張 江

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大型水面艦艇防護策略仿真與優(yōu)化

張 江

（國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，武漢 430010）

為確定大型水面艦艇防護結(jié)構(gòu)的重點保護部位，本文建立了基于概率分布的聲尾流自導(dǎo)魚雷進入尾流位置和航向模型，結(jié)合較貼近實際的尾流聲學(xué)仿真模型、魚雷聲學(xué)自導(dǎo)檢測模型和彈道模型，設(shè)計了基于模擬法的聲尾流自導(dǎo)魚雷仿真系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對聲尾流自導(dǎo)魚雷命中區(qū)域的仿真計算，并據(jù)此優(yōu)化大型水面艦艇防護策略。上述方法對實現(xiàn)艦艇輕量化設(shè)計，提高其防護能力具有借鑒作用。

尾流自導(dǎo)魚雷 尾流模型 命中區(qū)域 大型水面艦艇 艦船防護

0 引言

現(xiàn)代大型水面艦艇通常采用防護結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)支撐上層建筑以及阻擋爆炸產(chǎn)生的破片和沖擊波載荷。隨著先進武器和船體輕量化發(fā)展的需求，需要對艦艇的重要保護部位進行分析，優(yōu)化其防護策略。

當(dāng)前對水面艦艇威脅而言，來自水下的最大威脅當(dāng)屬各類魚雷武器。其中尾流自導(dǎo)魚雷憑借其獨特的制導(dǎo)方式被公認(rèn)為是最有效的反艦手段之一。如果能夠判斷尾流自導(dǎo)魚雷對水面艦艇的主要命中區(qū)域，即可有針對性的在重點區(qū)域布設(shè)結(jié)構(gòu)防護，在實現(xiàn)艦艇的輕量化設(shè)計的同時提高其生存概率。

本文在建立相關(guān)仿真模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于魚雷作戰(zhàn)效能的聲尾流自導(dǎo)魚雷仿真系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對聲尾流自導(dǎo)魚雷命中區(qū)域的仿真計算，并據(jù)此優(yōu)化大型水面艦艇防護策略。

1 仿真模型

1.1 尾流檢測模型

從尾流自導(dǎo)魚雷攻擊仿真的角度考慮，若魚雷處于尾流區(qū)域內(nèi)或其正下方，可認(rèn)為成功檢測到尾流信號。因此仿真中所關(guān)注的尾流特征主要指尾流的長度和寬度的幾何形狀與幾何尺寸，通常是通過實際測量和統(tǒng)計來確定。

1）尾流長度模型

2）尾流寬度模型

根據(jù)尾流的實際測量和統(tǒng)計來確定，氣泡尾流的寬度一般呈類似削好的鉛筆式的錐形。大量的考察與研究發(fā)現(xiàn)，在艦船尾部，尾流只有艦船寬度的一半左右。隨著尾流的延長，寬度線性發(fā)散，其發(fā)散角約為40°～60°之間。在大于某一距離（通常幾倍于船長）后，尾流寬度就僅以1°左右發(fā)散角擴展。在中等距離上，尾流寬度約增加到2.5倍艦寬（見圖1）。

圖1 艦艇尾流

據(jù)此可以求解半尾流寬度隨尾流長度變化的數(shù)學(xué)模型。

圖2 半尾流寬度解算示意圖

如圖2所示，以艦船水平中心為原點，艦艇航向線為X軸，建立直角坐標(biāo)系XOY。設(shè)艦艇長度為A=2b，寬度為B=2a。根據(jù)解析幾何的直線表達(dá)式可將線段MN表示為

將N點坐標(biāo)(-a,0.5b)帶入上式，則有

根據(jù)上式可求得M點橫坐標(biāo)為

則半尾流寬度可表示為

1.2 魚雷進入尾流位置及航向解算

圖3 魚雷進入尾流位置及航向解算示意圖

1.3 魚雷命中位置解算

圖4 魚雷命中位置解算示意圖

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求分析

仿真系統(tǒng)需要完成以下主要功能：

1）目標(biāo)參數(shù)及尾流特性設(shè)置，包括目標(biāo)類型、速度、航向以及機動模式、尾流矩形塊的最小尺寸、空穴或斷層出現(xiàn)的次數(shù)和尺寸等內(nèi)容的設(shè)定；

2）魚雷參數(shù)設(shè)置，包括魚雷總體參數(shù)、自導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)、導(dǎo)引策略參數(shù)等內(nèi)容的設(shè)定；

3）仿真環(huán)境設(shè)置，包括海區(qū)水文條件、附加誤差量、仿真次數(shù)及仿真結(jié)果保存路徑的設(shè)定；

4）模擬聲尾流自導(dǎo)魚雷攻擊過程，包括從魚雷發(fā)射參數(shù)解算開始到魚雷命中目標(biāo)或航程耗盡結(jié)束的完整攻擊過程；

5）以圖表的形式輸出相關(guān)的仿真結(jié)果（例如命中概率、航程損失等），并保存仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.2 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體上采用模塊化設(shè)計，各個模塊之間用數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，圖5描述了本仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)?？騼?nèi)注明了子模塊的名字，方框之間的直線表示子模塊的調(diào)用關(guān)系。

仿真系統(tǒng)應(yīng)包含五大仿真內(nèi)容：

1）發(fā)射參數(shù)解算：對設(shè)定的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，按照火控系統(tǒng)計算原理計算出投放參數(shù)；

2）魚雷運動仿真：根據(jù)魚雷彈道控制參數(shù)按仿真步長計算魚雷運動軌跡；

3）目標(biāo)運動仿真：根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)運動規(guī)律按仿真步長計算目標(biāo)運動軌跡；

