中国指挥与控制学会会刊 
针对装备质量强调搞好试验鉴定,对确保武器装备质量具有重要意义。靶场要着力构建先进实用的试验鉴定体系,摸清武器装备性能底数,确保武器装备实战适用性。依据习主席的强军思想,针对未来战争的变化和新形势,检验装备性能就是要通过独立、严格、全寿命、全方位、紧贴实战的试验考核,把住“关口”,摸清“底数”,即切实摸清装备性能底数、效能底数,为装备实战化运用奠定基础;贯彻“紧贴作战任务、作战对手、作战环境”要求,则要坚持面向实战和全程覆盖的基本原则。性能试验重点考核装备战技性能达标度,进一步突出复杂电磁环境、复杂地理环境、复杂气象环境和近似实战环境等条件下的检验考核,充分检验装备性能指标及其边界条件,兼顾考核装备作战与保障效能。针对舰载武器装备边界条件试验,迫切需要研究高海情试验设计、实施方法、综合评估等,为靶场实施高海情试验奠定理论基础。
1 高海情对舰载武器装备的影响分析
1.1 高海情(况)下有效使用武器的要求
海情(况)条件属于水面舰船环境条件中的气候环境,相关标准中对风等气象因素的量化都有明确定义,并根据海浪的有无、波峰的形状、峰顶的破碎程度(即浪花的大小),对海情(况)的等级进行了规定。不同的海情(况),除了对舰载武器的弹道飞行、目标寻的造成影响,还会通过水面舰船的倾斜和摇摆,影响舰载武器装备的操作使用。因此,高海况条件下水面舰船对舰载武器装备有效使用的要求,主要包含两个方面的内容:
一是在发射装置正常工作的最高等级海况下,导弹、鱼雷、舰炮制导弹药等在弹道飞行过程中,受到海洋环境的影响,是否能够按照预定弹道飞行,并完成预定功能的要求。
二是水面舰船受海况影响造成的倾斜和摇摆,对舰载武器装备发射装置(导弹、舰炮、鱼雷和深弹发射装置等)正常使用条件和不破坏条件的要求。
在主要现役或新研驱护舰研制总要求中,根据不同型号驱逐舰、护卫舰等对有效使用武器(导弹、火炮等)的海况给出了相应的具体要求。
1.2 海浪对舰载武器平台的影响分析
高海情下,不同船型舰船在各种航态(不同海况、航速、航向)下横摇、纵摇和垂荡(升沉)运动具有一定规律,是一个随机过程,它的横摇、纵摇、垂荡与海况(风浪)等级、干扰波浪周期、船舶线型及航速航向等若干因素有关[1];深入研究航向、航速、海情和舰船吨位与舰船摇摆的关系,有利于进一步研究高海情对舰载武器装备的影响。以两种舰船为例,仿真研究小型舰船和大型舰船在高海情下的不同表现,小型舰船,例如“中国渔政32 号”,在五级海情下,横摇角达40°,开动减摇鳍后,横摇角小于4°,减摇效果达90%;而大型舰船在全球航行,活动范围广,遇到大风浪的机会多,高海情下作业的概率大,能在高海情下保持较小的纵横摇和艏艉升沉,如横摇作业最大横摇角比较小。通过长峰波作用在船上的横摇、纵摇力矩数学建模与仿真计算,对在高海情(五级有义波高3.1 m、六级有义波高3.8 m)、不同航速、不同航向下的横摇力矩和纵摇力矩进行分析,结合船舶耐波性理论,得到航向、航速、海情、船型与舰船摇摆的关系。高海情下舰船运动规律详见表1 。
表1 高海情下舰船运动规律表 |
| 高海情对舰船摇摆的影响 | 影响结果 |
|---|---|
| 航向对舰船摇摆的影响 | 1)在相同有义波高和相同航速条件下,作用在舰船上的海浪横摇力矩随遭遇角的增大而增大,90°遭遇角时为最大,然后又随遭遇角的增大而减小; 2)顶浪和首斜浪之间区域(0°~45°)为纵摇、垂荡运动幅值最大区域。 3)横浪和尾斜浪之间区域(90°~145°)为横摇运动幅值最大区域。 4)纵摇角速度在顶浪和首斜浪之间区域(0°~45°)为幅值最大区域;横摇角速度在横浪和尾斜浪之间区域(90°~145°)为幅值最大区域。 |
