王松，邵圣祥，欒曉文，張帥欽

（再入動力學(xué)與目標(biāo)特性實(shí)驗(yàn)室，新疆 庫爾勒 841001）

0 引言

高超聲速導(dǎo)彈以其速度快、精度高、突防能力強(qiáng)等特點(diǎn)，也已成為大國打破戰(zhàn)略平衡、打贏未來戰(zhàn)爭的新型“殺手锏”［1］。識變應(yīng)變，積極變革，探索提升反高超聲速導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力，對于應(yīng)對國家空天威脅和維護(hù)國家安全穩(wěn)定具有重要意義［2］。目前已有多個國家部署或正在研制高超聲速武器［3-7］，與此同時，世界主要大國爭相發(fā)展高超聲速目標(biāo)防御作戰(zhàn)能力［8-12］。在高超防御體系建設(shè)方面，美國強(qiáng)勢領(lǐng)先［13-15］，俄羅斯穩(wěn)步推進(jìn)［2］。

當(dāng)前利用動能攔截彈實(shí)施高超聲速導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)，需要依賴有效的目標(biāo)軌跡預(yù)報技術(shù)［16-17］。因?yàn)閿r截彈從發(fā)射到攔截交會，需要經(jīng)歷一定時間（通常約百秒量級），所以只有在軌跡預(yù)報支援的基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)攔截彈預(yù)先發(fā)射。目標(biāo)軌跡預(yù)報精度的高低直接影響攔截成功率。大體上，可將攔截彈飛行軌跡分為2 段：一是在火控雷達(dá)（或指控中心）引導(dǎo)下達(dá)到預(yù)定的區(qū)域；二是采用自主尋的技術(shù)實(shí)現(xiàn)彈目交會，即利用KKV（kinetic kill vehicle）實(shí)現(xiàn)自主攔截交會。目標(biāo)軌跡預(yù)報可以有效支援?dāng)r截作戰(zhàn)，就是因?yàn)閿r截彈飛行的第一段需要預(yù)知攔截交會點(diǎn)的大概位置，而且該位置越精確越有利于KKV 實(shí)現(xiàn)自主尋的制導(dǎo)。

在高超聲速導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)領(lǐng)域，預(yù)警探測方面已有很多公開報道［10，18-19］，但攔截戰(zhàn)法方面鮮有報道［20］。反高超聲速導(dǎo)彈作戰(zhàn)與彈道導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)存在很大不同，必須探索新戰(zhàn)法。與彈道導(dǎo)彈相比，高超聲速導(dǎo)彈飛行高度較低，造成防御作戰(zhàn)高度空間被壓縮，又因?yàn)闄C(jī)動飛行的特點(diǎn)，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡的長時間預(yù)報。因此，本文提出了分布式網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)短期軌跡預(yù)報下的攔截規(guī)劃，并結(jié)合高超聲速巡航導(dǎo)彈的來襲場景完成了初步演示。

1 反高超聲速導(dǎo)彈攔截戰(zhàn)法轉(zhuǎn)型的必要性

1.1 反高超聲速導(dǎo)彈攔截作戰(zhàn)的難點(diǎn)分析

高超聲速導(dǎo)彈主要包括助推滑翔式導(dǎo)彈和吸氣式巡航導(dǎo)彈，2 種導(dǎo)彈具有不同的彈道特性，見圖1。圖中可見，高超聲速導(dǎo)彈飛行高度較彈道導(dǎo)彈更低，受地球曲率影響，地基雷達(dá)的有效探測弧段較短，這給導(dǎo)彈預(yù)警探測和目標(biāo)指示帶來很大挑戰(zhàn)。

圖1 高超聲速/彈道導(dǎo)彈彈道示意圖Fig. 1 Diagram of hypersonic and ballistic missiles

助推滑翔式高超導(dǎo)彈具有較強(qiáng)的機(jī)動特性，而吸氣巡航式可發(fā)揮主動飛行優(yōu)勢（類似于飛機(jī)一類的空氣動力目標(biāo)），可完成橫向轉(zhuǎn)彎，也就是說二者均具有較好的機(jī)動特性，且飛行速度比普通飛機(jī)快得多。機(jī)動和高速特性的結(jié)合，給攔截作戰(zhàn)帶來極大挑戰(zhàn)?？傊谳^低空域的高速機(jī)動特性，讓現(xiàn)有導(dǎo)彈防御系統(tǒng)難以發(fā)揮應(yīng)有的作戰(zhàn)效能，對現(xiàn)有攔截戰(zhàn)法造成很大沖擊。

