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Command Control and Simulation

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2023 , Vol. 45 >Issue 3: 149 - 154

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2023.03.022

Frontier Military Theory

Analysis of marine environmental simulation for the towing and sinking of Cruiser Moscow

  • WANG Yangjun ,
  • ZHANG Yongchui ,
  • HU Wangjiang ,
  • ZHANG Ren
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  • College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China

Received date: 2022-09-02

  Revised date: 2022-10-07

  Online published: 2023-06-12

Fold

Abstract

In view of the sinking of the Cruiser Moscow during towing, the large probability that the Cruiser Moscow was hit by a Ukrainian missile is simulated based on scenario deduction. Subsequently, a mathematical model is constructed to quantitatively assess the impact of the marine environment on the sinking of the Cruiser Moscow. The simulation results show that the marine environment has a great influence on the detection efficiency of air defense radar of the Cruiser Moscow and the capsizing of the ship during towing. Finally, by analyzing the level of equipment technology and the use of tactics demonstrated by Russia and Ukraine in this naval warfare, it provides reference for the development of our naval equipment and provides a scientific basis for the improvement of our naval warfare tactics.

Key words： Cruiser Moscow; towing and sinking; wave; sea clutter; radar detection efficiency; ship stability

Cite this article

WANG Yangjun , ZHANG Yongchui , HU Wangjiang , ZHANG Ren . Analysis of marine environmental simulation for the towing and sinking of Cruiser Moscow[J]. Command Control and Simulation, 2023 , 45(3) : 149 -154 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2023.03.022

2022年4月14日,俄罗斯国防部宣称,俄黑海舰队旗舰 “莫斯科”号导弹巡洋舰在敖德萨南部60~65 n mile处突遇火灾致使弹药储存被引爆,为减少人员伤亡,俄罗斯海军选择弃舰处理,全部人员撤离“莫斯科”号导弹巡洋舰。4月14日, “莫斯科”号导弹巡洋舰在被拖往塞瓦斯托波尔基地的过程中沉没[1]。
光荣级“莫斯科”号导弹巡洋舰的排水量达到11 500 t,配备两座8联装SS-N-12玄武岩型反舰导弹,装载最远射程达100 km的64枚舰载版S-300防空导弹,以及40枚SA-N-4近程防空导弹、6座AK-630型6管近防炮。“莫斯科”号导弹巡洋舰是一座移动的武器库,其携带的反舰导弹足以摧毁整个乌克兰海军,防空导弹足以击退任何对黑海舰队登陆舰队的空袭。
“莫斯科”号(Moskva)以莫斯科市命名,它是俄罗斯黑海舰队的旗舰,曾多次部署在军事战斗一线,如格鲁吉亚(2008年)、克里米亚(2014年)以及叙利亚(2015年),发挥了重要的战斗价值。自2022年2月14日俄乌冲突以来,它一直部署于黑海,是黑海地区最强大的水面舰队,在制海权和协同登陆作战中起到了主导作用。尽管俄海军黑海舰队相比乌克兰海军的优势依旧明显,但“莫斯科”号的沉没对于俄罗斯而言,不仅是开战以来最大的一次损失,更严重打击了俄军的士气。
乌克兰方面宣称,“莫斯科”号是被其发射的两枚“海王星”反舰导弹击中。“莫斯科”号上配备的主要搜索雷达为一台MR-800“顶对”雷达和一台MR-710“顶舵”雷达,前者最大探测距离超过500 km,可同时探测64个目标并辨别其中的24个,后者最大探测距离约300 km。 “莫斯科”号的两种远程搜索雷达都属于20世纪70年代的水平,虽然探测距离很大,但主要针对中高空大型传统战机。面对低空小目标时,MR-710和MR-800雷达因后端处理能力不足,探测能力极为有限,特别当海面因风浪作用产生海杂波时,MR-800可能将反舰导弹视为海杂波而过滤掉。此外,作为一艘海上巨舰,“莫斯科”号正常可抵御9级(有效波高14 m)以上的大浪,但舰艇在遭受精确制导武器攻击后,若产生破损进水,其浮性和稳性往往变差,在缺乏有效抗沉措施情况下可能会出现沉没[3]。
在俄乌两国交战的状态下,“莫斯科”号在乌克兰近海活动,理应是处于高度战备状态,舰员疏忽导致内部起火的可能性较低,而受到外部攻击的可能性非常高[4]。本文基于“莫斯科”号被导弹击中这个大概率推测,结合情景推演的方法,探究海洋环境在其中可能发挥的作用,剖析俄罗斯和乌克兰在海战中展现出的装备技术水平和技战术的运用,为我军海上装备的发展提供借鉴,为我军海上作战的技战术提升提供科学依据。

