臨近空間高超聲速目標防御技術需求分析*1

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臨近空間高超聲速目標防御技術需求分析*1

劉超峰，王谷，張珍銘，陳鳳，柳揚，梅小寧

(上海機電工程研究所，上海201109)

摘要：從臨近空間高超聲速武器目標特性出發，分析了臨近空間導彈攻防特性，討論了對臨近空間高超聲速目標防御中防空導彈設計的難點和不足。從中牽引出臨近空間高超聲速目標攔截系統的各個專業的技術需求，特別是對預警探測、導彈總體、制導控制等專業帶來的新問題和新需求進行了詳細分析。這些技術需求可以供臨近空間防御能力建設和相關技術專業建設參考。

關鍵詞：臨近空間；防御系統；技術需求分析；高超聲速飛行器；快速打擊武器；導彈設計

0引言

新世紀以來，臨近空間高超聲速飛行器技術在世界各軍事強國重視和推進下快速發展。2014年，為了加速將高超聲速飛行器研究成果向實戰應用轉化，美軍將新一代高超聲速X飛行器(hyper-X, HX)計劃調整為高超聲速吸氣式武器概念(hypersonic air-breathing weapon concept, HAWC)計劃和戰術助推滑翔(tactical boosting-gliding, TBG)武器計劃，以滿足美軍防區外快響應打擊能力的需求。臨近空間高超聲速武器預計在未來5～10年成為實施遠程快速精確打擊的空天核心裝備。

臨近空間快速打擊武器是一種對抗傳統防空反導防御系統的新型武器。區別于彈道導彈和常規航空區巡航導彈的突防和攻擊方式，臨近空間快速打擊武器具有飛行速度快、橫向機動能力強、在線軌跡規劃靈活、末端大俯沖打擊能力強、毀傷威力大、對防御系統響應時間大幅壓制等特點，使得這類武器能夠更加有效地實現機動再入、威脅規避和精確制導。

由于傳統防空反導武器難以對臨近空間高超聲速目標進行有效攔截，研究針對臨近空間高超聲速目標的防御技術意義重大。本文試圖從防空導彈設計的各個專業討論對臨近空間高超聲速目標防御的難點和不足，并牽引出臨近空間高超聲速目標攔截系統的技術需求，以供臨近空間防御能力建設和相關技術專業建設參考。

1臨近空間高超聲速目標防御軍事需求分析

1.1臨近空間快速打擊武器目標特性

臨近空間是指距海平面20～100 km的空域，介于傳統航空器最高飛行空域與軌道航天器最低飛行空域之間，包括大氣平流層(高度12～50 km)的大部分區域、中間層(高度50～80 km)和部分電離層區域(高度60～100 km)。臨近空間飛行器分為低動態飛行器和高動態飛行器。主要的高動態目標按運行方式可以分為：高超聲速巡航導彈(如X-51A)、再入滑翔和助推滑翔(TBG，如HTV-2和AHW)以及空天飛機(如X-37B)等。

臨近空間環境特性對臨近空間高超聲速飛行器存在不同方面、不同層次的約束作用。由于超燃沖壓發動機工作的條件限制，臨近空間高超聲速巡航導彈的巡航高度一般在18～24 km左右，巡航Ma數在5～6之間。臨近空間高超聲速滑翔導彈的滑翔高度與射程相關，一般比巡航導彈高。無論是高超聲速巡航導彈還是高超聲速滑翔飛行器，其航跡規劃和俯沖點的選擇除了需要滿足精確打擊的作戰目標要求外，還需要滿足多個再入飛行軌跡約束條件，包括過載、熱流率、總加熱量、最大表面溫度、動壓、配平升阻比等約束，這些約束條件限制了高超聲速飛行器的飛行高度和速度。通過調研和分析，表1給出了以X-51A，AHW和HTV-2為代表的2類臨近空間快速打擊武器的參考目標特性[1-8]。(注：由于目標仍處于發展和試驗階段，不同出處的文獻中幾個典型目標的目標特性數值可能略有差異，表格中數值僅為參考)