1.2 識變和應(yīng)變，必須探索新的攔截戰(zhàn)法

在攔截彈道導(dǎo)彈過程中，能夠充分利用其軌跡可預(yù)報的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)地基動能反導(dǎo)作戰(zhàn)。中段反導(dǎo)時，攔截彈通常是守時發(fā)射，也就是利用預(yù)報軌跡和預(yù)定交會點(diǎn)，可預(yù)先設(shè)定攔截彈的飛行軌跡并完成守時發(fā)射。中段反導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域防御作戰(zhàn)，僅需分散部署少數(shù)攔截陣地，即可實(shí)現(xiàn)國土區(qū)域的反導(dǎo)作戰(zhàn)。然而，高超聲速來襲目標(biāo)的高速機(jī)動特性導(dǎo)致中段反導(dǎo)這類作戰(zhàn)樣式不再適用。探索新作戰(zhàn)樣式和戰(zhàn)法，謀求高超聲速導(dǎo)彈攻防兩端的戰(zhàn)略平衡，勢在必行。

2 反高超聲速導(dǎo)彈的網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法

2.1 網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法的提出

考慮高超聲速導(dǎo)彈的多個飛行階段，比較可行的攔截階段是飛行中段，即滑翔段或巡航段。雖然針對高超聲速目標(biāo)防御作戰(zhàn)已有多方面的論述，但是目前仍然沒有成熟的防御方案。一方面受限于跟蹤探測能力，另一方面受限于對攔截彈性能的苛刻需求，通常需要機(jī)動能力達(dá)到來襲導(dǎo)彈的2～3 倍，這對攔截彈機(jī)動過載能力提出了較高要求。

跟蹤探測方面，隨著低軌傳感器的部署，高超聲速導(dǎo)彈的跟蹤探測正在得到解決。一般要求攔截彈能夠?qū)崟r追蹤高超聲速導(dǎo)彈的軌跡，利用雷達(dá)和紅外導(dǎo)引頭完成自主尋的制導(dǎo)。

在彈道導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)中，按攔截高度實(shí)現(xiàn)了分層防御的作戰(zhàn)方案，如中段攔截、末段高層攔截和末段低層攔截等。相比之下，高超聲速導(dǎo)彈飛行高度較低，巡航彈基本在30 km 高度內(nèi)飛行，分層攔截戰(zhàn)法不再適用。此外，高超聲速導(dǎo)彈機(jī)動能力強(qiáng)，導(dǎo)致無法制定遠(yuǎn)程攔截預(yù)案，只能根據(jù)短期的軌跡預(yù)報靈活制定攔截方案。當(dāng)攔截方案只是面向短期目標(biāo)時，對攔截彈的機(jī)動過載性能要求就會有所降低。因此，提出了分布式網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法。在地面部署多個攔截器（和探測器），形成防御作戰(zhàn)網(wǎng)格，當(dāng)來襲高超聲速導(dǎo)彈飛入防御網(wǎng)格后，任憑其如何機(jī)動飛行，都在攔截網(wǎng)格防御范圍內(nèi)。

2.2 新戰(zhàn)法的可行性和優(yōu)勢分析

網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法離不開對來襲目標(biāo)的短期軌跡預(yù)報，而基于短期軌跡預(yù)報的攔截作戰(zhàn)規(guī)劃是可行的。通過短期軌跡預(yù)報，比如100 s 的預(yù)報時長，可有力支援?dāng)r截規(guī)劃。高超聲速導(dǎo)彈雖然號稱機(jī)動能力強(qiáng)，但受限于發(fā)動機(jī)能力和目標(biāo)運(yùn)動慣性，其轉(zhuǎn)彎不可能是直角，必然存在較大的轉(zhuǎn)彎半徑。況且機(jī)動飛行對導(dǎo)彈本體結(jié)構(gòu)沖擊較大，巡航式機(jī)動飛行油耗猛增，導(dǎo)致目標(biāo)不可能無限制進(jìn)行飛行機(jī)動。因此，短期軌跡預(yù)報結(jié)果通常是可信的，結(jié)合攔截器網(wǎng)格的優(yōu)化部署，短期軌跡預(yù)報能夠有效支撐攔截作戰(zhàn)規(guī)劃。

