舷外高功率微波平臺作戰使用初探

翁 輝,周徐昌,毛 超

(海軍工程大學,武漢 430033)

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舷外高功率微波平臺作戰使用初探

翁 輝,周徐昌,毛 超

(海軍工程大學,武漢 430033)

針對水面艦艇反導防御作戰能力存在的短板,提出了利用舷外高功率微波平臺進行電磁反導作戰,構建了舷外高功率微波平臺反導作戰基本流程,建立了其反導作戰仿真模型,分析了舷外高功率微波平臺影響有效輻射時間的作戰要素。仿真結果表明,舷外高功率微波平臺投射布設方式優于拖拽布設方式,且投射布設應該依據作戰態勢確定最優布設距離和布設方向。

高功率微波;舷外平臺;反艦導彈

0 引言

2012年美國成功進行了先進反電子設備高功率微波導彈項目的首次作戰飛行試驗[1],作為一種新概念武器,在不久的將來高功率微波作戰平臺將成為海戰場攻防兩端的利器。利用艦載舷外高功率微波平臺作為有效的艦艇自衛反導防御手段,將是傳統有源/無源軟干擾手段的重要補充。同傳統有源/無源干擾手段相比,舷外高功率微波平臺可實現軟/硬殺傷[2],實現硬殺傷和軟干擾相結合的反導機制,同時舷外高功率微波平臺可避免高功率微波武器容易誤傷友鄰單位雷達電子設備的缺陷。隨著高功率微波技術的不斷進步,利用舷外高功率微波平臺實現反導防御作戰,將是一種極具作戰潛力的反導作戰技術手段。文中運用仿真的方法,構建舷外高功率微波平臺作戰仿真環境,為舷外高功率微波平臺的論證提供了有益的參考。

1 對抗反艦導彈的毀傷機理

以靶目標上的功率密度為序,高功率微波毀傷效應的等級[3]如下:1)燒毀:電子系統的物理性破壞;2)擾亂:電子系統中的記憶或邏輯電路短時間工作失常;3)干擾:微波射頻接收器或雷達不能正常工作;4)迷惑:欺騙系統使其不能正確判斷。上述后兩類是相當于高功率水平的電子對抗系統,基于高功率微波的超級干擾機將徹底掌握主動權,不給對方“燒穿”干擾的機會。隨著毀傷等級的升高,高功率微波主要毀傷的就是電子系統電子元器件的物理特性,也就是說能夠毀傷不同類型目標的電子元器件,增大了其攻擊目標種類。反之,只具有常規電子對抗功率水平的話,可攻擊目標就很確定,要實現有效攻擊還需要適當的重復頻率、幅度和頻率調制等,才能使電子干擾/迷惑的效果達到預期目標,也就是提高了高功率微波系統自身的設計難度。因此這里主要考慮對平臺自身性能參數要求較低的軟/硬殺傷的反導防御應用。

基于上述毀傷機理,舷外高功率微波平臺的優勢有以下幾點:一是遠離艦船,減少對艦載電子設備造成的誤傷;二是輻射微波功率高,電磁毀傷范圍大;三是可全天候作戰;四是既可軟/硬殺傷,也能夠進行壓制性干擾;五是攻防兼備,既可干擾敵方平臺,又可以電磁殺傷來襲導彈;六是殺傷目標多元,目標先驗信息需求少。當然戰術使用過程中,為避免舷外高功率微波平臺對被保護艦船目標電子設備造成誤傷,舷外高功率微波平臺在使用過程中要與被保護艦船保持一定距離,可稱為安全距離。

2 問題描述及數學模型

反艦導彈攻擊過程一般分為助推、下降、掠海飛行、躍升和俯沖等幾個階段[4]。反艦導彈由平臺發射并指向行進中的艦艇,至預定開機距離后,末制導雷達開機,對目標進行搜索、捕獲和跟蹤。從導引頭開啟末制導雷達至正確鎖定目標為止是導引頭的搜索階段,導引頭對預定區域同時進行角度和距離上的搜索,若波門內判斷有目標回波信號時,即被末制導雷達鎖定,進入跟蹤階段。

當艦載電子偵察設備探測到有高速逼近的目標時,根據作戰準則,選擇合適時機,發射舷外高功率微波平臺,平臺飛行至預定位置,對反艦導彈進行電磁毀傷。若末制導雷達接收脈沖功率達到一定強度,將對反艦導彈造成電磁毀傷;若末制導雷達接收功率不夠,可降功能使用,形成舷外大功率有源干擾誘餌,導彈將跟蹤目標艦艇和誘餌的雷達回波能量中心(質心點)[5],從而實現有源誘餌質心干擾。

