史榮宗，張俊寶

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

空空導(dǎo)彈是空戰(zhàn)中使用的主要作戰(zhàn)武器，其性能的優(yōu)劣是空戰(zhàn)勝利與否的重要因素?，F(xiàn)有的空空導(dǎo)彈按照射程大致可分為兩類：以美國的AIM-120系列為代表的中遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈與以AIM-9X系列為代表的近距格斗空空導(dǎo)彈?？偨Y(jié)世界各國的空空導(dǎo)彈發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，可以看出空空導(dǎo)彈在朝著遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的同時，也在朝著小型化、智能化的方向發(fā)展[1]。

為了保持空中優(yōu)勢，美國正在開展第五代空空導(dǎo)彈的研制工作[2-3]。目前美國披露的下一代空空導(dǎo)彈項目中，小型先進(jìn)能力導(dǎo)彈(SACM)/微型自衛(wèi)彈藥(MSDM)項目是備受關(guān)注的項目之一。該項目對于提升美軍下一代戰(zhàn)機(jī)的載彈量與作戰(zhàn)能力具有至關(guān)重要的意義[4-5]。洛克希德·馬丁公司(以下稱：洛馬公司)于2013年2月展示了該公司定位為小型先進(jìn)能力導(dǎo)彈的產(chǎn)品模型——“庫達(dá)”(CUDA)空空導(dǎo)彈?，F(xiàn)有的公開研究報告中，尚未見有關(guān)該型產(chǎn)品綜合性能的報道。為了進(jìn)一步了解該型導(dǎo)彈的綜合性能，并加深對國外導(dǎo)彈發(fā)展趨勢的研判，在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD氣動力計算，發(fā)動機(jī)性能估算，彈道仿真等方法，對該型導(dǎo)彈的性能進(jìn)行詳細(xì)的估算與分析。

1 性能估算

1.1 氣動性能估算

根據(jù)洛馬公司公布的信息可知，CUDA相比于傳統(tǒng)的空空導(dǎo)彈，最明顯的特點(diǎn)就是具有更小的尺寸，可以實現(xiàn)在F-22中12枚的掛裝量，其采用小展長正常式氣動布局，彈徑152 mm，彈長1 800 mm，長細(xì)比12，舵面形狀為直角梯形舵，翼面形狀為切削三角翼，舵展312 mm，翼展300 mm。其氣動布局如圖1所示。

圖1 CUDA氣動外形(單位：mm)

在比測氣動外形的基礎(chǔ)上，采用CFD方法，對CUDA氣動性能進(jìn)行估算。在典型計算條件下(飛行高度10 km，飛行速度2.0Ma)，計算所得的不考慮直接力裝置作用時，主動段與被動段的最大過載分別為31與26。圖2給出了CUDA在不同馬赫數(shù)與不同攻角下的法向力系數(shù)曲線，圖3給出了CUDA在不同高度與不同馬赫數(shù)下的零升阻力系數(shù)曲線。

圖2 法向力系數(shù)曲線

圖3 零升阻力系數(shù)曲線

1.2 動力性能分析

根據(jù)測繪，發(fā)動機(jī)除去長尾噴管長度約為990 mm，減去與前后艙的接口部分，裝藥的長度約為880 mm。發(fā)動機(jī)彈徑為152 mm，去除殼體與熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，裝藥的外徑約為145.2 mm。美國導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)大部分使用加開應(yīng)力槽的裝藥藥型，在單脈沖條件下，可以反向設(shè)計出推力曲線如圖4所示。平均推力16 kN，工作時間3.37 s，總沖54 kN·s。

如果改用雙脈沖，其總沖會略小于單脈沖的形式，估算一級平均推力12 kN，工作時間2.5 s，總沖為30 kN·s，反推推力曲線如圖5所示。二脈沖平均推力5 kN，工作時間4.3 s，二脈沖總沖21.5 kN·s，反推推力曲線如圖6所示。