網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法體現(xiàn)了分布式作戰(zhàn)思想，作戰(zhàn)彈性足，抗毀能力強(qiáng)?！靶擎湣蹦Ｊ阶屓澜缈吹椒植际浇M網(wǎng)的巨大優(yōu)勢，即便在戰(zhàn)時某些載荷受到強(qiáng)電磁干擾甚至失效，也不影響“星鏈”整體效能的穩(wěn)定發(fā)揮，這種作戰(zhàn)優(yōu)勢已經(jīng)在俄烏沖突中得到了實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證。采用網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法能夠發(fā)揮分布式作戰(zhàn)優(yōu)勢，滿足反導(dǎo)作戰(zhàn)的抗毀傷與快速反應(yīng)需求，在若干節(jié)點(diǎn)無法響應(yīng)作戰(zhàn)時，能夠通過即時最優(yōu)式作戰(zhàn)管理來確定當(dāng)前作戰(zhàn)網(wǎng)格的最優(yōu)攔截規(guī)劃，從而達(dá)成既定作戰(zhàn)目的。

網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法可發(fā)揮體系作戰(zhàn)優(yōu)勢，并通過降低單個攔截器的性能指標(biāo)，顯著降低攔截器單價。在中段反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)中，攔截武器自身技術(shù)先進(jìn)、作戰(zhàn)能力突出，但造價十分昂貴，且中段反導(dǎo)作戰(zhàn)配屬的高精度火控雷達(dá)同樣是價值不菲。如果不求革新，單純照搬中段反導(dǎo)的作戰(zhàn)模式，就無法實(shí)現(xiàn)反高超聲速導(dǎo)彈的國土防御作戰(zhàn)，起碼經(jīng)濟(jì)上是負(fù)擔(dān)不起的。而網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法可有效降低單個攔截器的性能需求。因?yàn)楦叱曀賹?dǎo)彈飛行高度較低，所需攔截器具備中短程攔截能力即可（如射程200 km），如此可顯著降低單枚攔截器成本（例如美軍陸基中段反導(dǎo)攔截彈單枚成本達(dá)到1.09 億美元，而“愛國者”攔截彈單枚造價約300 萬美元）。依靠大批量生產(chǎn)和模塊化組裝及維護(hù)保養(yǎng)，可進(jìn)一步降低單枚攔截彈的成本。因此，網(wǎng)格化部署雖然所需攔截器數(shù)量多，但單價的顯著降低，為控制建設(shè)成本提供了一種可能。

2.3 攔截器網(wǎng)格化部署模型

確定網(wǎng)格尺度大小需要綜合考慮攔截器性能參數(shù)和攔截成功率等因素，可歸納為一種多約束條件下的最優(yōu)化問題。網(wǎng)格劃分越密，越容易達(dá)成作戰(zhàn)目的，但費(fèi)效比也越高。以正方形網(wǎng)格為例，建立如下估計(jì)模型。

假設(shè)當(dāng)來襲目標(biāo)進(jìn)入攔截網(wǎng)格上空時，需要保證實(shí)時不少于n個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的攔截彈具備攔截條件，可得到約束關(guān)系為

其中：x為網(wǎng)格邊長；Rx為有效攔截斜距；R為地球半徑；h為來襲導(dǎo)彈飛行高度，a取值由n決定，當(dāng)n=1時，，當(dāng)n=2 時，a= 1。

該約束條件代表的幾何關(guān)系見圖2，其中ax為來襲目標(biāo)對應(yīng)的經(jīng)緯度位置（導(dǎo)彈星下點(diǎn)）到攔截器網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的大地線長。攔截器位于正方形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，考慮星下點(diǎn)與攔截器網(wǎng)格的位置關(guān)系，不難得到，如果星下點(diǎn)位于網(wǎng)格中心（圖中n=1 的情況）時具有至少1 枚攔截彈的攔截條件，那么對于其他位置的星下點(diǎn)也滿足至少1 枚可攔截的需求。同理可分析n=2 的情況。實(shí)際上，a代表幾倍的網(wǎng)格邊長，從約束關(guān)系來看，a取值越小，可取的網(wǎng)格邊長越大。

