小口径舰炮拦截超音速反舰导弹的特性分析*

刘 杨 张龙杰 谢晓方

(1.北京市西三环中路19号 北京 100841) (2.海军航空工程学院兵器科学与技术系 烟台 264001)

小口径舰炮拦截超音速反舰导弹的特性分析*

刘 杨1张龙杰2谢晓方2

(1.北京市西三环中路19号 北京 100841) (2.海军航空工程学院兵器科学与技术系 烟台 264001)

探讨小口径舰炮对超音速反舰导弹的拦截问题。选取典型对象弹作为研究对象,利用Monte Carlo法仿真分析了小口径舰炮对不同特性反舰导弹的命中弹数。根据仿真计算结果,对比分析了小口径舰炮对亚音速反舰导弹和超音速反舰导弹的拦截效果,进一步探讨了影响小口径舰炮拦截超音速反舰导弹的有关影响因素,为小口径舰炮的作战使用提供参考。

火炮; 小口径舰炮; 超音速反舰导弹

Class Number TJ391

1 引言

进入21世纪以来,随着各国海军舰艇部队综合防御能力的提高,常规亚音速反舰导弹逐渐无法满足当前海战的要求,各国在继续升级改造现役亚音速反舰导弹的同时,正在加紧研制和引进机动能力强、飞行速度快的超音速反舰导弹[1]。

对于超音速反舰导弹,导弹防御系统的可用准备时间更短、最大可拦截次数更少,拦截难度也更高,在这种情况下,探讨小口径舰炮对超音速反舰导弹的拦截问题就非常必要。

本文首先仿真分析了小口径舰炮对不同飞行速度和外形尺寸反舰导弹的命中弹数,通过对仿真结果的对比分析,深入剖析了影响小口径舰炮拦截超音速反舰导弹的主要因素,对小口径舰炮拦截超音速反舰导弹过程中出现的新特性进行了归纳总结,给出了结论。

2 舰炮对反舰导弹命中弹数的计算

由于小口径舰炮对不同反舰导弹的命中弹数不是本文研究的重点,因此对这部分内容只简要进行分析。

2.1 对象弹选取

选取3种类型的对象弹作为反舰导弹的原型,各对象弹详细参数如表1所示。

表1 各对象弹基本参数

表1中,1号对象弹为中小型超音速反舰导弹,2号对像弹为中小型亚音速反舰导弹,3号对像弹为大中型超音速反舰导弹。

1号和2号对象弹主要用于对比分析小口径舰炮对亚音速和超音速反舰导弹的命中弹数;1号和3号对象弹主要用于对比分析小口径舰炮对不同尺寸超音速反舰导弹的命中弹数。

2.2 主要数学模型

误差传递模型:主要考虑目标坐标的观测误差、估计误差和预测误差,弹道和气象修正误差,小口径舰炮载体摇摆误差,随动系统跟踪误差,弹丸散布误差。主要误差的计算过程见文献[2]和文献[3]。火控解算模型见文献[3]和文献[4]。导弹受弹判读模型见文献[3]。

2.3 仿真结果

采用Monte Carlo方法对1～3号对象弹进行受弹统计分析,仿真进行10000次,得到不同航路捷径下各对象弹的受弹情况,如图1所示。

图1 各对象弹受弹统计分析结果

图1中,横坐标Lsc表示反舰导弹飞行航路捷径的大小,纵坐标N为反舰导弹平均受弹数量的统计仿真分析结果。

3 影响舰炮命中能力的因素分析

分析图1中的统计仿真分析结果,可得出以下几点结论:

1) 对于小航路捷径反舰导弹,航路捷径不同时,导弹的受弹数量也不同。就选取的1～3号对象弹而言,亚音速反舰导弹的受弹数量最大,小型超音速反舰导弹的受弹数量最小。

2) 对比分析1号和2号对象弹的受弹统计结果,导弹飞行速度越快,末端攻击过程中受弹数量越小;对比分析1号和3号对象弹的受弹统计结果,在相同飞行速度下,导弹弹体尺寸越大,受弹数量越大。

