張 斌,夏淋淋,朱思宇,趙 磊,周 覲
(軍事科學(xué)院,北京 100091)
高超聲速導(dǎo)彈具有飛行速度快、突防能力強(qiáng)、打擊范圍廣、發(fā)射平臺(tái)多等優(yōu)勢(shì)[1],已經(jīng)成為世界各國(guó)爭(zhēng)奪的制高點(diǎn)。2021年3月,美媒報(bào)道美國(guó)陸軍向新組建的“遠(yuǎn)程高超聲速武器”(LRHW)導(dǎo)彈連交付訓(xùn)練發(fā)射筒,為2022年開(kāi)展實(shí)彈發(fā)射提供訓(xùn)練準(zhǔn)備。同月,美國(guó)導(dǎo)彈防御局(MDA)向武器制造商發(fā)布信息征詢書(shū),意在建立一個(gè)針對(duì)高超聲速威脅的新型指揮控制系統(tǒng)。早在2018年,俄軍米格31戰(zhàn)機(jī)就已攜帶空射型的“匕首”高超聲速導(dǎo)彈進(jìn)行戰(zhàn)備值班,艦射型的“鋯石”高超聲速反艦導(dǎo)彈于2020年10月成功完成試射。
面對(duì)高超聲速技術(shù)之“矛”的快速發(fā)展,現(xiàn)有防御體系帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn),如預(yù)警反應(yīng)和信息處理時(shí)間縮短、軌跡預(yù)測(cè)和攔截難度增大,需要慎重考慮指揮控制系統(tǒng)及防御體系之“盾”的全局發(fā)展,完善優(yōu)化指揮系統(tǒng)的發(fā)展架構(gòu)。
高超聲速飛行器的最大特點(diǎn)在于“助推-滑翔”彈道,最早起源于Eugen S?nger構(gòu)想“銀鳥(niǎo)”飛行器時(shí)提出的“S?nger彈道”,后來(lái)錢(qián)學(xué)森提出了一種火箭助推后再入大氣層滑翔的“錢(qián)學(xué)森彈道”。其與常規(guī)彈道導(dǎo)彈的區(qū)別如圖1所示。現(xiàn)階段,常見(jiàn)的高超聲速飛行器主要包括無(wú)動(dòng)力的助推滑翔飛行器,如乘波體[2],以及有動(dòng)力飛行的高超巡航飛行器,如超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)。
圖1 高超聲速飛行器的“助推-滑翔”彈道Fig.1 The boost-glide trajectory of hypersonic vehicle
高超聲速飛行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[3],涉及氣動(dòng)特性、氣動(dòng)防熱、操穩(wěn)特性、結(jié)構(gòu)性能、動(dòng)力推進(jìn)等多個(gè)學(xué)科。為了在無(wú)動(dòng)力滑翔條件下獲得較大的射程,高超聲速乘波體需要具備較好的氣動(dòng)性能,但是只追求氣動(dòng)性能最優(yōu)不切實(shí)際,因?yàn)樾枰紤]多項(xiàng)總體性能的約束。其總體性能指標(biāo)體系如圖2所示。
圖2 高超聲速總體設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)體系Fig.2 The performance index system of overall design for hypersonic vehicle
就當(dāng)前研究而論,乘波體的升阻比優(yōu)勢(shì)明顯,但受氣動(dòng)防熱、內(nèi)部裝填空間、飛行穩(wěn)定性和可靠操縱性等因素限制,需要在滿足總體約束的前提下對(duì)氣動(dòng)性能進(jìn)行全局優(yōu)化。
在飛行器氣動(dòng)外形研究中,發(fā)展并應(yīng)用了許多不同的參數(shù)化建模技術(shù),可分為構(gòu)造方法和變形方法,構(gòu)造方法由一系列指定的參數(shù)來(lái)描述機(jī)翼外形,而變形方法根據(jù)已有的翼形,使其變形產(chǎn)生新的外形,如Kulfan提出的類別/形狀函數(shù)轉(zhuǎn)換(Class function/Shape Function Transformation,CST)方法[4],構(gòu)建的乘波體外形,如圖3所示。
圖3 基于CST方法的乘波體外形Fig.3 The configuration of wave-rider with CST methods
