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臨近空間高超聲速目標(biāo)防御技術(shù)需求分析*1

劉超峰，王谷，張珍銘，陳鳳，柳揚(yáng)，梅小寧

(上海機(jī)電工程研究所，上海201109)

摘要：從臨近空間高超聲速武器目標(biāo)特性出發(fā)，分析了臨近空間導(dǎo)彈攻防特性，討論了對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)防御中防空導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和不足。從中牽引出臨近空間高超聲速目標(biāo)攔截系統(tǒng)的各個(gè)專業(yè)的技術(shù)需求，特別是對(duì)預(yù)警探測(cè)、導(dǎo)彈總體、制導(dǎo)控制等專業(yè)帶來(lái)的新問(wèn)題和新需求進(jìn)行了詳細(xì)分析。這些技術(shù)需求可以供臨近空間防御能力建設(shè)和相關(guān)技術(shù)專業(yè)建設(shè)參考。

關(guān)鍵詞：臨近空間；防御系統(tǒng)；技術(shù)需求分析；高超聲速飛行器；快速打擊武器；導(dǎo)彈設(shè)計(jì)

0引言

新世紀(jì)以來(lái)，臨近空間高超聲速飛行器技術(shù)在世界各軍事強(qiáng)國(guó)重視和推進(jìn)下快速發(fā)展。2014年，為了加速將高超聲速飛行器研究成果向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，美軍將新一代高超聲速X飛行器(hyper-X, HX)計(jì)劃調(diào)整為高超聲速吸氣式武器概念(hypersonic air-breathing weapon concept, HAWC)計(jì)劃和戰(zhàn)術(shù)助推滑翔(tactical boosting-gliding, TBG)武器計(jì)劃，以滿足美軍防區(qū)外快響應(yīng)打擊能力的需求。臨近空間高超聲速武器預(yù)計(jì)在未來(lái)5～10年成為實(shí)施遠(yuǎn)程快速精確打擊的空天核心裝備。

臨近空間快速打擊武器是一種對(duì)抗傳統(tǒng)防空反導(dǎo)防御系統(tǒng)的新型武器。區(qū)別于彈道導(dǎo)彈和常規(guī)航空區(qū)巡航導(dǎo)彈的突防和攻擊方式，臨近空間快速打擊武器具有飛行速度快、橫向機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、在線軌跡規(guī)劃靈活、末端大俯沖打擊能力強(qiáng)、毀傷威力大、對(duì)防御系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間大幅壓制等特點(diǎn)，使得這類武器能夠更加有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)再入、威脅規(guī)避和精確制導(dǎo)。

由于傳統(tǒng)防空反導(dǎo)武器難以對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)進(jìn)行有效攔截，研究針對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)的防御技術(shù)意義重大。本文試圖從防空導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的各個(gè)專業(yè)討論對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)防御的難點(diǎn)和不足，并牽引出臨近空間高超聲速目標(biāo)攔截系統(tǒng)的技術(shù)需求，以供臨近空間防御能力建設(shè)和相關(guān)技術(shù)專業(yè)建設(shè)參考。

1臨近空間高超聲速目標(biāo)防御軍事需求分析

1.1臨近空間快速打擊武器目標(biāo)特性

臨近空間是指距海平面20～100 km的空域，介于傳統(tǒng)航空器最高飛行空域與軌道航天器最低飛行空域之間，包括大氣平流層(高度12～50 km)的大部分區(qū)域、中間層(高度50～80 km)和部分電離層區(qū)域(高度60～100 km)。臨近空間飛行器分為低動(dòng)態(tài)飛行器和高動(dòng)態(tài)飛行器。主要的高動(dòng)態(tài)目標(biāo)按運(yùn)行方式可以分為：高超聲速巡航導(dǎo)彈(如X-51A)、再入滑翔和助推滑翔(TBG，如HTV-2和AHW)以及空天飛機(jī)(如X-37B)等。

