Khảo sát hiệu quả của các dạng cơ động tên lửa đối hải để vượt hỏa lực pháo phòng không tự động trên tàu

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 31 KHẢO SÁT HIỆU QUẢ CỦA CÁC DẠNG CƠ ĐỘNG TÊN LỬA ĐỐI HẢI ĐỂ VƯỢT HỎA LỰC PHÁO PHÒNG KHÔNG TỰ ĐỘNG TRÊN TÀU Nguyễn Hanh Hoàn1*, Lê Kỳ Biên2 Tóm tắt: Trên cơ sở mô phỏng thực nghiệm Monte-carlo, bài báo trình bày kết quả khảo sát hiệu quả các dạng cơ động tên lửa đối hải để vượt hỏa lực pháo phòng không tự động trên tàu. Từ kết quả khảo sát, có thể đưa ra những khuyến cáo về xây dựng các thông số chiến - kỹ thuật khi thiết kế tên lửa đối hải với mục đích nâng cao hiệu quả chiến đấu. Từ khóa: Tổ hợp pháo phòng không tự động, Tên lửa đối hải. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hỏa lực của các tổ hợp pháo phòng không tự động (PPKTĐ) trên tàu là lớp hỏa lực cuối cùng bảo vệ tàu trước các phương tiện tấn công đường không [2],[5]. Hiện nay, tên lửa đối hải (TLĐH) chính là một trong các phương tiện tấn công đường không hiệu quả nhất trong tác chiến trên biển. Đạn PPKTĐ sau khi bay ra khỏi nòng sẽ chuyển động theo quỹ đạo không điều khiển, trong một liên bắn (100, 200 hoặc 400 viên) thì các tổ hợp PPKTĐ không điều chỉnh hướng nòng pháo được [4]. Như vậy, nhằm đảm bảo bắn trúng TLĐH, liên đạn pháo sẽ được bắn về hướng vị trí điểm bắn đón mục tiêu tương ứng với quỹ đạo dự kiến của TLĐH. Để tăng khả năng sống sót, TLĐH cần cơ động để tạo ra độ trượt giữa đạn và tên lửa, tránh được hỏa lực của tổ hợp PPKTĐ. Bên cạnh kiểu cơ động truyền thống trong một mặt phẳng như cơ động theo hình thang, cơ động bổ nhào. Hiện nay, một số TLĐH [2] có thể cơ động phức tạp trong không gian (cơ động hình con rắn, cơ động spiral). Bài báo trình bày đánh giá hiệu quả của các dạng cơ động tên lửa đối hải để vượt hỏa lực pháo phòng không tự động trên tàu. Kết quả khảo sát có thể được sử dụng trong thiết kế các TLĐH với mục đích nâng cao hiệu quả chiến đấu. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC DẠNG CƠ ĐỘNG TÊN LỬA ĐỐI HẢI ĐỂ VƯỢT HỎA LỰC PHÁO PHÒNG KHÔNG TRÊN TÀU 2.1. Xây dựng mô hình toán học xác định xác suất tiêu diệt tên lửa đối hải bằng một liên đạn của tổ hợp pháo phòng không tự động trên tàu Lưu đồ thuật toán xác định xác suất tiêu diệt tên lửa đối hải bằng một liên đạn của tổ hợp pháo phòng không tự động trên tàu được trình bày trên hình 1. Thuật toán được xây dựng trên cơ sở mô phỏng thống kê Monte-carlo. Trong từng liên bắn, các viên đạn từ tổ hợp PPKTĐ bay ra khỏi nòng pháo theo thứ tự [1],[2],[4]. Thời điểm bắn viên đạn thứ i của liên bắn được xác định theo công thức: 1 60 ( 1) , 1,i it t i i n N     (1) Trong đó: i- số thứ tự viên đạn trong liên bắn i; N – tốc độ bắn (viên/phút), in - số lượng viên đạn trong liên bắn i; 1it - thời điểm bắn viên đạn đầu tiên. Tên lửa & Thiết bị bay N.H.Hoàn, L.K.Biên “Khảo sát hiệu quả của các dạng...tự động trên tàu.” 32 Hình 1. Lưu đồ thuật toán xác định xác suất tiêu diệt tên lửa đối hải bằng một liên đạn của tổ hợp pháo phòng không tự động trên tàu. Trong thực tế [1], liên đạn PPKTĐ là dạng liên bắn có các phát bắn phụ thuộc lẫn nhau, sai số (tản mát, độ lệch) của liên đạn gồm hai nhóm sai số xét trong mặt phẳng sát thương Q (mặt phẳng đi qua điểm ngắm bắn vuông góc với hướng ngắm): sai số hệ thống тz, ту của các viên đạn là như nhau và độ lệch bình phương trung bình σг, σу của từng viên đạn so với tâm tản mát тz, ту khác nhau (hình 2). Hình 2. Mặt phẳng sát thương. Hình 3. Xác định tọa độ ngắm bắn. Tọa độ điểm ngắm bắn là nghiệm của hệ phương trình: Nhập dữ liệu ban Vòng tính toán theo số lần thử nghiệm Ntn = Ntn+1 Vòng tính toán theo số viên đạn i =i+1 Toạ độ điểm ngắm bắn dự kiến Tọa độ TLĐH trong mặt phẳng sát thương Q Tọa độ viên đạn thứ i trong mặt phẳng sát thương Q Xác định độ trượt của viên đạn thứ i và TLĐH Số viên đạn trúng TLĐH w=w+1 TLĐH bị tiêu diệt Tính số trường hợp TLĐH bị tiêu diệt S=S+1 Tính xác suất tiêu diệt TLĐH: P = S/ Ntn Bắt đầu Kết thúc đúng sai Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 33 ( , , ) ( , , )d TLDHf x y z g x y z (2) ( , , ) , ( , , )d TLDHf x y z g x y z - các hàm xác định tọa độ tức thời của đạn và TLĐH. Trường hợp TLĐH bay thẳng đều đến điểm ngắm bắn, tọa độ điểm ngắm bắn được tính gần đúng như sau [2]: TLDH m 0d d y TLDH V sin D sin ; ; f (V , C ,D ) V cos cos y TB TB TB q D V qV V       (3) Trong đó: TLDHV - vận tốc TLĐH, yD - cự ly ngắm bắn, q- góc hướng mục tiêu,  - góc ngắm, yA - điểm ngắm bắn, TBV - vận tốc trung bình của đạn, 0dV - sơ tốc của đạn, dC - hệ số xạ thuật của đạn. Trong mô hình: , , , )()()()( y T yyy T zzy T yyy T zz DDDmmDmm   (4) ( ) ( ),T Tz ym m - sai số hệ thống ( ) ( ), , T Tz y  - tính theo tản mát đạn, độ chính xác cơ cấu dẫn hướng (bảng 1). Khi đó tọa độ đạn pháo trong mặt phẳng Q: , d y y d z zy y m z z m       (5) Trong mô hình, từng viên đạn và TLĐH chuyển động liên tục theo bước thời gian thực Δt, tại thời điểm dự kiến gặp tính toán độ trượt Δ giữa đạn và TLĐH (khoảng cách giữa tâm hình chiếu của mục tiêu và đạn trong mặt phẳng Q). Nếu độ trượt Δ nhỏ hơn đường kính đặc trưng của TLĐH thì coi như đạn trúng TLĐH, trường hợp TLĐH bị tiêu diệt S=S+1. Về mặt lý thuyết [2], độ vững bền W của TLĐH là khả năng bảo vệ khi bị trúng đạn, trong bài báo, đại lượng W được coi là số viên đạn cần thiết trúng tên lửa làm tên lửa bị tiêu diệt (hoặc không có khả năng bay tới tàu). Tiến hành thử nghiệm trên máy tính bằng phương pháp Monte – Carlo: Thực hiện Ntn lần bắn liên đạn n viên vào TLĐH trong cùng một điều kiện bắn. Xác suất TLĐH bị tiêu diệt được tính bằng công thức: P = S/ Ntn. Các thông số đầu vào của mô hình bao gồm: - Các thông số về TLĐH: Vận tốc bay hành trình VTLĐH, đường kính đặc trưng của TLĐH, các thông số kiểu quỹ đạo (tốc độ cơ động, biên độ cơ động), cự ly thẳng TLĐH – PPKTĐ tại thời điểm khai hỏa, quá tải cho phép theo phương ngang và đứng của TLĐH, chu kỳ cơ động, quá tải cơ động. - Các thông số về pháo: Tốc độ bắn, cỡ đạn, khối lượng đạn, độ dài loạt bắn, sai số hệ thống, tản mát đạn, độ chính xác cơ cấu xoay nòng, độ rộng kênh quản lý mục tiêu tự động bắn, độ chính xác xử lý vectơ vận tốc mục tiêu (bảng 1). 2.2. Mô hình toán học xác định mật độ đường đạn liên bắn từ tổ hợp pháo phòng không tự động trên tàu Quỹ đạo của đạn PPKTĐ trên tàu được mô tả bằng hệ phương trình vi phân [2].   ; 2 ρθ cos θ sin θ; . os os ; 8 d .sin sin ; sin d d d V c i V DdV xd g dxd dd g V c c dt dt m dt d dy dz V V dt dt               (6) Xét mô hình toán học xác định mật độ đường đạn của một liên bắn PPKTĐ trong một phạm vi không gian bằng kích thước đặc trưng của TLĐH. Do TLĐH và PPKTĐ tương tác trực diện, xét mặt phẳng sát thương Q (hình 2). Hệ tọa độ phẳng OYZ có gốc tọa độ Tên lửa & Thiết bị bay N.H.Hoàn, L.K.Biên “Khảo sát hiệu quả của các dạng...tự động trên tàu.” 34 trùng với tâm hình chiếu của TLĐH trên mặt phẳng Q. Liên đạn PPKTĐ sẽ phân bố tản mát trong mặt phẳng Q theo định luật Gauss và hàm xác định mật độ đường đạn của một liên đạn PPKTĐ như sau [1]: 2 2 2 2 ( ) ( ) 2 2 y 1 ( , ) 2 y z y z y m z m z y z e           (7) Về lý thuyết [1], [2], xác suất đạn trúng mục tiêu có diện tích hình chiếu trên mặt phẳng Q được tính như sau: dzdyedzdyyzp y y z z mymz SyS 2 )( 2 )( z 22 2 1 ),(          (8) Tuy nhiên, trong trường hợp khảo sát, tản mát các viên đạn có thể coi theo hình tròn σz=σу=σ. Do vậy, xác suất một viên đạn trúng mục tiêu có bán kính đặc trưng (giá trị z,y của đạn nằm trong miền giới hạn của hình chiếu mục tiêu có bán kính rTL trên mặt phẳng Q) có thể được kiểm tra bằng công thức: 1 TLr p e     (9) 2.3. Hệ phương trình chuyển động của tên lửa đối hải khi cơ động phức tạp Trên hình 4 trình bày giản đồ tạo cơ động kiểu “con rắn” trong kênh đứng và kênh ngang của TLĐH, trên hình 5 là dạng cơ động kiểu Spiral. Y Z X R Vcd cd Hình 4. Giản đồ tạo cơ động kiểu “con rắn” trong kênh đứng và kênh ngang của TLĐH. Hình 5. TLĐH cơ động kiểu “Spiral”. a) Hệ phương trình chuyển động của tên lửa đối hải khi cơ động trong một mặt phẳng Trong trường hợp cơ động trong một mặt phẳng kiểu “con rắn”, theo [2] khi tên lửa chuyển sang giai đoạn cơ động thì lực tác động thay đổi theo quy luật điều hòa theo hàm sin hoặc hàm cos. Khi đó tên lửa sẽ bay với tốc độ thay đổi, cần chia ra 3 giai đoạn trong 1 dạng cơ động (hình 4). Phương trình động học khi đó có dạng: sincd cdV a K ta   (10) Trong đó: cdV  - tốc độ cơ động theo phương vuông góc với hướng chuyển động ban đầu;  - tần số cơ động; cda - gia tốc pháp tuyến tạo cơ động; aK - hệ số truyền cơ động nằm trong dải 0...1 (khi bắt đầu vào và ra khỏi vùng cơ động), bằng 1 khi cơ động ổn định; t  - pha cơ động; cdn - số chu kỳ cơ động. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 35 Thực hiện các biến đổi toán học, nhận được các phương trình xác định thông số động học của TLĐH khi cơ động kiểu “con rắn”: ( , , ); ( , , )cd z cd y cdV f A Z f A n    (11) b) Hệ phương trình chuyển động của tên lửa đối hải khi cơ động Spiral Kiểu quỹ đạo cơ động Spiral của TLĐH là tổng hợp đồng thời của hai dạng quỹ đạo “con rắn” trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng thẳng đứng. Nhằm tạo quỹ đạo này thì gia tốc theo các phương tương ứng với hai mặt phẳng vuông góc phải khác nhau, tạo ra biên độ Ay, Az cơ động theo 2 kênh này khác nhau (hình 5). Xây dựng tương tự như trường hợp quỹ đạo hình “con rắn”, nhận được các phương trình xác định thông số động học của TLĐH khi cơ động đồng thời trong hai mặt phẳng “Spiral” ở dạng: ( , , ); ( , , ); ( , , ), ( , , )y y z z y cd z cdV f A V f A y f A n z f A n         (12) 3. KHẢO SÁT VÀ NHẬN XÉT 3.1. Thông số đầu vào khảo sát a) Tổ hợp PPKTĐ khảo sát Tổ hợp PPKTĐ khảo sát là tổ hợp Golkiper (bảng 1). Bảng 1. Thông số chiến kỹ thuật tổ hợp PPKTĐ Golkiper [2]. STT Đặc tính kỹ thuật 1 Cỡ đạn, mm 30 2 Tốc độ bắn, viên/phút 