上升段高超聲速目標預警系統需求分析

李劍斌，譚賢四，王 紅，李志淮

(1.空軍預警學院 研究生管理大隊，武漢 430019;2.空軍預警學院 二系，武漢 430019)

0 引言

臨近空間高超聲速飛行器可用于偵察監視、兵力投送和全球打擊［1-2］，受到世界主要軍事強國的重視。美國、俄羅斯以及印度、韓國、日本、歐洲等國家和地區都投入了大量經費，積極開展各類臨近空間高超聲速飛行試驗［3-5］，對傳統的空防安全構成了極大的威脅，急需建立相應的防御系統。因此，預警系統作為NSHT 防御系統的重要組成部分，分析上升段NSHT攔截作戰對預警系統的需求具有重要的意義。

1 上升段NSHT 攔截的優勢及挑戰

NSHT 是一類飛行在距離地面20～100 km 空域的飛行器，能夠在1 h 內對全球時間敏感目標進行精確打擊，具備飛行速度快(大于5 Ma）、巡航高度高(20～100 km）、突防能力強(RCS 可達0.01 m2）等特點［6］。航跡可以分為上升段、巡航段以及俯沖攻擊段。上升段攔截發生在NSHT 進入超燃沖壓工作模式之前。

攔截上升段NSHT 具有很強的吸引力，因為處于上升段的NSHT 紅外特征明顯，易于探測;同時，也不易釋放誘餌;上升段攔截發生在發射國境內或邊境，對發射國可以造成極大的威懾;此外，由于飛行器尚未進入超然沖壓工作，目標速度較小。超燃沖壓發動機工作的條件大致為飛行馬赫數達到6，因此目標上升段的平均速度為最大速度的一半［7］，即為3 Ma。

上升段攔截，有效的作戰時間十分有限，在50 km以下進行攔截，攔截作戰時間在40 s左右;在90 km以下攔截，攔截作戰時間可以增加到80 s左右。在如此短的時間內攔截彈需要加速到目標速度的數倍，對攔截武器的推進系統及機動能力等提出了較高的要求，同時也對預警系統構成了極大的挑戰。

2 上升段NSHT 攔截模型

2.1 上升段攔截方案

上升段攔截方案包括陸基或海基動能武器、機載動能武器和機載激光武器等。美國物理學會認為陸基動能武器成功反助推段洲際彈道導彈是悲觀的，原因在于需要攔截彈具有極高的關機速度和橫向機動過載［8］。因此，考慮通過機載動能攔截彈對助推段NSHT 進行攔截;一方面，使用載機可以把作戰位置推進到發射國邊境，從而減小對攔截彈殺傷距離的要求，另一方面，作戰位置的向前延伸可以減小攔截彈的速度需求。對于激光武器等新概念武器，由于其可以快速照射到目標對其實施作戰，使用新概念武器進行攔截可以降低對預警系統的要求，因此基于機載動能武器分析預警系統的需求，其結果對于激光武器等新概念武器是適用的。

2.2 空基攔截模型

反NSHT 作戰，需要將指揮控制系統、攔截武器系統和預警系統有效地集成到一起，充分地一體化并相互深度鉸鏈，從而對來襲NSHT 進行全程探測、跟蹤、識別和攔截。而分析預警系統的需求，必須充分考慮攔截武器的限制。因此，本文作以下假設:(1）武器平臺飛行高度在20 km左右的高空，具備在指定時間內飛抵距離發射點100 km 范圍之內的能力;(2）攔截彈具有足夠的殺傷距離，即滿足式;(3）攔截彈的速度達到目標速度的3 倍。發射攔截彈的條件是，預警系統在目標飛抵ht高度時能夠將其鎖定，并且跟蹤精度滿足發射攔截彈的要求，假設在目標到達15 km 高度時，即可發射攔截彈攔截，建立空基攔截幾何如圖1所示。

圖1 空基攔截幾何

成功攔截，攔截彈應滿足以下條件:

