海洋环境复杂多变,复杂的海况不仅会影响声呐对潜艇的探测能力,还会影响反潜武器的作战效能[2]。海流对声呐底噪声分布、拖曳声阵状态具有一定影响,进而影响目标探测结果。鱼雷作为主要反潜作战武器,会受到海流施加的侧向力影响,从而导致预定弹道偏移,同时由于海流的出现,鱼雷自导探测能力也有一定减弱,综合因素下影响作战效能[3]。海流对潜艇目标的运动特性和探测特性也有一定影响,主要表现在2 个方面: 一是海流产生的各种作用力作用在潜艇平台系统上,影响潜艇的位置信息;二是海流作为信息传输的媒介,对潜艇自身特征信号的向外辐射产生影响,增大目标运动要素的估计误差[4]。在进行作战效能分析时,可将潜艇的海流影响折合到水面舰探测的误差模型中。

声呐和鱼雷作战效能是反潜作战运用的基本依据。目前我国水面舰已具备海流测试手段,根据当前海流流向,结合管装反潜效能预估,就可以料敌于前,准确评估[5]。由于海洋环境复杂且随机性很强,当前对海流条件影响分析的文章较少,且大多只是采用理论计算的方法,很少有结合模型的数学仿真方法[6],因此,建立海流的数学模型通过仿真手段分析管装反潜打击效能就显得极为重要。

文中通过建立鱼雷模型、自导检测模型、声呐误差模型和海流数学模型,结合仿真软件研究海流对反潜效能的影响,选取鱼雷的命中概率作为其作战效能的指标,分析不同海况下的鱼雷作战效能。

1 管装反潜效能仿真机理

1.1 仿真原理

管装反潜仿真原理如图1 所示。

图1 管装鱼雷反潜作战仿真原理图Fig.1 Simulation schematic of tube-launched anti-submarine operation

1.2 作战流程想定

鱼雷发射舰按照航向正北(0°方向),速度21 kn执行反潜作战任务。目标潜艇位于鱼雷发射舰北偏东30°/60°/90°/120°/150°,速度18 kn,航向0°。具体态势想定示意图如图2 所示。

图2 反潜作战仿真态势想定示意图Fig.2 Simulation scenario of anti-submarine operation

图中: 红色为鱼雷发射舰艇;蓝色为目标潜艇;黄色为管装反潜鱼雷。

作战流程为:

T0 时刻,鱼雷发射舰声呐探测到目标潜艇;

T1 时刻,指挥员下定作战决心,命令鱼雷发射;

T2 时刻,鱼雷出管,在海流的作用下向目标潜艇航行;

T3 时刻,鱼雷命中目标(结果一),仿真结束;

T4 时刻,鱼雷航程耗尽,鱼雷未命中目标(结果二),仿真结束。

2 鱼雷运动模型

2.1 坐标系定义

建立鱼雷运动涉及到地面坐标系o0x0y0z0、雷体坐标系oxyz以及速度 坐标系ox1y1z1等。雷体坐标系定义如下: 雷体坐标系原点位于雷体的浮心ox轴 沿雷体纵轴并指向雷体头部,oy轴垂直于ox并指向上方(当雷体在地面上正常放置时),oz轴垂直于ox和oy轴,其方向使坐标系成为右手系(从雷体尾部向前看oz轴指向右侧),如图3 所示,地面坐标系、速度坐标系、速度、角速度和姿态角等物理量的定义及量纲参见文献[7]。

图3 雷体坐标系Fig.3 Torpedo coordinate system

假设鱼雷为六自由度刚体,通常用6 个坐标点来表示雷体坐标系在地面坐标系上的相对位置。6 个坐标点分别为雷体坐标系原点在地面坐标系中的坐标 (x0,y0,z0)和雷体坐标系与地面坐标系之间的3 个夹角 (ψ,θ,φ)。其中: ψ表示鱼雷的偏航角;θ表示鱼雷的俯仰角;φ表示鱼雷的横滚角。对于横滚角,从尾部看向右为正;对于俯仰角,则是从尾部看向上为正;对于偏航角来讲,从尾部看向左为正,如图4 所示。

图4 地面坐标系旋转到雷体坐标系Fig.4 Ground coordinate system rotating to torpedo coordinate system

