邢繼娟，李偉，葉豐

(復(fù)雜系統(tǒng)仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室總體實(shí)驗(yàn)室，北京100101)

1 高超聲速飛行器發(fā)展研究

高超聲速飛行器，是指飛行馬赫數(shù)等于或大于5、能在大氣層和跨大氣層中實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)程飛行的飛行器。高超聲速飛行器所具有的全球?qū)崟r(shí)偵察、快速部署、遠(yuǎn)程精確打擊、攻擊目標(biāo)范圍廣等能力，更能適應(yīng)未來高節(jié)奏作戰(zhàn)的需要，有可能改變未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)樣式，具有極高的軍事應(yīng)用價(jià)值，是當(dāng)今世界各主要國家武器研制的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。

當(dāng)前，高超聲速技術(shù)研究已從20世紀(jì)90年代的原理探索階段，進(jìn)入了以高超聲速飛行器為應(yīng)用背景的先期技術(shù)開發(fā)階段。按照美國提出的技術(shù)成熟度等級(jí)，美國超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到第6級(jí)，計(jì)劃2015～2020年基本完成高超聲速巡航導(dǎo)彈的研制，從而達(dá)到武器裝備應(yīng)用階段(TIL-9)。此后，以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的高超聲速飛機(jī)和空天飛機(jī)也將投入使用。

預(yù)計(jì)美國將在2015年前后開始部署使用高超聲速巡航導(dǎo)彈。高超聲速飛機(jī)可能在2025～2035年投入使用，空天飛機(jī)則可能在2040年后投入使用。

2 高超聲速巡航導(dǎo)彈的作戰(zhàn)特點(diǎn)

高超聲速巡航導(dǎo)彈(以下簡稱高超巡)具有高速度、高精度、隱形化的特點(diǎn)，一改目前亞音速巡航導(dǎo)彈(以下簡稱亞巡)飛行高度低、速度低，易被發(fā)現(xiàn)和攔截的現(xiàn)狀。慣以攔截亞巡的典型多層攔截防御系統(tǒng)，難以對(duì)高超巡奏效。高超巡將成為戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用兼?zhèn)涞男滦瓦h(yuǎn)程精確打擊武器。

相對(duì)于彈道導(dǎo)彈，高超巡的飛行彈道難以預(yù)測;相對(duì)于亞巡，高超巡具有更快速的打擊能力，更高的突防能力和穿透能力。再者，高超巡能夠攻擊亞巡難以奏效的目標(biāo)，如深埋地下的戰(zhàn)略目標(biāo)、航空母艦編隊(duì)、彈道導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)發(fā)射架等高價(jià)值目標(biāo)，以及活動(dòng)目標(biāo)和時(shí)間敏感目標(biāo)。

高超巡的典型飛行可分為助推段、高空巡航段、俯沖段，如圖1所示。空基發(fā)射方式下，高超巡下掛在超音速轟炸機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)上，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到速度1.5Ma、高度10km左右時(shí)，水平彈射高超巡，高超巡被助推并按預(yù)定方案加速爬升，至6Ma、30km高空時(shí)，助推器工作結(jié)束(陸基、海基發(fā)射方式，由火箭助推器直接發(fā)射高超巡)，進(jìn)入巡航段。在高空巡航段，導(dǎo)彈一、二級(jí)分離，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，調(diào)整飛行姿態(tài)，進(jìn)入高空巡航狀態(tài)，巡航飛行接近目標(biāo)，進(jìn)入俯沖段。在俯沖段，高超巡達(dá)到預(yù)定目標(biāo)區(qū)域時(shí)，開始俯沖，目標(biāo)進(jìn)入導(dǎo)引頭探測距離范圍時(shí)開啟導(dǎo)引頭，通過導(dǎo)引不斷調(diào)整飛行彈道，直到實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊。

高超巡具有以下作戰(zhàn)特點(diǎn):

(1)快速打擊能力強(qiáng)。高超巡憑借其高速度，在很短時(shí)間(10分鐘左右)內(nèi)就能夠打擊近千公里之外的目標(biāo)，作戰(zhàn)時(shí)間可大幅縮短，提高武器進(jìn)攻的突然性和有效性，加快戰(zhàn)爭進(jìn)程。美國國防部認(rèn)為，高超聲速巡航導(dǎo)彈，可在兩小時(shí)內(nèi)從本土直接打擊全球任何地點(diǎn)，將大幅提升美軍“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的軍事能力。

(2)突防概率高。高超巡的高速特性與隱身特性相結(jié)合，將縮短敵方雷達(dá)探測距離和防空武器系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，使其有效攔截區(qū)域減小，常用的多層攔截技術(shù)難以奏效，只能以末端攔截或點(diǎn)防御攔截為主，攔截概率大幅下降。