4）尾流生成仿真：根據(jù)設(shè)定的尾流特性，生成相應(yīng)的尾流序列；

5）自導(dǎo)檢測過程仿真：根據(jù)設(shè)定的魚雷自導(dǎo)檢測模型仿真魚雷對目標(biāo)的檢測過程。

圖5 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

仿真系統(tǒng)應(yīng)包含五大核心模塊：

1）發(fā)射參數(shù)解算：對設(shè)定的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，按照火控系統(tǒng)計算原理計算出投放參數(shù)；

2）魚雷運動仿真：根據(jù)魚雷彈道控制參數(shù)按仿真步長計算魚雷運動軌跡；

3）目標(biāo)運動仿真：根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)運動規(guī)律按仿真步長計算目標(biāo)運動軌跡；

4）尾流生成仿真：根據(jù)設(shè)定的尾流特性，生成相應(yīng)的尾流序列；

5）自導(dǎo)檢測過程仿真：根據(jù)設(shè)定的魚雷自導(dǎo)檢測模型仿真魚雷對目標(biāo)的檢測過程。

本仿真系統(tǒng)按如下思想設(shè)計：首先由參數(shù)設(shè)定模塊完成戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢設(shè)置，確定目標(biāo)運動模型及尾流生成模型；仿真開始后，首先基于設(shè)定的魚雷總體參數(shù)及自導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)解算魚雷發(fā)射參數(shù)，然后由魚雷入水點為原點建立直角坐標(biāo)系，確定魚雷和目標(biāo)的初始位置及航向，同時生成初始尾流；在隨后的仿真過程當(dāng)中，按照設(shè)定的步長仿真步進，自導(dǎo)檢測模塊在每個仿真周期內(nèi)檢測尾流信號，判斷魚雷進出尾流的狀態(tài)；魚雷運動仿真模塊根據(jù)檢測結(jié)果按照設(shè)定的導(dǎo)引策略模擬魚雷運動。在仿真過程中目標(biāo)按照設(shè)定的運動模式獨立運行，包括其完成機動過程也是如此。在每個仿真周期中，尾流生成模塊都要根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)生成新的尾流模型。上述仿真過程周而復(fù)始，直至魚雷命中目標(biāo)或航程耗盡。

總體方案設(shè)計中，充分考慮到了導(dǎo)引策略優(yōu)化仿真的便捷性問題，基本實現(xiàn)了導(dǎo)引策略設(shè)計對其他模塊無影響。而且系統(tǒng)擁有良好的人機交互環(huán)境，模塊設(shè)計具有可重用性和擴充性，模塊獨立性較強，具有一定的可移植性。

3 結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)定的仿真條件，基于兩種概率分布的魚雷進入尾流位置，對魚雷命中艦艇區(qū)域進行仿真計算。一是以有效尾流中心為中心，以半個有效尾流長度為最大散布，按正態(tài)分布建模；二是在有效尾流長度內(nèi)按均勻分布建模。仿真結(jié)果如圖6所示。其中不同顏色點分別對應(yīng)不同的水面艦艇航速條件下的命中點，命中點越密集的區(qū)域表示被尾流自導(dǎo)魚雷命中的可能性越高。

圖6 仿真結(jié)果

分析上述仿真結(jié)果可知，在兩種魚雷進入尾流位置概率分布下的命中區(qū)域具有相同的特點，即命中區(qū)域基本集中于水面艦艇的中后部。并呈現(xiàn)出隨著目標(biāo)航速的增高，命中區(qū)域向艦艇尾部的左右側(cè)面集中的趨勢。而對于艦艇的正后方而言，其被命中的概率與舷側(cè)相比并不顯著。

因此，就受到尾流自導(dǎo)魚雷攻擊而言，大型水面艦艇并不需要在所有部位布設(shè)防護結(jié)構(gòu)，其防護重應(yīng)為艦艇的中后部的左右舷側(cè)，特別是靠近尾部的舷側(cè)應(yīng)特別加強防護。同時，艦艇在遭受尾流自導(dǎo)魚雷攻擊時，應(yīng)迅速提升航速進行機動，配合其他防御手段提高自身的生存概率。

4 結(jié)束語

尾流自導(dǎo)魚雷是大型水面艦艇的主要威脅，本文在構(gòu)建基于概率分布的聲尾流自導(dǎo)魚雷進入尾流位置和航向模型的基礎(chǔ)上，利用聲尾流自導(dǎo)魚雷仿真系統(tǒng)對魚雷命中區(qū)域進行了仿真分析，為優(yōu)化水面艦艇防護策略，實現(xiàn)艦艇的輕量化設(shè)計提供仿真依據(jù)。然而實戰(zhàn)中水面艦艇需要面對的水下威脅并不只有尾流自導(dǎo)魚雷，針對其他諸如水雷或聲自導(dǎo)魚雷的威脅，還需要使進一步細(xì)致研究相應(yīng)的水面艦艇防護策略。

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[4] 陳顏輝, 孫振新, 火箭懸浮深彈攔截尾流自導(dǎo)魚雷研究[J]. 指揮控制與仿真, 2013.

Simulation and Optimization of Large Surface Warship Protection Armor Structure

Zhang Jiang

（Academy of Information & Communication National University of Defense Technology, Wuhan 430010）

U674

A

1003-4862（2018）09-0019-04

2018-05-03

張江(1980-)，男，講師，博士。研究方向：武器系統(tǒng)仿真。Email: liondancing@qq.com