羅 磊,譚碧濤,張 鵬,聶恒輝

(航天工程大學(xué),北京 101400)

1 引 言

艦載激光武器作為一種新概念武器,作戰(zhàn)中具有光速打擊、反應(yīng)快、精度高、抗電磁干擾、無限載彈量等明顯優(yōu)勢[1]。歐美等軍事強(qiáng)國先后研究艦載激光武器用于抗擊無人機(jī)、水面小艇、各類反艦火箭彈、炸彈等,最終目標(biāo)是要實現(xiàn)反導(dǎo)作戰(zhàn)[2]。美軍對艦載激光武器的反導(dǎo)作戰(zhàn)研究分為短期、中期、長期三個階段。短期目標(biāo)研發(fā)功率為十萬瓦到十五萬瓦的戰(zhàn)術(shù)級艦載激光武器用于對導(dǎo)彈導(dǎo)引頭進(jìn)行干擾致盲；中期目標(biāo)研發(fā)功率為三十千瓦到五十千瓦的高能戰(zhàn)術(shù)級艦載激光武器,用于近距離抗擊反艦巡航導(dǎo)彈；長期目標(biāo)是研發(fā)出功率為兆瓦級的艦載戰(zhàn)略級激光武器,用于遠(yuǎn)距離摧毀超音速反艦巡航導(dǎo)彈甚至彈道導(dǎo)彈[3]。當(dāng)前短期目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)。在激光反導(dǎo)作戰(zhàn)試驗方面,美軍推出ABL項目,開發(fā)兆瓦級機(jī)載激光武器用于助推段反導(dǎo),并在2010年成功進(jìn)行過50 km內(nèi)的攔截試驗[4],最終因為資金以及技術(shù)難題,項目被迫取消。近年來,隨著激光武器相關(guān)技術(shù)的不斷成熟,艦載激光武器反導(dǎo)問題再次成為相關(guān)領(lǐng)域的研究焦點。

2 典型反艦導(dǎo)彈特性分析

反艦導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)組成包括導(dǎo)彈殼體、制導(dǎo)系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部裝藥以及推進(jìn)系統(tǒng),其中制導(dǎo)系統(tǒng)的各類傳感器是艦載激光武器的重點打擊對象。導(dǎo)彈攻擊航路一般分為初始段、自控段和自導(dǎo)段,其自控段飛行高度比較高,飛行時間較長,飛行姿態(tài)相對穩(wěn)定,該階段最利于艦載激光武器在遠(yuǎn)距離實施打擊。

遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈LRASM被稱為“航母殺手”,是美國當(dāng)前研制的最新反艦導(dǎo)彈,具有隱身、抗干擾、高智能化和通用化等特點[5],目前已成功發(fā)展了空射和艦射型,潛射型還處于研制當(dāng)中。LRASM導(dǎo)彈的顯著優(yōu)勢在于其采用智能化復(fù)合制導(dǎo),能夠在缺乏引導(dǎo)的條件下自主規(guī)劃航跡,自主識別目標(biāo)并規(guī)避威脅[6]。同時導(dǎo)彈表面采用先進(jìn)的雷達(dá)吸波材料,使其兼具高隱身性能。其主要的戰(zhàn)技術(shù)性能如表1[7]所示。

表1 LRASM導(dǎo)彈性能概況

LRASM導(dǎo)彈是美軍空海一體戰(zhàn)和分布式殺傷理念下的產(chǎn)物,其典型的攻擊模式為:遠(yuǎn)程預(yù)警探測系統(tǒng)獲取艦艇的位置信息后將其傳遞給機(jī)載作戰(zhàn)平臺,空射型LRASM導(dǎo)彈在敵防區(qū)外超遠(yuǎn)程發(fā)射,并按照預(yù)先規(guī)劃的航跡接近目標(biāo)；導(dǎo)彈打開雙翼與己方飛控平臺建立雙向數(shù)據(jù)鏈,實現(xiàn)目標(biāo)信息的實時更新；導(dǎo)彈進(jìn)入中空巡航,GPS提供中段自控飛行的中繼引導(dǎo)數(shù)據(jù),如果GPS信號受到干擾,由其內(nèi)置的INS進(jìn)行制導(dǎo)；接近敵艦艇防區(qū)后,導(dǎo)彈降高突防,通過被動雷達(dá)搜索目標(biāo)；接近目標(biāo)后導(dǎo)彈掠海飛行,利用紅外傳感器鎖定目標(biāo),并自主規(guī)劃航跡,規(guī)避威脅,直至命中目標(biāo)[8]。