1.2現有防空反導裝備不滿足臨近空間防御迫切需求

國外已部署的典型防御系統中，有可能用于臨近空間高超聲速目標防御的系統有：美國陸基的戰區導彈防御系統(PAC-3/Erint)、宙斯盾武器系統(標準系列攔截彈)、末段高層區域防御系統(THAAD)、歐洲防空導彈武器系統和反導武器系統(Aster-30)、俄羅斯凱旋防空導彈系統(S-400)等，其中PAC-3和Aster-30攔截高度小于20～24 km，THAAD的攔截空域為40～150 km(注：有文獻報道為30～150 km)，標準-6的攔截空域則為70～370 km的大氣層內高空到大氣層外的廣闊空域[9]，中間存在20～40 km間斷的空白區域，而這一區域正是高超聲速武器快速發展的區域。表2給出了較高RCS條件下某防空系統攔截臨近空間高超聲速武器的仿真結果[10]。可以看到，現有防御系統難以適應臨近空間高超聲速目標的飛行特性。

分析臨近空間防御難點，現有防御系統對臨近空間高超聲速目標攔截存在的不足為：

(1) 預警探測能力不足

臨近空間高速飛行器比傳統的巡航導彈、作戰飛機目標RCS小、飛行速度快，比彈道導彈飛行高度低。如果使用現有的防空導彈武器系統預警探測體系進行目標探測，小RCS加上超高速度導致防空雷達的探測威力下降，留給攔截導彈的反應時間會很短。加上通過雷達組網、浮空雷達、預警機、低軌衛星等手段組網探測時間，以及反導系統通訊、評估、決策等時間，臨近空間攔截系統的預警時間不超過10 min。而X-51A的工作時間為800 s左右，這留給攔截系統的反應時間更短，防御響應時間受到大幅壓制。

(2) 制導控制能力不足

由于臨近空間目標高速飛行，常規防空武器地面的制導雷達和導引頭對其穩定跟蹤將面臨困難。由于臨近空間空氣稀薄，舵面效應急劇降低，導彈控制時間常數增加，無法提供導彈所需操作力矩，導致導彈無法按照導引律要求的彈道飛行，逐漸偏離理想彈道，最終無法實現中末制導，即使勉強交班也會因為制導誤差過大而無法擊中目標。對于末段有直接力的攔截武器，由于直接力控制燃料受質量限制，也不能長時間提供足夠的過載。

(3) 攔截速度和機動不足

現役攔截導彈的平均速度約在1 000～1 500 m/s范圍，而高超聲速目標的速度在1 800 m/s以上，若按照比例導引律攔截，需要導彈速度大于目標速度1.2倍以上，這樣導彈的末速應該在2 200 m/s以上，現役大多數地空導彈無法滿足要求。同時，采用追蹤目標的導引規律通常要求導彈具備相對于目標機動能力3倍的可用過載，而臨近空間30 km高度的高超聲速巡航導彈機動過載可達2左右，在臨近空間空氣動力有限的情況下，需要側向直接力來填補需用過載的缺口。

(4) 攔截毀傷能力不足

臨近空間高超聲速飛行器長時間大機動飛行，目標軌跡難以預測，使用末端反導武器只能攔截機動能力較小的彈道式目標，難以對高超聲速目標進行動能碰撞殺傷。若使用破片式戰斗部導彈， 由于引戰配合需要一定時間，無法對相對速度超過3 000 m/s的目標進行有效毀傷。此外， 目前彈道導彈再入角度基本在60o內，而臨近空間高超聲速巡航彈采用天頂攻擊，落地角80°～90°。受交會角的約束，攔截系統的攔截空域相對彈道導彈、戰斗機等目標大大減小。

