熊俊輝，李克勇，劉 燚，吉 雨

（1.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

臨近空間通常指高度20～100 km 空間區(qū)域，這個范圍內(nèi)的飛行器不僅可以借助稀薄大氣環(huán)境實現(xiàn)更高的飛行速度，還可以利用高度優(yōu)勢和變軌機動能力避開中低空防御系統(tǒng)的攔截。近幾十年來，世界各主要軍事強國將高超聲速飛行技術(shù)視為未來軍事科技的制高點，開展了一系列技術(shù)攻關(guān)及演示驗證項目，在超燃沖壓發(fā)動機、高超聲速氣動優(yōu)化、制導(dǎo)與控制、氣動熱防護等技術(shù)領(lǐng)域不斷取得成果，推動了臨近空間高超聲速飛行器的裝備化進程［1-2］。從美國早期多次開展X-51A 高超聲速巡航導(dǎo)彈飛行驗證、俄羅斯完成“鋯石”艦載高超聲速巡航導(dǎo)彈試射［3］、美國依托助推-滑翔飛行器項目（tactical boost glide，TBG）加緊研發(fā)“空射快速響應(yīng)武器”（AGM-183A 空射導(dǎo)彈）項目、俄羅斯搶先列裝“匕首”空射導(dǎo)彈和“先鋒”陸基導(dǎo)彈來看，臨近空間高超聲速飛行器將成為未來強國對抗的關(guān)鍵裝備［4］。不同技術(shù)體制的臨近空間高超聲速飛行器相繼面世，特別是俄羅斯等國高超聲速助推-滑翔導(dǎo)彈的實戰(zhàn)化部署，已經(jīng)引起了各國對臨近空間防御體系的高度重視［5］。美國在改造升級現(xiàn)有防御系統(tǒng)的同時，還啟動了“高超聲速防御”和“滑翔破壞者”（glide breaker）項目，以研發(fā)針對性的防御技術(shù)與裝備來彌補臨近空間防御能力的不足［6-7］。因此，臨近空間高超聲速飛行器在高科技戰(zhàn)場中將面臨新的威脅，其被寄以厚望的突防能力存在被抵消風(fēng)險。

1 臨近空間高超聲速飛行器的突防能力特征

根據(jù)動力體制和飛行速度剖面的不同，臨近空間高超聲速飛行器通?？煞譃楦叱曀傺埠斤w行器（hypersonic cruise vehicle，HCV）和高超聲速助推-滑翔飛行器。

1.1 臨近空間高超聲速巡航飛行器

HCV 一般通過固體火箭或其他組合動力將巡航體助推到較高馬赫數(shù)（常見3～5Ma）后，依靠超燃沖壓發(fā)動機在臨近空間內(nèi)以超過5Ma速度持續(xù)飛行，典型代表有美國的X-51A（驗證機）和俄羅斯的“鋯石”高超聲速巡航導(dǎo)彈。這種飛行器在突防上有以下性能優(yōu)勢。

1）飛行速度快。當前美、俄等研發(fā)驗證的超燃沖壓發(fā)動機適宜工作高度約25～35 km，對應(yīng)較經(jīng)濟的巡航速度約5～7Ma，采用該動力系統(tǒng)的飛行器絕大多數(shù)飛行軌跡的速度超過5Ma，是亞音速巡航導(dǎo)彈的5倍以上。速度快給突防帶來的好處為：一是可以大幅縮短目標射程下的飛行時間，從而壓縮C4I 系統(tǒng)的發(fā)射時機窗口，增加攔截難度；二是根據(jù)二者交會原理，攔截器的速度明顯小于目標的速度，甚至出現(xiàn)速度比小于1的情況，這會增大攔截器的需用過載、增加末段交會脫靶量、減小有效攔截區(qū)域［8］。

2）飛行高度高。雖然HCV 多采用固體火箭從陸地、海上或低空發(fā)射來將其助推到一定高度和高馬赫數(shù)，但整體上助推段的時間和航跡短，飛行器大多數(shù)時間處于25 km 以上高度飛行，對當前各主要國家采用的助推段防御、中段防御、末段防御而言，其巡航飛行高度仍屬于攔截能力短板［4，9］。