3 激光對導(dǎo)彈的毀傷分析

3.1 毀傷機(jī)理分析

艦載激光武器鎖定目標(biāo)后以光速實施打擊,其對導(dǎo)彈的毀傷作用主要包括熱破壞效應(yīng)、力學(xué)破壞效應(yīng)以及輻射破壞效應(yīng)[9]。高能激光輻照導(dǎo)彈,在其表面產(chǎn)生極高的功率密度,短時間內(nèi)通過能量的快速疊加和累積造成目標(biāo)表面結(jié)構(gòu)以及材料特性發(fā)生不可逆的變化[10],從而形成有效殺傷。因此,激光毀傷導(dǎo)彈取決于兩個主要因素:一是激光的到靶功率密度門限,二是激光與導(dǎo)彈的相互作用時間。其中到靶功率密度達(dá)到對導(dǎo)彈干擾、破壞的閾值是武器實現(xiàn)有效打擊的前提,如果激光的打靶功率密度太小,作用時間再長也無法對目標(biāo)造成毀傷。而作用時間是武器實現(xiàn)有效打擊的關(guān)鍵,如果激光的到靶功率密度滿足要求,但作用時間太短,能量累積無法達(dá)到對導(dǎo)彈破壞的能量閾值,同樣無法對目標(biāo)形成毀傷。

3.2 毀傷能力分析

由艦載激光武器的毀傷機(jī)理可知,其對導(dǎo)彈的毀傷能力與激光作用于目標(biāo)的到靶功率密度直接相關(guān)。設(shè)激光輻照導(dǎo)彈的到靶功率密度為Im,表示為[11]:

(1)

式中,P為艦載激光器的發(fā)射功率;θ為激光傳輸過程中的光束遠(yuǎn)場發(fā)射角；η為介質(zhì)傳播透射率,主要受大氣傳輸影響,真空條件下η=1；λ為發(fā)射激光束波長;β為光束質(zhì)量因子；L為目標(biāo)與激光武器的相對距離；D為激光武器發(fā)射主鏡的直徑。理論上當(dāng)激光與導(dǎo)彈相互作用的能量密度達(dá)到3280 J/cm2,即Im=1093 W/cm2時,作用時間t=3 s,激光可以對導(dǎo)彈形成硬摧毀[12]。而當(dāng)激光與導(dǎo)彈相互作用的能量密度為900 J/cm2,即Im=300 W/cm2時,作用時間t=3 s,激光可以對導(dǎo)彈造成軟殺傷[13]。

考慮激光在大氣傳輸中的衰減,假定海上作戰(zhàn)環(huán)境中η=0.85。當(dāng)艦載激光武器的發(fā)射口徑D=1.5 m,作戰(zhàn)激光的波長λ=1.064 μm時,通過對艦載激光武器作戰(zhàn)關(guān)鍵指標(biāo)仿真得到圖1～圖3所示結(jié)果。

圖1 P=1000 kW,I與L的關(guān)系

圖2 β=2,I與L的關(guān)系

圖3 I=1093 W/cm2,P與L的關(guān)系

根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行分析:艦載激光武器的發(fā)射口徑和激光波長固定時,打擊距離與激光的光束質(zhì)量和武器的作戰(zhàn)功率成正比。當(dāng)發(fā)射口徑D=1.5 m,大氣傳播透射率η=0.85,光束質(zhì)量因子β=2時,要在50 km處實現(xiàn)對導(dǎo)彈的硬摧毀,艦載激光武器的作戰(zhàn)功率需要達(dá)到三十萬瓦以上；而要在100 km內(nèi)實現(xiàn)對導(dǎo)彈的硬摧毀則需要武器的作戰(zhàn)功率達(dá)到兆瓦級以上。此外,該作戰(zhàn)條件下兆瓦級艦載激光武器同時具備在200 km內(nèi)對導(dǎo)彈進(jìn)行軟殺傷的能力。