1 情景构建与海洋环境分析

1.1 情景构建

2022年4月13日深夜,乌军利用TB-2武装无人机对黑海上的俄军舰队进行了持续监控。随后乌军利用深夜的掩护,两枚“海王星”反舰导弹在3~10 m高度超低空掠海飞行,突袭了俄军军舰,导致 “莫斯科”号发生爆炸起火。在此过程中,俄罗斯的防空系统并未做出任何有效反应。
4月14日,俄罗斯在疏散船员后,组织将船拖回塞瓦斯托波尔基地时,船舶稳定性丧失,导致船舶沉没。
从海洋环境角度分析,整个情景有两个关键点,一是海洋环境在俄罗斯“莫斯科”号被击中时的作用,二是海洋环境在舰船拖运途中沉没的作用。为此,本文基于海洋环境实况,构建模型进行仿真,定量评估海洋环境在电子对抗(雷达探测)和破损军舰稳性倾覆中所起的作用。

1.2 海洋环境特征

本文采用的数据为哥白尼海洋环境监测服务(Copernicus Marine Environment Monitoring Service,CMEMS)全球分析和预报产品提供的每日更新汇总分析和未来10 天预报。海浪产品是根据总波浪谱(有效波高、周期、方向、斯托克斯漂移等)以及风浪、主涌浪和次涌浪的综合参数。该产品覆盖全球,水平分辨率1/12°(约8 km)。文中使用的数据集为3小时瞬时值。
2022年4月13日晚间,黑海浪高总体呈现西弱东强分布,见图1。平均浪高约为1.3~1.4 m,大浪区分布在东黑海,最大浪高超过3.6 m。浪向为逆时针方向:西北黑海的西北向浪,在黑海中部为西向浪,逐渐转为东黑海的西南向浪。“莫斯科”号巡洋舰起火的位置位于蛇岛(图中蓝色圆点)以东约50 n mile处(红色方框),平均浪高约1.1 m,轻浪。浪向为西北向,以风浪为主。
图1 2022年4月13日黑海浪高(单位:m)和浪向,分别为UTC 18:00(左)和UTC 21:00(右), 乌克兰当地时间20:00(左)和22:00(右)

(红色方框是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击的区域, 红色五角星是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击后计划拖往的港口,蓝点是蛇岛,蓝色五角星是乌克兰敖德萨港)

Fig.1 Black sea wave height (unit: m) and wave direction on April 13, 2022, which are UTC 18:00 (left) and UTC 21:00 (right) respectively, corresponding to 20:00 (left) and 22:00 (right) local time in Ukraine.

(The red box shows the area where the missile cruiser "Moscow" was attacked, the red pentagram shows the port where the missile cruiser "Moscow" was planned to be towed after the attack, the blue dot is the Snake Island, and the blue pentagram is Odessa Port, Ukraine)

2022年4月14日凌晨左右,黑海海浪转小,平均浪高约为1.2 m,见图2。浪向仍为顺时针方向,西黑海北部为西北向浪,南部为西向浪;东黑海西侧为西向浪,东侧为南向浪。尽管海况略微平缓,但俄罗斯军舰是向东南方向拖带,浪高逐渐增大,且是顺风顺浪。
图2 2022 年4月14日黑海浪高(单位:m)和浪向,分别为UTC 00:00(左)和03:00(右), 乌克兰当地时间02:00(左)和05:00(右)

(红色方框是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击的区域, 红色五角星是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击后计划拖往的港口,蓝点是蛇岛,蓝色五角星是乌克兰敖德萨港)

Fig.2 Black sea wave height (unit: m) and wave direction on April 13, 2022, which are UTC 00:00 (left) and UTC 03:00 (right) respectively, corresponding to 02:00 (left) and 05:00 (right) local time in Ukraine.