表1　典型臨近空間高超聲速參考目標特性

表2　現有某防空系統在不同條件下高超聲速武器被攔截概率

2臨近空間高超聲速目標防御作戰設想

臨近空間高超聲速武器的作戰樣式特殊且靈活，并且臨近空間高超聲速武器裝備仍在發展的過程中，它的作戰理論也在發展中。一般而言，臨近空間高超聲速武器的作戰樣式可以分為單機作戰和聯合作戰，單機作戰可以作為直接攻擊武器搭載平臺、投射導彈或彈頭武器搭載平臺、作為C4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,reconnaissance,信息通訊指揮攻擊系統)平臺使用平臺、作為空間載荷平臺和運輸平臺。以高超聲速巡航導彈X-51A直接攻擊地面高價值目標為例子，高超聲速武器進攻過程主要包括發現遠程目標、制定作戰計劃、數據裝載、發射階段、高速巡航、俯沖攻擊和打擊效果評估7個階段[11]。

防御臨近空間高超聲速目標，可以在其飛行的助推段、慣性段、動力巡航段或無動力滑翔段以及下壓攻擊段進行攔截。由于臨近空間高超聲速飛行器慣性飛行段往往處于數千甚至上萬km之外，且飛行時間只有十幾min，攔截武器系統需要在短短十幾min的反應時間內完成預警、目標鎖定、變軌機動攻擊，反應時間不足，技術難度大。在滑翔/跳躍段的中末段，由于精確制導和多個俯沖再入約束條件的限制，臨近空間目標的高度和速度均有所下降。相對而言，動力巡航段或無動力滑翔段攔截留給攔截系統的反應時間多，是一個可以選擇的攔截時機。表3比較了各階段攔截的優缺點[12-16]。

為了研究臨近空間攻防技術特點和技術需求，本文以攔截動力巡航段/無動力滑翔段的臨近空間高超聲速目標開展研究。攔截巡航段/滑翔段的臨近空間高超聲速目標的一個主要作戰過程想定如下：

(1) 由預警衛星、空基預警平臺等預警探測設備實現對臨近空間高超聲速目標的預警探測與跟蹤，并向目標指示雷達提供信息。

(2) 目標指示雷達截獲目標，通過指揮控制系統進行威脅判斷，確認威脅目標后，引導跟蹤制導雷達捕獲目標。

(3) 跟蹤制導雷達捕獲目標后，對目標實施精確跟蹤，并提供給火力控制系統進行發射諸元解算，控制導彈發射。

(4) 導彈發射后，跟蹤制導雷達繼續跟蹤目標，通過指令數據鏈設備向導彈提供修正指令，控制導彈實現中制導飛行。

(5) 當導彈進入末制導前，進行中末制導交班，確保彈上末制導設備截獲并跟蹤目標，通過直氣復合控制修正制導誤差，在規定的脫靶量內實現與目標的交會，并對其進行有效毀傷。

3臨近空間高超聲速目標防御技術需求分析

3.1預警探測技術需求

臨近空間高超飛行器速度快、射程遠、機動性強，對這類目標需要遠距離、大空域防御或攔截。通常系統的預警探測能力要達到1 000 km以上，才能贏得必要的作戰反應時間。因此，對于反臨近預警探測可采用前置的或多平臺的(天基、空基、地基和海基)傳感器實現遠程預警、探測，提高早預警早發現能力。

表3　臨近空間高速目標各飛行階段攔截優劣

單部地基雷達由于地球曲率限制不能滿足有效攔截作戰的需求。如果需要達到1 000 km的最大探測距離，則需要增大探測制導平臺的高度。

臨近空間電離層環境和高速飛行等離子體效應可能對高超聲速目標的探測存在影響。按照對離解、電離劃定標準的定性的分析估計，當Ma<10時，繞流流場基本沒有電離發生，主要是離解反應，因而流場中的電子、離子分量將很小。因此，Ma數為10是繞流流場電離狀態由弱到強的轉變點。根據多個通訊頻段的測試數據，可以認為在電離層60 km以下，飛行Ma數在10以下的高超聲速目標在飛行過程中無“黑障”現象，且飛行中產生的等離子體不會使得目標的RCS(radar cross section,雷達散射截面)減小。