4 典型作戰(zhàn)場景仿真分析

4.1 場景構(gòu)建

為分析實戰(zhàn)條件下艦載激光武器抗擊敵反艦導(dǎo)彈LRASM的飽和攻擊情況,構(gòu)建以下典型作戰(zhàn)場景:某次紅藍(lán)對抗中,紅方航母編隊在遠(yuǎn)海執(zhí)行任務(wù)時遭到藍(lán)方某航母戰(zhàn)斗群50架艦載機(jī)以及某空軍基地的4架戰(zhàn)略轟炸機(jī)飽和攻擊。藍(lán)方每架艦載機(jī)掛載4枚LRASM導(dǎo)彈,每架戰(zhàn)略轟炸機(jī)滿掛24枚相同型號的導(dǎo)彈。為最大限度占用紅方航母編隊的火力通道,同時擊沉紅方航母,所有藍(lán)方敵機(jī)在紅方防區(qū)外距離航母縱深800 km時開始齊射296枚LRASM導(dǎo)彈,使得導(dǎo)彈幾乎能同一時間抵達(dá)紅方航母。此時紅方航母編隊由于遠(yuǎn)離海岸,缺乏岸基火力支持,只能依靠自身火力作戰(zhàn)。紅方作戰(zhàn)艦艇除裝備常規(guī)防空反導(dǎo)武器外還配備有5座兆瓦級艦載激光武器用于反導(dǎo)作戰(zhàn)。紅方編隊預(yù)警機(jī)前出200 km預(yù)警,但由于藍(lán)方LRASM隱身性極強(qiáng),預(yù)警機(jī)對導(dǎo)彈的發(fā)現(xiàn)距離不超過150 km。紅方艦艇編隊的具體作戰(zhàn)編成如圖4所示。其中內(nèi)層防御的驅(qū)護(hù)艦距離航母約20 km,外層防御的驅(qū)護(hù)艦距離航母縱深約100 km。艦載激光武器分別部署于戰(zhàn)艦A、B、C、D、E上,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈來襲后,紅方編隊指揮所命令5座艦載激光武器負(fù)責(zé)抗擊藍(lán)方180枚目標(biāo)。

圖4 紅方航母編隊?wèi)?zhàn)斗隊形示意圖

4.2 模型建立

為了確保研究的科學(xué)性同時方便運(yùn)用模型描述,對艦載激光武器的反導(dǎo)作戰(zhàn)條件進(jìn)行進(jìn)一步明確:

(1)初始狀態(tài)設(shè)定,由于所有來襲導(dǎo)彈皆采用高空發(fā)射,其主要攻擊目標(biāo)為紅方航母,因此,初始時刻設(shè)定所有來襲導(dǎo)彈相對于紅方航母的航路捷徑均為0(即所有導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)均為航母,其運(yùn)動方向正對航母)。若以紅方航母為空間坐標(biāo)原點,則所有藍(lán)方反艦導(dǎo)彈在距離航母斜距為300 km里處的球面隨機(jī)分布,如果不進(jìn)行航路規(guī)劃,所有導(dǎo)彈幾乎能同一時刻抵達(dá)紅方航母。該狀態(tài)為初始狀態(tài),對應(yīng)的時刻為初始時刻。由于藍(lán)方作戰(zhàn)飛機(jī)從不同高度進(jìn)行投彈,因此,假定所有來襲導(dǎo)彈初始時刻的飛行高度處于3000～7000 m之間,其進(jìn)入方向在海平面上相對于紅方航母為-90°到90°。圖5為初始時刻導(dǎo)彈飽和攻擊示意圖。