4200 3 Vận tốc ban đầu, m/s 1200 4 Khối lượng đạn, kg 0,36 5 Hệ số xạ thuật 1,0 6 Độ dài loạt bắn tiêu chuẩn, viên 100 7 Tản mát của đạn, phần nghìn của cự ly 3 8 Độ rộng kênh quản lý mục tiêu của hệ thống tự động bắn, m 100 9 Độ chính xác của cơ cấu bệ xoay nòng, phần nghìn của cự ly 2,0 10 Độ chính xác của khâu xử lý vecto vận tốc mục tiêu, % 2,0 11 Độ chính xác xử lý vecto vận tốc mục tiêu theo các tọa độ góc, phần nghìn của cự ly 3,5 12 Tần số xử lý vecto vận tốc mục tiêu, Hz 25 13 Sai số hệ thống, phần nghìn của cự ly 0,5 14 Cự ly gặp mục tiêu của viên đạn cuối cùng trong liên bắn,m 100 b) Kiểu cơ động *) TLĐH cơ động trong một mặt phẳng theo quỹ đạo “con rắn” Trên hình 6 mô tả một trường hợp cụ thể của TLĐH khi cơ động kiểu “con rắn” trong mặt phẳng ngang với thông số: Vận tốc của TLĐH 800 m/s, tại vị trí cách tàu 1800 m, tên lửa thay đổi tham số cơ động. Chu kỳ cơ động T=3s, quá tải n=3 đơn vị (đv), sang chu kỳ cơ động mới T=6s với quá tải n=5đv. *) TLĐH cơ động trong không gian kiểu quỹ đạo Spiral Trường hợp TLĐH cơ động đồng thời trong hai mặt phẳng, quỹ đạo dạng Spiral (hình 7). Xét hai dạng quỹ đạo cơ động thực của TLĐH: Tên lửa & Thiết bị bay N.H.Hoàn, L.K.Biên “Khảo sát hiệu quả của các dạng...tự động trên tàu.” 36 Quỹ đạo 1: Thay đổi quá tải n=5 đv, T=3 s, quỹ đạo cơ bản n=3 đv, T=3 s. Quỹ đạo 2: Thay đổi cả quá tải và chu kỳ cơ động, từ quỹ đạo cơ bản n=3 đv, T=3 s sang quỹ đạo n=5 đv, T=6 s. Hình 6. Tương tác giữa TLĐH và tổ hợp PPKTĐ khi TLĐH cơ động trong mặt phẳng ngang kiểu con rắn. Hình 7. Tương tác giữa TLĐH và tổ hợp PPKTĐ khi TLĐH cơ động trong không gian kiểu Spiral. 3.2. Kết quả khảo sát và nhận xét Trên hình 8 trình bày sự phụ thuộc của xác suất TLĐH bị tiêu diệt khi cơ động zich-zac trong một mặt phẳng. Trên hình 9 trình bày kết quả khảo sát xác suất TLĐH bị tiêu diệt khi bay với vận tốc 270 m/s và 800 m/s với các đường kính đặc trưng 0,7m, 0,4m, 0,2 m cơ động Spiral trong không gian với gia số thay đổi chu kỳ cơ động delta T=3s. Trong khảo sát chỉ xét trường hợp, trước khi tổ hợp PPKTĐ khai hỏa, TLĐH đang cơ động trong một mặt phẳng, tại thời điểm PPKTĐ khai hỏa, TLĐH chuyển sang cơ động kiểu Spiral trong không gian. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 37 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 Thay đổi quá tải delta n X ác s uấ t b ị t iê u di ệt Dtl=0,7m,w=1 Dtl=0,4m,w=1 Dtl=0,2m,w=1 Dtl=0,7m,w=2 Dtl=0,4m,w=2 Dtl=0,2m,w=2 Hình 8. Xác suất TLĐH bị tiêu diệt khi bay với vận tốc 800 m/s, cơ động “ con rắn” trong một mặt phẳng với delta T=3s, w=1,2. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Thay đổi quá tải delta n X ác s uấ t T LĐ H b ị t iê u di ệt V=270m/s,Dtl=0,7m,w=1 V=270m/s,Dtl=0,4m,w=1 V=270m/s,Dtl=0,2m,w=1 V=800m/s,Dtl=0,7m,w=2 V=800m/s,Dtl=0,4m,w=2 V=800m/s,Dtl=0,2m,w=2 Hình 9. Xác suất TLĐH bị tiêu diệt khi bay với vận tốc 270 m/s, 800 m/s, cơ động Spiral trong không gian với delta T=3s. Từ kết quả khảo sát trên các hình 8, 9 chúng ta thấy: Khi TLĐH cơ động kiểu “con rắn” với vận tốc 800 m/s, nếu đường kính đặc trưng càng nhỏ thì khả năng sống sót càng cao. Nếu TLĐH nâng cấp bảo vệ W thì khả năng sống sót khi cơ động càng cao. Khi TLĐH bay với vận tốc 800 m/s (W=1), dạng cơ động “con rắn” trong mặt phẳng ngang quanh