地基攔截臨近空間高超聲速導彈可行性分析

張海林, 周 林, 鄭 鈮, 張 鋒, 李 鵬

(1. 空軍工程大學防空反導學院, 陜西 西安 710051; 2. 93704部隊, 北京 101100;3. 93811部隊, 甘肅 蘭州 730020)

地基攔截臨近空間高超聲速導彈可行性分析

張海林1,2, 周 林1, 鄭 鈮1, 張 鋒1, 李 鵬3

(1. 空軍工程大學防空反導學院, 陜西 西安 710051; 2. 93704部隊, 北京 101100;3. 93811部隊, 甘肅 蘭州 730020)

臨近空間高超聲速導彈的迅速發展對現代空天安全構成了嚴重威脅，為滿足反臨近空間目標作戰要求，對地基攔截臨近空間高超聲速導彈的可行性進行了分析。以X-51A典型目標為例，為滿足對臨近空間高超聲速導彈的攔截要求，攔截彈必須在限定的時間內以足夠大的速度、在規定的區域以充分大的能量撞擊目標。以此為出發點，從地基攔截時間、地基攔截空間和地基攔截物質3個方面對攔截可行性進行了理論分析。

臨近空間；高超聲速導彈；地基攔截；可行性

臨近空間高超聲速導彈是指飛行速度超過5Ma、巡航高度可至臨近空間的精確制導的攻擊飛行器。臨近空間高超聲速導彈飛行高度高、速度快，具有較強的突防和攻擊能力，能在很短的時間內抵達地球上任何一點，迅速打擊數千甚至上萬千米外具有重要軍事或經濟價值的目標，現已成為世界各軍事強國謀求空天優勢、搶占臨近空間戰略制高點的重要武器[1]。特別是美國X-51A臨近空間飛行器試飛成功，向未來高超聲速導彈又邁進一大步。美國空軍代表曾坦言：美國將在2017年開始試射臨近空間高超聲速巡航導彈，如果進展順利，2018、2019年將繼續試射，導彈研發工作將于2020年前完成[2]。由此可見：高超聲速導彈作為高超聲速技術最直接和最當前的應用，將是未來反臨近空間作戰面臨的首要問題，開展地基攔截臨近空間高超聲速導彈可行性預研工作具有很強的理論價值和現實意義。

地基攔截臨近空間高超聲速導彈盡管受到攔截時間、攔截距離和攔截方式等諸多方面的限制，但它是一種有效的遏制手段，是一種積極攻勢防御且是空天防御不可或缺的重要內容。因此，為滿足對臨近空間高超聲速導彈的攔截要求，攔截彈必須在限定的時間內以足夠大的速度、在規定的區域以充分大的能量撞擊目標。

地基攔截臨近空間高超聲速導彈主要考慮正面(或迎面)攔截和尾追攔截2種情況。考慮到高超聲速導彈飛行速度快、飛行時間短的特點，尾追攔截對攔截彈的速度要求將會很高，現階段攔截相當困難，因而主要考慮正面攔截。當地基攔截武器部署在靠近目標或者所保衛目標在攔截彈發射點與臨近空間高超聲速導彈遭遇線的反向延長線上時，攔截彈才有可能進行有效攔截。

通過分析美國X-51A飛行器試驗過程，依據不同分類標準，可將未來美國臨近空間高超聲速導彈的飛行軌跡歸納如表1所示。

表1 臨近空間高超聲速導彈飛行過程分析

根據對臨近空間高超聲速導彈飛行軌跡的劃分，綜合考慮以時間和空間為主要影響因素，理論上可分為3層防御：1)火箭助推段攔截，即從載機發射到火箭助推器點火后的上升段，此時處于航空空間，但所占總飛行時間比例僅為5%左右；2)中段臨近空間飛行段攔截，該階段主要包含超燃沖壓發動機加速段和臨近空間滑翔段，飛行軌跡近似平飛，飛行時間占總飛行時間的75%～80%；3)末段攔截，該階段主要指高超聲速導彈再入航空空間滑翔段，距離目標近，再入角度大，飛行時間占總飛行時間的15%～20%。