圖5 初始時刻反艦導(dǎo)彈攻擊示意圖

(2)由于LRASM導(dǎo)彈具有高智能化,制導(dǎo)方式靈活,因此,在該作戰(zhàn)場景中將其攻擊模式簡化如圖6所示,圖中實線表示反艦導(dǎo)彈的航路。初始時刻,導(dǎo)彈始終以320 m/s的速度飛向紅方航母的位置(0,0,0),飛行高度為3000～7000 m,在距離目標(biāo)100 km內(nèi),飛行高度降低為15 m進(jìn)行掠海突防,并在水平面內(nèi)機(jī)動規(guī)避風(fēng)險,最終從正面、側(cè)面甚至后方對航母進(jìn)行打擊。

圖6 LRASM反艦導(dǎo)彈進(jìn)攻過程航路模擬主視圖

(3)紅方編隊預(yù)警探測系統(tǒng)和艦載激光武器能夠同時探測識別并追蹤多批目標(biāo)。綜合考慮艦載激光武器的跟蹤精度、轉(zhuǎn)火速度、打擊能力,以及反艦導(dǎo)彈的飛行速度、航路捷徑等,設(shè)定艦載激光武器對目標(biāo)的有效打擊斜距為0.3～200 km,而且在打擊范圍內(nèi)可直接對目標(biāo)進(jìn)行有效毀傷(即艦載激光武器在打擊目標(biāo)時對目標(biāo)的單次照射毀傷概率為1)?？紤]反艦導(dǎo)彈掠海飛行和地球曲率的影響,艦載激光武器不能實施超視距打擊。因此,當(dāng)導(dǎo)彈掠海飛行高度為15 m時,艦載激光武器在海平面上對導(dǎo)彈的打擊斜距不超過30 km。

(4)艦載激光武器采用點防御的方式對來襲反艦導(dǎo)彈進(jìn)行抗擊。即一座艦載激光武器一次只能單獨(dú)打擊一個目標(biāo)。應(yīng)對飽和攻擊時,為提升打擊效率,同一目標(biāo)在同一時間內(nèi)也僅由一座艦載激光武器對其進(jìn)行打擊。艦載激光武器具有無限彈容量,在打擊窗口內(nèi)可以對來襲目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)打擊,打擊方位角為360°,俯仰角為-10°到90°,其轉(zhuǎn)移火力到完成一次目標(biāo)打擊所需要的總時間為14 s。

(5)打擊目標(biāo)選擇。打擊目標(biāo)選擇主要根據(jù)導(dǎo)彈的威脅度進(jìn)行判定。由于所有導(dǎo)彈進(jìn)入艦載激光武器的打擊范圍時相對于航母的航路捷徑均為0,而且所有導(dǎo)彈為同一型號導(dǎo)彈,其戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)完全相同,對航母的威脅度主要與導(dǎo)彈相對于航母的斜距有關(guān)。因此,艦載激光武器首先打擊距離航母斜距最近的目標(biāo)。

(6)打擊火力分配。艦艇編隊內(nèi)艦載激光武器能夠協(xié)同分配火力,目標(biāo)進(jìn)入艦載激光武器的打擊范圍時,首先由與之斜距最近的艦載激光武器進(jìn)行打擊,若該武器處于打擊狀態(tài),則由相對斜距次之的艦載激光武器進(jìn)行打擊,以此類推；其余艦載激光武器選擇打擊有利度最佳的目標(biāo)進(jìn)行打擊,打擊窗口內(nèi),打擊有利度主要由導(dǎo)彈相對于艦載激光武器的斜距判定。斜距較小,打擊有利度較佳。

(7)在所有反艦導(dǎo)彈來襲過程中,由于編隊機(jī)動速度相對于導(dǎo)彈攻擊速度很小,假定艦艇編隊相對于反艦導(dǎo)彈保持靜止(即反導(dǎo)作戰(zhàn)中艦艇都不進(jìn)行機(jī)動),且編隊內(nèi)各作戰(zhàn)艦艇相對于航母,以及各作戰(zhàn)艦艇相互之間的位置保持相對固定(即艦艇編隊的作戰(zhàn)隊形不進(jìn)行調(diào)整)。

(8)由于該反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部采用高爆彈藥,且裝藥量巨大,一枚導(dǎo)彈擊中就可能給艦艇造成致命打擊。因此,當(dāng)?shù)谝幻斗磁瀸?dǎo)彈抵達(dá)紅方航母時,意味著反艦導(dǎo)彈成功突防,艦載激光武器的打擊時刻終止。

