【深度】攻击时延对直升机前飞投雷命中率影响

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【深度】攻击时延对直升机前飞投雷命中率影响

From 学术plus 学术plus 2019-03-28

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今日荐文

今日荐文的作者为海军驻北京地区航空军事代表室专家刘强，中国电子科学研究院专家刘琰，马欣，朱婉宁。本篇节选自论文《攻击时延对直升机前飞投雷命中率影响》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第6期。

摘要：基于反潜直升机前飞投放鱼雷对潜艇进行攻击的作战使用方式，建立了鱼雷自导扩展螺旋弹道模型，结合潜艇可能的动态轨迹，在不同目标舷角方向、攻击距离、目标航向航速条件下，仿真分析攻击时延对直升机前飞投雷攻潜命中率的影响，仿真结果可为作战使用提供参考。

关键词：前飞投雷；攻击时延；鱼雷弹道；命中率

引言

鱼雷是航空反潜主要攻潜武器，直升机使用鱼雷攻潜有悬停投雷和前飞投雷两种方式。当吊放声纳探测到目标、直升机与目标距离大于悬停投放鱼雷所要求的距离时，采用前飞投雷的方式攻击。单机反潜时，从吊声设备收起到直升机前飞至投雷点进行攻击，存在时间延迟。在该时延内，潜艇目标脱离吊声探测，运动信息不确定。尽管鱼雷入水后具有一定的搜索探测能力，但攻击时延的存在，目标有可能脱离鱼雷搜索范围，影响鱼雷攻潜命中率。

目前在直升机前飞投雷攻潜概率研究中，主要采用蒙特卡罗仿真方法，基于投放参数解算模型进行攻潜概率计算，对时间延时因素考虑较少。在实际应用中，攻击时延与吊声设备收起、风速风向等飞行条件、飞行路程等多种因素有关，难以严格确定。一种有效的做法是根据特定的攻潜命中率要求（如>90%），反推所允许的最大攻击时延，在该攻击时延内可以确保攻击命中率。

鱼雷扩展螺旋弹道是一种提高鱼雷搜索发现目标概率的设计方法，可使鱼雷探测范围尽可能覆盖目标散布区域，改善鱼雷攻击效果，适用于攻击低速水下目标。目前基于此弹道模型的研究报道较少。

针对攻击时延影响鱼雷命中率问题，本文通过建立鱼雷自导扩展螺旋搜索弹道模型，结合潜艇可能的动态轨迹，分析不同目标舷角攻击方向、攻击距离、目标航速、航向变化条件下，攻击时延对直升机前飞投雷命中率影响，从而获得特定条件下的最大攻击时延。本文分析结论可为作战使用提供参考。

1 分析模型

直升机采用吊放声呐反潜，探测到目标后使用鱼雷前飞攻击，存在攻击延时，目标与鱼雷运动的时间关系如图1所示。

图1 鱼雷攻击时延示意图

图1中，t0为吊声收起前最后探测一次目标的时刻，t1为鱼雷入水时刻，Td为最后一次探测目标与鱼雷投放入水之间的延时时间，包括吊声收起、直升机前飞至投放点、投放鱼雷、鱼雷空中入水等时间。

假设直升机探测到目标后，前飞至目标舷角Qm，距离R处进行攻击投雷，鱼雷自导弹道模型为扩展螺旋形，建立如图2所示直角坐标系：

图2 前飞投雷攻潜命中率分析模型

图2中，坐标原点O为鱼雷弹道旋回起始点，L为鱼雷自导头作用距离，y为鱼雷自导头扇面角，M0为目标初始位置，C0为目标初始航向，Vm为目标航速，M为经过时延Td后目标位置，Cm为目标机动航向， Dq为目标航向变化值，R为鱼雷入水点与目标初始位置的距离，Qm为目标初始位置舷角（取逆时针为正）。

在图2所示直角坐标系下，航向取正北为0°，则航向变化值为：

图3 鱼雷螺旋弹道轨迹坐标点

鱼雷入水后，当鱼雷导引头搜索到目标时，目标与鱼雷间的距离小于自导搜索距离，距离较近；在该距离内，由于鱼雷航速远大于目标航速，且短时间内水下潜艇的机动能力有限，潜艇摆脱鱼雷攻击的可能性非常小，一般将鱼雷攻潜命中率近似为鱼雷搜索发现目标的概率。

在实际应用中，探测设备存在一定的误差，目标的真实位置为误差区域中的任意一点。由于误差区域的存在，鱼雷导引头搜索过程中，在某一时刻，即使目标误差中心位置（即通常理解的目标探测位置）落入鱼雷自导范围，实际仍可能未发现目标，如图4所示。因此，在某一时刻，对所有的目标误差区域内的点，计算落入鱼雷自导搜潜范围内的点数占误差区域所有点数的比值，以此为鱼雷搜索发现目标的概率。

图4 鱼雷发现目标概率示意

考虑吊放声呐探测目标存在误差，目标实际位置为误差区域中的某一点。误差区域内的点坐标为：

2 仿真算法模型

由以上分析模型，为定量分析攻击时延影响，设计了仿真算法，对分析模型进行求解。

算法主要流程为：

鱼雷、目标参数初始化；
解算鱼雷弹道轨迹，弹道轨迹时间轴标定；
在统一时间步长下，目标做匀速直线运动，鱼雷沿弹道轨迹点运动；
从时刻起至鱼雷航程时间内，以为步长，循环计算t时刻鱼雷命中率。当命中率满足>90%时，结束循环；不满足命中率要求则继续循环，直至航程时间结束；
输出命中率结果。

