天波超視距雷達探測彈道導彈性能研究*

劉詩華 李德芳 申正義

(1.空軍預警學院二系 武漢 430019)(2.空軍預警學院 武漢 430019)

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天波超視距雷達探測彈道導彈性能研究*

劉詩華1李德芳1申正義2

(1.空軍預警學院二系 武漢 430019)(2.空軍預警學院 武漢 430019)

研究了天波雷達探測對彈道導彈的探測性能。研究從天波雷達探測火箭的機理和方式入手,分析了基于箭體、尾焰和人工電離層洞等三種探測方式。從雷達截面積(RCS)的角度對天波雷達探測彈道導彈和隱身飛機的性能進行了比較。最后,基于天波雷達探測火箭的方式,研究了天波雷達探測潛射彈道導彈的探測性能。

天波超視距雷達; 彈道導彈; 探測性能

Class Number TN958

1 引言

在早期的天波超視距雷達(簡稱天波雷達)應用中,一個重要的應用領域就是監視遠程及超遠程彈道導彈的發射。隨著天波雷達技術的發展,應用領域擴展到遠程轟炸機、潛射彈道導彈、戰斗機群及艦隊的動向,以便早期發現并攔截組織[1]。

彈道導彈是一類特殊的目標,它具有飛行距離遠、飛行速度快、回波相干性差、相干積累效果不明顯等特點[2～3],對其觀測既與觀測常規的空中目標有相似之處,又有其獨特的機理和方法。因此,對彈道導彈的觀測需要充分考慮彈體本身和天波雷達工作環境的特點,采用多種途徑完成彈道導彈的探測任務。

由于數據來源有限,天波雷達探測彈道導彈的可行性和性能無法進行驗證。然而,天波雷達探測彈道導彈的原理和方式與探測運載火箭相類似,并且據資料記載,中國電波傳播研究所早期利用26MHz高頻雷達在外場實現了大型運載火箭主動段的觀測[1]。基于此,本文從天波雷達探測運載火箭的原理和方式入手,圍繞彈道導彈觀測的可行性與性能重點進行分析研究。

2 天波雷達探測火箭的機理與方式

1) 基于箭體的探測

理論上,探測火箭的回波應該由兩部分組成,一個是火箭本體的箭體回波,一個是火箭強大的噴焰回波。箭體可被看作空中目標的一類,其散射截面積與尺寸、形狀、飛行姿態、雷達工作波長以及極化方式有關。基于箭體的探測與常規目標探測原理相似,在此不多作贅述。

2) 基于火箭尾焰的探測

火箭在發射時,會產生強大的噴焰回波(即尾焰),高頻電波照射到這個尾焰上,會產生比照射火箭本體大得多的雷達散射截面。火箭噴焰是一種特殊的傳播媒質,它們是推進劑燃燒產物經發動機尾部噴管噴出的一種高溫高速的湍動氣流,是一種稠密不均勻的弱電離復雜等離子體(又稱為塵埃等離子體),呈現出氣態、液態和固態顆粒混合物,其中含有多種化學物質成分,在一定的噴焰體積內,電子濃度可以超過10個/cm3。火箭發動機噴焰是一種電子濃度和碰撞頻率遠比電離層高、湍動起伏異常劇烈的不均勻等離子體。火箭在高空飛行時,噴焰將形成比彈體大幾倍、甚至幾十倍的等離子體區域。對高頻段的電波,這些等離子體團是很好的散射體。因此,噴焰增大了主動飛行段火箭的高頻雷達截面。

但是,在電離層以下的空域內(電離層高度為60km～1000km),由于大氣濃度比較高,即使火箭噴焰回波使得空氣分子發生電離,也會迅速被周圍的大氣分子所吸收,無法形成有效的等離子體,因此該階段雷達基本無法發現火箭的尾焰回波。

3) 基于人工電離層洞的探測

運載火箭進入電離層后,雷達若無法直接觀測到火箭和噴焰,還可以利用人工電離層洞進行觀測。火箭在飛行過程中,火箭噴焰中的大量氫和水分子引起電離層的大量電子復合,形成總電子含量比背景總電子含量低很多的一片區域,這片區域即為人工電離層洞。天波雷達可以探測到電離層洞,從而推測火箭目標的存在。