臨近空間環(huán)境特性對(duì)臨近空間高超聲速飛行器存在不同方面、不同層次的約束作用。由于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作的條件限制，臨近空間高超聲速巡航導(dǎo)彈的巡航高度一般在18～24 km左右，巡航Ma數(shù)在5～6之間。臨近空間高超聲速滑翔導(dǎo)彈的滑翔高度與射程相關(guān)，一般比巡航導(dǎo)彈高。無(wú)論是高超聲速巡航導(dǎo)彈還是高超聲速滑翔飛行器，其航跡規(guī)劃和俯沖點(diǎn)的選擇除了需要滿足精確打擊的作戰(zhàn)目標(biāo)要求外，還需要滿足多個(gè)再入飛行軌跡約束條件，包括過(guò)載、熱流率、總加熱量、最大表面溫度、動(dòng)壓、配平升阻比等約束，這些約束條件限制了高超聲速飛行器的飛行高度和速度。通過(guò)調(diào)研和分析，表1給出了以X-51A，AHW和HTV-2為代表的2類臨近空間快速打擊武器的參考目標(biāo)特性[1-8]。(注：由于目標(biāo)仍處于發(fā)展和試驗(yàn)階段，不同出處的文獻(xiàn)中幾個(gè)典型目標(biāo)的目標(biāo)特性數(shù)值可能略有差異，表格中數(shù)值僅為參考)

1.2現(xiàn)有防空反導(dǎo)裝備不滿足臨近空間防御迫切需求

國(guó)外已部署的典型防御系統(tǒng)中，有可能用于臨近空間高超聲速目標(biāo)防御的系統(tǒng)有：美國(guó)陸基的戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(PAC-3/Erint)、宙斯盾武器系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)系列攔截彈)、末段高層區(qū)域防御系統(tǒng)(THAAD)、歐洲防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)和反導(dǎo)武器系統(tǒng)(Aster-30)、俄羅斯凱旋防空導(dǎo)彈系統(tǒng)(S-400)等，其中PAC-3和Aster-30攔截高度小于20～24 km，THAAD的攔截空域?yàn)?0～150 km(注：有文獻(xiàn)報(bào)道為30～150 km)，標(biāo)準(zhǔn)-6的攔截空域則為70～370 km的大氣層內(nèi)高空到大氣層外的廣闊空域[9]，中間存在20～40 km間斷的空白區(qū)域，而這一區(qū)域正是高超聲速武器快速發(fā)展的區(qū)域。表2給出了較高RCS條件下某防空系統(tǒng)攔截臨近空間高超聲速武器的仿真結(jié)果[10]?？梢钥吹剑F(xiàn)有防御系統(tǒng)難以適應(yīng)臨近空間高超聲速目標(biāo)的飛行特性。

分析臨近空間防御難點(diǎn)，現(xiàn)有防御系統(tǒng)對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)攔截存在的不足為：

(1) 預(yù)警探測(cè)能力不足

臨近空間高速飛行器比傳統(tǒng)的巡航導(dǎo)彈、作戰(zhàn)飛機(jī)目標(biāo)RCS小、飛行速度快，比彈道導(dǎo)彈飛行高度低。如果使用現(xiàn)有的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)預(yù)警探測(cè)體系進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，小RCS加上超高速度導(dǎo)致防空雷達(dá)的探測(cè)威力下降，留給攔截導(dǎo)彈的反應(yīng)時(shí)間會(huì)很短。加上通過(guò)雷達(dá)組網(wǎng)、浮空雷達(dá)、預(yù)警機(jī)、低軌衛(wèi)星等手段組網(wǎng)探測(cè)時(shí)間，以及反導(dǎo)系統(tǒng)通訊、評(píng)估、決策等時(shí)間，臨近空間攔截系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)間不超過(guò)10 min。而X-51A的工作時(shí)間為800 s左右，這留給攔截系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間更短，防御響應(yīng)時(shí)間受到大幅壓制。

