趙申?yáng)| ,野理聰 ,曹駿瀧 ,李居偉

(1.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū),山東 青島,266041;2.中國(guó)人民解放軍91566 部隊(duì),遼寧 大連,116043)

0 引言

航空深彈作為傳統(tǒng)反潛武器,具有價(jià)格低廉、制造簡(jiǎn)單、使用方便和裝藥填充系數(shù)高等特點(diǎn)[1-2]。隨著自導(dǎo)深彈的出現(xiàn),航空深彈攻潛的命中概率得到了很大提升。但是由于缺少動(dòng)力,自導(dǎo)深彈很難在大范圍內(nèi)對(duì)潛艇實(shí)施攻擊,命中概率難以令人滿意。為了提高攔截魚雷的效果,水面艦艇裝備了懸浮式深彈[3-4]。航空平臺(tái)上同樣出現(xiàn)了懸浮式深彈,典型的如俄羅斯的“圍獵-2”懸浮式航空深彈以及德國(guó)的“海矛”自導(dǎo)深彈,它們使得攻潛效果得到了進(jìn)一步的提升。其中,“海矛”自導(dǎo)深彈兼有深彈和魚雷的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高[5],而“圍獵-2”懸浮式航空深彈只是在普通自導(dǎo)深彈的基礎(chǔ)上增加了懸浮裝置,結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、成本更為低廉[6],具備大量使用的條件。文中對(duì)懸浮式航空自導(dǎo)深彈水下攻潛效能進(jìn)行分析,將其與常規(guī)自導(dǎo)深彈進(jìn)行對(duì)比,總結(jié)出適合懸浮式航空自導(dǎo)深彈的使用場(chǎng)景及懸浮時(shí)間參數(shù)設(shè)定的一般原則。

1 懸浮式航空自導(dǎo)深彈水下攻潛工作方式

懸浮式航空自導(dǎo)深彈由飛機(jī)投放后,靠自身攜帶的降落傘減速下降,同時(shí)調(diào)整空中姿態(tài),使其近似垂直下落。當(dāng)彈體入水后,深彈攜帶的氣囊開始迅速充氣,并拋棄降落傘。氣囊充氣完畢后漂浮于水面,下方連接的深彈彈體懸浮于靠近水面的某一深度處,位于彈體彈頭位置的自導(dǎo)系統(tǒng)開始搜索目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入其探測(cè)范圍時(shí),彈體會(huì)及時(shí)與氣囊脫離,通過(guò)操舵機(jī)構(gòu)調(diào)整彈道,在不超過(guò)最大下滑角的范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行追擊,其追擊過(guò)程與常規(guī)無(wú)動(dòng)力航空自導(dǎo)深彈相同。

2 懸浮式航空自導(dǎo)深彈水下攻潛模型

懸浮式航空自導(dǎo)深彈與常規(guī)無(wú)動(dòng)力航空自導(dǎo)深彈水下攻潛的主要區(qū)別是懸浮時(shí)間的長(zhǎng)短。常規(guī)無(wú)動(dòng)力航空自導(dǎo)深彈無(wú)水中懸浮動(dòng)作,可將懸浮時(shí)間視為0,深彈入水后立即下沉搜索攻擊潛艇;而懸浮式航空自導(dǎo)深彈會(huì)在靠近水面附近的某一深度處進(jìn)行懸浮探測(cè),其懸浮時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。文中重點(diǎn)討論懸浮式航空自導(dǎo)深彈在深度上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于自導(dǎo)深彈自導(dǎo)距離一般在數(shù)百米范圍內(nèi),而下沉攻擊時(shí)會(huì)達(dá)到每秒十幾米的速度,追擊時(shí)間較短,潛艇一旦被深彈自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)就很難擺脫深彈的攻擊,文中用深彈的探測(cè)概率代替其命中概率。另外,深彈在攻擊潛艇時(shí),可采用現(xiàn)在點(diǎn)攻擊或提前點(diǎn)攻擊2 種基本模式。提前點(diǎn)攻擊模式命中概率較高,需要獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和航向信息,其使用條件有時(shí)難以達(dá)成。現(xiàn)在點(diǎn)攻擊模式無(wú)其他條件限制,可實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇目標(biāo)的快速攻擊,以下討論均基于現(xiàn)在點(diǎn)攻擊模式。

2.1 深度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

懸浮式航空自導(dǎo)深彈在搜索潛艇的過(guò)程中,其水平位置基本保持不變,只有深度會(huì)隨時(shí)間變化,其深度z(t)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為3 段: 1) 在懸浮期間,深彈懸浮在靠近海面的某一深度zxf上;2) 懸浮時(shí)間txf到達(dá)后,深彈由速度為0 加速到最大下沉速度vmax,這一階段可視為加速度為a的勻加速運(yùn)動(dòng);3) 深彈以最大下沉速度勻速下沉階段可表示為