圖4 單脈沖形式的推力

圖5 雙脈沖形式的一脈沖推力

圖6 雙脈沖形式的二脈沖推力

1.3 導(dǎo)引頭性能估算

根據(jù)洛馬公司的宣傳，CUDA采用復(fù)合導(dǎo)引頭，但是從外形來看，更有可能是拋罩式的紅外導(dǎo)引頭或雷達(dá)導(dǎo)引頭。若CUDA采用紅外成像導(dǎo)引頭，根據(jù)其外形尺寸，結(jié)合現(xiàn)有的紅外導(dǎo)引頭設(shè)計水平，估算得到的導(dǎo)引頭探測距離為不小于9 km(10 W/sr)。

根據(jù)CUDA導(dǎo)彈彈徑，考慮空空導(dǎo)彈外徑與天線口徑的關(guān)系，推算CUDA雷達(dá)導(dǎo)引頭天線口徑約為127 mm，根據(jù)其導(dǎo)引頭艙長度只有323 mm可知其天線形式應(yīng)為相控陣天線，根據(jù)其尺寸的大小以及可以放置的收發(fā)組件的個數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有的天線設(shè)計水平，估算得出其導(dǎo)引頭若采用Ku波段時的峰值功率約為1 000 W，天線增益約為25 dB。對雷達(dá)方程中的其它參數(shù)采用典型值，計算得到其導(dǎo)引頭對RCS為1 m2的目標(biāo)的探測距離為15 km左右。

2 總體性能分析

結(jié)合前文估算的氣動、動力、導(dǎo)引頭性能，使用三自由度彈道仿真程序，對CUDA的綜合性能進(jìn)行仿真分析。下文的仿真結(jié)果中，在考慮導(dǎo)引頭截獲概率影響的條件下，設(shè)定導(dǎo)引頭截獲概率不低于95%，截獲概率的計算采用文獻(xiàn)[5]的方法。

2.1 彈道仿真

彈道仿真中的設(shè)定載機(jī)與目標(biāo)高度均為10 km，速度為300 m/s，目標(biāo)不進(jìn)行機(jī)動，RCS為5 m2，彈道的截獲概率約束條件為不小于0.95，導(dǎo)彈最小末速度約束為不小于400 m/s。

發(fā)動機(jī)采用單脈沖方案時，得到導(dǎo)彈最大射程為32.7 km，最大速度為1 218.0 m/s；發(fā)動機(jī)采用雙脈沖方案時，得到導(dǎo)彈最大射程為33.7 km，最大速度為1 139.2 m/s，速度對比曲線如圖7所示。不同脈沖方案下的導(dǎo)彈性能參數(shù)對比如表1所示?？梢钥闯霾捎秒p脈沖方案后，導(dǎo)彈的總沖更小，但卻擁有更遠(yuǎn)的攻擊距離與射程，這體現(xiàn)出了雙脈沖方案的優(yōu)勢。

圖7 速度曲線(高度:10 km)

表1 不同脈沖方案下的彈道參數(shù)對比

2.2 最大攻擊距離與攻擊區(qū)

仿真中假設(shè)目標(biāo)RCS為1 m2，在載機(jī)與目標(biāo)的飛行高度均為10 km，飛行速度均為1.2Ma，計算得到的采用單脈沖與雙脈沖發(fā)動機(jī)時的最大攻擊區(qū)和不可逃攻擊區(qū)(導(dǎo)彈發(fā)射后目標(biāo)作6g逃逸機(jī)動)分別如圖8與圖9所示。

圖8 攻擊區(qū)(單脈沖、高度10 km、發(fā)射速度1.2 Ma)

圖9 攻擊區(qū)(雙脈沖、高度10 km、發(fā)射速度1.2 Ma)

3 直接力控制能力分析

直接力/氣動力復(fù)合控制在空空導(dǎo)彈上應(yīng)用時，主要分為兩個方面：彈道初始段快速轉(zhuǎn)彎與彈道末段提高機(jī)動能力與制導(dǎo)精度。