(3)可有效摧毀高價(jià)值目標(biāo)。高超巡巨大的動(dòng)能有很強(qiáng)的穿透力，在命中目標(biāo)時(shí)，能有效地提高對(duì)重要目標(biāo)(加固目標(biāo)、深埋地下目標(biāo))的殺傷能力。

3 高超巡的攻防對(duì)抗仿真系統(tǒng)構(gòu)建

在當(dāng)前日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境下，建立高超巡防對(duì)抗仿真系統(tǒng)，對(duì)作戰(zhàn)過程的預(yù)警、攔截、突防等環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，選取典型的作戰(zhàn)環(huán)境以及武器裝備的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)，基于仿真評(píng)估高超巡在對(duì)抗作戰(zhàn)環(huán)境下的突防能力，為高超巡作戰(zhàn)效能評(píng)估以及攻擊策略等作戰(zhàn)運(yùn)用研究提供支撐。

3.1 作戰(zhàn)想定

為了便于研究高超巡的作戰(zhàn)效能，以高超巡攻擊相距600km遠(yuǎn)的敵方某地面目標(biāo)為算例(不考慮發(fā)射平臺(tái))，其巡航速度為5Ma、巡航高度30km。敵方防御系統(tǒng)在上級(jí)統(tǒng)一指揮下，有預(yù)警衛(wèi)星、遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的信息支援，對(duì)高超巡進(jìn)行預(yù)警探測，并采用先進(jìn)防空導(dǎo)彈進(jìn)行攔截。

設(shè)置武器系統(tǒng)的典型參數(shù)如下:

高超巡:RCS≤0.2m2，CEP為5m，巡航段橫向過載6g，俯沖段橫向過載15g。

防空導(dǎo)彈:參照PAC-II相關(guān)參數(shù)，最大攔截高度20km，最小攔截高度300m，最大攔截距離50km，最小攔截距離500m，最大飛行速度6～7Ma，機(jī)動(dòng)過載能力A攔為14g。

預(yù)警衛(wèi)星:參照天基紅外預(yù)警衛(wèi)星(SBIRS-H)相關(guān)參數(shù)，飛行高度35860km，掃描型探測器周期為9s，凝視型探測器周期為2s，紅外探測器波長(λ)為2.7μm和4.3μm，虛警概率1×10-6。

雷達(dá):參照鋪路爪雷達(dá)(FPS-115出口型)相關(guān)參數(shù)，探測距離1100km(RCS=0.1m2)，虛警概率1×10-6。雙陣面覆蓋范圍240°，陣面夾角60°，仰角覆蓋3°～85°，掃描周期6s、跟蹤周期2s。

對(duì)于600km的距離，亞巡飛行時(shí)間約36min，高超巡的飛行時(shí)間約為6min，彈道導(dǎo)彈的飛行時(shí)間大約是10min。

3.2 預(yù)警模型

3.2.1 預(yù)警衛(wèi)星模型

在同步衛(wèi)星紅外探測器與目標(biāo)距離較遠(yuǎn)且背景充滿視場面源的情況下，將目標(biāo)看成一個(gè)點(diǎn)源，用探測距離、大氣衰減、探測視場角和探測概率四個(gè)指標(biāo)衡量從復(fù)雜強(qiáng)背景下檢測出點(diǎn)目標(biāo)的效果。(1)探測距離。目標(biāo)到衛(wèi)星的距離應(yīng)小于衛(wèi)星的最大紅外探測距離Rs0。

式(1)中，γ為脈沖能見度系數(shù)，C為單個(gè)探測器元件的數(shù)目，Ω'為搜索速率，T為等效幀時(shí)間。

(2)大氣層高度門限。由于紅外探測器與目標(biāo)距離遠(yuǎn)，在幾萬公里高空，目標(biāo)的紅外特征經(jīng)大氣有衰減，模型難以建立，數(shù)據(jù)難以獲取，所以通常以稠密大氣層高度(30km)為門限。

(3)探測視場角。探測器的視場角為A，由于探測器的光軸與紅外探測器望遠(yuǎn)鏡軸線不重合，存在夾角B，會(huì)形成一個(gè)視場盲區(qū)C，如圖2所示，當(dāng)目標(biāo)與衛(wèi)星軸線的夾角處于(C、(A+C))之間時(shí)，才可能被發(fā)現(xiàn)。

(4)目標(biāo)探測概率。紅外成像系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的探測可以近似作為窄帶系統(tǒng)處理，從信號(hào)檢測理論角度考慮，可利用二元信號(hào)檢測理論建立探測概率計(jì)算模型。探測概率是n次掃描有m次及m次以上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率，探測概率Pd表達(dá)式為:

式(2)中，Pg為每次掃描發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率，稱為瞥概率。

3.2.2 遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)模型

式(3)中，Pt為雷達(dá)發(fā)射功率(150kw)，Gt(θ，φ)為雷達(dá)天線增益(38.4db)，為最小信噪比(2)，λ為雷達(dá)波長(0.7m)，K1為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23W·S/K)，BN為濾波器噪聲帶寬(1×105Hz)，TS為接收系統(tǒng)噪聲溫度(290K)，L為系統(tǒng)的損耗系數(shù)。

由于地表表面彎曲，雷達(dá)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)探測盲區(qū)，該盲區(qū)的高界即為雷達(dá)探測的最低可見高度。對(duì)應(yīng)于目標(biāo)距離d的最低可見高度為:

式(4)中，R為地球半徑，β0為雷達(dá)下盲角，ho為雷達(dá)天線架高，顯然，當(dāng)目標(biāo)高度低于h1就不通視。同樣，由于地球曲率影響，雷達(dá)會(huì)因此產(chǎn)生一個(gè)最大通視距離，當(dāng)目標(biāo)飛行高度為H時(shí)，用雷達(dá)偵察通視的最大距離可以按式(5)計(jì)算:

經(jīng)過仿真計(jì)算，得到預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警雷達(dá)、預(yù)警機(jī)對(duì)亞巡、高超巡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的預(yù)警情況見表1。

表1 預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警雷達(dá)、預(yù)警機(jī)對(duì)亞巡、高超巡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間

3.3 突防模型

由于超高巡飛行速度快，其突防能力主要與攔截次數(shù)、突防概率有關(guān)。這里重點(diǎn)討論攔截次數(shù)、突防概率的建模。

3.3.1 被攔截次數(shù)模型

超高巡的巡航段和俯沖段是敵方防空導(dǎo)彈實(shí)施攔截的最佳時(shí)機(jī)。超高巡巡航段的攔截示意圖如圖3所示。經(jīng)推導(dǎo)，敵方防空導(dǎo)彈在超高巡巡航段對(duì)其的攔截次數(shù)為:

式(6)中，Vd=VD·cosθ1表示防空導(dǎo)彈平均飛行速度的水平分量，λv=表示防空導(dǎo)彈平飛速度與高超巡的速度比。Nm是防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)的覆蓋范圍和防空導(dǎo)彈與高超巡兩者速度比的函數(shù)，Nm隨著速度比λv的變小，亦即高超巡速度的增加而下降。

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如圖4所示，如果高超巡在20～25km巡航，被攔截的次數(shù)小于2次，隨著高度的增加，被攔截次數(shù)在減少。

通常，在超高巡巡航段，由于其高速，防空導(dǎo)彈只能實(shí)施1次攔截?，F(xiàn)假設(shè)高超巡在巡航段、俯沖段內(nèi)各遭受1次攔截。

3.3.2 突防模型

巡航段高超巡的突防概率P巡航段=1-Kt

式(7)中，Kt為防空導(dǎo)彈對(duì)超高巡的殺傷概率，Dt為搜索跟蹤雷達(dá)對(duì)超高巡的探測概率，It為截?fù)粢龑?dǎo)雷達(dá)的引導(dǎo)概率，Ct為敵方指控系統(tǒng)的指揮效率，αt為防空導(dǎo)彈的可靠發(fā)射概率，γt為防空導(dǎo)彈的飛行可靠率，ωt為防空導(dǎo)彈的單發(fā)殺傷概率，nt為防空導(dǎo)彈一次發(fā)射彈的數(shù)量，βt為防空導(dǎo)彈相對(duì)高超巡的命中概率。

其中，βt是影響高超巡突防的主要因素，從概率上講，βt是在非機(jī)動(dòng)條件下的命中概率βt0和機(jī)動(dòng)時(shí)的捕獲概率βt1的乘積，即為βt=βt0·βt1，依據(jù)國外資料參考文獻(xiàn)介紹βt0=0.8～0.85。高超巡實(shí)施機(jī)動(dòng)的原則有二:一是機(jī)動(dòng)時(shí)刻選擇在距離可能被攔截的時(shí)刻盡量短，以使得攔截導(dǎo)彈不能多次機(jī)動(dòng);二是選擇在能離開預(yù)計(jì)命中點(diǎn)足夠的距離，以確保不被命中。βt1與高超巡、攔截導(dǎo)彈的速度、過載等有很大關(guān)系，建立βt1與高超巡方向轉(zhuǎn)角、攔截彈方向轉(zhuǎn)角、攔截彈機(jī)動(dòng)過載因素的模型(略)，經(jīng)仿真計(jì)算得到捕獲概率βt1與攔截彈過載等的關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示。最佳機(jī)動(dòng)捕獲概率為βt1=0.1。

(1)巡航段突防概率。Dt、It、Ct取值0.9，αt、γt取值0.98。ωt取值0.8，nt取值2，βt0取值0.8，βt1為0.1，因此βt取值0.08，得Kt=0.087。