(The red box shows the area where the missile cruiser "Moscow" was attacked, the red pentagram shows the port where the missile cruiser "Moscow" was planned to be towed after the attack, the blue dot is the Snake Island, and the blue pentagram is Odessa Port, Ukraine)

2 仿真实验

2.1 海洋环境影响“莫斯科”号雷达探测效能

2.1.1 仿真模型

海杂波对雷达探测效能的影响主要表现为杂波的强度,它用杂波反射率来代表,而杂波反射率用单位面积的雷达截面积表示,当雷达最小可检测信号的限制因素由海杂波造成时,对舰载雷达探测能力造成限制的不是接收机的内部噪声,而是海杂波[5]。
1)海杂波与入射余角的关系
海杂波的特性随入射余角(波束与海面之间的夹角,用Ψ表示)的变化可粗略分成三个区域:干涉区、平稳区、准镜面区。舰载雷达的海杂波主要与中等入射余角和低入射余角有关,Ψ典型值小于10°,对应于干涉区。要计算海杂波的影响,必须算出入射余角,常用的公式是[5]:
Ψ≈arcsin h a R + R 2 a e(h≤ae)
式中,ha为天线高度;R为雷达到目标的距离;ae为标准大气折射条件下的等效地球半径8 493 km。
平稳区和干涉区的交界角称为临界角Ψc,通常小于10°,且随海面粗糙度和频率而变化,在水平极化的情况下:
Ψc= λ k h a v
k是系数,在微波频率,对粗糙海面状态k≈5。hav是所有浪的平均高度,称为平均浪高。
“浪高”通常用有效浪高h1/3表示,它表示取浪的总数中三分之一最高波的峰到谷高度的平均值。hav和h1/3之间的关系是 h 1 / 3 4= h a v 2.6。
为降低评估难度,简化评估过程,在评估的每一个环节都进行标准化处理(无量纲和归一化处理)。根据临界角与浪高、风速与浪高之间关系,同时将“影响指数”的定义进行合理延伸,可以直接定义风速对海杂波的影响指数为FS,则FS表达式如下:
F S = Ψ Ψ C Ψ = a r c s i n h a R + R 2 a e Ψ c = λ k h a v k = 5
2)海杂波与风向的关系
海杂波与风向密切关联,海杂波在逆风时最强,侧风时最弱,顺风时中等。在低入射余角上,逆风时的杂波强度是侧风时的十倍[5]。为此,定义风向对海杂波的影响指数为FX,定义φ为风偏角(航行方向与风向间的夹角),同时,定义0°≤φ<45°时为顺风;45°≤φ<135°时为侧风,135°≤φ≤180°时为逆风。则FX的表达式如下:
1 , 　 　 135 ° ≤ φ ≤ 180 ° 0.5,0 ° ≤ φ < 45 ° 0.1,45 ° ≤ φ < 135 °
3)海洋杂波环境对雷达探测效能的影响
对于评估目标,其干涉区比杂波的干涉区更远。这时会产生一个奇怪的现象,即目标在近距离处可被检测,距离增加时,目标淹没在杂波之中,当距离再增加时,目标又能被检测,直到目标回波和杂波全部淹没在接收机噪声中为止。研究表明,海杂波情况下,雷达的探测性能可能下降50%[6]。由于入射余角与风向对海杂波的影响是相互独立的,可采用以线性补偿为主的加法关系进行合成,赋予风速影响与风向影响同样的权重。这里,定义海杂波对雷达探测效能的影响指数为HZ,则HZ的表达式如下所示[7]:
HZ= F X + F S 2·0.5