3.1 彈初始段快速轉(zhuǎn)彎

若CUDA空空導(dǎo)彈將直接力控制裝置在彈道初始段應(yīng)用，則能夠改善其彈道初始段快速轉(zhuǎn)彎能力，提升其后向攻擊能力。

3.2 末段精度修正

國內(nèi)的研究中，文獻(xiàn)[7]與文獻(xiàn)[8]分別給出直接力/氣動力復(fù)合控制在末段應(yīng)用時的控制系統(tǒng)與制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計方法。并指出采用了該方法后，導(dǎo)彈的脫靶量可以控制在米級以內(nèi)。文獻(xiàn)[9]對攔截彈的制導(dǎo)精度研究則表明，采用直接力/氣動力復(fù)合控制后，導(dǎo)彈制導(dǎo)精度相比于氣動控制方案可以提升一倍的精度，同時對于機(jī)動目標(biāo)而言，制導(dǎo)精度的提升更加明顯。對于CUDA所采用的直接力/氣動力復(fù)合控制方法，目前不得而知，但是可初步估計CUDA在末段采用直接力/氣動力復(fù)合控制后，將會使其具備更強(qiáng)的機(jī)動能力，末制導(dǎo)精度可以得到有效提升。

4 結(jié)論與啟示

從估算結(jié)果可知，CUDA空空導(dǎo)彈的射程，并不能成為其亮點(diǎn)，反而是其高機(jī)動與高內(nèi)埋的特點(diǎn)，會成為其突出的優(yōu)勢。其應(yīng)用在以下兩種場景下的優(yōu)勢將會更加明顯：

1)高隱射平臺之間的對抗作戰(zhàn)

隨著新技術(shù)的應(yīng)用，新一代戰(zhàn)斗機(jī)的隱身能力也會不斷增強(qiáng)[10]。在高隱射平臺的強(qiáng)對抗作戰(zhàn)中，戰(zhàn)斗機(jī)使用雷達(dá)型空空導(dǎo)彈進(jìn)行空戰(zhàn)的作戰(zhàn)距離將會受到壓縮。在此類對抗條件下，空空導(dǎo)彈的射程不是影響空戰(zhàn)勝負(fù)的重點(diǎn)因素，而高機(jī)動能力、高毀傷概率以及高密度的內(nèi)埋則是影響空戰(zhàn)的核心能力。CUDA的特點(diǎn)則正是為此量身打造。

2)非對稱條件下的作戰(zhàn)

在非對稱作戰(zhàn)中，落后一方的戰(zhàn)斗機(jī)很難對領(lǐng)先一方構(gòu)成威脅，領(lǐng)先一方的戰(zhàn)斗機(jī)更關(guān)注的是對敵方更多戰(zhàn)機(jī)造成有效的毀傷與威脅，CUDA具備更多的內(nèi)埋數(shù)量，以及更低的成本，將會成為未來美軍非對稱作戰(zhàn)任務(wù)的首選。同時，其低成本的優(yōu)勢，也為美軍提供了一種更高費(fèi)效比打擊巡航導(dǎo)彈的選擇。

可以看出，美國對新型導(dǎo)彈的研制并不是一味的追求高性能，因為與高性能隨之而來的就是高成本。美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)的停產(chǎn)也說明高性能與高成本的武器并不一定會長期受到軍隊的青睞。在成本與性能之間折衷，依據(jù)作戰(zhàn)使用需求，設(shè)計適用的武器裝備才是正確的設(shè)計理念。而CUDA正是這樣一款產(chǎn)品，高內(nèi)埋、低成本等特點(diǎn)，迎合了美軍的作戰(zhàn)需求，相信CUDA也將會成為美國空空導(dǎo)彈家族的明星產(chǎn)品之一。

5 結(jié)束語

基于公開的文獻(xiàn)和資料，對CUDA的性能進(jìn)行了初步估算，并基于估算結(jié)果，對其應(yīng)用做出了分析。基于文中的結(jié)果，可對該型導(dǎo)彈的綜合性能有一個更加深刻的認(rèn)識，并加深對國外先進(jìn)空空導(dǎo)彈設(shè)計理念的理解，對我國空空導(dǎo)彈武器裝備的研制有一定的啟發(fā)意義。