大型水面舰艇防护策略仿真与优化

张 江



大型水面舰艇防护策略仿真与优化

张 江

（国防科技大学信息通信学院，武汉 430010）

为确定大型水面舰艇防护结构的重点保护部位，本文建立了基于概率分布的声尾流自导鱼雷进入尾流位置和航向模型，结合较贴近实际的尾流声学仿真模型、鱼雷声学自导检测模型和弹道模型，设计了基于模拟法的声尾流自导鱼雷仿真系统，在此基础上实现了对声尾流自导鱼雷命中区域的仿真计算，并据此优化大型水面舰艇防护策略。上述方法对实现舰艇轻量化设计，提高其防护能力具有借鉴作用。

尾流自导鱼雷 尾流模型 命中区域 大型水面舰艇 舰船防护

0 引言

现代大型水面舰艇通常采用防护结构来实现支撑上层建筑以及阻挡爆炸产生的破片和冲击波载荷。随着先进武器和船体轻量化发展的需求，需要对舰艇的重要保护部位进行分析，优化其防护策略。

当前对水面舰艇威胁而言，来自水下的最大威胁当属各类鱼雷武器。其中尾流自导鱼雷凭借其独特的制导方式被公认为是最有效的反舰手段之一。如果能够判断尾流自导鱼雷对水面舰艇的主要命中区域，即可有针对性的在重点区域布设结构防护，在实现舰艇的轻量化设计的同时提高其生存概率。

本文在建立相关仿真模型的基础上，设计了基于鱼雷作战效能的声尾流自导鱼雷仿真系统，在此基础上实现了对声尾流自导鱼雷命中区域的仿真计算，并据此优化大型水面舰艇防护策略。

1 仿真模型

1.1 尾流检测模型

从尾流自导鱼雷攻击仿真的角度考虑，若鱼雷处于尾流区域内或其正下方，可认为成功检测到尾流信号。因此仿真中所关注的尾流特征主要指尾流的长度和宽度的几何形状与几何尺寸，通常是通过实际测量和统计来确定。

1）尾流长度模型

2）尾流宽度模型

根据尾流的实际测量和统计来确定，气泡尾流的宽度一般呈类似削好的铅笔式的锥形。大量的考察与研究发现，在舰船尾部，尾流只有舰船宽度的一半左右。随着尾流的延长，宽度线性发散，其发散角约为40°～60°之间。在大于某一距离（通常几倍于船长）后，尾流宽度就仅以1°左右发散角扩展。在中等距离上，尾流宽度约增加到2.5倍舰宽（见图1）。