下面结合统计仿真分析情况,对影响亚音速以及超音速反舰导弹受弹数量的主要因素进行分析。

3.1 命中机理发生变化

小口径舰炮对空作战拦截方式[5]主要分为跟踪集火拦截和弹幕拦截[6～9]两种。传统小口径舰炮对空作战大都采用跟踪集火拦截方式,近年来,随着小口径舰炮射速的提高,弹幕拦截方式逐步得到推广。

弹幕拦截主要是指在目标航路上形成“弹丸饱和空间”并保证目标与弹丸相遇[5],如果目标能够顺利穿越“弹丸饱和空间”,就不能称作是弹幕拦截。

对于亚音速反舰导弹,弹幕拦截方式是有效的,对于超音速反舰导弹,已经无法达到弹幕拦截的条件,下面进行详细分析。

小口径舰炮反导作战过程中,考虑弹丸和反舰导弹弹体大小的情况下,舰炮弹丸飞行轨迹与反舰导弹运动轨迹的空间位置关系可归结为三种情况:

1) 舰炮弹丸飞行轨迹偏离反舰导弹前置点,与反舰导弹的运动轨迹没有交汇点。

2) 从飞行轨迹看,舰炮弹丸飞行轨迹与反舰导弹的运动轨迹存在交汇点,但是舰炮弹丸与反舰导弹穿越交汇点的时间节点不同。

3) 弹丸飞行轨迹与反舰导弹运动轨迹出现交汇点,并且在同一时间节点内。

在第1)和第2)种情况下,不论反舰导弹的飞行速度多大,舰炮弹丸都无法命中反舰导弹,只有在第3)种情况下,舰炮弹丸才有可能命中反舰导弹。下面针对第3)种情况,分析亚音速反舰导弹和超音速反舰导弹穿越舰炮弹幕的过程。

第1步:分析亚音速反舰导弹和超音速反舰导弹的穿越能力。

假设前后两枚连续发射的弹丸C1与C2之间的平均时间间隔为tc0,它们穿越同一点(弹丸C1的尾部飞越某一点到弹丸C2的头部到达该点)的时间间隔为

tc12=tc0-lc/vc

式中:vc为舰炮弹丸遭遇反舰导弹时刻的存速,lc为舰炮弹丸长度。在tc12时间内,反舰导弹运动的距离:

lm=vm·tc12

根据小口径舰炮的射速、舰炮弹丸的尺寸以及飞行速度,计算得到亚音速反舰导弹(2号对象弹)在tc12时间内的运动距离lym=2.0m,超音速反舰导弹(1号和3号对象弹)在tc12时间内的运动距离lcm=5.6m。

第2步:根据舰炮弹丸与反舰导弹遭遇时的交汇角,分两种情况分析亚音速反舰导弹和超音速反舰导弹穿越舰炮弹幕的过程。

情况1 弹丸与反舰导弹以接近90°角交汇

图2 亚音速反舰导弹以接近90°角与弹丸交汇

图2为亚音速反舰导弹(2号对象弹)与弹丸以接近90°角遭遇时的位置关系图。假设在时间区间[t1,t2]内,反舰导弹穿越交汇点OMC,同时在该时间区间内,舰炮弹丸陆续穿越交汇点OMC,t1时刻对应反舰导弹弹体头部到达交汇点OMC的时刻,t2时刻为第二枚弹丸到达交汇点OMC的时刻。

要想顺利避开舰炮弹丸的打击,最理想的情况是反舰导弹弹体头部飞抵交汇点OMC的时刻恰好有弹丸C1飞越交汇点OMC,如图2(a)所示。

图2(b)为t2时刻的交汇态势图。根据前述计算,亚音速反舰导弹(2号对象弹)在此时间段内飞行的距离明显低于弹体长度,必然会被后续弹丸命中,因此弹丸的散布相对反舰导弹而言是“饱和的”,所以即使在误差条件适中的情况下,亚音速反舰导弹也很难突破舰炮弹丸的拦截。

图3为超音速反舰导弹与弹丸以接近90°角遭遇时的位置关系图,图中各参数含义同图2。

由图3,对于1号超音速反舰导弹,在前后两枚弹丸穿越交汇点OMC的时间内,导弹飞行的距离大于弹体长度,能够顺利穿越弹丸拦截区;对于3号超音速反舰导弹,在前后两枚弹丸穿越交汇点OMC的时间内,导弹飞行的距离小于弹体长度,无法穿越弹丸拦截区。