(2) 制導(dǎo)控制能力不足

由于臨近空間目標(biāo)高速飛行，常規(guī)防空武器地面的制導(dǎo)雷達(dá)和導(dǎo)引頭對(duì)其穩(wěn)定跟蹤將面臨困難。由于臨近空間空氣稀薄，舵面效應(yīng)急劇降低，導(dǎo)彈控制時(shí)間常數(shù)增加，無(wú)法提供導(dǎo)彈所需操作力矩，導(dǎo)致導(dǎo)彈無(wú)法按照導(dǎo)引律要求的彈道飛行，逐漸偏離理想彈道，最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)中末制導(dǎo)，即使勉強(qiáng)交班也會(huì)因?yàn)橹茖?dǎo)誤差過(guò)大而無(wú)法擊中目標(biāo)。對(duì)于末段有直接力的攔截武器，由于直接力控制燃料受質(zhì)量限制，也不能長(zhǎng)時(shí)間提供足夠的過(guò)載。

(3) 攔截速度和機(jī)動(dòng)不足

現(xiàn)役攔截導(dǎo)彈的平均速度約在1 000～1 500 m/s范圍，而高超聲速目標(biāo)的速度在1 800 m/s以上，若按照比例導(dǎo)引律攔截，需要導(dǎo)彈速度大于目標(biāo)速度1.2倍以上，這樣導(dǎo)彈的末速應(yīng)該在2 200 m/s以上，現(xiàn)役大多數(shù)地空導(dǎo)彈無(wú)法滿足要求。同時(shí)，采用追蹤目標(biāo)的導(dǎo)引規(guī)律通常要求導(dǎo)彈具備相對(duì)于目標(biāo)機(jī)動(dòng)能力3倍的可用過(guò)載，而臨近空間30 km高度的高超聲速巡航導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過(guò)載可達(dá)2左右，在臨近空間空氣動(dòng)力有限的情況下，需要側(cè)向直接力來(lái)填補(bǔ)需用過(guò)載的缺口。

(4) 攔截毀傷能力不足

臨近空間高超聲速飛行器長(zhǎng)時(shí)間大機(jī)動(dòng)飛行，目標(biāo)軌跡難以預(yù)測(cè)，使用末端反導(dǎo)武器只能攔截機(jī)動(dòng)能力較小的彈道式目標(biāo)，難以對(duì)高超聲速目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)能碰撞殺傷。若使用破片式戰(zhàn)斗部導(dǎo)彈， 由于引戰(zhàn)配合需要一定時(shí)間，無(wú)法對(duì)相對(duì)速度超過(guò)3 000 m/s的目標(biāo)進(jìn)行有效毀傷。此外， 目前彈道導(dǎo)彈再入角度基本在60o內(nèi)，而臨近空間高超聲速巡航彈采用天頂攻擊，落地角80°～90°。受交會(huì)角的約束，攔截系統(tǒng)的攔截空域相對(duì)彈道導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)等目標(biāo)大大減小。

表1　典型臨近空間高超聲速參考目標(biāo)特性

表2　現(xiàn)有某防空系統(tǒng)在不同條件下高超聲速武器被攔截概率

2臨近空間高超聲速目標(biāo)防御作戰(zhàn)設(shè)想

臨近空間高超聲速武器的作戰(zhàn)樣式特殊且靈活，并且臨近空間高超聲速武器裝備仍在發(fā)展的過(guò)程中，它的作戰(zhàn)理論也在發(fā)展中。一般而言，臨近空間高超聲速武器的作戰(zhàn)樣式可以分為單機(jī)作戰(zhàn)和聯(lián)合作戰(zhàn)，單機(jī)作戰(zhàn)可以作為直接攻擊武器搭載平臺(tái)、投射導(dǎo)彈或彈頭武器搭載平臺(tái)、作為C4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,reconnaissance,信息通訊指揮攻擊系統(tǒng))平臺(tái)使用平臺(tái)、作為空間載荷平臺(tái)和運(yùn)輸平臺(tái)。以高超聲速巡航導(dǎo)彈X-51A直接攻擊地面高價(jià)值目標(biāo)為例子，高超聲速武器進(jìn)攻過(guò)程主要包括發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程目標(biāo)、制定作戰(zhàn)計(jì)劃、數(shù)據(jù)裝載、發(fā)射階段、高速巡航、俯沖攻擊和打擊效果評(píng)估7個(gè)階段[11]。