綜上所述，對比3層攔截臨近空間高超聲速導彈方案，臨近空間飛行中段攔截的概率和可行性較大，在該階段攔截武器、各種雷達及其他傳感器有更多的時間去跟蹤攔截來襲高超聲速導彈,為確保攔截的成功性，攔截系統還有時間發射第2枚或更多的攔截彈，是一種較為理想的攔截方式。因此，本文主要研究臨近空間高超聲速導彈中段攔截可行性，從地基攔截時間、地基攔截空間以及地基攔截物質3個方面對地基攔截臨近空間高超聲速導彈可行性進行定量和定性分析。

1 地基攔截時間可行性

地基攔截時間可行性是指在高超聲速導彈有效飛行時間內，地基反臨近空間武器系統能夠完成發現、跟蹤和識別目標，并計算出高超聲速導彈坐標和速度，進行目標分配任務，同時向各地基火力單元發出目標指示信息，下達作戰命令并實施攔截。可見地基反臨近空間武器系統對臨近空間高超聲速導彈實施攔截的必要條件是：地基攔截體系對高超聲速導彈的工作時間T1小于高超聲速導彈從載機發射到臨近空間中段結束的飛行時間T0。

1.1 地基攔截預警時間分配

地基攔截臨近空間高超聲速導彈預警信息源主要有衛星預警、臨空預警、空基預警及地基預警4種手段，其中，衛星預警是其他預警的前提和關鍵[3]。當臨近空間高超聲速導彈從載機發射后，首先，通常由預警衛星發現臨近空間高超聲速導彈發射，并向其他預警平臺發出攻擊警報，開始進行威脅鑒定；其次，引導臨空預警平臺和空基預警平臺重點搜索，確認來襲目標，引導地基預警雷達探測來襲導彈；最后，當高超聲速導彈進入地基預警雷達探測范圍后，確認衛星預警目標信息，截獲并跟蹤目標。圖1為地基攔截臨近空間高超聲速導彈預警時間分配。

圖1 地基攔截臨近空間高超聲速導彈預警時間分配

對于臨近空間高超聲速導彈的中段攔截，其臨近空間中段飛行時間一般可達400～500 s。因此，對高超聲速導彈的預警時間應盡可能短，隨著天基衛星預警探測能力的不斷提升，以及未來臨空預警平臺和空基預警平臺自身預警能力的加強，要實現對高超聲速導彈發射后的可靠預警是完全可能的。

1.2 地基攔截作戰時間分配

在完成對臨近空間高超聲速導彈的綜合預警后，地基反臨近空間武器系統得到來襲導彈預警數據的保證，進而對目標進行跟蹤識別、威脅判斷、攔截適應性檢查等一系列信息處理，然后定下發射決心。因此，除去預警、戰場指控和地基火力單元攔截準備所占用的時間，留給地基攔截彈的作戰時間將十分有限。地基攔截臨近空間高超聲速導彈作戰過程時間分配如圖2所示。

圖2 地基攔截臨近空間高超聲速導彈作戰過程時間分配

1.3 地基攔截時間可行性實例分析

以國內某新型地基武器系統對空作戰過程為例進行分析，考慮到未來臨近空間高超聲速導彈由空中載機發射，這將給地基反臨近空間武器系統提供較充足的戰斗準備時間，因此不考慮地基火力單元的戰斗值班狀態轉換時間，可假設地基火力單元處于一等戰斗值班狀態。可得T1計算公式為

T1=Ts+Tc+Tp+Tz+Tf，

式中：Ts為臨近空間高超聲速導彈從載機發射后被發現的時間；Tc為預警衛星完成對臨近空間高超聲速導彈探測并下傳至地面指揮控制中心的時間；Tp為地面指揮控制系統識別判斷、定下作戰決心和下達作戰指令的時間；Tz為地基火力單元戰斗狀態至攔截彈發射的時間；Tf為地基攔截彈攔截高超聲速導彈所需的飛行時間。

由以上可得：可供地基攔截彈中段攔截的最大飛行時間為

Tx=T0-(Ts+Tc+Tp+Tz)。

那么，地基攔截彈成功實施臨近空間中段攔截的時間可行性條件為Tx≥Tf。

從上述分析可知：如果地基反臨近空間武器系統對臨近空間高超聲速導彈的工作時間T1小于從載機發射到臨近空間中段結束的飛行時間T0，則地基火力單元就可以對來襲導彈實施攔截；同時，對臨近空間高超聲速導彈采取及時響應的概率越高，攔截時間越充分。