圖1 舷外高功率微波平臺保護艦船示意圖

2.1 反艦導彈運動模型

對于反導電子對抗仿真,其關鍵在于研究導彈質心點位置的變化,通過運動學方程,利用導彈和目標質心運動的有關信息描繪導彈與目標間的關系[6]。相關的模型如飛行控制系統、動力學模型[7]等可做相應的簡化,在此基礎上導彈質心運動的動力學方程未考慮過載。

由于距離、速度等因素,導彈航向與其切線方向相對變化率較小,可近似認為導彈實際指向為其切線方向。

綜上所述,假定反艦導彈以恒定速度飛行,則t時刻反艦導彈質心點坐標為:

(1)

式中:vm為反艦導彈的速度;βm為反艦導彈的跟蹤航向角,認為反艦導彈跟蹤航向角與末制導雷達天線指向相同,始終指向水面艦艇;t-1時刻表示當前時刻t的上一個仿真步長時間。

2.2 艦艇運動模型

為簡化計算,對艦艇模型做如下處理:1)不考慮其高度、寬度和長度,將其位置簡化為質心所對應的點;2)不考慮導彈不同來襲方向所對應的艦艇雷達反射面積(RCS)的不同,并且假定雷達反射面積為定值。則t時刻艦艇的運動方程為:

(2)

式中:vw為我艦運動的速度值;βw為艦艇航向;

(xw(0),yw(0))為艦艇初始位置坐標。

2.3 舷外高功率微波平臺運動模型

借鑒現有舷外有源誘餌的基本布設方式,舷外高功率微波平臺可以有艦艇拖拽和投射布設兩種方式。采用艦艇拖拽方式布設,舷外高功率微波平臺運動方程和我艦運動方程相同,區別是初始位置不同;采用投射方式布設,舷外高功率微波平臺在海面穩定后,其運動主要受洋流影響,由于反艦導彈在視距內攻擊飛行時間較短,這里不考慮洋流流速及方向的改變對作戰的影響。則t時刻舷外高功率微波平臺的運動方程為:

(3)

式中:Rd為舷外高功率微波平臺初始布設位置,φ為布設角度;vf為洋流速度,βf為洋流方向。

2.4 高功率微波前門耦合模型

反艦導彈末制導雷達鎖定本艦后,將舷外高功率微波平臺發射或預置于離艦合適位置,進行高功率微波電磁毀傷,末制導雷達接收高功率微波平臺的信號功率為P1:

(4)

式中:Ph為舷外高功率微波平臺發射脈沖功率;Gh為舷外高功率微波天線的增益;Gm(α)為偏離末制導雷達天線主瓣最大方向α角的雷達天線接收增益;Rh為末制導雷達與誘餌的距離。

由于來襲導彈的末制導雷達天線參數未知,對Gm(α)利用經驗公式近似表示:

(5)

式中:k為與制導雷達天線相關的常數,取0.04～0.10;θ0.5為制導雷達天線主瓣寬度;α為制導雷達與目標連線和制導雷達與誘餌連線之間的夾角。根據反艦導彈攻擊態勢,如圖1所示,應用三角形余弦定理可以得到任意時刻反艦導彈末制導雷達天線接收舷外高功率微波平臺輻射電磁脈沖微波功率。

舷外高功率微波平臺要完成對反艦導彈高功率微波電磁毀傷一般需要滿足兩個條件:1)反艦導彈末制導雷達開機;2)高功率微波輻射天線輻射方向位于末制導雷達天線主瓣內。由此可以定義舷外高功率微波平臺的有效輻射時間te為:

(6)

3 仿真算例分析

仿真參數基本設置:我艦初始位置(0,0),航速30kn,航向-30°,反艦導彈初始位置(20 000m,5 000m),飛行速度300m/s;不考慮洋流的影響,假定舷外高功率微波平臺位置(4 000m,1 000m)。基本對抗態勢如圖2所示。

圖2 舷外高功率微波平臺作戰基本態勢

1)基本態勢分析

首先分析基本作戰態勢舷外高功率微波平臺輻射指向偏離末制導雷達天線主瓣方向角度的影響因素,如圖3所示。由圖可以看出,假定末制導雷達天線主瓣寬度為10°,當反艦導彈與艦艇之間距離小于我艦6.8km后,舷外高功率微波平臺輻射信號將處于末制導雷達天線主瓣之外,將大幅降低舷外高功率微波平臺的作戰效能;其次是末制導雷達開機距離的影響,假定末制導雷達開機距離為10km,前述作戰態勢下舷外高功率微波平臺在末制導雷達開機后的有效輻射時間約為10s。因此,末制導雷達開機距離增大,將有效提高舷外高功率微波平臺有效輻射時間;反艦導彈飛行速度增加,則壓縮了舷外高功率微波平臺有效輻射時間。在實際作戰中應根據電子偵察預警系統提供的來襲反艦導彈速度和開機距離合理確定舷外高功率微波平臺的輻射時機。