隨著計(jì)算科學(xué)的不斷發(fā)展,數(shù)值計(jì)算方法逐漸取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,成為飛行器設(shè)計(jì)的主要分析手段。當(dāng)前,高可信度分析方法的發(fā)展越發(fā)成熟,如Navier-Stokes(N-S)方程,Euler方程,以及各種湍流模型等,但是其目前消耗的計(jì)算資源和時(shí)間成本仍然較大,無(wú)法全部采用高可信度數(shù)值計(jì)算方法用于氣動(dòng)外形設(shè)計(jì),高可信度分析方法多用于精確定型階段、局部細(xì)節(jié)修改,以及配合低可信度分析方法的精度糾正等,圖4所示為典型乘波體在N-S方程計(jì)算下的壓力云圖[5]??紤]到氣動(dòng)特性計(jì)算的精度與效率之間的矛盾,低可信度分析方法經(jīng)常作為高可信度分析方法的輔助手段,如牛頓理論、切楔法、切錐法、Van Dyke方法等各種工程估算方法。
圖4 典型乘波體的氣動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果Fig.4 The aerodynamic calculation results of typical waverider vehicle
飛行軌跡優(yōu)化是基于飛行條件和環(huán)境約束,尋找一條指標(biāo)性能最優(yōu)且滿足各種約束條件的最優(yōu)彈道,高超聲速軌跡優(yōu)化問(wèn)題可歸結(jié)為強(qiáng)非線性、多階段、多約束的最優(yōu)控制問(wèn)題。與傳統(tǒng)飛行器相比,高超聲速飛行器的位置變化大、機(jī)動(dòng)范圍廣。其獨(dú)特的乘波體構(gòu)型導(dǎo)致控制難度大、姿態(tài)穩(wěn)定難,以及其動(dòng)力學(xué)特性呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性、耦合性和復(fù)雜性[6]。
當(dāng)前,偽譜法(Pseudospectral Method)具有較快的收斂速度和較高的求解精度,Timothy[7]針對(duì)美國(guó)CRV(Crew Return Vehicle)飛行器研究了考慮航路點(diǎn)和禁飛區(qū)約束的軌跡優(yōu)化問(wèn)題,雍恩米[8]采用Gauss偽譜法設(shè)計(jì)了一種高超聲速滑翔飛行器的快速軌跡優(yōu)化方法,如圖5所示為四種不同再入角度下的飛行軌跡。
圖5 高超聲飛行器的再入軌跡Fig.5 The reentry trajectory of hypersonic vehicle
除了上述關(guān)鍵技術(shù),高超聲速飛行器還需要考慮氣動(dòng)防熱、結(jié)構(gòu)性能、穩(wěn)定性、操縱性等多學(xué)科、多指標(biāo)的特性分析,在此不一一列舉。
隨著高超聲速技術(shù)的不斷發(fā)展,美俄等軍事強(qiáng)國(guó)的高超聲速項(xiàng)目呈現(xiàn)多“矛”齊發(fā)的特點(diǎn),同時(shí)為了攻防兼?zhèn)?,美俄也在同步發(fā)展高超聲速防御系統(tǒng),瞄準(zhǔn)潛在的現(xiàn)實(shí)威脅和技術(shù)優(yōu)勢(shì),在指揮控制系統(tǒng)領(lǐng)域固“盾”筑基,應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。
為應(yīng)對(duì)全球彈道導(dǎo)彈的威脅,美國(guó)早在2004年就建立了彈道導(dǎo)彈防御體系(BMDS),其中最核心的模塊是指揮控制、作戰(zhàn)管理和通信(C2BMC)系統(tǒng),將分散在世界各地的預(yù)警探測(cè)器、攔截平臺(tái)和通信節(jié)點(diǎn)整合為一個(gè)有機(jī)整體,統(tǒng)籌任務(wù)規(guī)劃和攔截行動(dòng),形成了“傳感器-指揮控制-末端攔截”的完整殺傷鏈[9]。
但是面對(duì)高超聲速的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn),現(xiàn)有的BMDS體系尚無(wú)法有效應(yīng)對(duì)。美國(guó)升級(jí)現(xiàn)有的彈道導(dǎo)彈防御體系,主要改進(jìn)其中的C2BMC系統(tǒng),包括螺旋8.2-5版本的關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審,完成對(duì)高超聲速防御能力的集成;設(shè)計(jì)、研發(fā)、集成高超聲速威脅數(shù)據(jù)跟蹤算法;開(kāi)發(fā)基于Link16數(shù)據(jù)鏈的高超聲速威脅航跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力等。同步升級(jí)BMDS體系中的陸基識(shí)別雷達(dá)、攔截武器系統(tǒng),使其對(duì)高超聲速威脅具備一定的預(yù)警探測(cè)和指控能力,逐步構(gòu)建一整套主/被動(dòng)防御相結(jié)合、涵蓋助推/中段/末段攔截的多層次防御體系。