綜上所述，在地基攔截臨近空間高超聲速導彈的作戰中，當載機發射來襲高超聲速導彈時，預警衛星便開始搜索探測目標，美軍的SBIRS預警時間約為10～20 s，因此判定Ts=20 s；預警衛星完成從探測導彈發射到臨空預警平臺和空基預警平臺，并將綜合預警信息傳遞給地基反臨近空間武器系統需15～30 s，因此取Tc=30 s；收到綜合預警信息后到生成作戰指令時間Tp=30 s；參考現役地基防空反導裝備攔截彈發射并傳輸準備時間，可取Tz=15 s。以美國X-51A試驗飛行過程為參考，當臨近空間高超聲速導彈射程為1 000 km時，其處于臨近空間中段飛行時間可達400 s，基本上能保證Tx≥300 s。因此，只要保證地基攔截彈有足夠大的飛行速度，在攔截時間上就可以滿足攔截條件。

2 地基攔截空間可行性

臨近空間高超聲速導彈不同于一般的航空飛機，因為航空飛機一般是等速平飛，在不考慮其大角度機動的情況下，目標對地基火力單元航路捷徑和高度一般是常量，地基攔截航空目標主要包括2個空間約束條件：1)地基火力單元的殺傷高度可達航空目標飛行最大高度；2)航空目標對地基火力單元航路捷徑小于該火力單元的最大殺傷航路捷徑。但是，臨近空間高超聲速導彈的彈道是曲線，在不同飛行階段，其速度方向、大小和高度是持續變化的，也就是說臨近空間高超聲速導彈對地基火力單元的航路捷徑是變化的。因此，攔截臨近空間高超聲速導彈的空間可行性是指地基攔截是否滿足空間約束條件，如果來襲導彈高度和其相對地基火力單元的斜距分別處于該火力單元攔截彈高度、攔截彈斜距范圍內，那么來襲目標就有可能被攔截。可見：地基攔截空間可行性可以從地基攔截斜距可行性和地基攔截高度可行性2個方面進行分析。

2.1 地基攔截斜距可行性

針對臨近空間高超聲速導彈，通過分析美軍X-51A飛行器試驗過程[4]，得出其飛行參數[5]為：射程可達1 000 km；飛行速度可達6Ma以上；飛行高度為30 km。現假設如下[6]：

1) 不考慮地球扁率的影響；

2) 臨近空間高超聲速導彈運動軌跡在XOY平面內，其Z方向上的位移較小，可假定為0；

3) 地基攔截火力單元部署在高超聲速導彈攻擊點位置。

綜上可得，地基攔截臨近空間高超聲速導彈的攔截斜距約束條件可表示為[7]

式中：Rmin、Rmax分別為攔截彈殺傷最小、最大攔截斜距；(XT,YT)為臨近空間高超聲速導彈T時刻空間位置；(X0,Y0)為地心慣性坐標系下地基攔截火力單元部署位置。

[5]中臨近空間高超聲速導彈彈道模型及飛行參數，利用攔截斜距的約束公式，通過Matlab可仿真出地基攔截斜距與時間的變化關系，如圖3所示。

圖3 地基攔截斜距與時間的變化關系

由圖3可知：以地基攔截彈最大殺傷斜距300 km為參考，其攔截時間可達400 s左右。可見：在地基反臨近空間高超聲速導彈不考慮攔截彈飛行速度時，地基攔截的最大攔截斜距主要受到攔截彈射程的制約。那么，在一定攔截條件的支撐下，地基火力單元在攔截斜距上可以滿足反臨近空間高超聲速導彈的要求。

2.2 地基攔截高度可行性

通過分析美國X-51A飛行器試驗過程，依照美軍未來臨近空間高超聲速導彈發展規劃，可選取射程為1 000 km的臨近空間高超聲速導彈，其飛行高度可達30～40 km。因此，地基攔截高度H的約束條件主要是指：地基攔截彈必須能夠達到臨近空間高超聲速導彈飛行高度h的最大值，且末速度vg也滿足高超聲速的要求(const)。其地基攔截高度的可行性數學優化模型為