深彈深度上的變化是計(jì)算深彈與潛艇間距所必需的,若攻潛時(shí)采取多枚深彈連投的方式,不同深彈的深度變化關(guān)系還應(yīng)考慮投彈間隔的影響。

2.2 命中條件分析

以探測(cè)到的水下目標(biāo)潛艇初始位置在水平面的投影點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),以水面位置,即深度為0 的平面為xy平面,以潛艇航行方向?yàn)閤軸的正方向,以豎直向下,即海深增加的方向?yàn)閦軸正方向建立直角坐標(biāo)系。令水下目標(biāo)潛艇的坐標(biāo)為S(xs,ys,zs),航空自導(dǎo)深彈落水后的位置坐標(biāo)為h(xh,yh,zh)?？紤]到探測(cè)的潛艇位置及航向均有一定的隨機(jī)誤差,假設(shè)x坐標(biāo)的誤差為xs0,y軸的誤差為ys0,航向誤差為α,潛艇航行深度zs0不變。深彈與潛艇的目標(biāo)位置如圖1 所示。

圖1 深彈與潛艇目標(biāo)位置Fig.1 Positional relationship between depth charge and submarine

目標(biāo)潛艇在水中航行的位置坐標(biāo)是時(shí)間t的函數(shù),即

設(shè)自導(dǎo)深彈的最大探測(cè)距離為d0,最大下滑角為Φ0。若要使自導(dǎo)深彈能夠探測(cè)到水下目標(biāo)潛艇,則需要滿足以下2 個(gè)條件: 1) 自導(dǎo)深彈與水下目標(biāo)潛艇之間的距離d≤d0;2) 潛艇與自導(dǎo)深彈間的連線與向下垂直線的夾角 Φ ≤Φ0?？梢园凑帐?3)判斷深彈是否命中目標(biāo)。

3 仿真計(jì)算

文中采用蒙特卡洛方法對(duì)懸浮式航空自導(dǎo)深彈命中概率的影響因素進(jìn)行仿真分析,該方法的應(yīng)用范圍幾乎沒(méi)有限制[7]。若采用多枚深彈連投的方式,可有效提高命中概率。為不失一般性,以下分析均以單枚深彈為例進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 仿真流程

懸浮式航空自導(dǎo)深彈的基本工作方式為先懸浮探測(cè)再下沉搜索攻擊,仿真流程如圖2 所示。

圖2 命中概率仿真流程圖Fig.2 Simulation flow chart of hit probability

3.2 懸浮時(shí)間、潛艇深度對(duì)命中概率的影響

懸浮式航空自導(dǎo)深彈與常規(guī)無(wú)動(dòng)力航空自導(dǎo)深彈水下攻潛的主要區(qū)別在于懸浮時(shí)間,文中重點(diǎn)分析懸浮時(shí)間對(duì)命中概率的影響。若潛艇航行深度超過(guò)深彈自導(dǎo)作用距離,懸浮時(shí)深彈將無(wú)法探測(cè)到潛艇,因此潛艇航行深度也是影響命中概率的重要因素。圖3 給出了深彈懸浮時(shí)間、潛艇深度對(duì)命中概率影響的仿真結(jié)果。仿真時(shí),設(shè)深彈的自導(dǎo)作用距離為200 m、水下懸浮深度為5 m,潛艇的深度活動(dòng)范圍為50～300 m、航行速度為4 kn、航向誤差標(biāo)準(zhǔn)差為2°、位置誤差標(biāo)準(zhǔn)差為300 m。圖3 可以看出,當(dāng)潛艇深度在深彈自導(dǎo)作用距離以內(nèi)時(shí),增加深彈的懸浮時(shí)間可以有效提升命中概率。但是當(dāng)潛艇深度在深彈自導(dǎo)作用距離以外時(shí),增加深彈的懸浮時(shí)間反而會(huì)降低命中概率。從不同深度的平均結(jié)果來(lái)看,增加深彈的懸浮時(shí)間總體上要比常規(guī)無(wú)動(dòng)力航空自導(dǎo)深彈的命中概率高,而懸浮時(shí)間的選取存在最佳區(qū)間,并非懸浮時(shí)間越長(zhǎng)越好。

圖3 深彈懸浮時(shí)間、潛艇深度對(duì)命中概率的影響(自導(dǎo)作用距離200 m)Fig.3 Influence of suspension time of depth charge and submarine depth on hit probability(The self-guided range is 200 m)