| 航速对舰船摇摆的影响 | 在相同有义波高、相同遭遇角条件下,作用在舰船上的海浪横摇力矩随航速的增大而减小。 |
| 海情对舰船摇摆的影响 | 在相同航速、相同遭遇角条件下,有义波越高,作用在舰船上的海浪横摇力矩也越大。 |
| 船型对舰船摇摆的影响 | 船舶质量越大,摇摆周期就越长。 |
1.3 高海情对舰载武器装备(导弹、舰炮)的主要影响分析
以反舰导弹、舰空导弹、舰炮武器等舰载武器装备为研究对象,海情、浪高与风速等高海情因素直接影响雷达的跟踪性能[2],根据舰载武器装备的组成和作战流程,高海情(况)时舰艇平台受横摇、纵摇、偏航、升沉运动都会加剧,通过数学建模和仿真计算得出:对反舰导弹武器的发射前准备和导弹飞出射箱(筒)会有明显的影响;在导弹飞行过程中,海浪对导弹的飞行、弹载雷达对目标的探测等都有影响[3]。对舰空导弹武器系统的影响体现在对雷达跟踪目标精度、对导弹初始装订参数精度、对导弹发射角度、对制导精度、对引信性能、对杀伤概率等方面[4]。高海情下的舰艇摇摆对舰炮武器系统的影响体现在对目标跟踪传感器跟踪、对火控解算和对舰炮发射环节等方面的影响[5-6]。具体高海情对反舰导弹、舰空导弹、舰炮武器系统的影响详见表2 所示。
表2 高海情对舰载武器装备的影响分析表 |
| 高海情对反舰导弹的影响 | 高海情对舰空导弹的影响 | 高海情对舰炮武器的影响 |
|---|---|---|
| 高海情影响导弹惯导对准 | 高海情影响雷达跟踪目标精度 | 舰艇摇摆影响目标跟踪传感器跟踪精度 |
| 高海情影响导弹飞出发射箱(筒) | 高海情影响导弹初始装订参数精度 | 舰艇摇摆影响火控系统射击诸元解算精度 |
| 海浪影响导弹末端超低空飞行高度的下降,进而增加导弹触浪概率 | 高海情影响导弹发射角度 | 舰艇摇摆影响能否正常射击、火炮瞄准精度、系统反应时间和弹丸落点散布等 |
| 海浪影响雷达对目标的准确定位搜索能力 | 高海情影响制导精度 | |
| 高海情影响引信性能 |
2 舰载武器装备高海情试验总体设计
2.1 高海情试验总体设计思路
高海情条件下,风、海浪、涌、舰艇摇摆等诸多因素,对舰载武器装备的跟踪精度、动态精度、射击精度、命中概率、毁伤概率等都有不同程度的影响;目前开展靶场高海情试验存在的主要问题集中在靶标(包括空靶、海靶等)、测控(光测、遥测等)、航区、试验阵地等各个方面,大致表现在高海情环境的出现与武器装备具备试验条件不同步,靶场现有试验保障条件无法达到高海情环境要求,高海情环境与试验安全保障要求相互制约等三个方面,致使有时难以或无法开展相应的高海情试验。鉴于高海情下靶场开展舰载武器装备试验存在的诸多现实问题,根据试验设计的随机化、重复性和局部控制等三大原则[7]和基本原理,高海情试验总体设计思路是:采用综合试验的模式,充分利用各种试验手段获得的试验信息,对武器装备高海情性能进行综合评定;以实际高海情条件下的完全高海情试验为基础,结合进行非完全高海情试验,全面考核武器装备的高海情性能。总体设计思路详见图1 所示,其中完全高海情试验是指在完全高海情条件下,进行的完整武器装备运用试验,能够对武器装备的各个环节进行考核检验,如实弹射击试验;不完全(模拟)高海情试验是指在非完全高海情条件下,进行的武器装备运用试验,能够对武器装备使用的一个或若干个环节进行考核检验,如武器装备对海试验、带飞试验、模拟试验、仿真试验等,最后进行综合试验评估。
2.2 舰载武器装备高海情试验方案设计
