中国指挥与控制学会会刊 
舰载直升机引导水面舰艇使用火箭助飞鱼雷攻潜是现代反潜作战的主要样式之一。舰机协同反潜作战中,火箭助飞鱼雷能否命中目标,除了与鱼雷本身的战术性能指标有关以外,还与直升机探测信息、潜艇对抗措施和鱼雷作战使用方法等密切相关[1,2]。实战条件下,舰载直升机对潜搜索过程中,潜艇很有可能已经检测到探测信号,当潜艇确信已被发现后,为摆脱直升机跟踪和规避水面舰艇鱼雷攻击,一般会立即采取相应的反制措施,包括进行战术规避机动和使用水声对抗器材对鱼雷进行诱骗。因此,开展潜艇规避对抗条件下火箭助飞鱼雷射击方法研究对于提高火箭助飞鱼雷对潜攻击效果具有重要的意义。
本文阐述了潜艇规避机动方法,建立了潜艇运动模型,仿真计算了不同航速、不同射击距离条件下潜艇可能机动区域的散布,并在此基础上建立了舰艇采用单雷射击、双雷相同瞄准点齐射和双雷不同瞄准点齐射方法时火箭助飞鱼雷射击参数解算模型,仿真计算了各种射击方法的命中概率。研究结论可丰富火箭助飞鱼雷作战使用理论,为部队作战使用提供参考。
1 潜艇规避机动模型
1.1 潜艇规避机动方法
1.1.1 摆脱吊放声呐跟踪机动方法
当潜艇发现敌机吊放声呐工作信号增强,且持续工作不再间歇性停测时,应认为被敌机发现。潜艇判断被敌机吊放声呐发现后,一般会进行机动规避,减小潜艇目标反射强度,并尽快脱离声呐探测范围[3]。其规避方法是:立即潜入大深度,转向置敌于艇艉可听测舷角,以隐蔽航速机动脱离。当直升机吊放声呐信号中断时,应认为可能将遭到直升机或火箭助飞鱼雷攻击,一般采用大航速进行规避机动,以增大与暴露位置间的距离,减小敌方鱼雷入水后的发现概率。
1.1.2 规避火箭助飞鱼雷攻击机动方法
当潜艇听测到火箭助飞鱼雷入水噪声或通过其他技术手段发现来袭鱼雷时,应立即转入鱼雷防御,并采取一切措施全力对抗来袭鱼雷攻击,包括进行规避机动和释放水声对抗器材。
潜艇规避来袭声自导鱼雷的方法主要有变深、变速和变向三种[4]。变深的目的是脱离自导鱼雷垂直搜索伞面和视情进入温跃层以减小鱼雷发现概率,但由于常规动力潜艇变深速度较慢,因此,这种机动方式一般核动力潜艇使用较多。变速包括加速和减速两种机动方式。减速可以降低潜艇辐射噪声和自噪声,对于规避被动声自导鱼雷具有一定的效果,但规避主动声自导鱼雷或主/被动联合声自导鱼雷效果一般。加速可以迅速增大潜艇和鱼雷的距离,使潜艇尽早避开鱼雷自导搜索带,但同时也会使潜艇辐射噪声和自噪声变大。变向的目的是减小潜艇目标反射强度和尽早脱离鱼雷水平搜索扇面。潜艇一般综合运用多种规避机动方式并结合使用水声对抗器材对抗来袭鱼雷袭击。
1.2 潜艇运动模型
如图1 所示,舰载直升机发现潜艇目标后对其进行连续探测以测定目标运动要素,潜艇认定被吊放声呐发现后立即进行规避机动以摆脱声呐跟踪,潜艇信号丢失于m0点,此时航向为Cm,航速为Vm。目标丢失后直升机立即引导水面舰艇进行火箭助飞鱼雷攻击。潜艇于m1点判断敌攻击企图后,立即采用大航速进行规避机动以拉大与暴露点间的距离。当火箭助飞鱼雷经过空中飞行时间tfx入水时,潜艇在m2点听测到鱼雷入水噪声,经过反应时间t'后,潜艇在m3点向鱼雷报警方位Bbj发射自航式声诱饵,而后立即背向声诱饵发射方向规避机动。以潜艇信号丢失位置m0点为坐标原点,正北为y轴,正东为x轴建立坐标系。
假设t时刻潜艇在xoy平面上的位置为( , ),航向为 ,航速为 ,则经过Δt后潜艇位置为
其中,
= +ωm×Δt
式中:ωm为目标潜艇旋回角速度。
若发射自航式声诱饵时潜艇位置为m3( , ),经过Δt'后声诱饵位置为
式中:VD为自航式声诱饵速度。