由于高超聲速飛行器的等離子體鞘套繞流流場具有極高的溫度，紅外特性非常明顯；此外，由于光波和太赫茲波頻率遠高于高速目標等離子體碰撞頻率，受等離子體鞘套的吸收較弱，能夠幾乎無損失地穿過等離子體鞘套探測目標，因此從理論分析和飛行試驗上來看，紅外、激光雷達和太赫茲波雷達有望成為探測臨近空間高速飛行器的有效手段。若要對覆蓋等離子體鞘套的高超聲速飛行器進行探測和識別，需要模擬較真實的飛行器等離子體鞘套，研究其紅外輻射特性、激光雷達散射特性和太赫茲波雷達散射特性，為探測和識別提供依據。

表4比較了4種預警探測系統用于臨近空間高超聲速目標預警和探測的優缺點。

3.2指揮控制技術需求

傳統防空導彈是以火力單元為基本作戰組合進行防空作戰，防空導彈火力單元內指揮控制系統、制導雷達、發射裝置和導彈等各作戰裝備之間存在著固定的隸屬關系，不同火力單元內的作戰裝備不能進行相互操作。隨著現代空襲的體系化、網絡化作戰能力的提升，傳統的防空導彈指揮控制系統面臨著巨大挑戰，主要表現在：①網絡化能力弱，無法發揮武器系統協同作戰的優勢；②戰場生存能力低，抗毀能力弱，抗干擾能力弱。

表4　各種預警探測系統的比較

防御臨近空間高超目標需要指揮控制系統具有更強的通訊、火力重組、資源共享、準確識別、準確發射參數裝訂、快速處理的全自動管理能力，將空天領域已建的和未來要建立的各級各類空天信息指控系統和各種探測傳感器相互連接到一起，實現對空天信息傳感器的一體化指揮控制和對空天信息的一體化管理與分發，實施統一指揮控制和火力控制。指揮控制網絡系統可以采用扁平化控制技術和寬帶通信技術，在系統間快速傳輸數據、快速決策處理和快速作戰效果評估，同時可以動態重構系統網絡，增強抗毀傷、自愈能力。

3.3導彈總體技術需求

臨近空間高動態目標具有兩大明顯的運動特征：高速和機動。由于目標高速使得傳統采用追蹤目標的導引規律的防空導彈無法保證速度優勢；由于機動存在造成運動軌跡無法精確預報，使得反彈道導彈所采用的逆軌攔截思路在臨近空間高超聲速目標的攔截中受到很大局限性。因此，臨近空間攔截導彈總體設計的一個核心目標就是在小彈目速比(速比可小于1)的條件下降低攔截導彈的需用過載。為了達到這一目標，在總體設計方面首先要考慮良好的攔截策略和導引規律，如某種結合迎頭攔截策略和比例導引律的改進算法。

臨近空間攔截導彈作戰對象多，作戰空域廣，要求攔截導彈必須具備良好的速度特性和質量特性。更高的平均速度和末級速度可以提高導彈的響應時間，降低導彈的需用過載；更小的導彈質量可以提高采用軌控發動機的可用過載。在氣動外形設計方面，有需求采用二級或多級設計以改善速度特性和質量特性，并需要優化設計平衡氣動性能和操縱性能。在動力設計方面，導彈快速響應要求具備快速初始轉彎能力，同時更多的作戰任務需要多級發動機、多推力發動機和多脈沖發動機的綜合運用。在結構防熱方面，攔截導彈雖然不存在如高超聲速目標那樣復雜的熱管理需求，但仍需格外小心高溫特別是高加熱率的氣動熱環境以及采用大功率導引頭后嚴酷的艙內熱環境。最后，臨近空間攔截導彈應考慮具備在較寬工作包絡線所需的可控性和魯棒性，要求導彈具備在相關環境的生存能力和毀傷能力，盡量采用簡便的、靈活的、可替換的組成構件。