一个优化的试验方案,既要满足对被试实装战术技术性能评价的要求,又要考虑试验经费、试验设施、试验装备等实际条件,以相对较小的代价获取相对最大的试验效益[7]。针对反舰导弹、舰空导弹、舰炮武器等舰载武器装备高海情试验总体方案设计,在明确试验任务的基础上,按照预定的战役背景和战术要求、接近武器实际使用条件下进行试验设计,根据预定要对付的敌方威胁目标级威胁源的类型、数量、性能和战术特征,敌我对抗态势、作战方式、气象、地理和电子环境条件等各种变量,构建试验模型;选择合适的试验变量和试验水平,统计推断在作战范围内试验总体性能,保证试验总体性参数估计或参数检验所要求的试验样本量,充分考核其高海情下等边界作战使用条件。工程实践应用中,应考虑战术技术指标评价中的风险、精度或置信水平要求以及试验中的各类因子水平要求,选择和控制影响试验的各种因子及其水平,合理选择试验样本,制定优化可行的试验方案。试验样本量的确定首先要满足武器装备主要战术技术性能指标的充分考核,并采用贝叶斯或序贯截尾假设检验方法,减少外场试验样本量。同时,制定综合试验航区方案、试验安全分析、试验保障总体方案、试验可行性和充分性分析等。
定义高海情条件下实弹射击试验为A类试验—真正高海情条件—舰艇上武器装备—真实靶标—实弹射击试验,全面考核了舰载武器装备的战术技术性能,其试验结果最为真实可靠。不完全高海情条件下的试验大致可以分为B、C、D、E类,其中B类试验—真正高海情条件—舰艇上武器装备—虚拟靶标—非实弹射击试验;C类试验—非高海情条件下—武器装备或安装在摇摆台上或在舰艇上加装减摇鳍—真实靶标—实弹射击试验;D类试验—真正高海情条件—舰艇上导弹武器装备—虚拟靶标—实弹射击试验;E类试验—模拟高海情条件—舰炮武器装备安装在摇摆台—虚拟靶标—非实弹射击试验;B、C、D、E类试验结果,考核了舰载武器装备的部分战术技术性能,详见表3 所示。
表3 高海情试验方案设计表 |
| 类别 | 试验类别 | 海情 | 发射平台 | 射击方式 | 靶标类型 | 试验结果 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A类 | 高海情舰载武 器装备试验 | 高海情 实弹射击试验 | 高海情 | 舰艇 | 实弹射击 | 真实靶标 | A空间元素 |
| B类 | 不完全(模拟) 高海情舰载 武器装备试验 | 虚拟射击试验 | 高海情 | 舰艇 | 非实弹射击 | 虚拟靶标 | B空间元素 |
| C类 | 模拟试验 | 非高海情 | 摇摆台或减摇鳍 | 实弹射击 | 真实靶标 | C空间元素 | |
| D类 | 导引头带飞试验 (导弹类别) | 高海情 | 舰艇 | 实弹射击 | 虚拟靶标 | D空间元素 | |
| E类 | 半实物仿真试验 (舰炮类别) | 非高海情 | 摇摆台 | 非实弹射击 | 虚拟靶标 | E空间元素 |
反舰导弹、舰空导弹、舰炮武器的高海情试验方案设计主要分为完全高海情试验设计和不完全高海情试验设计,其中完全高海情试验设计目的是在真正高海情条件下、全武器装备参加的实弹射击试验,能够全面考核跟踪传感器的跟踪性能、火控解算精度、舰载武器装备的作战性能、有效使用武器能力等,摸清装备性能底数;不完全高海情试验设计目的是在不完全高海情条件下,分别进行虚拟射击、模拟试验、带飞试验等试验模式的试验方案设计,设计试验航路,为试验提供空靶、海靶、水下靶标等保障条件,确保试验航区、试验阵地的有效,选择合适的试验变量和样本量,并且保障试验安全和试验的可操作性,得出不完全(模拟)高海情武器装备试验考核结果。舰载武器装备高海情试验设计可以采用多因子试验设计方法、统计验证试验设计方法和序贯试验设计方法[7]。