计算t时刻鱼雷命中率时，计算流程为：

由t时刻与（t-1）时刻鱼雷弹道轨迹点确定鱼雷航向；
根据鱼雷航向与鱼雷导引头视场范围确定鱼雷自导搜索范围；
由t时刻目标运动轨迹点及探测误差，计算目标误差区域范围；
目标误差区域内划分网格，计算网格点坐标值；
由目标网格点坐标值与鱼雷自导搜索范围，判断目标网格点是否在鱼雷自导搜索范围内；
枚举网格点，重复e)步骤；
统计落入鱼雷自导搜索范围内的网格点数，计算命中率。

仿真算法流程图如图5所示。

图5 仿真算法流程图

按图5所示流程，在统一的时间坐标轴下，通过仿真算法，建立了鱼雷与目标两者间的动态运动关系，以此定量分析攻击时延对鱼雷命中率的影响。

3 攻击时延影响分析

假设声自导鱼雷航速为36节，角速度为7°/s，自导扇面角60°，自导作用距离1500m。在图2所示坐标系下，鱼雷入水点坐标值为（0,0），攻击距离1000m，目标航向30°（正北为0°），攻击舷角60°条件下，仿真示意如图6所示。

图6中，螺旋曲线为鱼雷运动轨迹模型，红色实线轨迹为鱼雷运行轨迹，扇形区域为鱼雷自导搜索范围，虚线方框表示目标初始位置误差区域，实线方框表示目标运动后的位置误差区域，实线方框所在的点迹线为经过一定时延后目标的运动轨迹线。由上述模型，分析攻击时延10分钟内，不同攻击舷角，不同攻击距离，不同目标航速，目标机动航向条件下的鱼雷命中率，结果如下：

3.1 不同攻击舷角的时延影响

当目标初始航向30°，目标航速6节，攻击距离1000m，吊声误差区域为68×106（m2）时，不同攻击舷角条件下的鱼雷命中率随攻击时延变化关系如图7所示。

图7不同攻击舷角时延影响

由图7，对6节航速目标，攻击距离1000m时，目标舷角30°方向攻击，攻击时延10分钟内，攻潜命中率可保证100%；目标舷角60°方向攻击，在保证100%攻潜命中率条件下，攻击时延缩短至9分钟；而在目标舷角150°方向攻击，允许的攻击时延为2分钟，才可保证攻潜命中率100%。可见，攻击方向随目标舷角的增大，要确保命中率>90%，所允许的攻击时延相应缩短。鱼雷攻击目标时，当攻击时延较长时，应选择小的目标舷角方向进行攻击。

3.2不同攻击距离的时延影响

仿真条件为：目标初始航向30°，航速6节，在目标舷角60°方向上攻击，吊声误差区域为68×106（m2）时，攻击距离500m、1000m、1500m条件下的攻潜命中率与攻击时延变化关系如图8所示。

图8 不同攻击距离时延影响

图8结果表明，在给定条件下，为保证命中率>90%,攻击距离1500m时，允许的攻击时延为8分钟；攻击距离1000m或500m时，允许的攻击时延为9分钟。对6节航速目标，在[500m,1500m]范围内，攻击距离变化时，所允许的攻击时延相差1分钟。鱼雷攻击目标时，在一定的攻击时延下，攻击距离的变化对攻潜命中率的影响小。

3.3不同目标航速的时延影响

根据前述分析，对初始航向30°方向上的目标，选择在目标舷角60°方向上、攻击距离为1000m的条件下进行攻击。吊声误差区域与前述相同，对比分析不同航速目标的命中率。目标航速6节、12节、18节条件下的鱼雷攻潜命中率受攻击时延变化影响如图9所示。

图9 不同航速目标时延影响

根据图9计算结果，在给定条件下，攻击航速6节的目标，攻击时延为9分钟；攻击航速12节目标，攻击时延为4分钟；攻击航速18节目标，攻击时延缩短至2分钟。随着目标航速增加，所允许的最大攻击时延相应缩短。

3.4目标航向变化的时延影响

鱼雷攻击潜艇时，除了考虑攻击舷角、攻击距离、目标航速外，还应考虑目标航向变化情况。为方便分析，仿真条件选择为：目标初始航向30°，航速6节，在目标舷角60°方向攻击，攻击距离1000m。目标航向变化值在30°，90°，150°条件下鱼雷攻潜命中率与攻击时延的变化关系如图10所示。

图10 不同航向变化值时延影响

结果显示，在给定条件下，目标航向变化30°，攻潜命中率100%的最大攻击时延为6分钟；目标航向变化90°，攻潜命中率100%的最大攻击时延为4分钟；目标航向变化150°，攻潜命中率100%的最大攻击时延为5分钟。随着目标航向变化值增大，最大攻击时延呈现先减小再增大的变化趋势。

综上，直升机前飞投鱼雷攻击，对航向不变的目标，应尽量从小的目标舷角方向进行攻击，攻击距离可选择在[500m,1000m]范围，则可允许的攻击时延较长，确保高的命中率；对航向变化的目标，需根据目标航线变化的角度计算所允许的攻击时延，以确保命中率。

4 结语

本文建立了鱼雷自导扩展螺旋弹道模型，结合潜艇可能的动态轨迹，形成鱼雷搜索发现攻击命中率仿真模型，采用该模型分析不同攻击舷角、攻击距离、目标航向航速条件下，直升机前飞投雷攻潜命中率的最大攻击时延。结果显示，在目标舷角小的方向攻击，一定的攻击距离范围内，攻击时延较长，命中率高。当目标规避时，最大攻击时延还与目标航向变化值有关，随着目标航向变化值增大，最大攻击时延呈现先减小再增大的变化趋势。本文结果可对直升机前飞投雷攻击相关研究提供参考。

（参考文献略）