防御臨近空間高超聲速目標(biāo)，可以在其飛行的助推段、慣性段、動(dòng)力巡航段或無(wú)動(dòng)力滑翔段以及下壓攻擊段進(jìn)行攔截。由于臨近空間高超聲速飛行器慣性飛行段往往處于數(shù)千甚至上萬(wàn)km之外，且飛行時(shí)間只有十幾min，攔截武器系統(tǒng)需要在短短十幾min的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成預(yù)警、目標(biāo)鎖定、變軌機(jī)動(dòng)攻擊，反應(yīng)時(shí)間不足，技術(shù)難度大。在滑翔/跳躍段的中末段，由于精確制導(dǎo)和多個(gè)俯沖再入約束條件的限制，臨近空間目標(biāo)的高度和速度均有所下降。相對(duì)而言，動(dòng)力巡航段或無(wú)動(dòng)力滑翔段攔截留給攔截系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間多，是一個(gè)可以選擇的攔截時(shí)機(jī)。表3比較了各階段攔截的優(yōu)缺點(diǎn)[12-16]。

為了研究臨近空間攻防技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)需求，本文以攔截動(dòng)力巡航段/無(wú)動(dòng)力滑翔段的臨近空間高超聲速目標(biāo)開展研究。攔截巡航段/滑翔段的臨近空間高超聲速目標(biāo)的一個(gè)主要作戰(zhàn)過(guò)程想定如下：

(1) 由預(yù)警衛(wèi)星、空基預(yù)警平臺(tái)等預(yù)警探測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)的預(yù)警探測(cè)與跟蹤，并向目標(biāo)指示雷達(dá)提供信息。

(2) 目標(biāo)指示雷達(dá)截獲目標(biāo)，通過(guò)指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行威脅判斷，確認(rèn)威脅目標(biāo)后，引導(dǎo)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)捕獲目標(biāo)。

(3) 跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)捕獲目標(biāo)后，對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確跟蹤，并提供給火力控制系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射諸元解算，控制導(dǎo)彈發(fā)射。

(4) 導(dǎo)彈發(fā)射后，跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)繼續(xù)跟蹤目標(biāo)，通過(guò)指令數(shù)據(jù)鏈設(shè)備向?qū)椞峁┬拚噶?，控制?dǎo)彈實(shí)現(xiàn)中制導(dǎo)飛行。

(5) 當(dāng)導(dǎo)彈進(jìn)入末制導(dǎo)前，進(jìn)行中末制導(dǎo)交班，確保彈上末制導(dǎo)設(shè)備截獲并跟蹤目標(biāo)，通過(guò)直氣復(fù)合控制修正制導(dǎo)誤差，在規(guī)定的脫靶量?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)的交會(huì)，并對(duì)其進(jìn)行有效毀傷。

3臨近空間高超聲速目標(biāo)防御技術(shù)需求分析

3.1預(yù)警探測(cè)技術(shù)需求

臨近空間高超飛行器速度快、射程遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)這類目標(biāo)需要遠(yuǎn)距離、大空域防御或攔截。通常系統(tǒng)的預(yù)警探測(cè)能力要達(dá)到1 000 km以上，才能贏得必要的作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間。因此，對(duì)于反臨近預(yù)警探測(cè)可采用前置的或多平臺(tái)的(天基、空基、地基和?；?傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)警、探測(cè)，提高早預(yù)警早發(fā)現(xiàn)能力。

表3　臨近空間高速目標(biāo)各飛行階段攔截優(yōu)劣

單部地基雷達(dá)由于地球曲率限制不能滿足有效攔截作戰(zhàn)的需求。如果需要達(dá)到1 000 km的最大探測(cè)距離，則需要增大探測(cè)制導(dǎo)平臺(tái)的高度。

