史志富

(1.航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077;2.西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引言

軍用直升機不受地形限制，能夠低速低空飛行，能夠機動靈活地執(zhí)行多種任務(wù)，是陸軍航空兵執(zhí)行突擊登陸、救護(hù)運輸、偵察搜索、指揮控制等多種任務(wù)的主戰(zhàn)裝備[1]。根據(jù)作戰(zhàn)用途不同，軍用直升機可分為武裝、運輸和戰(zhàn)勤三大類。除武裝直升機在機上安裝有武器系統(tǒng)可用于攻擊和戰(zhàn)斗外，運輸和戰(zhàn)斗勤務(wù)類直升機通常沒有加裝裝甲和自衛(wèi)武器，容易成為敵方攻擊的對象。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍用直升機為配合地面部隊作戰(zhàn)，一般要在低空、戰(zhàn)斗前沿或敵方縱深地域執(zhí)行任務(wù)，面臨的威脅主要是地面的防空導(dǎo)彈、重型機槍和便攜式火箭助推榴彈發(fā)射器(rocket propelled grenade,RPG)等[2-3]。對于防空導(dǎo)彈，目前直升機的主要對抗措施是采用電子干擾機干擾、箔條/紅外誘餌彈誘騙等軟殺傷手段，但是隨著導(dǎo)彈抗干擾能力的提升，對其干擾和誘騙不但成本高，技術(shù)復(fù)雜，而且效果越來越差；對于高射機槍、RPG等直射型無制導(dǎo)武器，直升機的干擾和誘騙手段是不起作用的，唯一的措施是靠飛機的機動能力進(jìn)行機動規(guī)避。但是直射型無制導(dǎo)武器通常是近距離隱蔽發(fā)射，對其早期的預(yù)警和探測難度大，一旦命中直升機幾無生存可能。

借鑒目前裝甲車輛的主動防御技術(shù)、艦船反導(dǎo)防護(hù)技術(shù)等為作戰(zhàn)支援保障類飛機提供主動攔截手段的機載主動防御系統(tǒng)應(yīng)運而生，發(fā)展主動防御技術(shù)正成為一種新概念手段。與機動規(guī)避/軟殺傷手段相比，主動防御從根本上改變、甚至顛覆了傳統(tǒng)的直升機防護(hù)模式，使其由消極被動的躲避、干擾、誘騙，轉(zhuǎn)向積極主動的探測、跟蹤、消滅來襲威脅，突破傳統(tǒng)思想觀念給軍機防護(hù)技術(shù)帶來的桎梏，給軍機防護(hù)能力帶來革命性的提升。

1 主動防御系統(tǒng)的原理與需求分析

1.1 直升機主動防御系統(tǒng)的基本原理

主動防御系統(tǒng)(active protection systems,APS)，是指通過探測裝置獲得來襲彈藥(反坦克導(dǎo)彈、火箭彈)的運動特征，然后通過計算機控制對抗裝置，使來襲彈藥無法直接命中被防護(hù)目標(biāo)的系統(tǒng)。直升機的主動防御原理與地面裝甲車輛的主動防御原理類似，均是按照OODA環(huán)的方法分為探測、識別、決策和行動環(huán)節(jié)。其基本原理是飛機在執(zhí)行任務(wù)過程中，依靠預(yù)警探測設(shè)備對任務(wù)區(qū)域進(jìn)行警戒搜索，當(dāng)探測到來襲目標(biāo)后，由綜合控制單元根據(jù)來襲目標(biāo)的光電特征和運動特征進(jìn)行目標(biāo)的識別、態(tài)勢估計和威脅判斷，并對有威脅的目標(biāo)進(jìn)行航路濾波和預(yù)測，計算來襲彈藥的空中“提前命中點”和攔截裝置的發(fā)射諸元，適時將射擊信息和指令發(fā)送給攔截單元發(fā)射攔截彈藥，完成對來襲目標(biāo)的攔截，其原理如圖1所示。

圖1 主動防御系統(tǒng)原理圖Fig.1 APS schematic diagram

1.2 直升機主動防御系統(tǒng)的功能需求

按照主動防御系統(tǒng)的原理，直升機的功能需求包括預(yù)警探測、指揮控制和發(fā)射攔截3個方面。

(1) 預(yù)警探測

預(yù)警探測單元應(yīng)該能夠利用光電、激光等探測和告警設(shè)備完成對地面RPG、便攜式導(dǎo)彈等非合作目標(biāo)的探測；能夠在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后及時進(jìn)行目標(biāo)識別及時發(fā)出預(yù)警信號。