图3 超音速反舰导弹以接近90°角与弹丸交汇

下面以外形尺寸相同的1号和2号对象弹为例,分析更一般的情况。

图4 反舰导弹以 大角度与弹丸交汇

如图4所示,假设超音速反舰导弹弹体头部到达交汇点OMC时,弹丸C1已经飞越交汇点OMC一段距离lc1,要保证在弹丸C2飞抵交汇点OMC之前导弹能够完全穿越交汇点OMC,弹丸C2飞抵交汇点OMC的时间tc2必须大于反舰导弹穿越交汇点OMC的时间tm,即

tc2≤tm

而

综合以上两式,结合舰炮弹丸的有关参数,得到lc1≤2.1m。可以看出,只要超音速反舰导弹弹体头部到达交汇点OMC时,第一枚弹丸飞越交汇点OMC的距离小于2.1m,导弹就能够完全突破弹丸的拦截。对于亚音速导弹,无论如何都无法安全穿越弹丸散布区。

情况2 弹丸与反舰导弹以接近0°角交汇

舰炮弹丸以接近0°角与拦截反舰导弹时,可将弹丸速度分解为沿导弹飞行方向反方向的速度vcn和垂直导弹飞行速度方向的分速度vcτ,如图5所示。

图5 反舰导弹以小角度角与弹丸交汇

由于交汇角很小,图5中沿x轴方向反舰导弹穿越弹丸C1与C2之间的空隙区的时间:

tx=vc·tc0/(vcn+vm)

由于交汇角接近0°,因此与vcn相比,弹丸vcτ比较小,对于亚音速反舰导弹,由上式计算得亚音速反舰导弹在x轴方向穿越弹丸C1与C2之间的空隙区的时间tx1=5.4ms。对于超音速反舰导弹,由上式计算得亚音速反舰导弹在x轴方向穿越弹丸C1与C2之间的空隙区的时间tx2=3.8ms。

由于不论对于亚音速反舰导弹还是超音速反舰导弹,弹丸分速度vcn和vcτ是相同的。这样,在反舰导弹沿x轴方向(见图5)穿越的过程中,对于亚音速反舰导弹,舰炮弹丸沿y轴方向(见图5)的偏移量lc1=tx1vcτ,对于超音速反舰导弹,舰炮弹丸沿y轴方向的偏移量lc2=tx2vcτ。则反舰导弹沿x轴方向穿越的过程中,对于亚音速反舰导弹和超音速反舰导弹,舰炮弹丸沿y轴方向运动的偏移量的比值:

I=lc1/lc2=1.4

即在选定的1号和2号对象弹的条件下,亚音速导弹穿越过程中舰炮弹丸沿y轴方向的偏移量是超音速导弹的1.4倍,相当于弹丸沿反舰导弹横切面方向(图5中的y轴方向)的切割长度更大,更容易命中目标。

综合分析图2～图5,对于亚音速反舰导弹(2号对象弹),小口径舰炮的拦截方式本质上属于弹幕拦截;对于中小型超音速反舰导弹(1号对象弹),舰炮弹丸已经无法形成密集弹幕,小口径舰炮的拦截方式已经转变为集火射击模式;对于大中型超音速反舰导弹(3号对象弹),舰炮弹丸的弹幕拦截方式在交汇角较大时仍然适用,但是在交汇角较小时,由于弹体尺寸较大,小口径舰炮的拦截方式已经转变为集火射击。

3.2 舰炮随动系统性能限制

下面结合图1的统计分析结果和文献[2]中对随动系统跟踪误差的计算结果,分析随动系统对小口径舰炮拦截超音速反舰导弹能力的影响。

1) 航路捷径较小的情况(小于400m)

航路捷径较小时,随着目标接近,舰炮随动系统的动态跟踪误差快速增加,目标未到达舰炮射击近界时随动系统的跟踪能力已经饱和,出现无法有效跟踪目标的情况,导致射击误差增大,命中弹数降低。