臨近空間電離層環(huán)境和高速飛行等離子體效應(yīng)可能對(duì)高超聲速目標(biāo)的探測(cè)存在影響。按照對(duì)離解、電離劃定標(biāo)準(zhǔn)的定性的分析估計(jì)，當(dāng)Ma<10時(shí)，繞流流場(chǎng)基本沒(méi)有電離發(fā)生，主要是離解反應(yīng)，因而流場(chǎng)中的電子、離子分量將很小。因此，Ma數(shù)為10是繞流流場(chǎng)電離狀態(tài)由弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。根據(jù)多個(gè)通訊頻段的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為在電離層60 km以下，飛行Ma數(shù)在10以下的高超聲速目標(biāo)在飛行過(guò)程中無(wú)“黑障”現(xiàn)象，且飛行中產(chǎn)生的等離子體不會(huì)使得目標(biāo)的RCS(radar cross section,雷達(dá)散射截面)減小。

由于高超聲速飛行器的等離子體鞘套繞流流場(chǎng)具有極高的溫度，紅外特性非常明顯；此外，由于光波和太赫茲波頻率遠(yuǎn)高于高速目標(biāo)等離子體碰撞頻率，受等離子體鞘套的吸收較弱，能夠幾乎無(wú)損失地穿過(guò)等離子體鞘套探測(cè)目標(biāo)，因此從理論分析和飛行試驗(yàn)上來(lái)看，紅外、激光雷達(dá)和太赫茲波雷達(dá)有望成為探測(cè)臨近空間高速飛行器的有效手段。若要對(duì)覆蓋等離子體鞘套的高超聲速飛行器進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，需要模擬較真實(shí)的飛行器等離子體鞘套，研究其紅外輻射特性、激光雷達(dá)散射特性和太赫茲波雷達(dá)散射特性，為探測(cè)和識(shí)別提供依據(jù)。

表4比較了4種預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)用于臨近空間高超聲速目標(biāo)預(yù)警和探測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2指揮控制技術(shù)需求

傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈是以火力單元為基本作戰(zhàn)組合進(jìn)行防空作戰(zhàn)，防空導(dǎo)彈火力單元內(nèi)指揮控制系統(tǒng)、制導(dǎo)雷達(dá)、發(fā)射裝置和導(dǎo)彈等各作戰(zhàn)裝備之間存在著固定的隸屬關(guān)系，不同火力單元內(nèi)的作戰(zhàn)裝備不能進(jìn)行相互操作。隨著現(xiàn)代空襲的體系化、網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力的提升，傳統(tǒng)的防空導(dǎo)彈指揮控制系統(tǒng)面臨著巨大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：①網(wǎng)絡(luò)化能力弱，無(wú)法發(fā)揮武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)；②戰(zhàn)場(chǎng)生存能力低，抗毀能力弱，抗干擾能力弱。

表4　各種預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的比較

防御臨近空間高超目標(biāo)需要指揮控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的通訊、火力重組、資源共享、準(zhǔn)確識(shí)別、準(zhǔn)確發(fā)射參數(shù)裝訂、快速處理的全自動(dòng)管理能力，將空天領(lǐng)域已建的和未來(lái)要建立的各級(jí)各類空天信息指控系統(tǒng)和各種探測(cè)傳感器相互連接到一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)空天信息傳感器的一體化指揮控制和對(duì)空天信息的一體化管理與分發(fā)，實(shí)施統(tǒng)一指揮控制和火力控制。指揮控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以采用扁平化控制技術(shù)和寬帶通信技術(shù)，在系統(tǒng)間快速傳輸數(shù)據(jù)、快速?zèng)Q策處理和快速作戰(zhàn)效果評(píng)估，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)抗毀傷、自愈能力。

3.3導(dǎo)彈總體技術(shù)需求

臨近空間高動(dòng)態(tài)目標(biāo)具有兩大明顯的運(yùn)動(dòng)特征：高速和機(jī)動(dòng)。由于目標(biāo)高速使得傳統(tǒng)采用追蹤目標(biāo)的導(dǎo)引規(guī)律的防空導(dǎo)彈無(wú)法保證速度優(yōu)勢(shì)；由于機(jī)動(dòng)存在造成運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法精確預(yù)報(bào)，使得反彈道導(dǎo)彈所采用的逆軌攔截思路在臨近空間高超聲速目標(biāo)的攔截中受到很大局限性。因此，臨近空間攔截導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)的一個(gè)核心目標(biāo)就是在小彈目速比(速比可小于1)的條件下降低攔截導(dǎo)彈的需用過(guò)載。為了達(dá)到這一目標(biāo)，在總體設(shè)計(jì)方面首先要考慮良好的攔截策略和導(dǎo)引規(guī)律，如某種結(jié)合迎頭攔截策略和比例導(dǎo)引律的改進(jìn)算法。

