臨近空間高超音速武器防御綜述

李淑艷，任利霞，宋秋貴，王錦玉

(1.中國電子科學研究院 北京100041;2.北京航天拓撲高科技有限責任公司， 北京100176)

(3.北方自動控制技術研究所， 太原030006)

0 引言

臨近空間是指高于一般航空器飛行高度，而又低于航天器軌道高度的空間區域。目前，國際上對臨近空間區域具體高度范圍尚無統一的定義，大多數觀點認為其高度下限為20 km ～30 km，上限為100 km ～150 km［1］，該高度區間大氣層大致包括:大部分大氣平流層、全部中間層和部分熱層區域。飛行在該空間區域，既可以避免絕大多數的地面攻擊，又可以提高軍事偵察和對地攻擊的精度。對于情報收集、偵察監視、通信保障以及對空對地作戰等，臨近空間具有極大的發展潛力。

臨近空間高超音速武器是指部署在臨近空間、執行特定任務的飛行器以及與之配套的地面技術裝備所構成的系統。該類武器具有飛行速度快(5 Mach～16 Mach，甚至更高。1 Mach=340 m/s)、飛行距離遠、機動能力和生存能力強等特點，可遠程快速到達、高速精確打擊、快速組合發射、遠程快速投送，即可攜帶核彈頭實施戰略威懾，又可靈活選載精確彈藥攻擊高價值或時間敏感目標，也可攜帶傳感器實施全球重要目標的快速戰略偵察。

目前，各軍事強國都在大力開展各類臨近空間高超音速武器的技術研發與樣機試驗，其中美國和俄羅斯處于世界領先水平。

美國“FALCON”計劃的重要項目之一是研制通用再入飛行器(CAV)和高超聲速巡航飛行器(HCV)。CAV是一種高超聲速滑翔再入飛行器，可以投送約454 kg的戰斗載荷，打擊精度達3 m，基本型最大打擊距離5 560 km，橫向機動距離可達1 800 km，增強型最大打擊距離16 700 km，橫向機動距離可達5 500 km。HCV可從常規軍用跑道上起飛并可重復使用，其飛行高度為35 km～75 km，飛行速度約為10倍音速，能夠在2 h內將5 500 kg的載荷投送至16 600 km遠處的多個目標。

除CAV和HCV外，美軍還研制了X-51超燃沖壓長航時飛行器，并在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地進行了一系列的試飛。該飛行器由包括美國空軍、美國國防部高級研究計劃局、美國國家航空和航天管理局、波音以及普拉特＆惠特尼公司聯合研制。在試飛中，X-51利用普惠公司制造的吸氣式超燃沖壓引擎，可提供超過200 s的動力沖壓支持，使飛機在短時間內提速至5 Mach。一旦研制成功，X-51將為美國提供新的“全球快速打擊”能力［2］。

俄羅斯的臨近空間高超音速武器發展計劃為GLL-VK高超音速飛行器計劃。該計劃展示了俄羅斯獨特的武器設計思想，采用彈道導彈的發射系統和動力型高超音速巡航導彈技術相結合，形成“彈道+巡航”的組合式導彈，可在26 km～50 km的高度上以8 Mach～14 Mach的速度巡航。該型導彈已經成功進行了低彈道飛行試驗，最高速度達到了14 Mach。

1 臨近空間高超音速武器的作戰特點

臨近空間高超音速武器與巡航導彈、戰斗機等現有空氣動力飛行器、彈道導彈等威脅目標相比，具有以下4 個作戰特點［3］:

(1)與現有空氣動力飛行器相比，飛行高度高、速度快、打擊距離遠，飛行過程易造成黑障。

現有空氣動力飛行器一般飛行速度小于3 Mach，且升限一般不超過30 km。臨近空間高超音速武器與之相比，飛行速度約在5 Mach～16 Mach，甚至更高。飛行高度在30 km～100 km之間，射程可達15 000 km。

高超音速飛行中，飛行器與大氣層的激烈摩擦及其對大氣層的擠壓，使得飛行器周圍的溫度激增，高溫高壓的作用使得大氣發生離解和電離，電子密度大大增加，在臨近空間高超音速武器周圍形成一個電離氣體層(即等離子體鞘套)。該電離層將對電磁波產生吸收和反射，造成信號的衰減，形成黑障［4］。

(2)與彈道導彈相比，臨近空間高超音速武器采用非慣性彈道飛行，具有一定的滑翔或巡航能力，隱蔽性高且突防能力強。

臨近空間高超音速武器通常采用軸對稱錐形體、翼身組合體、升力體和乘波體等氣動外形，具有一定的升阻比特性和高機動性，尤其橫向機動性很強，例如下滑彈頭橫向機動后還可繼續飛行3 000 km～5 000 km。與彈道導彈不同，臨近空間高超音速武器在大氣中進行有動力巡航或無動力滑翔飛行，屬于航空動力學范疇，其飛行航跡具有很強的機動性，探測系統既無法使用類似軌道目標的軌道動力學規律預測軌跡，也不能獲得類似空氣動力目標的較大反應時間，臨近空間高超音速武器具備很強的機動突防能力［5］。