其中，Rm為攔截點與攔截彈發射點的距離，ht為目標所在的高度，H 是攔截彈投放時刻攔截點與目標的相對高度，h 是攔截彈投放時與目標的相對高度，Rh為攔截彈與目標的視線距離，Dm為攔截點與攔截彈發射點的水平距離，Hmmax和Hmmin分別是攔截彈殺傷距離的高界和低界。

3 預警系統能力需求分析

成功攔截NSHT的關鍵是預警系統對目標進行有效探測、跟蹤、識別。本節就上升段攔截對預警系統的能力需求進行分析。

3.1 作用距離需求

碰撞時目標飛行距離Rt=Vt·t，攔截彈飛行距離Rm=Vm·t，成功攔截的條件為

目標與攔截彈發射點(或者空基平臺的位置）的距離為

NSHT發射時，攔截平臺與NSHT發射點的水平距離應滿足:

式中γ 是攔截彈發射前攔截平臺與目標速度之比。因此，機載預警系統的探測距離和跟蹤距離分別滿足式(6）和式(7）:

圖2 仿真了在50 km和90 km 攔截目標時機載預警系統所需滿足的作用距離。考慮攔截彈速度達到目標速度3 倍的情況，在50 km 以下進行攔截，機載預警系統的探測跟蹤制導距離需要達到150 km左右;在90 km 以下攔截，探測跟蹤距離需要達到300 km左右。圖3 是在50 km和90 km 高度實施攔截的仿真。可見，隨著攔截高度的升高，在攔截彈殺傷距離允許的情況下，空中平臺可以在距離目標發射點更遠的距離發射攔截彈，因此機載預警系統探測跟蹤距離需求將增加。

圖2 機載預警系統作用距離需求

圖3 不同高度攔截時目標和攔截彈運動情況

3.2 跟蹤精度需求分析

攔截彈發射前，需要對攔截點作出預測，由于對目標狀態和意圖的估計不準確，將導致預測的攔截點與實際的攔截點存在誤差，攔截彈需要橫向機動過載來修正航向誤差。攔截彈的機動過載增加，將需要攜帶更多的燃料，從而導致攔截彈的成本增加，同時攔截彈的重量增加也不利于攔截彈快速加速。因此，預警系統需要提供高精度的跟蹤信息，以減小攔截彈的機動過載需求。

考慮理想的情況，攔截彈航向誤差完全由目標航向探測誤差導致。假設δ為目標航向探測誤差，攔截彈航向誤差滿足下式:

航向誤差需要的加速度通過下式進行估計［9］:

式中，N 是導航比，He是航向角(弧度）誤差，tf是修正航向誤差的機動飛行時間。

考慮在50 km 以下高度進行攔截，攔截作戰的時間大約為40 s，假設攔截彈勻加速運動，航向誤差導致的攔截彈機動如圖3所示。仿真結果表明，在剩余飛行時間較多的情況下，只要能夠及時反饋航向誤差的信息，可以在目標航向探測誤差較大的情況下發射攔截彈。圖4 是攔截彈所需的加速度隨機動時間的變化曲線，仿真條件為目標航向探測誤差2°。仿真結果表明，在修正相同航向誤差的情況下，所需的機動加速度隨剩余機動時間的減小而增大。因此，預警系統應盡早提供準確的目標航向，以減小所需機動加速度。

圖4 初始航向誤差引起的攔截彈機動過載

圖5 攔截彈的機動過載需求

攔截彈的機動過載不僅要用于修正預警系統探測誤差導致的航向誤差，而且還要用于修正目標機動引起的航向誤差。由于目標機動所需的攔截彈機動過載與制導方法及目標的機動能力有關，在優化制導律的情況下，攔截彈所需的過載僅需比目標的機動過載稍大［10］。臨近空間飛行器尚處于試驗驗證階段，其可能的機動過載為2～4 g［6］。因此，理論上，目標機動所需的攔截彈機動過載將要達到4 g 以上。在50 km 以下攔截時，保守估計，攔截彈的末速度將要達到12 Ma，考慮攔截彈勻加速運動，沿視線方向的加速度需要達到11 g，即使攔截彈的機動過載可以達到目標的3 倍，即12 g，可用于應對目標機動和探測誤差導致的航向誤差的機動過載將小于5 g。可見，用于修正預警系統探測誤差的機動過載將十分有限。因此，對預警系統的探測跟蹤精度提出了更高的要求，尤其是末制導階段，對精度的要求將更加苛刻。