(2)

(3)

紅方艦載激光武器的位置坐標(biāo)分別為:P1(0,100,0)、P2(70.7,70.7,0)、P3(100,0,0)、P4(70.7,-70.7,0)、P5(0,-100,0),公式中數(shù)值單位皆為千米。

4.3 仿真分析

運(yùn)用MATLAB仿真。以艦載激光武器的打擊目標(biāo)數(shù)作為分析重點,對紅方編隊艦載激光武器抗擊反艦導(dǎo)彈LRASM飽和攻擊的過程進(jìn)行模擬。根據(jù)反艦導(dǎo)彈攻擊航路將艦載激光武器對目標(biāo)的打擊過程分為三個階段:打擊中空巡航目標(biāo)階段、打擊降高突防目標(biāo)階段以及打擊掠海飛行目標(biāo)階段。反艦導(dǎo)彈的進(jìn)攻總數(shù)為296枚,初始時刻在導(dǎo)彈進(jìn)入曲面隨機(jī)296個坐標(biāo),并對所有來襲目標(biāo)進(jìn)行編號,此后根據(jù)導(dǎo)彈的運(yùn)動狀態(tài)設(shè)置方向向量每秒進(jìn)行1次迭代。用0、1矩陣表示每枚導(dǎo)彈的打擊狀態(tài),1表示該枚導(dǎo)彈正處于被打擊中,0表示導(dǎo)彈沒有被打擊。若導(dǎo)彈狀態(tài)為1,則對打擊導(dǎo)彈的時間進(jìn)行判斷,如時間大于14 s,則表示艦載激光武器有效完成了對目標(biāo)的鎖定、跟瞄和照射,判定導(dǎo)彈被擊毀。5座艦載激光武器一次最多同時打擊5個不同的目標(biāo),在打擊窗口內(nèi)艦載激光武器每成功打擊1個目標(biāo)則將其剔除。同理,用0、1矩陣表示每座艦載激光武器的打擊狀態(tài),1表示艦載激光武器正對目標(biāo)實施打擊,0表示武器處于閑置狀態(tài)。每次進(jìn)行火力分配時先對艦載激光武器的打擊狀態(tài)進(jìn)行判定,若其狀態(tài)為1則不對其分配打擊目標(biāo),并且對狀態(tài)為1的艦載激光武器在打擊時間為14 s時自動將其狀態(tài)調(diào)整為0。

圖7為紅方艦艇編隊艦載激光武器的作戰(zhàn)區(qū)域。

圖7 紅方編隊艦載激光武器作戰(zhàn)區(qū)域

通過仿真,根據(jù)反艦導(dǎo)彈的運(yùn)動狀態(tài),第一階段打擊時間625 s,5座艦載激光武器成功擊毀了從不同方向同時來襲的156枚反艦導(dǎo)彈。將擊毀目標(biāo)剔除,艦載激光武器對剩余的140枚反艦導(dǎo)彈繼續(xù)抗擊,第二、三階段打擊總時間為322 s,由于反艦導(dǎo)彈降高掠海突防,艦載激光武器對處于該階段的目標(biāo)打擊能力受限,這兩個階段艦載激光武器僅成功擊毀了27個目標(biāo)。因此,綜合導(dǎo)彈的目標(biāo)特性和艦載激光武器的打擊能力,該特定作戰(zhàn)場景下艦載激光武器對296枚飽和攻擊的反艦導(dǎo)彈總體毀傷數(shù)量為183,大于180,足以完成紅方上級分配的任務(wù)。

如果作戰(zhàn)場景不變,打擊條件不變,改變艦載激光武器單次抗擊單個目標(biāo)的作戰(zhàn)時間,得到如圖8所示的仿真結(jié)果。其中橫坐標(biāo)表示擊毀單個目標(biāo)的作戰(zhàn)時長,縱坐標(biāo)表示擊毀目標(biāo)總量。