(3)攻擊附帶損失小，戰斗部比重大［6］。

與現有空氣動力飛行器采用的渦輪(渦扇)等噴氣發動機相比，臨近空間高超音速武器沒有高轉速的渦輪(渦扇)機構，與彈道導彈推進火箭相比，臨近空間高超音速武器只攜帶燃料，不攜帶氧化劑，大大減輕了彈體重量，可裝載更多戰斗部件，提高戰略打擊毀傷能力。

(4)與其他飛行器相比，更需要不間斷的低時延、高可靠的超視距測控［7］。

在航天測控方面，衛星按軌道動力學在空間開普勒橢圓軌道上無動力飛行，因此衛星測控只需測量一段軌道就能實現動力學定軌;在彈道導彈方面，由于彈道導彈在末級關機點后基本是在空間慣性軌道上無動力飛行，因此末級關機點的運動狀態基本決定了后續彈道和打擊精度，故測控的最重要任務是對關機點的狀態測量;和以上航天器不同，臨近空間高超音速武器在飛行全程依靠自主動力或空氣動力飛行，需進行全過程連續跟蹤測量和實時定軌，其測控覆蓋范圍包括發射場覆蓋、飛行軌道覆蓋、過頂覆蓋等。

臨近空間高超音速武器比衛星飛行高度低，比飛機飛行距離遠、飛行速度高，其飛行軌跡往往會飛越人口稠密地區上空，需采用地基多站接力及天基測控系統實現低時延、高可靠的超視距覆蓋，完成實時、精確的“飛行遙控”。綜合以上分析，臨近空間高超音速武器對實時測量和精確遙控具有高度依賴性。

2 臨近空間高超音速武器對防御系統的威脅

由于臨近空間高超音速武器具有以上特點，其對防御體系形成了以下三方面的嚴峻威脅和挑戰［8］。

1)防御方的反應能力急劇縮短。

(1)攻擊突然性增強。未來的臨近空間高超音速武器可依托空基、地基、艦載發射，發射平臺多變，發射方式靈活，發射準備時間短，導致發射突然性增強。作為時敏目標，高超音速武器飛行速度快，故防御方的反應能力形成了嚴峻的挑戰。

(2)預警時間急劇減小。針對國土邊境的預警時間(發現后判定為臨近空間目標)只有約3 min(按高度20 km、10 Mach的目標計算)～11 min(按高度100 km、6 Mach的目標計算);針對國土縱深要地防御(距邊境1 000 km)的預警時間也只有8 min～19 min，而現有國土防空系統對常規飛機的預警時間一般大于30 min，急劇壓縮的預警時間對防御系統反應能力提出了嚴酷要求［2］。

2)增大了來襲方位的不確定性，形成了新的防御半徑和作戰空間。

由于臨近空間高超音速武器飛行距離遠且機動性強，機動飛行距離可達數千千米，橫向機動范圍數百千米，增大了臨近空間目標防御方位和作戰半徑的不確定性，需要防御方在更為廣域區域展開作戰。

3)進一步凸顯了現代防空作戰“攻強防弱”的矛盾。

現代防空作戰“攻強防弱”矛盾具體體現在:

(1)發現目標更加困難。傳統防空體系主要針對飛機類空氣動力目標，其中雷達等傳感器的探測距離小，探測高度低，仰角小，數據率低，對臨近空間飛行器這類高速高機動性基本沒有探測能力，現有空間目標監視系統對空間目標的監視、編目能力差，對未知低軌目標的全天候、全天時監視和屬性判別能力不足，受地平線限制和目標高機動影響，地基探測系統難于實現對臨近空間目標的有效預警［2］。

(2)難以實現對目標的跟蹤和攔截。由于高超音速臨近空間目標飛行高度一般處于傳統巡航導彈、作戰飛機、彈道導彈和空間目標的飛行間隙，且過頂時間短，防空系統難以在這一高度攔截，此外彈道導彈防御系統都是針對彈道導彈的彈道預測。高超音速臨近空間目標具有比彈道導彈和亞音速巡航導彈更強的突防性能，需要研制能實現對高超音速臨近空間目標有效跟蹤和攔截的新型裝備。

(3)傳統防御體系面臨清零危機。臨近空間高超音速武器的出現，進一步增大了對傳統防御系統的時空壓力，且高機動性造成了傳統防御體系的更多盲區和能力缺失，現有防御能力面臨清零危機。

3 防御需求分析

臨近空間將成為未來戰場的戰略高地，快速發展的臨近空間飛行器將構成高空威脅。臨近空間高超音速武器將戰爭擴展到了臨近空間，使作戰模式發生革命性轉變，很可能成為未來威脅最大的空天武器。