2.1.2 仿真与结果

仿真采用的数据包括:
1)4.13日18:00~21:00海浪数据:有效浪高、浪向和周期;
2)大型舰艇探测雷达的工作波段约为0.12~0.15 m,天线高度为15 m[7]。
将数据代入仿真模型,得到结果如图3所示。“莫斯科”号导弹巡洋舰在被袭击当天,由于海杂波影响,防空雷达探测效能衰减,俄巡洋舰所在位置受海杂波的影响,是雷达探测衰减的大值区,乌克兰利用海浪掩护,导弹掠空飞行并击中俄巡洋舰,这一情景是可能的。
图3 2022年4月13日UTC18:00—21:00,海浪影响下的雷达探测效能分布

(红色方框是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击的区域,红色五角星是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击后计划拖往的港口,蓝点是蛇岛, 蓝色五角是乌克兰敖德萨港)

Fig.3 Distribution of radar detection efficiency under the influence of sea waves from 18:00 to 21:00 UTC on April 13, 2022.

(The red box shows the area where the missile cruiser "Moscow" was attacked, the red pentagram shows the port where the missile cruiser "Moscow" was planned to be towed after the attack, the blue dot is the Snake Island, and the blue pentagram is Odessa Port, Ukraine)

2.2 海洋环境影响“莫斯科”号船舶拖带过程中的稳定性

2.2.1 仿真模型

本文基于船舶在横浪作用下发生横摇运动的非线性微分方程[8],结合波浪实时数据和“莫斯科”号巡洋舰相关参数,探究水面舰艇在黑海发生的可能的倾覆风险。
当无固定横倾角,即不考虑风场时,舰艇横摇运动微分方程式为
ϕ ¨+bl ϕ ˙+bn ϕ ˙ ϕ ˙+ w ϕ 2+m3ϕ5+m5ϕ3=λ Ω 1 2αmcos Ω 1t
采用谐波平衡解法解方程,并结合Duffing方程解法,将方程化简为频率和横摇角之间的高次方程:
E2 ϕ a 10+2DE ϕ a 8+ 2 E w ϕ 2 - Ω 1 2 + C + D 2 ϕ a 6+ 2 D w ϕ 2 - Ω 1 2 + C + G 2 ϕ a 4-2FG ϕ a 3+ w ϕ 2 - Ω 1 2 + C + F 2 ϕ a 2- λ Ω 1 2 α m 2
上式要确定的参数包括线性阻尼系数bL,非线性阻尼系数bN,固有频率Wϕ,复原力矩的3次方系数m3和5次方系数m5 [9], 固定横倾角Φs,质量惯性矩及附加质量惯性矩Ixx+δIxx,波浪波长λ,最大波倾角αm。其中,对于特定船, w ϕ 2= Δ G M ¯ I x x + δ I x x为定值。Δ是船舶排水量, G M ¯是横稳性高度,Ixx+δIxx可由船舶的宽度尺寸算得 [ 1 0 ],C=b1, D= 3 4b3,E= 5 8b5,F=-bLΩ1,G= 8 Ω 1 3 πbN。由于不考虑风,因风引起的固定横倾角为Φs=0,C=b1=0, D= 3 4m3,E= 5 8m5。
在舰艇参数确定后,上式未知量只有波浪频率Ω1和最大波倾角αm,前者可以通过统计波浪周期得到,对于短波,αm= 2 h T 2。因此,只要统计出波高和周期就能解上述方程。
计算船舶倾覆风险的步骤如下:
1)获取海浪数据,包括有效波高和波周期,并计算波倾角。
2)将波倾角、有效波高及周期代入横摇运动方程,求出横摇角幅值Φa。
3)设船舶的进水角为ϕ,计算船舶的倾覆概率:
P= ∫ φ ∞ 1 2 π δ e - ( x - μ ) 2 2 σ 2dx
其中,μ为横摇角概率密度的均值,σ为横摇角概率密度的标准差。

2.2.2 仿真与结果

仿真采用的数据包括:
1) 2022年4月14日 UTC 00:00和03:00的海浪数据:有效波高、周期。
2)“莫斯科”号参数(部分),见表1所示。
表1 莫斯科号参数(部分)