3 天波雷達彈道導彈與隱身飛機探測性能比較

1) 隱身技術

以減小雷達截面積為目的的隱身技術,包括以下四種基本方法,即外形隱身技術、雷達吸波材料隱身技術、無源對消技術和有源對消技術,但目前最常用和最為有效的是外形隱身技術和雷達吸波材料隱身技術[4]。其中,外形隱身主要通過修改目標的表面和邊緣,使其強散射方向偏離單站雷達來波方向實現隱身目的;雷達吸波材料隱身主要通過雷達吸波材料吸收雷達能量,降低反射能量達到隱身效果。

2) 目標特性

目前,國外典型隱身飛機的目標特性(RCS)如表1所示。

表1 國外典型隱身飛機的目標特性

從表1中可以看出,目前國外典型隱身飛機的RCS主要在0.001m2～1m2(-30dBm2～0dBm2)的范圍內。

作為天波雷達的探測對象之一,國外典型潛射彈道導彈的目標特性如表2所示。

表2 國外典型潛射彈道導彈的目標特性[5～9]

在高頻波段,具有如表2所示類似尺寸的彈道導彈其RCS大約在10m2～100m2(10dBm2～20dBm2)的范圍內[1]。與表1中隱身飛機的RCS相比,彈道導彈彈體的RCS要遠大于隱身飛機,因此,但從RCS的數據本身來看,在其它條件相同的情況下,雷達探測彈道導彈的性能要優于探測隱身飛機的性能。

3) 天波雷達探測隱身飛機的獨特優勢

如前所述,目前隱身飛機的隱身手段主要是材料隱身和外形隱身。對于材料隱身來說,吸波材料只對一定頻率范圍的電磁波有效,亦即,對一定頻率范圍的電磁波吸收效果較好,頻率越低,吸收效果越差。米波雷達和高頻雷達的工作頻率在吸波材料的有效頻率范圍之外,因此,它們可以有效地探測隱身飛機。天波雷達屬于高頻雷達的一種,它的工作頻率很低,材料隱身對其影響不大。以上分析主要針對基于目標RCS探測目標的雷達而言,無源雷達是一種特殊的雷達體制,它不是靠目標RCS探測目標,而是偵收機載電子設備輻射的電磁波來探測目標。因此,它對隱身飛機的探測也有一定的優勢。

對于外形隱身而言,當飛機以正常姿態飛行時,陸基雷達的電磁波主要照射的是飛機底部和頭部,因此,為了減小反射能量,達到隱身目的,隱身飛機外形隱身的設計主要是在飛機的底部和頭部,以及將其設計成較為復雜的外形,使雷達電磁波形成散射,減小反射的能量,雷達無法發現目標。天波雷達主要是通過電離層的折射來實現對目標區的探測,飛機以正常姿態飛行時,雷達電磁波照射的是飛機的頂部(背部),而隱身飛機的頂部通常沒有進行外形隱身處理,對于天波超視距雷達來說,探測隱身飛機和探測非隱身飛機的前提條件是相同的,外形隱身也對天波雷達影響不大。

圖1給出了某典型隱身強擊機RCS的頻率響應估計曲線。在圖中,極化方式為水平極化,θ為入射波俯視角(即入射射線與水平面的夾角),φ為水平方位角。從圖中可以看出,由于天波雷達的工作頻段和探測方式,使得對于常規陸基微波雷達而言的較好隱身性能完全失效,飛機的RCS從-30dBm2～0dBm2變為13dBm2～30dBm2,目標發現的概率大大增加。綜上所述,隱身飛機的材料隱身和外形隱身等手段都不能影響天波雷達的探測,雷達對隱身飛機的具有獨特的探測優勢,其探測性能要優于對彈道導彈的探測性能。

圖1 某典型隱身飛機RCS的頻率響應估計曲線

4 基于火箭探測機理的天波雷達彈道導彈探測

如前所述,天波超視距雷達探測彈道導彈的原理和方式與運載火箭的原理和方式相同,亦即,包括基于彈體本身的探測,基于尾焰的探測和基于人工電離層洞的探測。

1) 基于彈體的探測

從理論上看,天波雷達可以通過彈體實現對彈道導彈的探測,結合現有的資料分析,天波雷達僅通過彈體RCS來探測彈道導彈的效果并不理想,通常情況下要結合尾焰的強RCS對彈道導彈進行探測。