3）臨近空間內(nèi)全程帶動力機動。HCV 在臨近空間內(nèi)帶動力飛行，可以隨時進行縱向和橫向機動，使得防御系統(tǒng)無法準確預(yù)測其航跡及攻擊目標。此外，雖然發(fā)動機的進氣道一定程度上限制了大攻角飛行，但在高超聲速飛行時即使以較小的攻角機動也可以引起攔截器較大的導(dǎo)引過載，從而導(dǎo)致攔截彈脫靶量增大。

1.2 臨近空間高超聲速助推-滑翔飛行器

高超聲速助推-滑翔飛行器基于彈道導(dǎo)彈技術(shù)，裝備化進程更快，俄羅斯的“先鋒”和“匕首”導(dǎo)彈已經(jīng)開始服役，美國AGM-183A 導(dǎo)彈則已完成了適應(yīng)性掛飛［10］。這種飛行器雖然不能實現(xiàn)全程帶動力，但與HCV 相比，其平均飛行速度接近甚至更高，有其獨特之處。

1）飛行高度跨度大。助推-滑翔飛行器軌跡可分為助推上升段和滑翔機動段，主要軌跡為臨近空間內(nèi)的滑翔機動段?；铏C動段可根據(jù)射程和落速等要求進行多次拉升，無動力、純氣動控制的二次拉升高度一般不高于70 km，航區(qū)內(nèi)拉起高度一般不低于15 km，多數(shù)時間處于末段防御系統(tǒng)和中段防御系統(tǒng)的防御高度范圍之外。得益于較大的飛行高度跨度，助推-滑翔飛行器只在其飛行末段處于末段防御系統(tǒng)的攔截范圍，且很難被二次攔截。

2）變射面和變軌機動。由于速度大，而且滑翔體針對高超聲速飛行進行了優(yōu)化設(shè)計，在高超聲速區(qū)間具有較好的升阻特性，即使在較稀薄氣體下也可以實現(xiàn)滑翔體的純氣動控制，在約20 km 高度下的機動過載可達3～8g，可在臨近空間進行較長時間機動飛行，包括縱向跳躍滑翔和橫向大范圍機動，實現(xiàn)變射面和變軌機動。

2 主要防御系統(tǒng)對臨近空間飛行器的適應(yīng)性

目前的防御體系主要由彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和中低空防空系統(tǒng)組成，根據(jù)臨近空間飛行器的目標特性可分為助推段防御、中段防御和末段防御，主要防御系統(tǒng)的性能見表1［11-13］，臨近空間突防對抗態(tài)勢見圖1。

表1 主要防御系統(tǒng)的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of typical defense systems

圖1 臨近空間高超聲速飛行器突防對抗態(tài)勢Fig.1 Penetration confrontation situation of near space hypersonic vehicle

2.1 助推段防御系統(tǒng)

助推段防御系統(tǒng)也稱助推段/爬升段防御系統(tǒng)。高超聲速飛行器在助推段一般不作機動，軌跡平直、特征明顯，美國、以色列曾開展空基攔截器的助推段攔截系統(tǒng)研究和驗證[14]，主要用于不對稱戰(zhàn)爭中對彈道導(dǎo)彈進行攔截。這種空基攔截器作戰(zhàn)距離較短，要求載機平臺抵近發(fā)射，在高強度對抗中實用性不佳，難以構(gòu)成實質(zhì)威脅。對于助推-滑翔飛行器，其彈道最高度點附近的區(qū)域處于末段高空區(qū)域防御系統(tǒng)（terminal high altitude area defense, THAAD）的攔截高度范圍內(nèi)。THAAD系統(tǒng)主要用來攔截防區(qū)內(nèi)的末段高層目標，攔截距離通常遠小于臨近空間助推-滑翔飛行器的射程，難以觸及縱深部署的遠射程飛行器的高彈道區(qū)域。

2.2 中段防御系統(tǒng)