2.2 鱼雷动力学方程

鱼雷动力学方程建立在以浮心为原点的雷体系中,根据动量和动量矩定理建立鱼雷的动力学模型,表达式为

其中,A为惯性矩阵,其表达式为

2.3 鱼雷运动学方程

在地面坐标系中,鱼雷浮心运动方程为

其中,雷体系到地面系的坐标转换矩阵为

鱼雷旋转运动学方程表达式为

3 海流仿真模型

海流对作战的影响主要在于海流对舰船声呐、鱼雷自导、鱼雷运动和目标运动等方面的影响。海流对声呐的影响主要体现在对目标运动要素解算上,对鱼雷自导的影响体现在对自导作用距离上。在一定时空范围内的海流可以看作是均匀定常海流,在作战过程中,其对做定常运动的目标和鱼雷的作用效果基本相同,但鱼雷因为弹道的变换会进行机动,此时海流对鱼雷运动的影响不可忽略。假设目标不进行对抗,目标运动基本可以看作是匀速定常运动,故海流对鱼雷的运动影响较大。因此文中着重考虑海流对其他3 个因素的影响,忽略海流对目标运动的影响。

3.1 海流对舰船声呐及鱼雷自导的影响

在动态海洋环境中,海洋水文环境要素时空变化极其复杂。海洋水文环境主要是指海水物理、化学性质及海洋动力过程引起的海面和海水介质内部动态结构特征。其现象主要包括海浪、海流、潮汐和海冰等[8]。在实际应用中,海流对声呐的影响比较大。具体表现为:

1) 海流会带来运动平台、鱼雷、声呐等姿态的不稳定,会导致声呐基阵姿态、平台各部位应力的变化,从而导致声呐探测性能的不稳定[9];

2) 海流会产生额外的多普勒频移效应,一定程度上改变声场相干特性,影响声呐的探测性能;

3) 海流作用于平台表面所引起的水动力噪声变化,影响声呐的探测性能[10]。

假设海流对声呐的方位影响角为ϕ,其大小与船的速度和海流速度有关,即

式中:vt为舰船速度;vω0为海流速度;Ahl为海流流向角。ϕ在反潜指挥控制中主要影响了声呐的系统误差和随机误差。

自导检测模型可以归结为对鱼雷自导作用距离的研究,当目标落入自导接收波束的范围和自导作用距离内且满足自导捕获目标判据时,认为发现目标。鱼雷自导在海流的影响下,自导检测模型也在静水条件的基础上降低了自导探测能力,增加了一定的系统误差[11]。

考虑到海流对目标运动要素解算的影响,在仿真试验中,按照当前海流的流向和流速对系统误差进行修正,在原来误差的基础上增加海流引起的误差,形成当前海流影响下的目标运动要素。

3.2 海流对雷体运动的影响

在鱼雷运动模型的基础上,结合海流数学模型,研究海流对鱼雷弹道的影响。

海流对鱼雷运动的影响主要取决于海流的速度。地面坐标系、地理坐标系以及海流矢量的相对关系见图5。

图5 地面坐标系、地理坐标系以及海流矢量的相对关系示意图Fig.5 Relationship among ground coordinate system,geographic coordinate system and current vector

图中:O0x0y0z0为地面坐标系;NUE为地理坐标系(北天东);vω0为海流流速;Ahl为海流流向角,方向定义如下: 0°代表正北,90°代表正东,180°代表正南,-90°代表正西;A0为目标方位角,即地面坐标系O0x0轴与正北的夹角,顺时针为正。