(2)俯沖段突防概率。經(jīng)計(jì)算，得出高超巡在俯沖段的被殺傷概率Ktt=0.085。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 高超巡對(duì)目標(biāo)的毀傷能力

高超巡突防概率為P高超巡=(1-Kt)(1-Ktt)=(1-0.087)×(1-0.085)=0.835，計(jì)算得亞巡的突防概率為P亞巡=0.37，高超巡突防概率是亞巡的2.25倍。

高超巡對(duì)目標(biāo)的擊毀概率，有:P擊毀=P發(fā)現(xiàn)·P指揮·P可靠·P突防·P毀傷·P反干擾，其中，P發(fā)現(xiàn)是高超巡對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，P指揮是高超巡指揮成功概率，P可靠是高超巡可靠概率，P突防是高超巡的突防概率，P反干擾是高超巡反干擾概率，P毀傷是高超巡命中目標(biāo)時(shí)對(duì)目標(biāo)的毀傷概率。參照有關(guān)專家的建議，P發(fā)現(xiàn)取值0.95，P指揮取值0.95，P可靠取值0.98，P反干擾取值1.0，P毀傷取值0.98。計(jì)算P突防得0.835，P擊毀=0.95×0.95×0.98×0.835×1.0×0.98=0.723。

分析得出以下結(jié)論:

(1)防御系統(tǒng)對(duì)高超巡的攔截時(shí)間短、攔截次數(shù)有限，高超巡對(duì)目標(biāo)的毀傷能力強(qiáng)。受防空導(dǎo)彈射程、射高的限制，通常在高超巡的巡航段只有1次攔截機(jī)會(huì);而亞巡由于速度慢、巡航高度較低，防空導(dǎo)彈對(duì)其防御時(shí)間較長，被攔截次數(shù)幾乎是高超巡的7倍。高超巡的突防概率較高，是亞巡的5～7倍。

(2)防御系統(tǒng)可攔截高超巡的武器較少。飛機(jī)、地空導(dǎo)彈、高炮等組成的多層防御系統(tǒng)能對(duì)亞巡奏效;僅有PAC-II、PAC-III、標(biāo)準(zhǔn)-III(SA-3)等較先進(jìn)的防空導(dǎo)彈具有攔截高超巡的可能性。

4.2 預(yù)警系統(tǒng)對(duì)高超巡的預(yù)警能力

防御系統(tǒng)對(duì)高超巡的探測能力按概率值已體現(xiàn)在P高超巡中，并做了分析。這里詳細(xì)對(duì)比分析預(yù)警衛(wèi)星、遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)、預(yù)警機(jī)對(duì)高超巡、亞巡、戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的預(yù)警探測能力。

根據(jù)表1分析結(jié)果如下:

(1)預(yù)警機(jī)的飛行高度通常小于10km，只能對(duì)亞巡進(jìn)行預(yù)警，高超巡、戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的飛行高度大于10km，無法預(yù)警高超巡、戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈。

(2)防御系統(tǒng)對(duì)高超巡預(yù)警時(shí)間短。只有亞巡預(yù)警時(shí)間的1/7～1/6，且預(yù)警系統(tǒng)不能預(yù)報(bào)高超巡軌跡，不能判斷其攻擊目標(biāo)，造成防御范圍較大，對(duì)高超巡的攔截較困難。

因此，得出以下主要結(jié)論:

(1)預(yù)警衛(wèi)星對(duì)高超巡的預(yù)警能力(預(yù)警類型、預(yù)警時(shí)間)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)警機(jī)、預(yù)警雷達(dá)，特別是目前戰(zhàn)略威懾武器的有效預(yù)警手段，如果科學(xué)規(guī)劃預(yù)警衛(wèi)星的部署、提高載荷性能，預(yù)警目標(biāo)的類型、精度、時(shí)間等都將提高。

(2)隨著進(jìn)攻導(dǎo)彈速度的增加，傳統(tǒng)的多層防御系統(tǒng)幾近失效，應(yīng)該針對(duì)高超巡等高速進(jìn)攻武器，研究先進(jìn)防空導(dǎo)彈(如PAC-II、PAC-III、標(biāo)準(zhǔn)-III(SA-3)等的攔截技術(shù)。

這些數(shù)據(jù)和結(jié)論是在設(shè)定的條件下得到的，必然存在一定的局限性和不足，懇請(qǐng)批評(píng)指正。

1 閻代維，谷良賢，管千山，等.高超聲速巡航導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能建模與評(píng)估［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007，28(6):725-729.

2 孫平.空射高超聲速巡航導(dǎo)彈對(duì)地作戰(zhàn)效能分析［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2006.

3 閻代維，谷良賢，徐宏林，等.高超聲速巡航導(dǎo)彈攻防對(duì)抗仿真研究［J］.飛行力學(xué)，2007，25(3):92-95.