中段防御系統(tǒng)也稱巡航段/滑翔段防御系統(tǒng)。目前可用來攔截臨近空間飛行器的典型防御系統(tǒng)包括“宙斯盾”系統(tǒng)的標準-6 和S-400 反導(dǎo)系統(tǒng)。對于HCV，在進入標準-6 或S-400 的攔截范圍后存在被攔截風(fēng)險，但二者以迎擊方式超過10Ma速度交會，即使較小的導(dǎo)引信息誤差或目標機動也會導(dǎo)致較大的脫靶量，在高超聲速巡航段的攔截難度較大；對于助推-滑翔飛行器，滑翔體主要在臨近空間內(nèi)進行跳躍滑翔，中段多處于25～40 km 高度范圍，速度一般在5Ma以上，攔截器需要將交會點控制在射程和射高范圍內(nèi)，且同樣存在相對速度過大的問題，滑翔中段攔截難度較大。

2.2 末段防御系統(tǒng)

由于有效載荷落速、探測器工作等要求，兩種高超聲速飛行器在接近目標區(qū)域都要降高、減速，給防御系統(tǒng)提供了最佳時機。當高超聲速飛行器高度降至20 km 以內(nèi)，速度減至3Ma以下，標準-6、S-400/S-300、PAC-3、海拉姆等防御系統(tǒng)可以把其當成慣性彈頭或中低空目標進行攔截，具有攔截可行性?？紤]到巡航體或滑翔體進入末段時的速度仍然較大，且在中低空可以產(chǎn)生較大的縱向和橫向機動過載，末段攔截仍將產(chǎn)生比攔截低速目標或再入式彈頭更大的需用過載和脫靶量。此外，HCV帶動力飛行可在末段進行大范圍的機動，甚至繞到防御弱點方向進行攻擊，進一步提高突防機率。因此，現(xiàn)有末段防御系統(tǒng)作為最后的屏障攔截，其可靠性依然不夠。

3 臨近空間防御技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

整體上，臨近空間高超聲速飛行器對現(xiàn)有防御系統(tǒng)仍具有突防優(yōu)勢。隨著多型臨近空間高超聲速裝備入役，臨近空間防御薄弱已經(jīng)引起美、俄等國高度重視，各國正積極開發(fā)針對性的臨近空間防御技術(shù)與裝備。

3.1 改善現(xiàn)有防御系統(tǒng)的攔截適應(yīng)性，快速形成反臨近空間基本能力

根據(jù)目標特性，國外對防御系統(tǒng)的改進主要圍繞預(yù)警探測、指控系統(tǒng)和攔截器本身來開展。

更早地獲取高超聲速飛行器的軌跡可以提高后續(xù)軌跡預(yù)測的精度。美國啟動了一系列預(yù)警探測系統(tǒng)改進工作：一是改進THAAD 系統(tǒng)的AN/TPY-2雷達，使其具備更強的高超聲速導(dǎo)彈探測能力，為攔截器提供更充裕的反應(yīng)時間；二是對可長時間滯空偵察的MQ-9 無人機進行改造，形成對中高空目標的被動探測能力，戰(zhàn)時可以充當防區(qū)外臨近空間目標探測的移動節(jié)點；三是新一代天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)將高超聲速飛行器作為關(guān)鍵目標，針對其紅外散射特性布置了安裝天基紅外探測系統(tǒng)的4 顆大橢圓軌道（highly elliptical orbit，HEO）衛(wèi)星和4 顆地球同步軌道（geosynchronous earth orbit，GEO）衛(wèi)星，彌補陸/?；A(yù)警系統(tǒng)對遠距離、大高度目標探測能力的不足［15］；四是美國導(dǎo)彈防御局（missile defense agency，MDA）2018年發(fā)布了“高超聲速與彈道導(dǎo)彈跟蹤空間傳感器”（hypersonic and ballistic tracking space sensor，HBTSS）計劃，以設(shè)計能跟蹤高超聲速和彈道導(dǎo)彈的天基傳感器。未來美國還將對陸基、海基、空基和天基預(yù)警探測能力進行整合，形成一體化的探測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)體系［16］。