(2) 指揮控制

指揮控制單元應(yīng)該能夠根據(jù)非合作目標(biāo)的信息快速進(jìn)行來襲航跡建立；能夠根據(jù)對非合作目標(biāo)的態(tài)勢評估判斷出目標(biāo)的威脅程度；能夠?qū)Ψ呛献髂繕?biāo)未來航跡做出預(yù)測；對多個目標(biāo)應(yīng)能夠做出攔截分配；能夠計算出空中預(yù)定攔截點；能夠計算出攔截單元的發(fā)射諸元；能夠做出攔截發(fā)射決策。

(3) 攔截發(fā)射

攔截發(fā)射單元應(yīng)能夠快速精確隨動到空中預(yù)定攔截點；應(yīng)能夠根據(jù)攔截發(fā)射指令快速完成發(fā)射；攔截彈藥應(yīng)能夠在預(yù)定攔截點以破片、撞擊等方式完成目標(biāo)攔截；攔截彈藥不應(yīng)對飛機造成附帶損傷。

1.3 直升機主動防御系統(tǒng)的組成

為滿足主動防御系統(tǒng)的功能需求，主動防御系統(tǒng)組成通常包括預(yù)警探測設(shè)備、綜合信息處理設(shè)備、攔截武器三大部分。其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 主動防御系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 APS system construction diagram

預(yù)警探測設(shè)備主要通過光學(xué)、紅外、電磁等設(shè)備完成對載機環(huán)境與來襲彈藥的預(yù)警、探測、跟蹤和確認(rèn)等，是主動防御系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)的前提基礎(chǔ)。

綜合信息處理設(shè)備主要是對預(yù)警探測設(shè)備的預(yù)警探測信息進(jìn)行預(yù)處理和信息融合，完成對環(huán)境和來襲彈藥的識別判斷、態(tài)勢綜合、威脅估計，進(jìn)而根據(jù)攔截武器情況作出任務(wù)規(guī)劃、攔截計算、發(fā)射決策、毀傷評估等，同時也負(fù)責(zé)對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控顯示和處理，并能與預(yù)警探測設(shè)備和攔截設(shè)備進(jìn)行雙向信息交互。該子系統(tǒng)通過由態(tài)勢顯示設(shè)備、信號/任務(wù)處理計算機、操控設(shè)備和信息傳輸設(shè)備等組成，是主動防御系統(tǒng)的信息處理中樞。

攔截武器負(fù)責(zé)根據(jù)綜合信息處理設(shè)備的指令控制武器發(fā)射裝置瞄準(zhǔn)預(yù)定攔截點或攔截區(qū)，并根據(jù)發(fā)射指令發(fā)射攔截彈藥完成對來襲彈藥的攔截毀傷，通常由武器彈藥、武器發(fā)射設(shè)備和武器控制設(shè)備等構(gòu)成，是主動防御系統(tǒng)執(zhí)行攔截的直接力量。

不同的主動防御系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上不盡相同，有些是將預(yù)警探測設(shè)備、攔截設(shè)備和綜合信息處理設(shè)備分布式地部署于平臺各個部位，便于對平臺進(jìn)行全方位地預(yù)警監(jiān)視；有些將預(yù)警探測設(shè)備與攔截武器集成于一體，便于精確攔截。

2 國內(nèi)外軍機主動防御系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前主動防御系統(tǒng)大量列裝于坦克等裝甲車輛之上，可以攔截敵方的火箭彈，導(dǎo)彈甚至穿甲彈。比較著名的有以色列拉斐爾先進(jìn)防御系統(tǒng)(Rafael advanced defense)制造的“戰(zhàn)利品”(Trophy APS)，以色列“鐵拳”(iron fist APS)和美制“鐵簾”(iron curtain)、俄羅斯的“競技場”等[4-5]。但是對于飛機的主動防御系統(tǒng)來說，地面裝甲車輛的主動防御系統(tǒng)由于體積和質(zhì)量的限制無法直接應(yīng)用到飛機上。出于實用性方面的考慮，飛機更愿意加裝厚重的裝甲和低空躲避等方式等來對付來自導(dǎo)彈的威脅。截止目前，還沒有成熟的主動防御系統(tǒng)裝備到飛機上，但是作為一種防護(hù)理念，國內(nèi)外一致沒有放棄飛機主動防御技術(shù)研究。美國、以色列、俄羅斯等國家一直在進(jìn)行持續(xù)不斷的研究，技術(shù)也越來越接近實用化。