2) 基于尾焰的探測

從前面的分析可以得知,天波雷達只有在電離層中才能有效地對彈道導彈的尾焰進行探測,這就要求彈道導彈在火箭關機點之前的飛行高度必須達到60km以上,即彈道導彈在關機點之前應飛入電離層中。

對于美國的D5(三叉戟Ⅱ)型潛射彈道導彈,其工作過程如下[10]:當發射導彈程序的倒計時結束時,操作手按下發射按鈕,發射系統的燃氣發射器開始工作,將導彈彈射出發射筒;導彈依靠出筒初速向水面前行;躍出水面一定高度時,導彈一級發動機點火工作,熄火后被拋離;然后二級發動機工作,同樣熄火后被拋離;飛出大氣層(90km高度以上)后,整流罩分離;接著按預定的要求逐個釋放子彈頭;最后子彈頭奔向各自擬攻擊的目標。

此外,彈道導彈的一些主要飛行參數如表3所示。

表3 國外典型潛射彈道導彈的目標特性[11]

由表2可知,美俄潛射彈道導彈的射程均在7000km以上。結合美國D5型潛射彈道導彈的工作過程和表3可以看出,在關機點之前,美俄主流潛射彈道導彈的飛行高度基本上可以超過60km的高度,進入電離層中,從而滿足天波雷達探測彈道導彈的條件。因此,利用彈道導彈的尾焰,天波雷達可以實現對潛射彈道導彈的探測。

3) 基于人工電離層洞的探測

基于人工電離層洞對彈道導彈進行探測的條件同樣是要求彈道導彈在關機點前的飛行高度要進入電離層中,通過基于尾焰的探測分析可知,彈道導彈關機點前的飛行高度滿足條件,天波雷達可以基于人工電離層洞對彈道導彈實現探測。

5 結語

在彈道導彈的主動段,根據導彈飛行高度的不同,天波雷達對其實現探測有三種途徑: 1) 電離層以下,基于彈體的探測; 2) 電離層中,基于尾焰的探測; 3) 電離層中,基于人工電離層洞的探測。由于對尾焰探測過程中包含了對彈體的探測,其RCS是兩者的總和,嚴格的講,第二種方式是對彈體加尾焰的探測。

探測彈道導彈與探測隱身飛機相比較。目前,隱身飛機采用的隱身手段主要是材料隱身和外形隱身,這兩種隱身方式對天波超視距雷達來說效果不明顯,因此,盡管隱身飛機對其它常規地基雷達具有較好的隱身性能,RCS非常小,但對于天波雷達來說,和其它非隱身飛機是一樣的,其RCS也大于彈道導彈的RCS。因此,從理論上講,對于天波雷達而言,彈道導彈比隱身飛機更加難以探測。

基于火箭探測機理的彈道導彈探測。天波雷達探測彈道導彈的原理和途徑與探測火箭相類似,也是從彈體、尾焰和人工電離層洞去探測。基于彈體的探測性能不佳,而彈道導彈在主動段可以進入到電離層中,因此利用尾焰和人工電離層洞可以實現彈道導彈的探測。

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Study of Detection Performance of Skywave OTHR on Ballistic Missile

LIU Shihua1LI Defang1SHEN Zhengyi2

(1. Department 2, Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019) (2. Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019)

The detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is studied. The study is based on the detection mechanism and methods of skywave OTHR on rocket. The three detection methods, which based on rocket body, plume and artificial ionosphere hole, are analyzed. As viewed from the RCS, the detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is compared to the performance of skywave OTHR on stealth aircraft. Finally, based on the methods of skywave OTHR on rocket, the detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is researched.

skywave OTHR, ballistic missile, detection performance

2015年2月12日,

2015年3月23日

劉詩華,男,博士,講師,研究方向:戰略預警裝備關鍵技術。李德芳,女,碩士,講師,研究方向:戰略預警裝備關鍵技術。申正義,男,碩士,講師,研究方向:預警裝備模擬器開發與設計。

TN958

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.022