在指揮控制系統(tǒng)方面，MDA 基于現(xiàn)有的衛(wèi)星資源及通信設(shè)施，通過改進用于彈道導(dǎo)彈防御體系（ballistic missile defense system，BMDS）的地基雷達和指揮、控制、作戰(zhàn)管理與通信（C2BMC）系統(tǒng)，使其初步具備應(yīng)對高超聲速武器威脅的能力［15］。同時MDA 還計劃構(gòu)建天空地一體化的通信系統(tǒng)，使其具備對高超聲速導(dǎo)彈探測預(yù)警后的有效指控、管理與通信能力，為防御臨近空間飛行器探測提供通信保障。

在攔截器改進方面，主要對當前防空反導(dǎo)導(dǎo)彈采取增加射程、增加攔截高度和機動能力等措施來提高攔截適應(yīng)性。2014年，MDA 啟動了增程型薩德系統(tǒng)（THAAD-ER）研究，實現(xiàn)對高超聲速助推-滑翔目標的攔截能力。據(jù)悉，通過增加直徑更大的第二級助推器，THAAD-ER 的攔截距離和攔截高度可達基礎(chǔ)型的3倍，攔截范圍可擴大至9～12 倍［17］。在MDA 公布“高超聲速防御武器系統(tǒng)”項目后，洛馬公司提出的“標槍”高超聲速防御武器系統(tǒng)采取基于PAC-3 MSE導(dǎo)彈改進的思路，用于在滑翔末段低層進行攔截，與THAAD-ER 形成分層防御［18］。俄羅斯近年來也采取了一些措施補充反臨近空間能力：一是S-400 防御系統(tǒng)配置的9M96E2 型攔截彈，設(shè)計之初就考慮了30 km 高度附近的攔截需求，采用了鴨式布局、燃氣推力矢量控制、末段軌控直接力控制、多點起爆定向戰(zhàn)斗部等技術(shù)，與S-300相比，能夠應(yīng)對更大速度和更強機動的目標，反臨近空間能力得到顯著提升［19-20］。

3.2 開發(fā)反臨近空間專項技術(shù)與裝備，彌補立體化防御體系短板

針對臨近空間高超聲速飛行器威脅，美國主要推進了兩個防御項目：一個是MDA 主導(dǎo)的“高超聲速防御”項目；二是美國國防高級研究計劃局（defense advanced research projects agency，DARPA）主導(dǎo)的“滑翔破壞者”項目?！案叱曀俜烙表椖堪ā案叱曀俜烙淦飨到y(tǒng)”（hypersonic defense weapon system，HDWS）和“區(qū)域性滑翔段攔截武器系統(tǒng)”（hypersonic defense regional glide phase weapon system，RGPWS）兩個子項。HDWS 主要用于探索高超聲速武器防御概念，2018年初次授予的21份合同涉及了動能/非動能、陸基/空基/天基、助推段/末段攔截等多種防御概念，2019年優(yōu)選了4 個動能攔截方案和1個非動能攔截方案，包括洛馬公司的THAAD-ER和“標槍”高超聲速防御系統(tǒng)方案；RGPWS 于2020年公布項目招標書草案，屬于原型設(shè)計階段研發(fā)項目，主要針對臨近空間助推-滑翔飛行器［16］。DARPA 在2018年發(fā)布了“滑翔破壞者”項目的招標文件，主要用于研發(fā)可以解決在遠距離、高層大氣內(nèi)攔截機動式高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)，第1 階段重點攻關(guān)攔截器的關(guān)鍵技術(shù)，第2階段進行技術(shù)集成與演示驗證［15］。

俄羅斯也在新型反導(dǎo)裝備研發(fā)中將反臨近空間目標作為關(guān)鍵需求。S-500 第五代防御系統(tǒng)可配置適應(yīng)防空和反導(dǎo)的多種攔截彈，攔截高度包括整個臨近空間，攔截距離將增至600 km，適應(yīng)目標速度達20Ma。第3 代莫斯科反導(dǎo)系統(tǒng)A-235 配備了遠、中、近程攔截彈，其中近程攔彈（77N6）的攔截高度為15～40 km，攔截距離為350 km，采用常規(guī)破片式殺傷方式［18］，幾乎為臨近空間HCV“量身定制”。

