双速制声自导鱼雷射击提前角及主动声自导开机时机研究

胡宏灿，周 明，寇 祝，林宗祥

(1．海军大连舰艇学院 航海系，辽宁大连116018;2．海军大连舰艇学院水武与防化系，辽宁大连116018)

0 引言

变速是当前新一代轻型智能声自导鱼雷的一大技术特点，在攻潜弹道的不同阶段合理使用鱼雷速度配置策略和主动声自导装置开机时机，可有效增加鱼雷总航程、突出鱼雷攻潜隐蔽性和命中目标的突发性，变速功能为鱼雷的作战使用提供了更加灵活的使用方式［1］。反潜弹道鱼雷速度的变化使得鱼雷总航程、弹道平均速度、鱼雷辐射噪声、声自导作用距离不再是恒值，针对单速制鱼雷建立的发射诸元解算模型已不再适用变速制鱼雷。本文在分析鱼雷变速时机和提前角关系的基础上，着重研究鱼雷发射提前角与鱼雷变速时机计算模型和主动声自导装置开机时机计算模型。

1 双速制声自导鱼雷射击提前角及主动声自导装置开机时机问题分析

1.1 鱼雷发射有利提前角原理及双速制鱼雷基本变速原则

根据鱼雷反潜基础理论，在特定阵位态势，射击条件确定的情况下能够使鱼雷最大程度的遮盖目标散布的鱼雷发射角度，称为鱼雷发射有利提前角［2－3］。有利提前角是敌潜艇舷角、射击距离、敌潜艇航速、鱼雷航速、鱼雷自导扇面开角的函数，是鱼雷反潜重要发射参数之一，显然，双速制鱼雷有利提前角的计算决定于鱼雷直航搜索弹道的平均速度，而平均速度的计算前提条件就是鱼雷速度配置策略［4］。为了减小潜艇探测到来袭鱼雷时雷目距离、增加鱼雷总航程，双速制鱼雷在直航搜索阶段的速度配置原则应为:低速搜索捕获目标，高速跟踪摧毁目标。在此速度配置原则的指导下，鱼雷利用低速接近目标，可有效减小自身辐射噪声，增加鱼雷自导作用距离，同时由于鱼雷自身辐射噪声的降低，也缩短了敌潜艇鱼雷报警距离，增加了鱼雷攻击的隐蔽性;当雷目距离达到某个阀值时、或鱼雷捕获到目标时，立即转为高速航行，以保证对目标的持续跟踪直至命中，以上即为双速制声自导鱼雷直航阶段速度配置基本策略［5－6］，攻潜阵位态势如图1所示。

1.2 直航搜索阶段存在变速时鱼雷射击有利提前角特点分析

假设鱼雷低速航行速度为Vd节，高速为Vg节，当鱼雷直航阶段使用单一航速搜索时，使用单速制鱼雷有利提前角计算方法可分别求出全程低速和全程高速对应的有利提前角，分别记为φa1和φa2;如果直航段使用了变速策略，那么无论何时变速，有利提前角将落在φa1～φa2之间，并且，提前角随着变速时机的提前而减小，如图2所示。以上分析表明，在特定阵位态势下，双速制鱼雷有利提前角的计算决定于鱼雷直航搜索阶段的变速策略，不同的变速策略对应不同的有利提前角，在全程高速和全程低速2个极端情况下确定的角度范围内，每个提前角与直航段的特定鱼雷平均速度相对应，而每个平均速度与一个鱼雷变速时机相对应。综上可知，双速制鱼雷可根据战位条件选择某个提前角发射，提前角选定以后，问题将转化为双速制鱼雷直航搜索段变速时机计算问题。

图1 双速制鱼雷攻潜态势图Fig.1 The anti-sub operational picture of dual-speed torpedo

图2 双速制鱼雷提前角范围示意图Fig.2 The diagram of the range of advance angle of dual-speed torpedo

图3 单速制鱼雷提前角计算阵位图Fig.3 The position diagram of calculation of advance angle of single-speed torpedo

1.3 主动声自导装置开机条件

潜艇鱼雷报警声呐靠检测鱼雷声自导寻的信号和鱼雷辐射噪声探测来袭鱼雷，一般而言，鱼雷自导信号声源级高于鱼雷辐射噪声，如果鱼雷主动声自导开机过早，将增大被潜艇早期发现的概率，使得鱼雷丧失攻潜的隐蔽性;鱼雷主动自导开机过晚，会使鱼雷自导装置开机时已经越过目标航迹线，导致鱼雷不能捕获目标［7－8］。理想情况是主动声自导装置开机刚好能够捕获到目标，也即鱼雷与目标潜艇距离等于鱼雷自导作用距离时即为主动声自导开机计算条件。显然，雷目实时距离决定了自导装置开机时机，而雷目实时距离又决定于初始阵位和鱼雷发射提前角，发射提前角又决定于鱼雷的变速时机，建模时应该统一考量。

2 模型构建

2.1 双速制鱼雷有利提前角计算模型

2.1.1 双速制鱼雷有利提前角范围计算模型

在特定阵位态势下，双速制鱼雷发射提前角范围可使用单速制鱼雷提前角计算模型求取，假设双速制鱼雷低速为Vd，鱼雷低速自导作用距离为r1，鱼雷高速为Vg，鱼雷高速自导作用距离r2，鱼雷自导扇面半角为λ，实施反潜攻击时，敌潜艇航速为Vm，射距为D，敌舷角为Qm，以鱼雷目标相对移动线平分极限角为条件，由图3单速制声自导鱼雷反潜阵位态势图几何关系可建立鱼雷有利提前角计算模型:

式中:Ф1与Ф2为鱼雷和目标相对移动线平分鱼雷自导扇面极限角的角度值;β为雷目连线和鱼雷扇面中心目标连线之间的夹角;θ为鱼雷航向与目标航向之间的夹角;

分别使用鱼雷高速和低速技术战术指标参数代入式(1)～式(6)，使用解析迭代法可分别求出全程高速和全程低速分别对应的提前角φa1与φa2［2］。

2.1.2 提前角对应的鱼雷变速时机计算模型

以目标潜艇位置为原点，潜艇航向为X轴，建立笛卡尔坐标系，如图1所示，则潜艇的实时位置可表示为:

式中:Xm为t时刻潜艇横坐标;Ym为t时刻潜艇纵坐标。

根据阵位条件，设鱼雷发射提前角选定为φa∈［φa1，φa2］，变速前鱼雷实时位置坐标:

式中:XT为t时刻鱼雷横坐标;YT为t时刻鱼雷纵坐标。

提前角为φa时，设对应的变速时刻为t1，则t1时刻的鱼雷位置T'坐标:

t1时刻的目标位置M'坐标:

t1时刻雷目相距距离:

t1时刻敌舷角为:

t1时刻后，鱼雷将以高速航行。在t1时刻，目标、鱼雷形成一个新的阵位关系，在此新的阵位关系下，以鱼雷高速技战术指标代入式(1)－式(6)，可解算出此阵位关系下的提前角φ'a。为了保证鱼雷变速前后航向不变，由图1几何关系可知，必须满足以下关系式:

式(13)即为在鱼雷提前角为φa时变速时机计算的约束条件。

2.2 声自导装置开机时机计算模型

根据鱼雷技术参数可知，鱼雷自导作用距离远小于敌潜艇鱼雷报警距离，以鱼雷自导开机时雷目距离刚好等于鱼雷自导作用距离为计算条件，则开机时机将包括鱼雷低速航行时间加上变速后高速航行的一段时间，提前角、低速航行时间计算出后，设鱼雷高速航行t'时刻后，鱼雷自导开机，则有:

鱼雷主动声自导开机时机:

2.3 模型迭代求解步骤

根据式(1)～式(6)解出提前角区间范围［φa1，φa2］，然后让提前角 φa在区间［φa1，φa2］内变化遍历，仿真步长设为0.2°;在每一个提前角下，变速时刻t1从0开始变化，仿真步长设为10 s，针对每组提前角和变速时刻，求解Qm+φa－Q'm－φ'a的值，直到此值小于一个阀值为止，则此时对应的t1就为当前提前角下鱼雷应该低速航行时间，也即在特定提前角φa下鱼雷变速时机。变速时机解出后，利用式(14)和式(15)即可解出主动声自导装置开机时间，解算流程如图4所示。

图4 特定提前角下鱼雷变速时机计算仿真流程图Fig.4 The simulating flow chart of opportune moment of speed changing at particular advance angle

3 仿真数据分析

3.1 计算结果

在射距DS=10 000 m，敌舷角Qm=45°，鱼雷低速Vd=36 kn，鱼雷自导作用距离r1=2 000 m，鱼雷高速Vg=45 kn，鱼雷自导扇面半角λ=45°，敌航速Vm=12 kn的情况下，仿真计算结果如表1所示。

表1 仿真结果Tab.1 Result of simulation

3.2 数据分析

在以上战位态势和鱼雷技术参数条件下，可选择的鱼雷发射角度范围为9.7°－11.7°，仿真时提前角以0.2°步进，使用迭代的方法，时间步长设置为10 s，可计算出每个提前角下鱼雷低速航行时间，也即变速时机。仿真数据表明，变速时机提前，对应的发射提前角小，主动声自导装置开机时间早，结论符合鱼雷射击基本理论。

3.3 提前角选择一般规律

在鱼雷技战术指标一定、阵位态势确定的情况下，鱼雷发射提前角的选择涉及到鱼雷变速具体策略，变速策略的制定需要考虑潜艇水声对抗、机动原则和鱼雷再搜索弹道等具体问题，这里仅就提前角选择的一般规律做个分析。根据反潜理论，当使用较小提前角发射时 (意味着鱼雷变速时机早)，鱼雷接敌敌速度快，由于目标运动要素测量误差引起的目标散布区域较小，鱼雷自导扇面遮盖目标散布区域大，有利于捕获概率的提高;但是考虑到目前潜艇都有完善的水声对抗措施，由于潜艇鱼雷报警距离远大于鱼雷自导作用距离，所以潜艇在鱼雷发现自己之前会先发现来袭鱼雷，提前做出相应的对抗，这样一来，在雷目预定相遇点捕获到目标的概率会降低，在这种情况下为了提高命中概率，鱼雷需要留有较大的剩余航程才能实施再搜索弹道、反对水声抗措施，所以从最大限度的保留剩余航程考虑，又要求鱼雷变速时机越晚越好。综上分析可知，提前角的选择在考虑雷目预定相遇点捕获概率的同时，还要兼顾剩余航程的保留，这一战术博弈问题还需要进一步深入研究。

4 结语

本文从双速制鱼雷攻潜特点分析入手，论证了提前角和变速时机的关系，提出了多速制鱼雷有利提前角范围的概念，这一概念的提出增加了水面舰艇攻潜战术使用的灵活性;建立了双速制鱼雷提前角和变速时刻计算模型和主动声自导装置开机时间计算模型，在特定战场态势下进行了仿真计算，结果表明此方法概念清晰，计算简单，结论合理可信，为双速制声自导鱼雷有利提前角和主动声自导装置开机时机的计算做了有益的探讨，文中提到的方法和思路对多速制鱼雷提前角及变速时机计算问题也有一定的借鉴作用。

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