图1 舰艇尾流

据此可以求解半尾流宽度随尾流长度变化的数学模型。

图2 半尾流宽度解算示意图

如图2所示，以舰船水平中心为原点，舰艇航向线为X轴，建立直角坐标系XOY。设舰艇长度为A=2b，宽度为B=2a。根据解析几何的直线表达式可将线段MN表示为

将N点坐标(-a,0.5b)带入上式，则有

根据上式可求得M点横坐标为

则半尾流宽度可表示为

1.2 鱼雷进入尾流位置及航向解算

图3 鱼雷进入尾流位置及航向解算示意图

1.3 鱼雷命中位置解算

图4 鱼雷命中位置解算示意图

2 仿真系统设计

2.1 系统需求分析

仿真系统需要完成以下主要功能：

1）目标参数及尾流特性设置，包括目标类型、速度、航向以及机动模式、尾流矩形块的最小尺寸、空穴或断层出现的次数和尺寸等内容的设定；

2）鱼雷参数设置，包括鱼雷总体参数、自导系统参数、导引策略参数等内容的设定；

3）仿真环境设置，包括海区水文条件、附加误差量、仿真次数及仿真结果保存路径的设定；

4）模拟声尾流自导鱼雷攻击过程，包括从鱼雷发射参数解算开始到鱼雷命中目标或航程耗尽结束的完整攻击过程；

5）以图表的形式输出相关的仿真结果（例如命中概率、航程损失等），并保存仿真结果数据。

2.2 总体方案设计

系统总体上采用模块化设计，各个模块之间用数据接口实现数据交换，图5描述了本仿真系统的总体结构。框内注明了子模块的名字，方框之间的直线表示子模块的调用关系。

仿真系统应包含五大仿真内容：

1）发射参数解算：对设定的战术态势，按照火控系统计算原理计算出投放参数；

2）鱼雷运动仿真：根据鱼雷弹道控制参数按仿真步长计算鱼雷运动轨迹；

3）目标运动仿真：根据设定的目标运动规律按仿真步长计算目标运动轨迹；

4）尾流生成仿真：根据设定的尾流特性，生成相应的尾流序列；

5）自导检测过程仿真：根据设定的鱼雷自导检测模型仿真鱼雷对目标的检测过程。

图5 仿真系统总体设计框图

仿真系统应包含五大核心模块：

1）发射参数解算：对设定的战术态势，按照火控系统计算原理计算出投放参数；

2）鱼雷运动仿真：根据鱼雷弹道控制参数按仿真步长计算鱼雷运动轨迹；

3）目标运动仿真：根据设定的目标运动规律按仿真步长计算目标运动轨迹；

4）尾流生成仿真：根据设定的尾流特性，生成相应的尾流序列；

5）自导检测过程仿真：根据设定的鱼雷自导检测模型仿真鱼雷对目标的检测过程。

本仿真系统按如下思想设计：首先由参数设定模块完成战术态势设置，确定目标运动模型及尾流生成模型；仿真开始后，首先基于设定的鱼雷总体参数及自导系统参数解算鱼雷发射参数，然后由鱼雷入水点为原点建立直角坐标系，确定鱼雷和目标的初始位置及航向，同时生成初始尾流；在随后的仿真过程当中，按照设定的步长仿真步进，自导检测模块在每个仿真周期内检测尾流信号，判断鱼雷进出尾流的状态；鱼雷运动仿真模块根据检测结果按照设定的导引策略模拟鱼雷运动。在仿真过程中目标按照设定的运动模式独立运行，包括其完成机动过程也是如此。在每个仿真周期中，尾流生成模块都要根据目标状态生成新的尾流模型。上述仿真过程周而复始，直至鱼雷命中目标或航程耗尽。

总体方案设计中，充分考虑到了导引策略优化仿真的便捷性问题，基本实现了导引策略设计对其他模块无影响。而且系统拥有良好的人机交互环境，模块设计具有可重用性和扩充性，模块独立性较强，具有一定的可移植性。

3 结果分析

根据设定的仿真条件，基于两种概率分布的鱼雷进入尾流位置，对鱼雷命中舰艇区域进行仿真计算。一是以有效尾流中心为中心，以半个有效尾流长度为最大散布，按正态分布建模；二是在有效尾流长度内按均匀分布建模。仿真结果如图6所示。其中不同颜色点分别对应不同的水面舰艇航速条件下的命中点，命中点越密集的区域表示被尾流自导鱼雷命中的可能性越高。

图6 仿真结果

分析上述仿真结果可知，在两种鱼雷进入尾流位置概率分布下的命中区域具有相同的特点，即命中区域基本集中于水面舰艇的中后部。并呈现出随着目标航速的增高，命中区域向舰艇尾部的左右侧面集中的趋势。而对于舰艇的正后方而言，其被命中的概率与舷侧相比并不显著。

因此，就受到尾流自导鱼雷攻击而言，大型水面舰艇并不需要在所有部位布设防护结构，其防护重应为舰艇的中后部的左右舷侧，特别是靠近尾部的舷侧应特别加强防护。同时，舰艇在遭受尾流自导鱼雷攻击时，应迅速提升航速进行机动，配合其他防御手段提高自身的生存概率。

4 结束语

尾流自导鱼雷是大型水面舰艇的主要威胁，本文在构建基于概率分布的声尾流自导鱼雷进入尾流位置和航向模型的基础上，利用声尾流自导鱼雷仿真系统对鱼雷命中区域进行了仿真分析，为优化水面舰艇防护策略，实现舰艇的轻量化设计提供仿真依据。然而实战中水面舰艇需要面对的水下威胁并不只有尾流自导鱼雷，针对其他诸如水雷或声自导鱼雷的威胁，还需要使进一步细致研究相应的水面舰艇防护策略。

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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

张江(1980-)，男，讲师，博士。研究方向：武器系统仿真。Email: liondancing@qq.com