歐盟將推進“龍卷風(fēng)”高超聲速導(dǎo)彈防御計劃，將高超聲速巡航導(dǎo)彈、超聲速滑翔機動飛行器作為攔截對象［19］。除了傳統(tǒng)的動能攔截，定向能武器也被列入反目標武器之列，MDA在“高超聲速防御武器系統(tǒng)”項目第2輪優(yōu)選的5個方案中就包括雷神公司提出的基于高功率微波武器的“非動力學(xué)高超聲速防御概念”。

4 突防策略分析

隨著防御系統(tǒng)的不斷改進，針對性的反臨技術(shù)和裝備的逐步應(yīng)用，臨近空間高超聲速飛行器的突防能力優(yōu)勢正在逐漸被抵消，需要探索策略性改進。

4.1 程序機動突防向智能機動突防改進

由于特殊的飛行軌跡和氣動熱效應(yīng)，高超聲速飛行器難以逃避陸基預(yù)警雷達和天基紅外探測系統(tǒng)等平臺的網(wǎng)絡(luò)化探測?？紤]到射程和速度損失，高超聲速飛行器在臨近空間內(nèi)的程序機動過載并不大，反臨攔截器通過增程和直氣復(fù)合控制，可在交會末段產(chǎn)生足夠的法向機動和響應(yīng)速度來減小脫靶量，程序化機動突防可能失靈。為此，針對臨近空間交會碰撞問題，從增大攔截器的脫靶量出發(fā)，將程序化機動向智能機動規(guī)避轉(zhuǎn)變。通過外部數(shù)據(jù)鏈或自身探測器獲取攔截器數(shù)量和運動信息，智能飛行控制系統(tǒng)根據(jù)二者交會的導(dǎo)引方法特性，在交會臨界點生成對應(yīng)攔截器最大需用過載的機動模式和機動方向，采取“攔截器運動-態(tài)勢感知-機動策略生成-機動控制實施”的閉環(huán)機動方案，實現(xiàn)適時機動、視需機動，以此增大脫靶量，提高突防概率。

4.2 單飛行器突防向集群博弈突防改進

攔截器一旦具備發(fā)射條件，單一飛行器面對“二攔一”或“多攔一”的情況時，其突防效果不佳［20-21］。為此，基于智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢，引入多飛行器組網(wǎng)協(xié)同的博弈對抗思維，高超聲速飛行器以集群發(fā)射后在臨近空間內(nèi)編隊組網(wǎng)，根據(jù)對抗態(tài)勢可適時變換編隊構(gòu)型以改變目標特性、分配飛行器偏離射面以誘騙掩護主攻飛行器，甚至根據(jù)對抗強度指派飛行器主動犧牲并碰撞掩護編隊，從而提高集群對抗的綜合突防效能。

4.3 利用臨近空間誘餌增加防御成本

隨著智能化、無人化裝備發(fā)展，強國之間的對抗很大程度上是高科技裝備的消耗戰(zhàn)。防御方將臨近空間作為攔截的關(guān)鍵窗口，對此可利用該空間內(nèi)的氣體環(huán)境特性，助推-滑翔飛行器可攜帶伴飛式誘餌，在下滑段密集施放后可以產(chǎn)生和母體相似的軌跡和速度特性，從而導(dǎo)致防御系統(tǒng)攔截器過量發(fā)射，同時也干擾攔截器的目標選定，增大母體的生存機率。

4.4 更加注重電子干擾的應(yīng)用

臨近空間飛行器可根據(jù)外形和結(jié)構(gòu)特點，在滑翔體或助推器上安裝電子干擾裝置，結(jié)合軌跡特點和探測器協(xié)同工作，干擾防御系統(tǒng)火控雷達和攔截器探測器的工作，使其不能截獲目標，從而使攔截器不滿足發(fā)射條件或發(fā)射后無法準確命中。

5 結(jié)束語

臨近空間高超聲速飛行器已經(jīng)被視為未來高科技戰(zhàn)場上的關(guān)鍵裝備，各主要強國針對其目標特性正在積極研發(fā)針對性的防御技術(shù)和裝備，其突防性能優(yōu)勢面臨新的威脅。通過分析臨近空間高超聲速飛行器的突防能力特征和防御技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，探討了可以采取的突防改進策略，為臨近空間攻防對抗技術(shù)發(fā)展提供參考。