2.1 美國

2015年，美國軌道-阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司(Orbital ATK)研發(fā)的世界第一款直升機主動防御系統(tǒng)在美國特種作戰(zhàn)產(chǎn)業(yè)大會上亮相[6]，如圖3所示。該系統(tǒng)由一個交戰(zhàn)管理模塊、一個稍加改造的干擾彈發(fā)射裝置(例如ALE-47紅外干擾彈裝置)和多枚殺傷飛行器組成，其中殺傷飛行器從干擾彈發(fā)射裝置的標(biāo)準(zhǔn)曳光彈/箔條發(fā)射管發(fā)射。該系統(tǒng)可識別一個來襲威脅，發(fā)射并制導(dǎo)1枚殺傷飛行器飛抵某個精確位置，然后引爆戰(zhàn)斗部使來襲RPG失效。該裝置不但小巧輕便，還可以利用現(xiàn)有的ALE-47紅外干擾彈裝置發(fā)射，不需要加裝額外的設(shè)備，對武裝直升機飛行性能影響小，也可以與原有的紅外干擾彈混合使用。

圖3 美國ATK公司的直升機主動防御系統(tǒng)Fig.3 Helicopter APS of American ATK Corporation

此外，美國還開展了固定翼飛機的主動防御系統(tǒng)研究，如2017年美國諾斯羅普·格魯曼公司提出了一種名為“微型導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”的動能主動防御概念[7]，如圖4所示，4a)為微型導(dǎo)彈防御系統(tǒng)在固定翼飛機上的布置圖；4b)為微型發(fā)射艙結(jié)構(gòu)示意圖；4c)為微型發(fā)射艙位置圖；4d)為微型動能攔截彈對來襲目標(biāo)的跟蹤攔截示意圖。該概念設(shè)想利用隱身戰(zhàn)機裝載的動能攔截彈，在空戰(zhàn)中攔截來襲導(dǎo)彈，用于提升隱身戰(zhàn)機的生存能力。系統(tǒng)主要包括4個部分：機載微型發(fā)射艙，配備目標(biāo)獲取和尋的系統(tǒng)的微型攔截彈，用于捕獲目標(biāo)威脅的機載傳感器，能夠接收傳感器信號的機載控制器。

圖4 美國微型導(dǎo)彈防御系統(tǒng)Fig.4 Minisize Missile Defense System of American

目前，洛克希德馬丁公司在美國空軍支持下還開展了SHiELD(self-protect high energy laser demonstrator)[8]項目研制,計劃在21世紀(jì)20年代中期將其安裝在戰(zhàn)斗機機身或機翼上可以擊落來襲的空對空和地對空導(dǎo)彈。

2.2 以色列

以色列一向重視作戰(zhàn)平臺主動防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，不僅是地面裝甲主動防御系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，其目前在研的“Fliker”使以色列在直升機防護(hù)領(lǐng)域再次走在世界最前列[9]。2011年以色列拉法爾武器公司下屬的MANOR技術(shù)分部在以色列國防部防務(wù)研究發(fā)展局的支持下，提出了名為“Fliker”的武裝直升機HAPS主動防御系統(tǒng)的設(shè)計原型(圖5)。其作戰(zhàn)原理是與目前的坦克主動防護(hù)系統(tǒng)基本相同，也是通過高性能的探測和火控設(shè)備，對來襲的導(dǎo)彈和RPG等武器進(jìn)行快速探測跟蹤、評估其威脅程度、計算最佳攔截點，并在其戰(zhàn)斗部起爆前發(fā)射攔截彈將其摧毀或使之偏離目標(biāo)。戰(zhàn)時，當(dāng)對來襲武器的各種“軟殺傷”措施均告失敗后，“Fliker”將作為最后一層防御手段使用。按照設(shè)計，全套“Fliker”系統(tǒng)將由專門設(shè)計的轉(zhuǎn)塔、攔截武器及控制軟件組成。2011年9月，拉菲爾公司成功地對“Fliker”進(jìn)行了一次可行性測試，初步驗證了該系統(tǒng)保護(hù)直升機免遭RPG之類武器襲擊的能力。