圖2 2 種情況下計(jì)算攔截器部署網(wǎng)格邊長示意圖Fig. 2 Diagram of interceptor deployment grid size computation with two cases

攔截器部署網(wǎng)格邊長隨攔截器攔截斜距和導(dǎo)彈高度的變化結(jié)果如圖3 所示?？梢娋W(wǎng)格邊長隨來襲導(dǎo)彈高度增大而緩慢變小，網(wǎng)格邊長主要受制于攔截彈的有效攔截斜距。隨著攔截斜距增大，網(wǎng)格邊長顯著增大。2 個點(diǎn)位可攔截約束下的網(wǎng)格邊長小于1 個點(diǎn)位情況，且差距隨著攔截斜距的增大而變大。

圖3 網(wǎng)格邊長隨攔截斜距和導(dǎo)彈高度的變化Fig. 3 Grid size versus interceptor slant-range and target height

根據(jù)上述計(jì)算模型，可制定攔截器網(wǎng)格化部署方案。例如，當(dāng)攔截器最遠(yuǎn)攔截斜距為200 km、來襲導(dǎo)彈高度不超過40 km 情況下，攔截器部署網(wǎng)格邊長上限為195 km，在緯度方向大概跨越1.75°。攔截器有效攔截斜距受到彈道有效預(yù)報時長的影響，有效攔截斜距不超過平均飛行速率與預(yù)報時長之積，提高攔截器飛行速度和提高有效預(yù)報時間，都可以提升有效攔截斜距。從另一方面講，如果有效預(yù)報時間不超過100 s，那么攔截器的射程設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)參考平均飛行速度而定。例如，如果平均飛行速度為2 km/s，那么其射程設(shè)計(jì)指標(biāo)僅需滿足攔截斜距200 km 即可。

2.4 基于短期軌跡預(yù)報的攔截規(guī)劃流程

利用天基低軌傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對來襲導(dǎo)彈目標(biāo)的實(shí)時探測，并結(jié)合攔截彈的火控雷達(dá)，獲取來襲導(dǎo)彈的實(shí)時位置、速度信息。利用目標(biāo)軌跡短期預(yù)報算法，將來襲導(dǎo)彈的軌跡實(shí)時外推預(yù)報100 s。對攔截彈飛行軌跡進(jìn)行動力學(xué)建模，得出當(dāng)前預(yù)報軌跡上的可行交會點(diǎn)、攔截窗口和交會參數(shù)（如交會角度、相對速度、經(jīng)緯度等）。根據(jù)交會參數(shù)進(jìn)行攔截任務(wù)快速規(guī)劃，確定出用幾個攔截點(diǎn)的幾發(fā)攔截彈實(shí)施攔截。各個攔截點(diǎn)實(shí)時共享規(guī)劃結(jié)果并完成攔截彈守時發(fā)射。攔截彈發(fā)射后，按預(yù)定交會點(diǎn)飛行，在預(yù)定交匯點(diǎn)與實(shí)際偏差小于一定閾值時，適時開啟自主尋的并完成自主攔截。

在特殊情況下指揮員可進(jìn)行否定式干預(yù)，終止攔截彈發(fā)射。利用天基傳感器和地基探測設(shè)備及時評估攔截效果，如果不成功，則快速規(guī)劃下一次攔截。直到所有來襲導(dǎo)彈被攔截，攔截任務(wù)規(guī)劃流程詳見圖4。

圖4 基于短期軌跡預(yù)報的攔截規(guī)劃流程Fig. 4 Intercept process using short-term trajectory prediction

3 某作戰(zhàn)場景下的網(wǎng)格化攔截運(yùn)用與分析

想定強(qiáng)敵從海上發(fā)射高超聲速巡航導(dǎo)彈襲擊我內(nèi)陸關(guān)鍵目標(biāo)。來襲導(dǎo)彈的飛行彈道在上海地區(qū)出現(xiàn)了大范圍橫向機(jī)動，如圖5 中虛線所示。預(yù)定的多個攔截點(diǎn)部署情況見圖中“mx-x”格式的標(biāo)注，攔截點(diǎn)部署網(wǎng)格邊長為195 km。