圖8 艦載激光武器打擊單個目標(biāo)時間和毀傷目標(biāo)數(shù)量的關(guān)系

由仿真結(jié)果可知:艦載激光武器抗擊導(dǎo)彈的數(shù)量與系統(tǒng)反應(yīng)時間成反比。如果武器系統(tǒng)平均反應(yīng)時間為24 s,則紅方編隊編成內(nèi)5座艦載激光武器只能有效抗擊124枚反艦導(dǎo)彈；如果武器系統(tǒng)作戰(zhàn)平均反應(yīng)時間縮短為8 s,則5座艦載激光武器將能夠有效抗擊208枚反艦導(dǎo)彈。要完成紅方上級的任務(wù),則艦載激光武器單次抗擊單個目標(biāo)的時間不得超過14.2 s。

作戰(zhàn)場景不變,打擊條件不變。改變艦載激光武器的最大作戰(zhàn)距離,通過多次仿真,得到圖9所示艦載激光武器對反艦導(dǎo)彈的最大作用距離和毀傷目標(biāo)數(shù)量的關(guān)系。

圖9 艦載激光武器最大打擊距離和毀傷目標(biāo)數(shù)量的關(guān)系

從仿真結(jié)果可知:艦載激光武器的最大作用距離越遠(yuǎn),在滿足打擊條件時,武器系統(tǒng)將獲得對目標(biāo)更多的抗擊時間,從而有效毀傷更多的目標(biāo)。本場景中如果艦載激光武器最大作戰(zhàn)距離只有50 km,艦載激光武器將只能夠抗擊80枚反艦導(dǎo)彈；而當(dāng)艦載激光武器的最大打擊達(dá)到200 km時,5座艦載激光武器可以有效抗擊183枚反艦導(dǎo)彈。要完成上級的任務(wù),艦載激光武器的最大打擊距離不得低于198 km。

作戰(zhàn)場景不變,打擊條件不變,改變紅方作戰(zhàn)艦艇與航母之間的相對距離,通過仿真,得到圖10不同狀態(tài)下5座艦載激光武器的毀傷目標(biāo)數(shù)量情況。

圖10 作戰(zhàn)艦艇與航母相對距離同毀傷目標(biāo)數(shù)量的關(guān)系

從仿真結(jié)果可以得出,該作戰(zhàn)場景下如果各作戰(zhàn)艦艇距離航母縱深為80 km左右時能夠獲得最佳的打擊效果,此時艦載激光武器可以有效抗擊的反艦導(dǎo)彈數(shù)量為最大值196枚。因此,艦載激光武器在作戰(zhàn)過程中要根據(jù)作戰(zhàn)能力選擇最佳的配置位置從而獲取最佳打擊效能。

5 結(jié) 語

隨著激光武器技術(shù)的不斷成熟,艦載激光武器在未來反導(dǎo)作戰(zhàn)中必將發(fā)揮出日益重要的作用。本文根據(jù)反艦導(dǎo)彈的目標(biāo)特性,結(jié)合艦載激光武器的打擊能力,構(gòu)建典型的作戰(zhàn)運(yùn)用場景對多座艦載激光武器抗敵反艦導(dǎo)彈飽和攻擊情況進(jìn)行了深入分析。通過仿真得出了艦載激光武器的不同作用距離,不同系統(tǒng)反應(yīng)時間以及作戰(zhàn)艦艇與航母相對位置不同時,與作戰(zhàn)目標(biāo)毀傷數(shù)量之間的定量關(guān)系,為實戰(zhàn)中艦載激光武器的部署和運(yùn)用提供了理輪支撐。提高艦載激光武器的毀傷能力是其實戰(zhàn)化運(yùn)用的關(guān)鍵,而其毀傷導(dǎo)彈的能力與武器的作戰(zhàn)功率和激光光束質(zhì)量密切相關(guān)。因此,研究適合于艦載平臺搭載、出光功率更高、光束質(zhì)量更佳的高能激光器仍然是今后艦載激光武器技術(shù)研究的重點。此外,作戰(zhàn)過程中艦載激光武器與艦載常規(guī)武器協(xié)同運(yùn)用的火力分配問題也有待下一步深入探討。