圖5 以色列“Fliker”主動防御系統(tǒng)Fig.5 “Fliker”APS of Israel

圖6 以色列直升機載小型遙控武器站Fig.6 Small RCS for Helicopter of Israel

2014年法國防務(wù)展上，以色列杜克機載系統(tǒng)公司展出一款直升機載遙控武器站(圖6)，其具有360°的全方位射擊能力，內(nèi)嵌一套先進(jìn)的顯示系統(tǒng)，具備自主作戰(zhàn)能力。可安裝與飛機艙門附近用于支援、運輸類直升機的近程主動防御武器，提高戰(zhàn)術(shù)支援類直升機的戰(zhàn)場生存力。

2.3 俄羅斯

俄羅斯也非常重視平臺的防護(hù)技術(shù)，其地面裝甲車輛的“鶇”、“競技場”等主動防御系統(tǒng)也是處于世界的領(lǐng)先水平。在飛機主動防御領(lǐng)域，早在20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)就研究了利用航炮攔截空空導(dǎo)彈的技術(shù)，并研制了AM-23/Gsh-23航炮使用的23 mm榴霰彈，內(nèi)裝24枚預(yù)制彈丸，可在發(fā)射后1.4～1.8 s內(nèi)起爆，將彈丸成球面拋向目標(biāo)，連續(xù)發(fā)射多枚可在來襲導(dǎo)彈航路上形成密集攔截彈幕。

3 直升機主動防御系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

直升機主動防御系統(tǒng)要解決的問題是易安裝、看得到、瞄的準(zhǔn)、打的狠，且在有限的時間內(nèi)要完成整個作戰(zhàn)過程，所以要求及早發(fā)現(xiàn)，快速處理，精準(zhǔn)發(fā)射。故要使得直升機主動防御系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)定作戰(zhàn)能力，需要解決總體集成、目標(biāo)處理、指揮控制、伺服控制、火力等多項關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 主動防御系統(tǒng)頂層分析與總體設(shè)計技術(shù)

直升機主動防御系統(tǒng)需要根據(jù)攔截目標(biāo)特征和直升機使用特征，對主動防御系統(tǒng)進(jìn)行頂層分析，確定系統(tǒng)的需求，構(gòu)建應(yīng)用場景和攔截致勝機理，從而確定系統(tǒng)架構(gòu)和主要設(shè)備組成。該工作可按照基于DoDAF的方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要確定如下內(nèi)容：

1) 直升機主動防御系統(tǒng)的系統(tǒng)需求；

2) 直升機主動防御系統(tǒng)的應(yīng)用場景；

3) 直升機主動防御系統(tǒng)的應(yīng)用模式與工作機理；

4) 直升機主動防御系統(tǒng)的總體架構(gòu)與功能分配；

5) 直升機主動防御系統(tǒng)的信息與邏輯關(guān)系；

6) 直升機主動防御系統(tǒng)防御效能評價與分析。

(2) 高速近程非合作目標(biāo)探測與精確跟蹤技術(shù)

根據(jù)軍用直升機的應(yīng)用場景，需要對近程高速非合作目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警探測和精確跟蹤，以確定來襲目標(biāo)的類型、特征、數(shù)量等基礎(chǔ)信息，供信息處理單元進(jìn)行分析判斷和制定攔截策略。其難點是來襲目標(biāo)通常處于隱蔽狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)時距離通常較近，為此，需要利用高精度的光電、激光等預(yù)警探測設(shè)備進(jìn)行綜合探測和精確跟蹤[10]，需要解決的技術(shù)包括：

1) 復(fù)雜環(huán)境下高速非合作目標(biāo)的光電探測技術(shù)；

2) 高速近程非合作目標(biāo)的高精度測量技術(shù)；

3) 高速非合作目標(biāo)的軌跡自動穩(wěn)定跟蹤方法；

4) 高速非合作目標(biāo)的運動特征提取與屬性識別技術(shù)。

(3) 高速非合作目標(biāo)航跡濾波與預(yù)測技術(shù)