臨近空間高超音速武器與現有空氣動力目標相比，飛行高度高、飛行速度快，難以預警與跟蹤，因此臨近空間防御的首要需求是預警防御能力。針對臨近空間高超音速武器及其搭載平臺的防御能力需求，應包括癥候情報支持、預警探測、精確持續跟蹤和準確的航跡預測、指揮控制、電子對抗與火力攔截武器相結合的打擊、大范圍的信息傳輸與分發共計6方面打擊能力。

(1)癥候情報支持能力

由于臨近空間高超音速武器發射時間短，搭載平臺和發射方式多變，發射突然性加大，故對其癥候情報的獲取能力極為重要，應能獲取臨近空間高超音速武器的部署位置、發射陣地等中長期信息。此外，能夠具備掌握與臨近空間高超音速武器相關的戰備動員、兵力補充、演習試驗、后勤保障、裝備調動、部隊部署等綜合情況的能力，并通過綜合分析獲得癥候，實施超前預警，使得實時預警、持續跟蹤、全程電子對抗以及攔截武器系統等做好先期作戰準備。

(2)預警探測能力

由于臨近空間高超音速武器飛行高度高，且可基于空基、地基、海基平臺發射，故需要研發平流層飛艇載預警雷達等空基探測裝備，超視距地發現和獲取臨近空間高超音速武器及其搭載平臺的方位、距離、速度三維探測信息，并完善地基遠程預警探測網，完成地空一體，無縫覆蓋臨近空間高超音速武器的來襲空域，并盡早提供關于臨近空間目標的實時預警信息，為作戰部隊(攔截武器系統)預留作戰準備時間。

(3)精確持續跟蹤和準確航跡預測能力

臨近空間高超音速武器具有速度快、掠空時間短的特點，要求預警探測系統快速響應，及時捕捉和精確跟蹤目標。在預警雷達探測體制，由于機械掃描雷達具有響應時間長、數據率低的不足，需探索具有方位和俯仰二維相掃能力的相控陣雷達對臨近空間高超音速武器進行精確跟蹤。

此外臨近空間高超音速武器的飛行航跡具有很強的機動性，預警探測系統無法用常規軌道動力學方法對臨近空間高超音速武器準確定軌，故臨近空間高超音速武器的機動突防能力較強。要求預警探測系統能夠依據臨近空間高超音速武器的運動模型，實施超視距的不間斷連續跟蹤，并準確預測未來航跡和落點［9］。

(4)攔截臨近空間高超音速武器的指揮控制能力

高超音速技術飛行器再入最大速度可達20 Mach，能在1 h內打擊全球任何目標。應對這一全新的空襲模式，指揮控制系統如何組織管理各類新研預警探測裝備、指揮控制武器實施攔截，尚是未解決的難題。相應的防御作戰機理還在探索階段，指揮控制機制也尚未建立。防御臨近空間目標的作戰，要求指揮控制系統要在極短的時間內組織管理各類作戰資源，完成情報處理、屬性識別和威脅判別，實現全自動自主運行，以提高系統的作戰反應時間和作戰響應能力。

(5)電子對抗和火力攔截武器相結合的打擊能力

在預警情報信息的支援下，需要臨近空間電子對抗系統針對來襲高超音速武器和作戰平臺的復合制導、指控信息傳輸鏈路(人在回路中鏈路、武器數據鏈、機間數據鏈等)和末制導，實施有效的壓制性或欺騙性干擾［10］。

(6)大范圍的信息傳輸與分發能力

臨近空間高超音速武器打擊距離遠，飛經區域廣，具有打擊大縱深目標的能力。需要提供能夠支持覆蓋作戰地區的指揮控制、武器攔截、電子對抗等信息的有效傳遞，保障預警、跟蹤、辨識、決策、攔截、評估各個環節任務的有效實施。并具備惡劣電磁環境下各類信息的傳輸能力;能夠支持預警信息高效、安全的按需傳輸與分發，有效協調通信資源的調度和管理;能夠支持信息共享，并具備根據作戰需要快速開發和部署組合型應用業務的能力;能夠支持傳感器平臺與作戰人員、武器平臺之間網絡互通和業務的互操作，從而完成通信覆蓋范圍保障，信息傳輸實時性保障，傳輸容量保障，傳輸可靠性保障，快速接入保障。

［1］ Hampton Stephens.Near-space［J］.Air Force agazine，2005，88(7).

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［3］ 肖 松，譚賢四，李志淮，等.基于SCT-IMM的臨近空間高超聲速目標跟蹤模型［J］.現代雷達，2013，35(4):15-19.Xiao Song，Tan Xiansi，Li Zhihuai，et al.Tracking model based on the SCT-IMM near space hypersonic target［J］.Modern Radar，2013，35(4):15-19.

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［9］ 肖 松，譚賢四，王 紅，等.一種可行的臨近空間高超聲速目標航跡起始方法［J］.空軍工程大學學報:自然科學版，2013，14(1):11-15.Xiao Song，Tan Xiansi，Wang Hong，et al.A feasible track initiation method for near space hypersonic yarget［J］.Journal of Air Force Engineering University:Natural Science E-dition，2013，14(1):11-15.

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