圖3 舷外高功率微波平臺偏離角度

2)拖拽布設方式分析

顯然拖拽布設方式能夠影響有效輻射時間的因素僅為拖拽距離,如圖4所示。隨著拖拽距離的增大,舷外高功率微波平臺有效輻射時間將迅速減小。但舷外高功率微波平臺距離我艦距離越近,其輻射高功率微波旁瓣對我艦電子設備影響越大。因此在設計實現舷外高功率微波平臺過程中應確定其輻射安全距離,確保我艦電子設備安全。

圖4 拖拽布設距離對偏離角度影響

3)投射布設方式分析

首先分析布設距離對投射布設方式偏離末制導雷達天線主瓣方向角度的影響,投射方位為我艦右舷60°方向,洋流速度0.5m/s,洋流方向與我艦航向相同。仿真結果如圖5所示。與拖拽布設方式相比,顯然投射布設方式中投射距離對有效輻射時間影響要小,也就是說采用投射布設方式可以將舷外高功率微波平臺布設至離我艦更遠的距離,更加有利于向反艦導彈輻射更高功率,同時造成我艦電子設備誤傷的可能性更低。其次分析布設角度對投射布設方式偏離末制導雷達天線主瓣方向角度的影響,投射距離為2.5km,洋流速度0.5m/s,洋流方向與我艦航向相同。仿真結果如圖6所示。可以看出,仿真區間為40°～80°,按20°仿真步長,其最優布設角度為60°,此時舷外高功率微波平臺有效輻射時間最長。

圖5 距離對偏離角度影響

圖6 方向對偏離角度影響

4)有效輻射時間分析

由以上分析可知,投射布設方式優于拖拽布設方式。依據投射布設方式仿真結果可知,影響舷外高功率微波平臺有效輻射時間的因素主要為布設距離和布設角度。首先分析布設距離對有效輻射時間的影響,設定反艦導彈末制導雷達開機距離為10km,雷達天線主瓣寬度為10°,洋流速度0.5m/s,洋流方向與我艦航向相同。

仿真結果如圖7所示。可以看出,隨著布設角度的增大,布設距離越遠其下降趨勢更平緩;而布設角度小,則存在最佳布設距離,最佳布設距離隨著布設角度的減小而縮小。其次分析布設角度對有效輻射時間的影響,仿真條件同上。仿真結果如圖8所示。可以看出,隨著布設角度增大,特定布設距離上存在最佳布設角度。在實際作戰應用中,應該根據舷外高功率微波平臺的安全距離,合理選擇布設距離并在最優布設方向上布置舷外高功率微波平臺,以達到最佳作戰效果。

圖7 距離對有效輻射時間影響

圖8 方向對有效輻射時間影響

4 結論

高功率微波武器作為一種新型的電子作戰技術手段,隨著高功率微波技術不斷發展,水面艦艇在利用高功率微波武器對抗反艦導彈,提高水面艦艇反導防御能力,極具作戰潛力。舷外高功率微波平臺是水面艦艇利用高功率微波對抗反艦導彈的潛在技術手段,文中所建立的舷外高功率微波平臺作戰仿真流程能夠在一定程度上預見未來海上高功率微波武器的作戰樣式并評估其作戰能力,為今后研制高功率微波平臺和更深層次的作戰使用分析提供理論基礎。

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Preliminary Application on the Operational of High Power Microwave Outboard Platform

WENG Hui,ZHOU Xuchang,MAO Chao

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Chian)

In view of short slab of anti-ship missile defense, application of outboard high power microwave (HPM) in antimissile defense operation was proposed. The basic anti-missile operational flow of HPM outboard platform was constructed. The anti-missile operational simulation model was built. The influencing factors of effectiveness radiation operational time of the HPM outboard platform were analyzed. Simulation experiments demonstrate that the projecting distribution is better than the dragging distribution for the HPM outboard platform and the projecting distribution should be based on operational environment to choose optimal distribution distance and distribution direction.

high power microwave; outboard platform; anti-ship missile

2014-07-19

翁輝(1975-),男,湖北咸寧人,副教授,碩士,研究方向:艦炮武器系統作戰使用研究。

TP391;N94

A