Tab.1 Parameters of the Moscow Cruiser Parameters (Part)

参数名称 参考值
长度 186.5 m
宽度 20.8 m
吃水 7.6 m
排水量 11 280 t
当“莫斯科”号受导弹袭击而造成损毁时,其初稳性和大倾角稳性都会发生巨大的变化,不同损毁程度下其倾覆概率与浪高模拟关系如图4所示。
图4 “莫斯科”号在不同海浪条件下的倾覆概率

(不同颜色或点代表不同的损毁程度)

Fig.4 Overturning probability of "Moscow" under different wave conditions

(different colors or dots represent different damage degrees)

图5是“莫斯科”号在严重受损情况下,在黑海海域拖运时的倾覆概率分布图。研究表明,顺着它拖带的方向(从蓝点向红色五角星方向),船倾覆的风险逐渐增大。此外,因“莫斯科”号关键参数(如风压横倾力矩系数、静动稳性臂曲线、船舶水线以上部分侧投影面积等)未知,因此,在计算时未考虑风对船舶倾覆的影响。在实际过程中,风作为一种动力作用在船上,也会引起船舶横摇角变化,增加船倾覆的风险。同时,“莫斯科”号因遭受打击失去动力及可能船身存在的损毁,使得船舶抗风浪能力大大下降,三者共同作用下,可能是“莫斯科”号最终沉没的主要原因。
图5 2022年4月14日00:00—03:00,海浪影响下的严重破损舰艇的倾覆风险

(红色方框是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击的区域,红色五角星是“莫斯科”号导弹巡洋舰被袭击后计划拖往的港口,蓝点是蛇岛, 蓝色五角星是乌克兰敖德萨港)

Fig.5 Overturning risk of seriously damaged ships under the influence of sea waves from 00:00 to 03:00 UTC on April 14, 2022.

(The red box shows the area where the missile cruiser "Moscow" was attacked, the red pentagram shows the port where the missile cruiser "Moscow" was planned to be towed after the attack, the blue dot is the Snake Island, and the blue pentagram is Odessa Port, Ukraine)

3 结束语

基于上述分析,在“莫斯科”号被反舰导弹袭击时,海浪引起的杂波影响了“莫斯科”号雷达的探测效能,且由于乌克兰无人机的干扰,使“莫斯科”号在毫无防备情况下被击中起火;在拖运过程中,海况虽处于轻浪和中浪之间,但海浪引起的横浪对严重损毁的舰船拖运造成了较大的影响,在舰艇沉没事件中起较大作用。
在未来海上作战中,我军要大力发展更加先进的海洋武器装备,但不能盲目跟风美俄现行装备,要根据作战海域的海洋环境特点,发展能够适应特定海域作战的海洋武器装备。将海洋环境与武器装备进行深度融合,不仅要了解海洋环境对武器装备的影响,发展能够自适应海洋环境的高性能武器装备,寻找利于己方且不利于敌方武器装备发挥的制胜时空窗口,还要了解武器装备对海洋环境的反作用,从而提升战略性、基础性、颠覆性的海洋科技创新能力。
此外,海上作战技战术水平要求极高,需要提供多层次精细化的海洋环境保障。具体包括:1)要提高海洋环境态势感知能力,加快推进海洋立体化观测网络构建,为“透明海洋”与“智慧海洋”战略提供基础的大数据支撑;2)要发展全自主全流程的海洋环境预报模式,实现海洋技术的高水平自强自立,从而能够为我军提供更为精细的环境预报;3)重视海洋环境与武器装备的深度融合,必须针对性地开发与水面舰艇相关的海洋环境量化评估与辅助决策系统,争取在极短的时间内,为指挥员提供各种想定情景下的作战预案,抓住转瞬即逝的制胜时机。
最后,我们要加强实战演习,以邻为师,以强国为师。先进的武器装备最终还要落脚到使用者,要不断学习先进的海洋装备技术,更要学习先进的海洋技战术,并在此过程中通过实战演训转化成为战斗力。

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