H=max(h),
s.t.vg≥const。

臨近空間高超聲速導彈與一般航空目標和彈道導彈目標的不同之處在于：1)該目標主要飛行區域在臨近空間，也就是介于航空空間和航天空間之間，比一般航空目標飛行高度要高，但遠不及彈道導彈中段飛行高度；2)該目標具有高超聲速、過載大的特點。因此，要求地基攔截臨近空間高超聲速導彈時要充分考慮其作戰高度，同時也必須具有較快的飛行速度和一定的機動過載能力，保證在滿足“夠得上”標準的同時，適應來襲目標可能出現的臨空機動。

則地基攔截彈質量與時間的變化關系如圖4所示,其中：t0為地基攔截彈第1級助推點火時間；tki為地基攔截彈第i級助推發動機的工作時間；tdi為不同發動機中間延遲點火時間(發動機質量流率保持不變)。

圖4 地基攔截彈質量與時間的變化關系

運用系統分析法和類比法，可假設地基攔截彈為2級導彈：第1級助推發動機主要用于地基攔截彈的高速、高加速特性，保證地基攔截彈快速進入臨近空間區域，在發動機能量被最佳利用的前提下滿足末速度要求；第2級發動機主要用于實現末制導中動能攔截器的機動控制，能夠充分提供臨近空間高超聲速導彈地基攔截交會過程中適當的機動控制，保證動能攔截的精度。可以看出：運用現有的火箭燃料技術及發動機技術，可通過調整攜帶燃料的多少和適當的機動控制，將地基攔截彈送到臨近空間的高度且末速度滿足高超聲速碰撞要求。

3 地基攔截物質可行性

地基攔截臨近空間高超聲速導彈物質可行性主要研究的是地基攔截彈的殺傷能量是否足以摧毀來襲目標，而攔截彈的殺傷能量直接取決于攔截彈選擇的殺傷方式、攔截彈的質量、攔截彈的末速度(決定了碰撞速度)以及碰撞角度[8]。因此，要對臨近空間高超聲速導彈實施成功攔截，就必須在規定的空域和時間內，以最有效的殺傷方式、足夠大的速度和能量精確撞擊高超聲速導彈，才能達到摧毀的目的。

3.1 地基攔截的殺傷能量

針對臨近空間高超聲速導彈，由動能定理可得地基攔截時的碰撞動能E為

式中：m為攔截彈碰撞時的質量；VM為攔截彈相對目標的速度。

圖5為攔截殺傷能量、攔截彈質量與撞擊速度間的關系[9]。可以看出：雖然臨近空間高超聲速導彈彈頭具有很高的速度，使得攔截彈破片相對來襲目標彈頭具有很高的相對速度，但是戰斗部破片質量畢竟很小，很難產生足夠大的動能去摧毀來襲導彈。假設成功摧毀來襲臨近空間高超聲速導彈所需的動能為E0，則對來襲目標的攔截概率可表示為

圖5 攔截殺傷能量、攔截彈質量與撞擊速度間的關系

由此可知：當攔截概率p≥1時就可以成功摧毀來襲導彈。

3.2 地基攔截的殺傷方式

現役地基防空反導裝備的攔截彈戰斗部殺傷方式主要包括2類：直接碰撞動能殺傷方式(Kinetic Kill Vehicle，KKV)和導彈戰斗部破片殺傷方式。2種殺傷方式的不同主要在于戰斗部制導和起爆方式的不同，其原理都是依靠高速飛行獲取巨大動能，直接殺傷目標。按照美軍發展規劃，未來臨近空間高超聲速導彈可攜帶不同戰斗部(如整體戰斗部、動能侵徹戰斗部等)，高效摧毀關鍵目標、深埋地下的加固目標以及運動中的高價值目標。

因此，根據未來臨近空間高超聲速導彈作戰任務的不同，未來將攜帶不同類別的戰斗部，而成功攔截不同類別的高超聲速導彈彈頭需要的碰撞殺傷能量也是不同的。以美國X-51A巡航段的長度和質量以及起飛的總長度和總質量為例，其基本參數如表2所示。參考文獻[10]中摧毀彈道導彈彈頭所需的能量，考慮到未來高超聲速導彈的戰斗部面臨的環境更惡劣、作戰任務更艱巨，其毀傷能量一般不會低于彈道導彈的彈頭。現假設在理想情況下，以臨近空間高超聲速導彈核能彈頭為例，若徹底摧毀來襲導彈，則至少需要43.4 MJ能量。