另外,航路捷径Lsc较小时,弹丸与导弹遭遇时的交汇角q相对减小,相同误差条件下增大了弹丸脱靶量,如图6所示。

图6 不同遭遇角下的距离误差

图6中:M为导弹的质心点位置;S1和S2为航路捷径不同的两个射击点,并且S1M=S2M,γ1=γ2;q1和q2为对应的交汇角;Lsc1和Lsc2为对应的航路捷径大小。

由图6可以看出,在拦截距离和射击误差相同的情况下,由于Lsc2MM2,最终在航路捷径为Lsc1时舰炮弹丸命中导弹,而航路捷径为Lsc2时舰炮弹丸脱靶。

2) 航路捷径适中的情况(400m～700m)

航路捷径在400m～700m时,目标距离适中,舰炮最大可持续射击时间较长,随动系统动态跟踪误差相对较低,在舰炮射击近界附近仍然能够有效的跟踪目标,导弹的受弹数量也相对较高。

3) 航路捷径较大的情况(大于700m)

目标航路捷径超过700m以后,虽然随动系统跟踪误差较小,但是舰炮可用射击时间太短,过大的弹目距离增加了弹丸的线性偏移量,导致反舰导弹受弹数量很低。

4 结语

利用小口径舰炮拦截超音速反舰导弹时,会出现一些新的问题。一方面针对亚音速反舰导弹设计的弹幕拦截方式可能无法应用到对超音速反舰导弹的拦截作战中。另一方面,拦截超音速反舰导弹要求舰炮随动系统具有更快的响应能力和更高的随动精度,对舰炮的俯仰、旋回加速度和俯仰、旋回速度提出了更高的要求,而片面增大随动功率,将使舰炮变得十分笨重,丧失应有的机动性、贻误战机,同时会提高装备订购和使用成本,增加维修保障的负担。因此,必须综合考虑,统筹分析,针对出现的新问题、新特点,探讨可行的解决方案。

[1] 王诚成,谢晓方,张龙杰,等.国外反舰导弹装备现状及发展趋势研究[J].飞航导弹,2013(2):20-24.

[2] 张龙杰,谢晓方,孙涛,等.舰载CIWS对小航路捷径超音速导弹的拦截射击分析[J].哈尔滨工程大学学报,2013,30(1):123-130.

[3] 张龙杰,谢晓方,孙涛,等.舰艇摇摆对小口径舰炮射击精度的影响分析[J].火炮发射与控制学报,2013(1):11-15.

[4] 张龙杰,谢晓方.密集阵拦截高超音速导弹有效性分析[J].弹道学报,2012,24(4):37-41.

[5] 王学军,潘志刚.高速导弹的饱和拦截[J].火炮发射与控制学报,2006(1):69-72.

[6] 孙世岩,邱志明,王航宇,等.拦阻面弹丸散布中心配置方法[J].弹道学报,2008,20(4):16-19.

[7] 胡金春,郭治.未来空域窗的数学描述[J].兵工学报,1998,19(4):293-297.

[8] Sun Shi-yan, Wang Liang, Qiu Zhi-ming, et al. Research on disposition method of barrage firing curtain[C]//2007 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics,2007:477-482.

[9] 胡炎,杨斌,苏卿,等.小口径舰炮武器系统射击方式比较[J].舰船电子工程,2010,30(6):24-27.

Interception Characteristic Analysis of Small Caliber Naval Gun to Supersonic Anti-ship Missile

LIU Yang1ZHANG Longjie2XIE Xiaofang2

(1. No. 19 Xisanhuan Central Road, Beijing 100841) (2. Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

In order to study the interception ability of small caliber naval gun to supersonic anti-ship missile, after adopting typical model missiles as target, the hit counts of small caliber naval gun to different anti-ship missiles were calculated by Monte Carlo method. Based on the simulation result, the interception effect to subsonic anti-ship missile and supersonic anti-ship missile was studied comparatively, as well as the influence factors to interception ability of small caliber naval gun to supersonic anti-ship missile, which has much reference value for the combat applications of small caliber naval gun.

gun, small caliber naval gun, supersonic anti-ship missile

2013年7月9日,

2013年8月20日

刘杨,男,高级工程师,研究方向:装备技术管理。张龙杰,男,讲师,研究方向:武器系统建模优化与仿真。谢晓方,男,教授,研究方向:武器系统建模优化与仿真。

TJ391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.008