臨近空間攔截導(dǎo)彈作戰(zhàn)對(duì)象多，作戰(zhàn)空域廣，要求攔截導(dǎo)彈必須具備良好的速度特性和質(zhì)量特性。更高的平均速度和末級(jí)速度可以提高導(dǎo)彈的響應(yīng)時(shí)間，降低導(dǎo)彈的需用過(guò)載；更小的導(dǎo)彈質(zhì)量可以提高采用軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的可用過(guò)載。在氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方面，有需求采用二級(jí)或多級(jí)設(shè)計(jì)以改善速度特性和質(zhì)量特性，并需要優(yōu)化設(shè)計(jì)平衡氣動(dòng)性能和操縱性能。在動(dòng)力設(shè)計(jì)方面，導(dǎo)彈快速響應(yīng)要求具備快速初始轉(zhuǎn)彎能力，同時(shí)更多的作戰(zhàn)任務(wù)需要多級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、多推力發(fā)動(dòng)機(jī)和多脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合運(yùn)用。在結(jié)構(gòu)防熱方面，攔截導(dǎo)彈雖然不存在如高超聲速目標(biāo)那樣復(fù)雜的熱管理需求，但仍需格外小心高溫特別是高加熱率的氣動(dòng)熱環(huán)境以及采用大功率導(dǎo)引頭后嚴(yán)酷的艙內(nèi)熱環(huán)境。最后，臨近空間攔截導(dǎo)彈應(yīng)考慮具備在較寬工作包絡(luò)線所需的可控性和魯棒性，要求導(dǎo)彈具備在相關(guān)環(huán)境的生存能力和毀傷能力，盡量采用簡(jiǎn)便的、靈活的、可替換的組成構(gòu)件。

3.4精確制導(dǎo)技術(shù)需求

臨近空間攔截導(dǎo)彈對(duì)高超聲速目標(biāo)的攔截距離遠(yuǎn)，在遠(yuǎn)距離飛行中，由于目標(biāo)的位置信息會(huì)發(fā)生變化，為確保導(dǎo)彈能夠被準(zhǔn)確引導(dǎo)到目標(biāo)附近，需要選擇合理復(fù)合制導(dǎo)體制以實(shí)現(xiàn)高概率交班和精確制導(dǎo)。

高超聲速目標(biāo)由于RCS小、速度大，留給攔截導(dǎo)彈的反應(yīng)時(shí)間很短，要求制導(dǎo)雷達(dá)的截獲距離足夠遠(yuǎn)。同時(shí)，當(dāng)目標(biāo)速度大時(shí)其飛行軌跡相對(duì)制導(dǎo)雷達(dá)有一定航路角的情況下，會(huì)導(dǎo)致制導(dǎo)雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)有一定的動(dòng)態(tài)滯后誤差，造成跟蹤質(zhì)量下降。因此，攔截導(dǎo)彈對(duì)制導(dǎo)雷達(dá)的需求應(yīng)是在低仰角條件下的遠(yuǎn)距離截獲能力、快速檢測(cè)能力和高精度連續(xù)跟蹤能力。

導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)能力取決于導(dǎo)彈在末制導(dǎo)段對(duì)于初、中制導(dǎo)的初始誤差的修偏能力，而這一能力取決于導(dǎo)彈末制導(dǎo)段的控制剛度。在迎頭攔截的過(guò)程中，由于彈目相對(duì)速度很大，需要增加末制導(dǎo)導(dǎo)引頭的作用距離以改善導(dǎo)彈的控制剛度。同時(shí)，還需求提高導(dǎo)引頭的測(cè)角精度(或角加速度精度)以降低比例導(dǎo)引律對(duì)攔截導(dǎo)彈的需用過(guò)載。