綜上所述，盡管假設預警系統在目標飛抵15 km高度時即發射攔截彈對其進行攔截，仍然對攔截武器提出了比較苛刻的要求。因此，實現上升段NSHT 攔截，預警系統需具備必要的能力。

(1）遠距離快速預警探測能力

盡管假設目標飛抵15 km 高度時預警系統能夠提供滿足精度要求的目標信息，仍然對攔截武器提出了比較苛刻的要求，因此預警系統需要在NSHT發射后十幾秒的時間內進行探測并發出預警信息。對可能發射NSHT的區域進行持續監視是盡早發現的關鍵，高軌紅外預警衛星覆蓋面廣，且NSHT 在上升段紅外特征明顯。因此，高軌紅外探測是實現遠距離快速預警的主要裝備。

(2）快速精確跟蹤制導能力

在20－100 km的高度攔截彈需要采用氣動力/直接力復合控制的方式，為了減少燃料的需求和控制的難度，預警系統需要盡早提供目標的航向信息。此外，還需要盡快對目標的機動能力進行估計。由于作戰地點遠離本土，由于受地球曲率影響，地面大型相控陣雷達可能無法滿足早期的跟蹤制導需求。高軌紅外探測設備探測精度過低，也不能滿足精確跟蹤需求。因此，可行的方法是通過機載的雷達、紅外等探測設備和低軌探測設備實現精確跟蹤制導。

(3）高精度目標識別能力

由于NSHT 上升段的尾焰長達幾百米，因此預警系統還需要具備高精度的目標識別能力，能夠從幾百米長的尾焰中準確識別出NSHT 并引導攔截彈直接碰撞殺傷。為了完成對目標的準確識別，需要對各類傳感器進行數據融合，需要先進的數據處理能力以及時準確地識別出目標。

4 結束語

本文通過建立空基動能武器攔截上升段NSHT的攔截模型，分析了預警系統的能力需求。本文的結果對NSHT 預警系統的建設具有一定的參考價值。

［1］邢繼娟，李偉，葉豐.高超聲速飛行器發展及作戰效能初探［J］.軍事運籌與系統工程，2011，25(4）:41-46.

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［3］馬岑睿，嚴聰，李彥彬.國外高超聲速計劃發展綜述［J］.飛航導彈，2011(6）:28-32.

［4］鐘萍，王穎，陳麗艷.國外高超聲速技術計劃回顧與展望［J］.航空科學技術，2011 (5）:12-15.

［5］彭彪，張志峰，馬岑睿，等.國外高超聲速武器研究概述及展望［J］.飛航導彈，2011 (5）:20-25.

［6］包云霞，張維剛，李君龍，陳勇.臨近空間武器對預警探測制導技術的挑戰［J］.現代防御技術，2012，40(1）:42-47

［7］Dean A.Wilkening.Airborne Boost-Phase Ballistic Missile Defense［J］.Science and Global Security，2004(12）:1 –67.

［8］David K.Barton et al.Boost-Phase Intercept Systems for National Missile Defense［R］，2003.6.

［9］Neil Palumbo，Ross Blauwkamp，Justin Lloyd.Modern Homing Missile Guidance Theory and Techniques［J］.Johns Hopins APL Technical Digest，2010(1）:43-59.

［10］Paul Zarchan.Kill Vehicle Guidance and Control Sizing For Boost-Phase Intercept［J］.Journal of Guidance Control and Dynamics，2011 (2）:513-521.