海流的大小和方向与测试点的地理位置、距水面的深度以及距海底的高度有关,还与测试的时间有关,是空间与时间的随机函数。假设海流速度为常量,计算公式为

式中,vωx0、vωy0和vωz0为海流在地面坐标系的3 个分量。当鱼雷受海流运动影响时,相当于在原流场基础上叠加海流流场,即

式中:vT0为鱼雷在地面坐标系中的速度;vTω0为鱼雷相对于海流的速度。

鱼雷动力学模型中各运动学参数都是相对流体的,只有在无海流时,获得的运动学参数才是相对于地面坐标系的,即

考虑海流影响,按式(9)对鱼雷动力学模型初始条件进行修正,并从雷体坐标系转换到地面坐标系,表达式为

式中: 上标“0”表示时间零点时的参数值,即初值;下标“0”表示地面坐标系中的参数值;、和表示无海流时鱼雷的速度在地面坐标系中的初值。

同理考虑海流作用时的攻角、侧滑角和弹道角等初值可以表示为

结合鱼雷的运动学和动力学模型,推导出鱼雷在海流中相对于地面坐标系的参数为

式中:t的时间起点为零点;x0(t)、y0(t)和z0(t)为t时刻雷体在地面坐标系中的位移;xω0(t)、yω0(t)和zω0(t)为海流坐标系中雷体3 个方向的位移;vTx0、vTy0和vTz0为t时刻鱼雷速度在地面坐标中的3 个分量;vTωx0(t)、vTωy0(t)和vTωz0(t)为t时刻鱼雷速度在海流坐标系下的3 个分量;Θ(t) 和 ψω(t)为地面坐标系中鱼雷在t时刻的弹道倾角和弹道偏角[12]。

4 仿真结果与分析

假设海流为均匀定常流场,海流速度4 kn,流向角分别为0°,90°,-90°和180°。目标潜艇作匀速直线运动,不采取对抗手段。鱼雷采用有利提前角发射方式,如图6 所示,分别进行海流对管装鱼雷反潜仿真影响的研究。

图6 海流方向示意图Fig.6 Ocean current direction

发现目标潜艇时,发射舰距离潜艇5 km,潜艇真实速度为18 kn,航向0°,方位为北偏东30°、60°、90°、120°、150°;鱼雷速度为42 kn。

仿真开始时刻为反潜打击鱼雷发射时刻。以仿真开始时刻发射舰位置为坐标原点,主动自导检测: 目标12 dB,鱼雷发射声源级为220 dB,鱼雷具有90%以上的发现概率。

鱼雷与海流的夹角 δ为-180°～180°,分为以下6 种情况:

1) δ=0°时,鱼雷的方向与海流方向相同,鱼雷速度增加幅值最大,鱼雷提前角无变化;

2) δ=-180°时,鱼雷的方向与海流方向相反,鱼雷速度减小幅值最大,鱼雷提前角无变化;

3) -90°<δ <0°时,鱼雷速度增加,鱼雷提前角提前量减小;

4) -180°<δ<-90°时,鱼雷速度减小,鱼雷提前角提前量减小;

5) 0°<δ <90°时,鱼雷速度增加,鱼雷提前角提前量增加;

6) -90°<δ <180°时,鱼雷速度减小,鱼雷提前角提前量增加。

每种想定态势下仿真1 000 次,得到鱼雷的命中概率同鱼雷与海流夹角的关系如图7 所示。

图7 鱼雷命中概率与海流夹角关系Fig.7 Relationship between hit probability of torpedo and current angle

由图7 可以看出,当海流与鱼雷设定主航向夹角在0°～180°之间时,鱼雷的命中概率相较于无海流时有着不同程度的提升;此时的鱼雷由于海流的影响,提前角提前量变大。其中在0°～90°范围内,雷速提升使鱼雷可以更快地接近目标,其命中概率也有一定的提高;在90°～180°范围内,尽管提前角提前量增加,但雷速降低,命中效果变化不明显;当海流与鱼雷航向的夹角在-180°～0°之间时,由于鱼雷提前角提前量受海流影响变小,鱼雷命中概率较无海流的情况下有所降低。

综上所述,可以得出以下结论:

1) 在进行反潜作战任务时,应考虑实际战场环境中海流的影响,尽量选择海流流向同鱼雷航向成0°～90°时发射,有助于提高反潜鱼雷的作战效能。

2) 若海流与诸元解算的主航向夹角为负,应增加诸元海流修正模型,增大提前角提前量、调整搜索主航向等方式对鱼雷航行过程中损失的提前量进行补偿。

5 结束语

文中分析了海流对舰船声呐和鱼雷的影响,建立了鱼雷模型、声呐误差模型和海流动力学模型,设定多种想定态势,结合仿真软件研究了不同海流影响下管装反潜鱼雷的作战效能,得出了执行反潜作战任务时不能忽略海流的影响因素,并根据当前态势选择合适的补偿方法,从而达到更高的作战效能,这样才能料敌于前,准确评估。文中模型和结论为水面舰管装鱼雷射击方案设计提供了借鉴,为精细化预估管装反潜鱼雷作战能力、优化管装反潜射击参数提供支撑。