靶场舰载武器装备高海情多因子试验设计一般采用正交试验设计和均匀试验设计方法:虚拟设计、模拟试验、带飞试验和仿真试验等不完全高海情试验方案,设计原则则采用拉丁超立试验设计方法[7]。统计验证试验设计是基于试验鉴定中的置信水平γ和两类风险(研制方风险α、使用方风险β)要求,对试验所需的样本容量进行计算的试验设计,分三种情况采用不同的统计验证试验设计方法:一是给定置信水平要求的试验设计,二是给定两类风险要求的试验设计,三是给定联合要求的试验设计。外场小子样试验采用序贯试验设计方法,弥补外场试验的试验周期长和试验消耗大的缺陷,明确停止和判决两个法则,停止法则是寻求在对总体进行逐次抽样的过程中何时停止抽样;判决法则即根据停止时得到的序贯样本对总体应如何作出判断和选择,以达到减少试验航次数和保精度降低风险的两个目标。
反舰导弹、舰空导弹、舰炮武器的高海情试验方案设计详见图2 所示。
3 应用案例:舰炮武器装备高海情试验设计与实施
3.1 舰炮武器装备高海情实弹射击试验设计与实施
舰炮武器装备高海情试验,是指在真实高海情条件下,实装、实弹对实靶进行射击的试验,全面验证被试装备在实际高海情下的目标跟踪传感器跟踪性能、火控系统动态精度、射击精度和命中概率等战术技术性能,重点设计在高海情条件下的试验保障,提供空靶、海靶、水下靶标,确保试验航区、试验阵地的有效,选择合适的试验变量和样本量,并且保障试验安全和试验的可操作性,根据试验结果得出实际高海情条件下的试验结论。以高海情下舰炮武器系统射击精度试验为例,其目的是考核武器系统在接近实战使用条件下,对典型目标设计的命中概率、毁伤概率和毁伤效能等性能是否达到作战要求,根据舰炮武器使命任务,其射击精度指标[8]分为对空(直接命中/间接命中体制)、对海(固定/活动目标)、对岸(可见/不可见目标)。不同的目标类型、不同的射击方式、不同的弹药,其试验方案设计、试验方法、评估模型等有所差别。常用典型目标试验航路设计详见表4 所示。
表4 常用典型目标试验航路设计表 |
| 目标种类 | 速度Vm/(m/s) | 高度H/m | 捷径P/m | 反射面积S/m2 | 运动样式 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 飞机类 | 典型飞机速度 | 飞机飞行高度 | 飞机飞行捷径 | 飞机反射面积 | ||
| 空中 目标 | 导弹类1 | 典型中空靶速度 | 中空靶飞行高度 | 中空靶飞行 捷径 | 中空靶反射面积 | 等速直线或典型作战样式飞行模式 |
| 导弹类2 | 典型掠海靶速度 | 掠海靶飞行高度 | 掠海靶飞行捷径 | 掠海靶反射面积 | ||
| 导弹类3 | 典型超低空拖靶速度 | 超低空拖靶飞行高度 | 超低空拖靶飞行捷径 | 超低空拖靶反射面积 | ||
| 海上 目标 | 靶艇 | 高速运动速度 低速运动速度 | 0 | 靶艇运动捷径 | 靶艇反射面积 | 等速直航或典型作战样式航行模式 |
3.2 舰炮武器装备不完全高海情试验设计与实施
不完全(模拟)高海情下武器装备试验,考虑三种试验模式,一是虚拟射击,在高海情条件下,实装、实弹对虚拟靶标进行射击的试验;二模拟试验,是在非高海情条件下,模拟高海情条件,海试中在舰艇上应用减摇鳍装置“增摇”模拟高海情,陆试中采用模拟舰艇摇摆试验台上模拟高海情,实装、实弹对真实靶标进行射击的试验;三是半实物仿真试验,在非高海情下,应用模拟舰艇摇摆试验台和舰炮武器模拟测试系统,与实装构成靶场联合试验系统,模拟摇摆台模拟复杂高海情,舰炮武器模拟测试系统模拟复杂多变的战场环境,舰炮武器实装对真实目标实弹射击。研究三种模式的试验方案,分别得出不完全(模拟)高海情下武器装备试验考核结果,可为高海情试验的综合评估提供验前信息。