除了對(duì)現(xiàn)有C2BMC系統(tǒng)的改造,美導(dǎo)彈防御局(MDA)在2020財(cái)年“先進(jìn)概念與效能評(píng)估”專項(xiàng)科研中,新增了包括高超防御、人工智能、“發(fā)射前/發(fā)射后集成”等關(guān)鍵領(lǐng)域的研究。與此同時(shí),導(dǎo)彈防御局正在研究如何將其現(xiàn)有的C2BMC體系架構(gòu)與“聯(lián)合全域指揮控制”(JADC2)進(jìn)行結(jié)合,計(jì)劃參與空軍“先進(jìn)戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)”(ABMS)的后續(xù)演習(xí)。美太空發(fā)展局(SDA)于2020年5月表示正在開(kāi)發(fā)新一代的“國(guó)家安全太空架構(gòu)”(NDSA),計(jì)劃依托該架構(gòu)連接各軍種指揮控制系統(tǒng),構(gòu)建“聯(lián)合全域指揮控制”體系。該體系具備高超聲速武器跟蹤等能力,將增強(qiáng)美軍全域防護(hù)能力。
類似于美國(guó)的天基紅外系統(tǒng),俄羅斯在2015年著手建立了“穹頂”太空反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng)。截至2021年1月共發(fā)射了4顆“苔原”衛(wèi)星,初步形成天基預(yù)警探測(cè)能力?!榜讽敗毕到y(tǒng)具備彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力,裝備有星載戰(zhàn)斗控制系統(tǒng),可以連同陸基探測(cè)雷達(dá)計(jì)算導(dǎo)彈飛行軌跡,指揮實(shí)施攔截反應(yīng)。
法國(guó)航空空間研究局(ONERA)也于2020年宣布研發(fā)超視距反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)(LTP)驗(yàn)證機(jī)。該驗(yàn)證機(jī)具備遠(yuǎn)達(dá)3000 km的彈道導(dǎo)彈預(yù)警探測(cè)和跟蹤能力。同時(shí)法國(guó)ONERA對(duì)“預(yù)言家”(Nostradamus)天波超視距雷達(dá)進(jìn)行重大改造,擴(kuò)大預(yù)警探測(cè)范圍。
根據(jù)世界范圍內(nèi)高超聲速攻防的建設(shè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),高超聲速已初步形成實(shí)戰(zhàn)能力,迫切需要對(duì)未來(lái)指控系統(tǒng)的發(fā)展提前謀劃,統(tǒng)籌布局,長(zhǎng)遠(yuǎn)思考,具體架構(gòu)如圖6所示。
高超聲速導(dǎo)彈具有多域、多維和非線性的特征,指揮控制系統(tǒng)必須迅捷反應(yīng)、協(xié)同聯(lián)動(dòng)、全域指揮,如美軍的C2BMC系統(tǒng)采用分布式指控架構(gòu),主要包含國(guó)家指揮、戰(zhàn)略司令部、戰(zhàn)區(qū)/區(qū)域作戰(zhàn)司令部和BMD防御要素四級(jí)結(jié)構(gòu)。
面對(duì)高超聲速導(dǎo)彈,應(yīng)盡量簡(jiǎn)化層級(jí)提高效率,提高應(yīng)對(duì)高超目標(biāo)信息處理和作戰(zhàn)指揮的靈活性和時(shí)效性。一是反應(yīng)要迅捷,即時(shí)生成高超專題態(tài)勢(shì);二是處置要全面,具備敏捷處理預(yù)警探測(cè)、信息處理、目標(biāo)識(shí)別、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同攔截和效果評(píng)估等環(huán)節(jié)的能力;三是體系應(yīng)閉環(huán),在指揮架構(gòu)中,完善“預(yù)警探測(cè)-指揮控制-實(shí)施攔截”主要環(huán)節(jié),構(gòu)成閉環(huán)的立體防御體系。如圖6所示。