3.4精確制導技術需求

臨近空間攔截導彈對高超聲速目標的攔截距離遠，在遠距離飛行中，由于目標的位置信息會發生變化，為確保導彈能夠被準確引導到目標附近，需要選擇合理復合制導體制以實現高概率交班和精確制導。

高超聲速目標由于RCS小、速度大，留給攔截導彈的反應時間很短，要求制導雷達的截獲距離足夠遠。同時，當目標速度大時其飛行軌跡相對制導雷達有一定航路角的情況下，會導致制導雷達的目標跟蹤系統有一定的動態滯后誤差，造成跟蹤質量下降。因此，攔截導彈對制導雷達的需求應是在低仰角條件下的遠距離截獲能力、快速檢測能力和高精度連續跟蹤能力。

導彈的精確制導能力取決于導彈在末制導段對于初、中制導的初始誤差的修偏能力，而這一能力取決于導彈末制導段的控制剛度。在迎頭攔截的過程中，由于彈目相對速度很大，需要增加末制導導引頭的作用距離以改善導彈的控制剛度。同時，還需求提高導引頭的測角精度(或角加速度精度)以降低比例導引律對攔截導彈的需用過載。

使用雷達導引頭可以獲得目標距離信息或速度信息，缺點是體積大、質量大。如果采用雷達相控陣導引頭，除了需要增加導引頭的作用距離和測角精度之外，還需要進一步考慮相控陣解耦問題、天線優化設計問題和防熱設計問題。光學導引頭在低空作用距離近，高空作用距離遠，使用光學導引頭的優點是體積小、質量輕、制導精度高，在不考慮目標機動的情況下可以滿足直接碰撞目標的要求，但存在全天候能力和彈載環境適應能力相對不足的問題。如果采用光學導引頭，則除了考慮中末制導交班問題外，還需要進一步考慮氣動光學效應抑制及校正問題，其中進一步地包含湍流流場控制、頭罩或側窗隔熱和制冷以及在氣體輻射覆蓋本體和近距離輻射飽和條件下目標分割問題等。如果采用復合末制導技術，則需要考慮數據對準、航跡關聯、航跡融合、目標識別等問題。

3.5精確控制技術需求

傳統導彈的快速響應能力受制于彈體的固有特性，隨著導彈速度、飛行高度等參數變化而變化。導彈速度越低，攔截空域越高，彈體響應越慢，在低空一般需要0.3 s左右，在中高空需要0.7 s～1.8 s左右，在高空需要2 s左右，而且高空空氣稀薄，無法產生足夠的升力和機動過載能力。因此，臨近空間攔截導彈必須采用直接力(reaction control system, RCS)改善控制響應時間，增加導彈可用過載。

直接力實現方式有姿控、軌控和姿軌控3種方式。軌控方式即為直接力操縱方式，要求橫向噴流裝置不產生力矩或產生的力矩足夠小。為了產生要求的直接力控制量，通常要求橫向噴流裝置具有較大的推力，并且希望將其放在質心位置或離質心較近的地方，以免產生繞質心的干擾力矩。姿控方式要求橫向噴流裝置產生控制力矩，不以產生控制力為目的，但仍有一定的控制力作用。控制力矩改變了導彈的飛行攻角，因而改變了作用在彈體上的氣動力。這種操縱方式不要求橫向噴流裝置具有較大的推力，但要能產生較大的繞質心轉動的力矩，通常希望將其放在遠離質心的地方。

