艦空導彈攔截機動目標仿真試驗分析

冷述振，才曉峰

（中國人民解放軍91851部隊，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

目前國外主流的超聲速反艦導彈（如俄制馬斯基特導彈、俱樂部亞超結合導彈）均在彈道末端采用了蛇行機動突防技術，極大提高了導彈突防能力，成為艦艇生存的致命威脅，對艦艇防空反導提出了更高要求。對抗末端機動突防反艦導彈能力已成為衡量艦空導彈性能的重要指標之一［1－2］。作為檢驗測試防空武器反導能力的靶彈在艦空武器反導試驗中，扮演著不可或缺的“對抗”角色，逼真模擬艦空導彈的作戰(zhàn)對象——飛機或各類反艦導彈的戰(zhàn)術機動性能是對防空反導靶標的基本要求。因此，提供具備超聲速掠海飛行、蛇行機動突防彈道技術的靶彈成為靶場供靶能力建設的現實目標。基于反艦導彈機動能力分析和防空反導攻防對抗仿真，本文對靶彈末端蛇行機動突防對艦空導彈命中概率的影響進行了分析。

1 靶彈蛇行機動彈道模型

1.1 蛇行機動過程

靶彈采用蛇行機動彈道模擬對艦空導彈實施主動規(guī)避突防，其基本過程如下。

a）模擬攻擊段，靶彈按預定航路模擬反艦導彈攻擊導彈飛行；

b）機動段，在滿足機動開始條件下，由攻擊轉入機動規(guī)避，即按設計的機動周期Tm、機動次數Ns，通過等幅等頻的航向舵偏指令控制靶彈作蛇行機動飛行；

c）攻擊段，在滿足機動結束條件下，由機動飛行轉入攻擊目標飛行態(tài)勢。

1.2 靶彈蛇行機動影響因素及相關參數取值

影響靶彈蛇行機動能力的主要因素有機動過載、飛行速度、機動周期和幅值、機動起止時刻等。

1.2.1 機動過載

靶彈機動過載是靶彈機動能力的重要標志，可直接影響防空導彈對導彈的跟蹤和制導，對突破敵方防空導彈攔截有重要意義。受彈體結構強度和反艦導彈升力特性限制，一般反艦導彈蛇行機動過載為5g～20g，多數不大于10g。

1.2.2 飛行速度

靶彈的機動飛行速度，特別是防空導彈與靶彈接近時的雙方合速度，直接影響防空導彈對靶彈的跟蹤視線角及靶彈從防空導彈視場逃逸速度。速度越大逃逸時間越短，需要的防空導彈過載和速度就越大。機動飛行時的靶彈速度受靶彈推力和機動飛行段的氣動阻力制約，一般以3Ma飛行的導彈，其在以5g機動時速度將下降至2.6Ma～2.7Ma。

1.2.3 機動周期和機動幅值

在飛行速度一定條件下，機動周期和機動幅值直接決定靶彈的側向機動過載。機動周期短、幅值大，靶彈付出的側向機動過載大，反之，過載則小。一般，靶彈通過機動周期和機動幅值調節(jié)機動過載。對以2Ma飛行的導彈，一般選用的機動幅值為100～200m，機動周期約10～20s，創(chuàng)造的機動過載可達5g～15g。

1.2.4 機動起止時刻

過早機動因防空導彈還未發(fā)射或彈目距離尚遠，防空導彈視線角偏轉不大，不能實現逃逸防空導彈跟蹤區(qū)或誘導防空導彈進行超出自身能力的機動的目的。機動結束點不應影響反艦導彈對敵方艦艇的跟蹤與攻擊。如機動結束時間過晚，可能使導彈的飛行方向或飛行位置與實際攻擊范圍偏差過大，影響導彈末制導雷達對目標艦跟蹤或攻擊。因此，一般反艦導彈僅在末端執(zhí)行有限的蛇行機動，攻擊前適當時間或距離處解除機動，采用直飛方式進行最后打擊。參考國外超聲速反艦導彈的機動段設計，在仿真靶彈蛇行機動時，機動突防時機一般選擇距目標艦10～30s范圍內。

1.3 靶彈蛇行機動彈道建模

建立靶彈蛇行機動模型時，作如下假設：靶彈保持速度不變；靶彈視為可控質點；僅考慮水平面內的側向機動，縱向保持平飛。

靶彈－目標艦艇相對運動幾何關系如圖1所示。

靶彈與艦艇相對運動方程為

圖1 靶彈與目標間比例導引法運動幾何關系

靶彈側向運動學方程為

aMN按以下規(guī)律變化：

a）準備攻擊階段，按程序設定航路飛行；

b）機動規(guī)避階段，aMN＝±aMNmax（tb≤t≤tb＋NsTm），每隔Tm／2切換1次，；

考慮法向過載限制aMNmax，則法向加速度指令

2 艦空導彈反導攔截模型

考慮影響艦空導彈攔截效能的主要因素有：系統(tǒng)反應時間、齊射間隔時間；殺傷區(qū)、發(fā)射區(qū)；飛行速度；機動能力，主要是指法向過載限制（可用法向過載）；導引規(guī)律，主要影響需用法向過載；制導系統(tǒng)動態(tài)特性；制導擾動和誤差；戰(zhàn)斗部作用方式和威力。其中機動能力和制導系統(tǒng)動態(tài)特性是影響最大的兩項因素。