通过逐点累加仿真计算,可求得火箭助飞鱼雷入水时刻潜艇位置m2点的坐标值,由此可以确定火箭助飞鱼雷入水时刻潜艇可能机动区域的范围。图2 为火箭助飞鱼雷射距D=20 km,潜艇初始航向Cm=0°,最大航速Vm=24 kn,旋回角速度ωm=4°/s,机动后航向Cm1为0°至360°内的随机值,吊放声呐丢失目标到火箭助飞鱼雷发射所需时间为3 min,潜艇判断敌攻击企图反应时间最少2 min时,采用统计模拟法进行仿真,得出的潜艇可能机动区域图。由仿真结果可以看出潜艇可能机动区域为一个近似椭圆,该近似椭圆长轴长4 526 m,短轴长4 171 m,长、短轴相差约355 m,可能机动区域中心点O位于潜艇初始航向前方,与m1点的距离为175 m。
根据潜艇的机动特性和旋回机动参数,对舰艇采用不同发射距离时潜艇可能机动区域进行仿真计算,得到潜艇的可能机动区域长轴长度数据如图3 所示。
由仿真数据可知,潜艇可能机动区域长轴长度随火箭助飞鱼雷射距和潜艇最大航速的增大而增大。当潜艇规避最大航速较小且火箭助飞鱼雷射击距离较近时,潜艇可能机动区域较小,火箭助飞鱼雷搜索攻击区域可以覆盖潜艇可能机动区域,这时应采用单雷射击或向同一瞄准点齐射的射击方法。当潜艇规避最大航速较大且火箭助飞鱼雷射击距离较远时,潜艇可能机动区域较大,火箭助飞鱼雷搜索攻击区域不能完全覆盖潜艇可能机动区域,这时应采用向不同瞄准点齐射的射击方法。
2 射击参数解算模型
2.1 单雷射击参数解算模型
由于潜艇可能机动区域是一个类似椭圆,为保证火箭助飞鱼雷水下自导搜索区域尽量大地覆盖潜艇可能机动区域,单雷射击时射击瞄准点应取该区域的散布中心点,进而求出鱼雷的射击参数。
2.2 双雷齐射射击参数解算模型
当向潜艇可能机动区域齐射火箭助飞鱼雷时,为使鱼雷水下作战范围更多地覆盖潜艇机动区域,两个瞄准点应位于椭圆的长轴并分布于中心点的两侧,且应尽量接近中心点。两个瞄准点的位置主要根据潜艇可能机动区域长轴长度和火箭助飞鱼雷水下自导作用距离确定。另外,在确定双雷齐射射击瞄准点时还应注意:火箭助飞鱼雷入水后的搜索攻击区域近似于以落水点为圆心,自导作用距离为半径的圆。对该区域的计算要充分估计水文条件对鱼雷自导作用距离的影响,要考虑鱼雷水下环形搜索一周引起的潜艇可能区域的增大而导致瞄准点位置的改变。
如图4 (a)所示,当L≤R时,火箭助飞鱼雷的搜索攻击区域可以覆盖潜艇的可能机动区域,此时,应以O为瞄准点向相同瞄准点齐射。
如图4 (b)所示,当R<L≤ R时,火箭助飞鱼雷的搜索攻击区域略小于潜艇的可能机动区域,此时,应以A、B为瞄准点向不同瞄准点齐射,两瞄准点位于椭圆的长轴并分布于中心点O的两侧,与中心点O的距离为L-R。
如图4 (c)所示,当L> R时,A、B两瞄准点同样位于椭圆的长轴并分布于中心点O的两侧。但此时火箭助飞鱼雷的搜索攻击区域远小于潜艇的可能机动区域,若继续增大两瞄准点间距离,将减小鱼雷对潜艇可能机动区域短轴方向上目标发现概率,因此,瞄准点与中心点距离不是越大越好,参考相关文献,本文将A、B与中心点O的距离[7]设定为 R。
通过上述方法确定两枚鱼雷射击瞄准点后,即可解算出各自的射击参数。
3 火箭助飞鱼雷命中概率仿真
3.1 仿真计算参数设定
1)潜艇:初始航向为0°,最大航速24 kn,旋回角速度4°/s,潜艇鱼雷报警方位均方差10°,潜艇判断敌攻击企图最短反应时间为2 min,从鱼雷报警到发射声诱饵对抗来袭鱼雷的反应时间是30 s。
2)直升机:使用吊放声呐对潜搜索,吊放声呐测距均方差2%·D,测方位均方差3°,解算目标航向均方差3°,解算目标航速均方差3 kn,吊放声呐丢失目标到火箭助飞鱼雷发射的系统反应时间为3 min。
3)自航式声诱饵:从发射到入水工作时间间隔为10 s,水中最大工作时间为120 min,航速8 kn,航向均方差2°,航速均方差1 kn。