對軍用直升機的主動防御系統(tǒng)來說，確定來襲目標(biāo)的航跡是攔截的基礎(chǔ)。確定來襲目標(biāo)航跡的目的是對航跡進(jìn)行預(yù)測以使得攔截系統(tǒng)提前準(zhǔn)備，而要精確的預(yù)測航跡就需要根據(jù)目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡建模和數(shù)據(jù)濾波，從而進(jìn)行航跡參數(shù)的辨識[11]。對軍用直升機的主動防御系統(tǒng)來說，目標(biāo)的航跡濾波和預(yù)測主要要解決的技術(shù)如下：

1) 基于短時少量測量數(shù)據(jù)的目標(biāo)航跡構(gòu)建；

2) 近程高速非機動目標(biāo)的航跡濾波方法；

3) 近程高速非機動目標(biāo)的航跡外推方法。

(4) 系統(tǒng)的操作控制與指揮控制技術(shù)

操作控制和指揮決策是信息處理的核心功能，對于軍用直升機主動防御系統(tǒng)來說，其需要在秒級或毫秒時間范圍內(nèi)完成對探測信息的處理和顯示，形成攔截方案，計算出攔截位置和火力發(fā)射諸元，根據(jù)最新目標(biāo)信息對攔截參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，并控制火力攔截單元瞄準(zhǔn)預(yù)定攔截點，在滿足攔截條件時發(fā)出攔截指令[12]。在其設(shè)計過程中需要解決的主要技術(shù)包括：

1) 基于CAN總線的直升機主動防御系統(tǒng)即時通信方法；

2) 直升機主動防御系統(tǒng)綜合處理單元的設(shè)計技術(shù)；

3) 直升機主動防御系統(tǒng)任務(wù)綜合顯示與綜合技術(shù)；

4) 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的態(tài)勢綜合與顯示技術(shù)；

5) 基于多屬性決策方法的目標(biāo)群威脅判斷方法。

(5) 空中攔截計算技術(shù)

空中攔截計算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接決定攔擊效果甚至攔截成敗，必須在目標(biāo)信息綜合處理的基礎(chǔ)上結(jié)合攔截火力單元的射擊特效進(jìn)行綜合快速計算[13]，其結(jié)果應(yīng)給出空中預(yù)定攔截位置、火力攔截單元的火力射擊參數(shù)并發(fā)送給火力攔截單元進(jìn)行精確隨動。其需要解決的技術(shù)包括：

1) 直升機主動防御系統(tǒng)空中“預(yù)測命中點”計算方法；

2) 直升機主動防御系統(tǒng)空中攔截射擊火力諸元解算模型與方法；

3) 有限時間下火力隨動單元的高精高速隨動控制技術(shù)。

(6) 攔截彈藥的高效毀傷技術(shù)

攔截彈藥是否能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行有效殺傷是主動攔截系統(tǒng)的關(guān)鍵點之一。必須考慮要攔截的目標(biāo)和攔截彈藥特征，既保證有足夠的毀傷能力，又能不對飛機進(jìn)行附帶損傷或少量損傷。目前研究的有破片式、沖擊波式或子母彈式等殺傷原理[14-15]，對此應(yīng)該考慮的技術(shù)包括：

1) 高效攔截彈藥的設(shè)計技術(shù)；

2) 多攔截彈齊射技術(shù)；

3) 多攔截彈彈幕形成與保持技術(shù)。

4 結(jié)束語

隨著直升機作戰(zhàn)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性增大，未來直升機面臨的威脅也會越來越大，現(xiàn)有的防御性手段急需升級，但是被動防御效果的效費比將會越來越低，直升機主動防御系統(tǒng)是未來提高直升機戰(zhàn)場生存力的關(guān)鍵。但是其全面的研究和應(yīng)用還處于論證階段，本文在研究軍用直升機面臨的主要威脅的基礎(chǔ)上，按照OODA環(huán)給出了主動攔截系統(tǒng)的功能需求，通過梳理國內(nèi)外軍機主動攔截系統(tǒng)的研究狀況和攔截原理的基礎(chǔ)上，形成了軍用直升機主動攔截系統(tǒng)要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)。研究成果可為未來直升機主動防御系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支撐和理論借鑒。