使用雷達(dá)導(dǎo)引頭可以獲得目標(biāo)距離信息或速度信息，缺點(diǎn)是體積大、質(zhì)量大。如果采用雷達(dá)相控陣導(dǎo)引頭，除了需要增加導(dǎo)引頭的作用距離和測(cè)角精度之外，還需要進(jìn)一步考慮相控陣解耦問(wèn)題、天線優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題和防熱設(shè)計(jì)問(wèn)題。光學(xué)導(dǎo)引頭在低空作用距離近，高空作用距離遠(yuǎn)，使用光學(xué)導(dǎo)引頭的優(yōu)點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、制導(dǎo)精度高，在不考慮目標(biāo)機(jī)動(dòng)的情況下可以滿足直接碰撞目標(biāo)的要求，但存在全天候能力和彈載環(huán)境適應(yīng)能力相對(duì)不足的問(wèn)題。如果采用光學(xué)導(dǎo)引頭，則除了考慮中末制導(dǎo)交班問(wèn)題外，還需要進(jìn)一步考慮氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)抑制及校正問(wèn)題，其中進(jìn)一步地包含湍流流場(chǎng)控制、頭罩或側(cè)窗隔熱和制冷以及在氣體輻射覆蓋本體和近距離輻射飽和條件下目標(biāo)分割問(wèn)題等。如果采用復(fù)合末制導(dǎo)技術(shù)，則需要考慮數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)、航跡關(guān)聯(lián)、航跡融合、目標(biāo)識(shí)別等問(wèn)題。

3.5精確控制技術(shù)需求

傳統(tǒng)導(dǎo)彈的快速響應(yīng)能力受制于彈體的固有特性，隨著導(dǎo)彈速度、飛行高度等參數(shù)變化而變化。導(dǎo)彈速度越低，攔截空域越高，彈體響應(yīng)越慢，在低空一般需要0.3 s左右，在中高空需要0.7 s～1.8 s左右，在高空需要2 s左右，而且高空空氣稀薄，無(wú)法產(chǎn)生足夠的升力和機(jī)動(dòng)過(guò)載能力。因此，臨近空間攔截導(dǎo)彈必須采用直接力(reaction control system, RCS)改善控制響應(yīng)時(shí)間，增加導(dǎo)彈可用過(guò)載。

直接力實(shí)現(xiàn)方式有姿控、軌控和姿軌控3種方式。軌控方式即為直接力操縱方式，要求橫向噴流裝置不產(chǎn)生力矩或產(chǎn)生的力矩足夠小。為了產(chǎn)生要求的直接力控制量，通常要求橫向噴流裝置具有較大的推力，并且希望將其放在質(zhì)心位置或離質(zhì)心較近的地方，以免產(chǎn)生繞質(zhì)心的干擾力矩。姿控方式要求橫向噴流裝置產(chǎn)生控制力矩，不以產(chǎn)生控制力為目的，但仍有一定的控制力作用?？刂屏馗淖兞藢?dǎo)彈的飛行攻角，因而改變了作用在彈體上的氣動(dòng)力。這種操縱方式不要求橫向噴流裝置具有較大的推力，但要能產(chǎn)生較大的繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，通常希望將其放在遠(yuǎn)離質(zhì)心的地方。

表5比較了一些主要現(xiàn)役型號(hào)的姿控、軌控和姿軌控直接力的使用方式和技術(shù)特點(diǎn)?？梢钥闯觯捎煤畏N直接力形式應(yīng)綜合考慮具體作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)環(huán)境。使用直接力牽引出來(lái)的需求包括噴流干擾流場(chǎng)影響分析、直氣復(fù)合控制策略等等。需要特別指出的是，作為臨近空間攔截導(dǎo)彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，直接力設(shè)計(jì)的成敗，不僅僅是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，更多的是總體優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如為了利用臨近空間有限空氣動(dòng)力與側(cè)向直接力復(fù)合，需要導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)在穩(wěn)定性和操縱性尋找最佳平衡點(diǎn)。此外，末制導(dǎo)段直接力控制為了避免噴流干擾和過(guò)載損失，以及臨近空間攔截導(dǎo)彈的引戰(zhàn)配合會(huì)對(duì)導(dǎo)彈的姿態(tài)角、彈目相對(duì)位置有一定的需求，進(jìn)而要求彈道、制導(dǎo)、控制之間相互協(xié)同。這些需要臨近空間攔截導(dǎo)彈進(jìn)行更深入的總體—制導(dǎo)—控制一體化設(shè)計(jì)。