hướng chiến đấu tăng khả năng sống sót đến 45 % so với trường hợp không thay đổi cơ động. Khi TLĐH cơ động kiểu Spiral, phương án quỹ đạo thứ 2 cho thấy hiệu quả hơn quỹ đạo 1 với mục đích nâng cao khả năng sống sót của TLĐH. Khi TLĐH bay với vận tốc 270 m/s, với các đường kính đặc trưng khác nhau, cấp độ vững bền w=1,2, thay đổi quá tải khoảng 3-4 đơn vị thì xác suất tên lửa sống sót gần như 100%. Đối với TLĐH bay với vận tốc 800 m/s, cấp độ vững bền w=1,2, với thay đổi quá tải khoảng 1-2 đơn vị thì xác suất tên lửa sống sót gần như 100%. Thời điểm cơ động hay thay đổi tham số cơ động trong cả hai kiểu “con rắn” và Spiral nên thực hiện ở 0,5-1 chu kỳ cơ động cuối cùng. Thời gian cơ động tùy theo kiểu cơ động mới, chu kỳ mới nên nằm trong khoảng 1,5 đến 2 lần chu kỳ cũ. Do đảm bảo quá tải cơ động nằm trong giới hạn cho phép của TLĐH, nên khi cơ động TLĐH vẫn có khả năng bám tự dẫn. Tên lửa & Thiết bị bay N.H.Hoàn, L.K.Biên “Khảo sát hiệu quả của các dạng...tự động trên tàu.” 38 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở phương pháp mô phỏng thực nghiệm Monte-carlo, bài báo xây dựng mô hình toán học tương tác giữa liên đạn của tổ hợp pháo phòng không tự động trên tàu và tên lửa đối hải có tính đến đặc tính cơ động phức tạp của tên lửa. Mô hình này về cơ bản cho phép tính tới hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bắn tổ hợp pháo phòng không tự động vào tên lửa đối hải mà không cần sử dụng các giả thiết và điều kiện đơn giản hóa. Trên cơ sở mô hình toán học này, đánh giá được xác suất tiêu diệt tên lửa đối hải khi bị các tổ hợp pháo phòng không tự động chế áp. Kết quả của bài báo làm cơ sở xây dựng các thông số chiến kỹ thuật cho tên lửa đối hải khi thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả chiến đấu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Венцель Е.С,“ Исследование операций”, М.“С. Радио”, 1972 г, 552 стр. [2]. Оркин Б.Д, Оркин С.Д,“Имитационное моделирование боевого функционирования палубных истребителей, зенитных ракетных и артиллерийских комплексов корабельных групп при решении задач ПВО”, М. МАИ-ПРИНТ, 2009 г, 700 стр. [3]. Петухов С.И и др,“Эффективность ракетных средств ПВО”, М.Воени- здат , 1976 г, 104 стр. [4]. Родионов Б.И, Новичков Н.Н, “Крылатые ракеты в морском бою”, М.Воениздат, 1987 г, 215 стр. [5]. Френдриков Н.М,“Методы расчетов боевой эффективности вооружения” , М.Воениздат, 1974 г,135 стр. ABSTRACT SURVEY OF EFFECTIVENESS MANEUVER MOBILE FORM TO PASS MISSLE FIRE ANTI - AIRCRAFT ARTILLERY SYSTEMS ON THE SHIP Based on the simulation of Monte – carlo experimental simulation, this paper presents the results of survey of maneuver effectiveness to pass missile fire anti – aircraft systems on the ship. From the survey results, we can put forward recommendations on building parameters – technical strategic when designing of fire anti – aircraft due to enhance combat effectiveness. Keywords: The anti-aircraft artillery system, Anti-ship missiles. Nhận bài ngày 13 tháng 04 năm 2015 Hoàn thiện ngày 09 tháng 06 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 6 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Tên lửa - Viện Khoa học và công nghệ quân sự; *Email: hanhhoan@yahoo.com 2Viện Điện tử - Viện Khoa học và công nghệ quân sự.