目前艦空導彈多采用半主動雷達尋的比例導引（PN制導）。建立艦空導彈反導概念模型時采用比例導引規(guī)律，有

式中：Kn為比例導引系數，一般取3～6。

在模型中假設：艦載雷達總能可靠發(fā)現并跟蹤進入雷達視距內的反艦導彈；艦空導彈總能被可靠引入并能截獲目標；艦空導彈視為可控質點；艦空導彈在飛行中速度不變；縱向、側向運動分開考慮，因反艦導彈蛇行機動在水平面內進行，縱向保持平飛，在此僅考慮水平面內的側向運動。

a）運動幾何關系

PN制導中，艦空導彈與目標（反艦導彈）的運動幾何關系如圖1類似。

b）相對運動方程

c）艦空導彈運動學方程

式中：aIN為艦空導彈飛行實際達到的法向加速度，由法向加速度與導彈制導系統(tǒng)動態(tài)特性進行綜合得到，且受可用法向過載的限制。

d）制導干擾及誤差模擬

主要包括：航向誤差，任意給定時刻導彈實際航向角與理想航向角間的差值；導引頭誤差，包括由于導引頭安裝誤差、伺服遲滯、加工缺陷或制造公差等原因而產生的系統(tǒng)誤差，以及熱噪聲、目標回波起伏、多路徑等原因引起的隨機誤差。

e）脫靶量提取

f）毀傷評估

做簡化處理：若Rtb≤Re（此處Re為戰(zhàn)斗部殺傷半徑），則認為毀傷目標，攔截成功；若Rtb＞Re，則攔截失敗。

3 攔截仿真驗證及分析

根據目前艦空導彈和反艦導彈技術性能，設置了一組對抗的艦空導彈和靶彈的機動能力和制導系統(tǒng)動態(tài)特性參數進行仿真計算。

設靶彈的基本性能指標為飛行Ma＝2.2；供靶區(qū)段LD＝25km；平飛高度H＝15m；側向機動能力10g；取機動開始時間tb＝8s；機動結束時間te＝28s；機動周期Tm分別為4.0，5.0s。

設艦空導彈的基本性能指標為飛行Ma＝3.0；殺傷區(qū)遠界25km，近界5km；系統(tǒng)反應時間7.5s；戰(zhàn)斗部殺傷半徑20m；可能發(fā)射時間區(qū)間為（0.0s，21.8s）。

艦空導彈機動能力及制導系統(tǒng)動態(tài)特性參數Ti作為反映其性能的主要變量考慮。

仿真結果表明艦空導彈發(fā)射時機對其攔截脫靶量有顯著影響，并表現出一定的規(guī)律性。不同遭遇時間的脫靶量如圖2所示。由圖可知：脫靶量隨遭遇時間的周期性變化與靶彈舵面切換周期（Tm／2）對應，即在靶彈舵面切換時（法向過載變號）脫靶量達到最大，而在靶彈維持等過載轉彎時脫靶量最小。不同的遭遇點對應不同的艦空導彈發(fā)射時機，脫靶量隨發(fā)射時機也呈周期變化。艦空導彈機動能力50g時，艦空導彈不同發(fā)射時機的脫靶量如圖3所示。由圖可知：脫靶量隨發(fā)射時機的不同以約4s為周期變化。理論上，只要艦空導彈選擇了適宜的發(fā)射時機，就能使艦空導彈脫靶量達到最小值，提高攔截成功概率。對單發(fā)艦空導彈來說，掌握適宜發(fā)射時機的難度較大，但如采取一定時間間隔連發(fā)進行攔截，靶彈規(guī)避突防的成功概率必將降低。

圖2 不同遭遇時間艦空導彈脫靶量及其與靶彈法向過載的對應關系Fig.2 Miss distance of ship to curimissile with various time and its relation ship with normal acceleration of target missle

4 結束語

本文對艦空導彈攔截機動目標仿真中靶彈的末端蛇行機動進行了研究。根據理論分析和仿真驗證結果，可得以下結果：超聲速靶彈采用蛇行機動的主動規(guī)避技術能顯著提高其對艦空導彈的突防能力，對檢驗艦空導彈對抗機動突防導彈的能力指標有意義；艦空導彈對抗蛇行機動目標與對抗勻速直線運動目標試驗不能等同對待，試驗中須充分考慮被試品的作戰(zhàn)使用性能，科學制定試驗方案。

［1］ 曲寶忠.海軍戰(zhàn)術導彈試驗與鑒定［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］ 于劍橋.戰(zhàn)術導彈總體設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.