表5比較了一些主要現役型號的姿控、軌控和姿軌控直接力的使用方式和技術特點。可以看出，采用何種直接力形式應綜合考慮具體作戰任務和作戰環境。使用直接力牽引出來的需求包括噴流干擾流場影響分析、直氣復合控制策略等等。需要特別指出的是，作為臨近空間攔截導彈系統設計的核心環節，直接力設計的成敗，不僅僅是控制系統設計的問題，更多的是總體優化設計問題。例如為了利用臨近空間有限空氣動力與側向直接力復合，需要導彈總體設計在穩定性和操縱性尋找最佳平衡點。此外，末制導段直接力控制為了避免噴流干擾和過載損失，以及臨近空間攔截導彈的引戰配合會對導彈的姿態角、彈目相對位置有一定的需求，進而要求彈道、制導、控制之間相互協同。這些需要臨近空間攔截導彈進行更深入的總體—制導—控制一體化設計。

3.6引戰技術需求

防空反導導彈殺傷方式有2種：戰斗部殺傷和直接碰撞殺傷。考慮到臨近空間高超聲速目標的機動性和軌跡不可預測性，很難采用直接碰撞殺傷。如果采用直接碰撞的殺傷方式，需要進一步采用高制導精度的光學制導體制，并在導引規律上對目標機動進行預測和補償。

如果采用傳統破片式戰斗部對其進行毀傷，則在彈目相對速度很大的情況下， 破片式戰斗部由于引信感知目標到引爆戰斗部需要一定時間，采用定角引信不能在最佳時間起爆，降低戰斗部的殺傷性能，甚至出現導彈穿越目標后才起爆。因此，臨近空間攔截導彈應采用測距的制導/引信一體化(guidance integrated fuzing, GIF)設計技術，避開測速GIF引信在大相對速度時存在的多普勒盲區問題，利用毫米波導引頭的毫秒級脈沖測距信息，實現引信的前向探測和高效的引戰配合，同時，臨近空間攔截導彈的戰斗部殺傷應采用慢速釋放或有系留裝置的殺傷增強器，有利于降低系統的反應時間要求，提高對臨近空間高動態目標的毀傷效果。

表5　直接力方式比較

4結束語

為了更好建設臨近空間防御能力，發展相關技術專業，本文從臨近空間高超聲速武器目標特性、臨近空間導彈攻防特性出發，分析臨近空間高超聲速目標防御的難點和不足，并詳細分析由此牽引出對臨近空間高超聲速目標攔截系統的技術需求。總體而言，高超聲速目標防御系統或攔截導彈的技術難點存在于各個專業領域，難度大，集成度高，既需要各專業的技術攻關與技術進步，更需要各專業的一體化協同優化設計。

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Technical Requirements Analysis of Air Defense System Intercepting Fast Attack Weapons in Near Space

LIU Chao-feng, WANG Gu, ZHANG Zhen-ming, CHEN Feng, LIU Yang, MEI Xiao-ning

(Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute, Shanghai 201109, China)

Abstract:In order to figure out the new problems and technical requirements of near space defense, the target characteristics of the hypersonic vehicles and the attack-defense characteristics in near space are investigated, and the difficulties of building the air defense system intercepting those fast attack weapons are analyzed. Specifically, the technical requirements of detection, guidance, control and missile design are analyzed. The analysis of the technical requirements can provide a reference for the building of near space defense systems and the development of relative professional disciplines.

Key words:near space; defense system; technical requirement analysis; hypersonic vehicle; fast attack weapon; missile design

中圖分類號：E844；TJ76

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0018-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.004

通信地址：201109上海市閔行區元江路3888號航天八部十室E-mail：liucf@fudan.edu.cn

作者簡介：劉超峰(1978-)，男，海南儋州人。高工，博士，研究方向為飛行器總體設計。

基金項目：上海市科學技術委員會資助課題(13QB1401500)

*收稿日期：2014-10-14；修回日期：2015-02-06