3.6引戰(zhàn)技術(shù)需求

防空反導(dǎo)導(dǎo)彈殺傷方式有2種：戰(zhàn)斗部殺傷和直接碰撞殺傷?？紤]到臨近空間高超聲速目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性和軌跡不可預(yù)測(cè)性，很難采用直接碰撞殺傷。如果采用直接碰撞的殺傷方式，需要進(jìn)一步采用高制導(dǎo)精度的光學(xué)制導(dǎo)體制，并在導(dǎo)引規(guī)律上對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。

如果采用傳統(tǒng)破片式戰(zhàn)斗部對(duì)其進(jìn)行毀傷，則在彈目相對(duì)速度很大的情況下， 破片式戰(zhàn)斗部由于引信感知目標(biāo)到引爆戰(zhàn)斗部需要一定時(shí)間，采用定角引信不能在最佳時(shí)間起爆，降低戰(zhàn)斗部的殺傷性能，甚至出現(xiàn)導(dǎo)彈穿越目標(biāo)后才起爆。因此，臨近空間攔截導(dǎo)彈應(yīng)采用測(cè)距的制導(dǎo)/引信一體化(guidance integrated fuzing, GIF)設(shè)計(jì)技術(shù)，避開測(cè)速GIF引信在大相對(duì)速度時(shí)存在的多普勒盲區(qū)問(wèn)題，利用毫米波導(dǎo)引頭的毫秒級(jí)脈沖測(cè)距信息，實(shí)現(xiàn)引信的前向探測(cè)和高效的引戰(zhàn)配合，同時(shí)，臨近空間攔截導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部殺傷應(yīng)采用慢速釋放或有系留裝置的殺傷增強(qiáng)器，有利于降低系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間要求，提高對(duì)臨近空間高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的毀傷效果。

表5　直接力方式比較

4結(jié)束語(yǔ)

為了更好建設(shè)臨近空間防御能力，發(fā)展相關(guān)技術(shù)專業(yè)，本文從臨近空間高超聲速武器目標(biāo)特性、臨近空間導(dǎo)彈攻防特性出發(fā)，分析臨近空間高超聲速目標(biāo)防御的難點(diǎn)和不足，并詳細(xì)分析由此牽引出對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)攔截系統(tǒng)的技術(shù)需求。總體而言，高超聲速目標(biāo)防御系統(tǒng)或攔截導(dǎo)彈的技術(shù)難點(diǎn)存在于各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，難度大，集成度高，既需要各專業(yè)的技術(shù)攻關(guān)與技術(shù)進(jìn)步，更需要各專業(yè)的一體化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Technical Requirements Analysis of Air Defense System Intercepting Fast Attack Weapons in Near Space

LIU Chao-feng, WANG Gu, ZHANG Zhen-ming, CHEN Feng, LIU Yang, MEI Xiao-ning

(Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute, Shanghai 201109, China)

Abstract:In order to figure out the new problems and technical requirements of near space defense, the target characteristics of the hypersonic vehicles and the attack-defense characteristics in near space are investigated, and the difficulties of building the air defense system intercepting those fast attack weapons are analyzed. Specifically, the technical requirements of detection, guidance, control and missile design are analyzed. The analysis of the technical requirements can provide a reference for the building of near space defense systems and the development of relative professional disciplines.

Key words:near space; defense system; technical requirement analysis; hypersonic vehicle; fast attack weapon; missile design

中圖分類號(hào)：E844；TJ76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-05-0018-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.004

通信地址：201109上海市閔行區(qū)元江路3888號(hào)航天八部十室E-mail：liucf@fudan.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：劉超峰(1978-)，男，海南儋州人。高工，博士，研究方向?yàn)轱w行器總體設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助課題(13QB1401500)

*收稿日期：2014-10-14；修回日期：2015-02-06