圖5 攔截態(tài)勢Fig. 5 Example of intercept situation

通過目標(biāo)軌跡的短期實(shí)時預(yù)報，可得到來襲導(dǎo)彈飛行的預(yù)報彈道見圖5 中彩色軌跡。以“m8-10”攔截點(diǎn)為例，從發(fā)射點(diǎn)到交會點(diǎn)先后存在多個可行的攔截彈飛行軌跡（從右向左）。由于來襲導(dǎo)彈的橫向機(jī)動，導(dǎo)致首批攔截交會點(diǎn)與目標(biāo)實(shí)際位置存在較大偏差，此時依靠后續(xù)攔截仍然能夠完成攔截任務(wù)。即便“m8-10”錯失攔截機(jī)會，下一網(wǎng)格點(diǎn)“m7-9”仍可遂行攔截任務(wù)。

假設(shè)單枚攔截彈的攔截成功率為p，每次攔截規(guī)劃n1枚攔截彈實(shí)施攔截任務(wù)，共攔截n2次，那么最終攔截成功概率為，式中指數(shù)項(xiàng)n2體現(xiàn)出網(wǎng)格化分布式攔截的優(yōu)勢。當(dāng)總攔截成功率P=99%時，單枚攔截彈攔截概率p隨n1和n2的變化關(guān)系見表 1?？梢姰?dāng)攔截規(guī)劃3 次，每次發(fā)射2 枚攔截彈，僅需單枚攔截概率約0.54 即可達(dá)到99%的攔截成功率。因此，網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法可降低對單枚攔截彈的性能要求。

歸納作戰(zhàn)規(guī)劃原則為：①首次預(yù)報軌跡后，具備攔截條件，應(yīng)攔盡攔；②優(yōu)先選擇交會窗口近的攔截點(diǎn)實(shí)施攔截；③當(dāng)前預(yù)報軌跡上交會點(diǎn)太晚，等待5 s 再次攔截規(guī)劃；④發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)動（如偏出預(yù)報位置超過2 km），立即再次攔截規(guī)劃；⑤無機(jī)動可待攔截評估做決策。

表1 達(dá)成攔截概率99%情況下所需單枚攔截彈成功率Table 1 Needed interception success rate for one interceptor when meeting the 99% total success rate

4 結(jié)束語

當(dāng)前，高超聲速導(dǎo)彈技術(shù)迅猛發(fā)展，為維持大國競爭優(yōu)勢和戰(zhàn)略平衡，反高超作戰(zhàn)力量建設(shè)也應(yīng)提上日程。應(yīng)對高超聲速導(dǎo)彈威脅，必須做到識變和應(yīng)變，打破原有反彈道導(dǎo)彈的作戰(zhàn)思路。彈道導(dǎo)彈防御中，通常采用分層攔截方案，而高超聲速導(dǎo)彈巡航/滑翔飛行高度較低（20～40 km），需要創(chuàng)新攔截手段。為此，提出了反高超聲速導(dǎo)彈的網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法，以期實(shí)現(xiàn)由分層防御向分布式防御的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法體現(xiàn)了分布式作戰(zhàn)思想，滿足作戰(zhàn)彈性和快速響應(yīng)需求。該戰(zhàn)法可發(fā)揮體系作戰(zhàn)優(yōu)勢，降低對單個攔截武器的性能需求，從而顯著降低單枚攔截器成本。給出了攔截器網(wǎng)格化部署模型，和基于短期軌跡預(yù)報的攔截規(guī)劃流程。通過作戰(zhàn)推演，初步完成了網(wǎng)格化攔截戰(zhàn)法的模擬，并歸納了攔截規(guī)劃戰(zhàn)法原則。其核心是基于目標(biāo)軌跡短期預(yù)報的攔截任務(wù)規(guī)劃，利用攔截器的網(wǎng)格化分布式部署，根據(jù)來襲目標(biāo)的短期預(yù)報彈道，可有效應(yīng)對高超聲速目標(biāo)機(jī)動飛行帶來的不確定性威脅。