圖6 面對(duì)高超聲速挑戰(zhàn)的指揮信息系統(tǒng)發(fā)展架構(gòu)Fig.6 The development architecture of the command information system facing the challenge of hypersonic technology
高超聲速導(dǎo)彈的飛行速度處于5~20馬赫的高速狀態(tài),飛行高度位于30~80 km的臨近空間,且具有較強(qiáng)的橫向機(jī)動(dòng)能力,對(duì)預(yù)警探測(cè)能力帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。
面對(duì)高超聲速探測(cè)難的問(wèn)題,需要“廣視距,早發(fā)現(xiàn)”,一是發(fā)展天、臨空、空、海、陸等多域空間探測(cè)能力,綜合獲取紅外、雷達(dá)、光學(xué)等多種探測(cè)數(shù)據(jù),特別是天基紅外和臨空探測(cè)(如平流層飛艇、太陽(yáng)能無(wú)人機(jī))能力;二是提高泛在情報(bào)收集能力,通過(guò)多種渠道盡可能掌握信息,特別是開(kāi)源動(dòng)向新聞,提前介入情況;三是增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別和威脅分析能力,快速形成專題動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)研判定位。
高超聲速導(dǎo)彈的飛行區(qū)間廣,參與力量涵蓋陸、海、空、天、網(wǎng)多種資源,需要在最短的時(shí)間內(nèi)分配最優(yōu)的信息資源、裝備資源、指令資源和人力資源。
一方面參考C2BMC系統(tǒng)預(yù)設(shè)方案集的思路,將多個(gè)空間、多種力量和多套系統(tǒng)融合為一個(gè)有機(jī)整體,依托智能算法、戰(zhàn)法規(guī)則和指揮模型,探索“機(jī)器輔助+人工核準(zhǔn)”的智能化任務(wù)規(guī)劃模式,高效統(tǒng)籌資源;另一方面建立自主運(yùn)行的信息處理中心,盡量簡(jiǎn)化行政層級(jí)和減少人為干涉,實(shí)時(shí)分析大量多源信息,“自組織”各類作戰(zhàn)資源,“自生成”即時(shí)任務(wù)規(guī)劃,“自實(shí)現(xiàn)”動(dòng)態(tài)研判評(píng)估。
高超聲速導(dǎo)彈采用扁平式的乘波體布局,具有“跳躍-滑翔”式的飛行軌跡,基于現(xiàn)有防空反導(dǎo)體系,對(duì)高超聲速目標(biāo)實(shí)施攔截的成功率較低。
針對(duì)高超聲速威脅,美軍發(fā)展了四個(gè)專項(xiàng)防御項(xiàng)目,旨在構(gòu)建覆蓋中段到末段、外太空到稠密大氣層等各種高度層的反導(dǎo)體系,包括動(dòng)能攔截的RPGWS武器系統(tǒng),“女武神”、“滑翔破壞者”等殺傷攔截器,以及非動(dòng)能攔截的高功率微波武器。一方面,在多域空間分布式部署攔截平臺(tái),充分利用臨近空間“長(zhǎng)航時(shí)全天候”的駐空特點(diǎn),作為現(xiàn)有防空反導(dǎo)體系的補(bǔ)充,如在平流層飛艇、高空無(wú)人機(jī)上放置攔截平臺(tái),形成多維立體的攔截防御體系;另一方面,發(fā)展管理攔截平臺(tái)的協(xié)同控制算法,統(tǒng)籌調(diào)動(dòng)全域戰(zhàn)場(chǎng)資源,構(gòu)建過(guò)飽和、多梯隊(duì)、復(fù)合體的攔截區(qū)間。
高超聲速導(dǎo)彈是一款“核常兼?zhèn)洹钡膽?zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)武器,理論上具備1小時(shí)全球打擊能力,其最大威脅在于“唯快不破”。本研究從總體設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、氣動(dòng)特性和飛行軌跡控制等方面綜述了高超聲速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。
面對(duì)高超聲速挑戰(zhàn),美國(guó)建立了彈道導(dǎo)彈防御體系及C2BMC系統(tǒng),俄羅斯建立了“穹頂”太空反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng),日本等其他國(guó)家也提出了應(yīng)對(duì)措施,但是當(dāng)前舉措主要是對(duì)現(xiàn)有防御體系的局部增強(qiáng),不能提升防御體系的全局效能。