表2 X-51A基本參數

1) 采取破片式殺傷方式攔截效果。選取現役典型戰斗部的單個破片質量為30 g，針對相對速度為10Ma的臨近空間高超聲速導彈，其殺傷能量為173.4 kJ，若要成功摧毀來襲高超聲速導彈，至少要保證有250枚破片同時擊中彈頭。而美軍X-51A試驗飛行器的最大機身寬度為0.58 m，其要害面積最大可能達到0.3 m2，那么完全摧毀來襲導彈的破片密度應該達到830片/m2左右，而在實際武器中，這種攔截彈的戰斗部很難實現。可見：破片殺傷方式只具有有限的殺傷能力，從摧毀來襲臨近空間高超聲速導彈所需碰撞能量的角度來看，破片式殺傷只能對付一般常規彈頭，不能有效攔截未來臨近空間高超聲速導彈的大規模殺傷彈頭，尤其對于可能攜帶的核彈頭，幾乎不具備攔截殺傷能力。

2) 采取直接碰撞殺傷的動能攔截效果。以外軍某先進導彈防御系統的攔截彈為參考[11]，選取質量為35 kg的動能攔截彈，其有效碰撞質量約為26.25 kg，那么在彈目相對速度為10Ma時，其碰撞產生的殺傷動能為151.7 MJ，如果彈目相對速度更大，在攔截彈質量增加的情況下，其產生的碰撞動能將更大，其攔截概率p>>1，動能殺傷效果可以完全摧毀臨近空間高超聲速導彈彈頭。

另外，國外研究資料[12]表明：當高超聲速目標直接相互碰撞時，會產生一種超激波，在目標尚未完全接觸之前，超激波就已經將目標結構破壞，而且將動能幾乎全部傳給了碎片，瞬間形成破片云。由此表明：采取直接碰撞殺傷的動能攔截方式，使得在臨近空間飛行的高超聲速導彈受到精確攔截，在合理選取KKV攔截彈質量的情況下，動能攔截彈與高超聲速導彈戰斗部碰撞瞬間產生的殺傷能量可以徹底摧毀臨近空間高超聲速導彈。

4 結論

以臨近空間高超聲速導彈為牽引，美軍提出的臨近空間“全球快速打擊”力量已呈現快速發展的態勢，必將對我國空天防御提出新的巨大挑戰，有關反臨近空間高超聲速導彈的研究也將成為研究的熱點和難點。本文針對地基攔截臨近空間高超聲速導彈的可行性進行了理論研究，從地基攔擊時間、地基攔截空間以及地基攔截物質3方面建立了定量的可行性數學模型，并根據實際情況進行了定性分析，對進一步研究構建我國反臨近空間高超聲速導彈的裝備體系具有重要的參考價值。

參考文獻：

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[11] Richard M S, Mark J L. Hypersonic Missile Requirements and Operational Tradeoff Studies[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2003, 40(2):292-293.

[12] Ryan P S, Mark J L. Sensitivity of Hydrocarbon Combustion Modeling for Hypersonic Missile Design[J]. Journal of Propulsion and Power, 2003, 19(1):89-97.

(責任編輯:尚彩娟)

Feasibility Analysis on Ground-based Intercepting of Near Space Hypersonic Missile

ZHANG Hai-lin1,2, ZHOU Lin1, ZHENG Ni1, ZHANG Feng1, LI Peng3

(1. Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China; 2.Troop No.93704 of PLA, Beijing 101100, China; 3. Troop No. 93811 of PLA, Lanzhou 730020, China)

Great threat on the security of modern aerospace has been brought by the rapid development of near space hypersonic missile. Feasibility of ground-based intercepting near space hypersonic missile is analyzed to meet the operational requirement of anti near space targets. Taking X-51A typical target as example, in order to intercept the near space hypersonic missile effectively, the speed and energy of interceptor must be maximized in a limited time and prescribed area. Based on such a sense, the intercepting feasibility is theoretically analyzed from the points of view of intercept time, intercept space and intercept material.

near space; hypersonic missile; ground-based intercepting; feasibility

1672-1497(2015)05-0049-06

2015-05-20

全軍軍事類研究生資助課題

張海林(1985-)， 男， 博士研究生。

TJ762.1+3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.011