4)火箭助飞鱼雷:射程5 km~40 km,落水点横、纵轴散布误差300 m,空中飞行时间均方差3 s。鱼雷水下航速45 kn,航程10 km,旋回角速度10°/s,自导作用距离2 000 m,自导波束水平扇面角90°,鱼雷水下不互导,水下航向均方差2°,航速均方差2 kn,航程均方差600 m,自导搜索伞面均方差5°,自导搜索半径均方差200 m。
根据图3 中潜艇可能机动区域与射击距离的关系以及火箭助飞鱼雷的性能,在射击距离小于15 km时采用向相同瞄准点齐射的射击方法,射击距离大于15 km时采用向不同瞄准点齐射的射击方法。
3.2 对抗流程设定
直升机吊放声呐探测到潜艇后保持稳定跟踪并解算目标运动要素,在此过程中,潜艇探测到吊放声呐跟踪信号并进行隐蔽机动以摆脱声呐跟踪。吊放声呐丢失目标后,水面舰艇立即依据现有的目标位置和运动要素解算火箭助飞鱼雷射击诸元,发射火箭助飞鱼雷对潜攻击。潜艇摆脱跟踪后继续保持观测,当发现吊放声呐信号消失时,应考虑敌方可能将对潜艇实施攻击,此时潜艇立即进行高速机动以增大与暴露位置间的距离。火箭助飞鱼雷入水时,潜艇听测到入水噪声,立即释放自航式声诱饵,并以最大航速转入规避机动,对抗来袭鱼雷。如图5 所示。
3.3 仿真结果分析
根据上述模型、参数和对抗流程,运用Matlab进行仿真,仿真实验次数设定为2 000次,得到火箭助飞鱼雷分别采用单雷射击、双雷相同瞄准点齐射、双雷不同瞄准点齐射命中概率与射击距离的关系如图6 所示。
从仿真数据可以看出:
1)由于受到对抗器材和潜艇机动规避的影响,火箭助飞鱼雷命中概率较低,命中概率随射击距离的增大而减小。单雷射击命中概率在76%以下,且随射击距离的增加快速减小,当射击距离大于14 km时,命中概率降至50%以下;双雷齐射命中概率相对较高。
2)双雷不同瞄准点齐射相对于双雷相同瞄准点齐射而言具有较高的命中概率,尤其是射击距离较大时,双雷不同瞄准点齐射相对于双雷相同瞄准点齐射的优势更加明显。这是因为双雷不同瞄准点齐射能够覆盖更大的攻击区域,并且双雷相同瞄准点齐射时两枚鱼雷瞄准点相同,落水点位置相差并不远,当潜艇探测到鱼雷入水噪声并释放自航式声诱饵进行对抗时,很可能对两枚鱼雷都造成了诱骗,消耗了鱼雷的航程,降低了命中概率,而双雷不同瞄准点齐射时,由于两枚鱼雷落水点位于潜艇可能机动区域中心的两侧,当潜艇探测到先入水的鱼雷噪声并释放自航式声诱饵进行对抗时,诱饵往往只能对先入水的鱼雷造成诱骗,而当目标潜艇转入规避航向时,很可能进入了另一枚鱼雷的搜索区域。
3)双雷不同瞄准点齐射的命中概率随射击距离的增加先增大后减小,当射击距离为20 km时,命中概率最高。这是因为射击距离小于20 km时,潜艇的可能机动区域较小,当采用双雷不同瞄准点齐射时,两枚鱼雷落水点位置距离较近,被自航式声诱饵同时诱骗的概率随射击距离变大逐渐减小,所以命中概率随射击距离增大。当射击距离大于20 km时,两枚鱼雷被自航式声诱饵同时诱骗的概率将变得很小,所以命中概率将随射距的增大而减小。
由此可见,对采用机动规避和声诱饵进行综合对抗的潜艇目标实施直升机引导火箭助飞鱼雷攻击时,为保证较高的命中概率,在发射条件允许的情况下,应尽量采用双雷齐射射击方法。齐射射击方法应根据潜艇可能机动区域和鱼雷搜索攻击区域的大小来确定,当潜艇最大航速较小或射击距离较近时,采用向相同点齐射的射击方法,当潜艇最大航速较大或射击距离较远时,采用向不同点齐射的射击方法。
4 结束语
火箭助飞鱼雷的命中概率除了与鱼雷本身性能有关外,还与潜艇的战术对抗动作、水文环境密切相关,本文在研究火箭助飞鱼雷作战使用方法时充分考虑到潜艇机动规避和使用水声对抗器材的影响,通过计算机仿真计算了不同射击方法的命中概率,研究结论更贴近实战,可为水面舰艇使用火箭助飞鱼雷反潜提供理论指导。