以陆上半实物仿真试验为例,将被试舰炮武器装备与模拟舰艇摇摆试验台、舰炮武器模拟测试系统构成互联互通、闭合的试验系统环路,摇摆台提供三次正弦波叠加的、横摇和纵摇的摇摆角,摇摆周期根据需要任意设定,构建所需的高海情试验环境;舰炮武器模拟测试系统构建各种复杂试验航路,如零捷径、比例导引的反舰导弹、超声高速飞行的低空目标、机动飞行空中目标、多目标、爬升、俯冲以及各种组合航路等,以及外场试验真实航路的复现仿真试验航路;实现复杂多变的试验航路设计,构建仿真条件下的高海情试验。
表5 不完全高海情射击模拟试验方案表 |
| 序号 | 舰炮 口径 | 目标 类型 | 工作方式 及通道 | 射速及 用弹量 | 有效 航次 | 目标参数 | 模拟舰艇参数 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 大、中 口径 | 飞机类 目标 | 系统设定战斗模式,雷达火控通道 | 根据打击不同飞机目标类型,设定舰炮武器的射速和用弹量消耗等。 | n次/题 | 仿真模拟飞机类目标的目标速度、飞行高度、航路捷径、飞机初始进入航路距离等参数;运动规律包括:匀速直线运动、俯冲运动等其他运动方式。 | 模拟舰艇运动参数,包括:运动速度、我舰航向、纵摇角、横摇角 | 1、目标参数、舰艇参数及气象参数在现场确定; 2、除对岸上目标解题试验由模拟火控装订目指命令及数据进行目标指示外,其余均由模拟火控自动处理。 3、在模拟试验时,对不同目标、不同武器通道、不同题型均应进行对比测试。 |
| 系统设定战斗模式,光电火控通道 | n次/题 | |||||||
| 2 | 中、小 口径 | 导弹类 目标 | 系统设定战斗模式,雷达火控通道 | 根据打击不同导弹目标类型,设定舰炮武器的射速和用弹量消耗等。 | n次/题 | 仿真模拟导弹类目标的速度、运动高度、航路捷径、导弹初始进入航路距离等参数;运动规律包括:匀速直线、比例导引、蛇形机动等复杂运动方式。 | ||
| 系统设定战斗模式,光电火控通道 | n次/题 | |||||||
| 3 | 大、中 口径 | 海上各 类舰艇 | 系统设定战斗模式,雷达火控通道 | 根据打击不同海上舰艇目标类型,设定舰炮武器的射速和用弹量消耗等。 | n次/题 | 仿真模拟海上各类舰艇的运动速度、航路捷径、初始进入距离等参数; | ||
| 系统设定战斗模式,光电火控通道 | n次/题 | |||||||
| 4 | 大、中 口径 | 岸上 | 系统设定战斗模式,光电火控通道 | 根据打击不同岸上目标类型,设定舰炮武器的射速和用弹量消耗等。 | n次/题 | 仿真模拟岸上固定目标的初始距离等参数。 |
4 结束语
本文通过详细分析海浪对舰载武器平台的影响,特别是高海情对反舰导弹、舰空导弹、舰炮武器等主要影响因素,根据高海情有效使用武器的实际作战要求,综合考虑未来战争条件以及其他因素,提出了靶场开展高海情试验的总体设计思路,构建了完全高海情试验和不完全高海情试验结合的综合试验方法,并具体给出了反舰导弹、舰空导弹、舰炮武器等舰载武器装备的高海情试验设计方案,为后期开展舰载武器装备高海情实战化考核,摸清装备性能底数,提高试验质量奠定理论基础。