當(dāng)前懸浮式航空自導(dǎo)深彈的探測(cè)距離可達(dá)450 m,可覆蓋世界上大多數(shù)潛艇大多數(shù)時(shí)間的活動(dòng)深度[8]。圖4 給出了深彈自導(dǎo)作用距離為450 m、潛艇深度活動(dòng)范圍為50～450 m 時(shí)的仿真結(jié)果?？梢钥闯?此時(shí)增加深彈懸浮時(shí)間,可以獲得更高的命中概率,且懸浮時(shí)間越長(zhǎng),概率越高。

圖4 深彈懸浮時(shí)間、潛艇深度對(duì)命中概率的影響(自導(dǎo)作用距離450 m)Fig.4 Influence of suspension time of depth charge and submarine depth on hit probability (The self-guided range is 450 m)

3.3 懸浮時(shí)間、潛艇定位誤差對(duì)命中概率的影響

不論采用何種探測(cè)手段,得到的潛艇位置或航向總會(huì)有一定的誤差,一般認(rèn)為其服從正態(tài)分布[9-10]。在不同的懸浮時(shí)間下,潛艇定位誤差對(duì)深彈命中概率有顯著影響,圖5 給出了深彈不同懸浮時(shí)間、潛艇不同定位誤差對(duì)命中概率影響的仿真結(jié)果。仿真時(shí),假設(shè)深彈的自導(dǎo)作用距離為200 m、水下懸浮深度為5 m,潛艇航行深度為250 m、航行速度為4 kn、航向誤差標(biāo)準(zhǔn)差為2°。圖5(a)給出了潛艇深度200 m 時(shí)的命中概率?？梢钥闯?當(dāng)潛艇航行深度較大時(shí)(200 m 附近),增加深彈的懸浮時(shí)間反而會(huì)降低深彈的命中概率,且懸浮時(shí)間越長(zhǎng),命中概率越低。隨著潛艇定位誤差的加大,不同懸浮時(shí)間深彈命中概率的差別變小。這種情況的出現(xiàn)是因?yàn)楫?dāng)潛艇航行深度較大時(shí),深彈發(fā)現(xiàn)目標(biāo)更加困難,此時(shí)若深彈仍采用懸浮搜索,潛艇將有更多時(shí)間逃離深彈搜索區(qū)域。當(dāng)定位潛艇的誤差較大時(shí),如果采用懸浮搜索方式,潛艇重新進(jìn)入深彈搜潛區(qū)域的可能性會(huì)有所增加,這時(shí)不同懸浮時(shí)間對(duì)命中概率帶來(lái)的影響差異會(huì)變小。這說(shuō)明懸浮深彈更適合潛艇定位誤差大的場(chǎng)景。圖5(b)給出了潛艇深度100 m(其他參數(shù)不變)時(shí)的命中概率。可以看出,當(dāng)潛艇航行深度較小時(shí)(100 m 附近),增加深彈的懸浮時(shí)間會(huì)增加命中概率,一般懸浮時(shí)間越長(zhǎng),命中概率越高。這說(shuō)明,懸浮深彈更適合潛艇航行深度較小的場(chǎng)景。在淺海環(huán)境下,采用懸浮深彈攻擊潛艇十分有利。

圖5 深彈懸浮時(shí)間、潛艇定位誤差對(duì)命中概率的影響(自導(dǎo)距離200 m)Fig.5 Influence of suspension time of depth charge and submarine positioning error on hit probability(The self-guided range is 200 m)

4 結(jié)論

文中通過(guò)分析懸浮式航空自導(dǎo)深彈的工作流程,給出其深度運(yùn)動(dòng)規(guī)律和命中潛艇目標(biāo)的條件。利用蒙特卡洛方法對(duì)影響懸浮式航空自導(dǎo)深彈命中概率的主要因素進(jìn)行了仿真分析,并得出如下結(jié)論。

1) 懸浮式航空自導(dǎo)深彈通過(guò)增加懸浮裝置,總體上有利于提高深彈的命中概率。盡管增加懸浮裝置會(huì)使深彈的成本有所增加,但考慮到深彈在懸浮狀態(tài)探測(cè)目標(biāo)時(shí)不受自身運(yùn)動(dòng)的影響,同等技術(shù)條件下,其自導(dǎo)作用距離會(huì)有所增加,這將進(jìn)一步提升命中概率。

2) 懸浮式航空自導(dǎo)深彈更適用于潛艇定位誤差大、潛艇航行深度較小的場(chǎng)景。當(dāng)潛艇航行深度超過(guò)了深彈自導(dǎo)作用距離時(shí),增加懸浮深度反而會(huì)降低深彈的命中概率。由于懸浮式深彈可以靈活設(shè)置懸浮時(shí)間,所以在實(shí)際使用中,需要根據(jù)目標(biāo)和海區(qū)的實(shí)際情況合理設(shè)定這一參數(shù)。