高低兩層抗擊高超音速巡航導彈作戰策略與部署方法研究

劉 健 管維樂 劉志航

空軍工程大學防空反導學院，西安710051

高超音速巡航導彈(Hypersonic Cruise Missile，簡稱HCM)的作戰距離可達數千公里，它擁有極快的飛行速度、精準的到達能力及高速隱身的突防能力，巡航高度在介于低層反導武器和高層反導武器的火力空隙，是一種既不同于傳統巡航導彈，也不同于彈道導彈的新型武器［1－3］，將引起未來作戰的重大變革，使得防空系統面臨巨大挑戰。因此，如何抗擊HCM，如何進行攔截系統的部署規劃，是一個重要的研究課題。

1 抗擊HCM 作戰策略

HCM 飛行彈道包括彈機分離、加速爬升、高速巡航以及俯沖攻擊等階段，飛行速度可達5Ma 以上，巡航高度在海拔20km ～40km 之間，若不進行機動，巡航彈道可認為是水平等速飛行，主要位于海拔高度25km ～30km 之間［4－5］。

目前，低層反導系統(如美軍的PAC-3)的最大作戰高度約為25km，從戰技指標上看，低層反導系統［6－7］對俯沖階段的HCM 具備一定攔截能力，但對25km ～40km 高程的HCM 則無法攔截，因此，對25km 以上高度的HCM 必須選擇更大作戰高度的攔截系統，不妨稱為高層攔截系統。要特別說明的是，這里的高層攔截系統，是指在比低層反導系統作戰高度更高的高程上對HCM 進行抗擊的攔截系統，與一般意義上的高層反導系統(如美軍的THAAD)不是同一個概念，一般意義上的高層反導系統作戰高度的低限通常為40km，在HCM 的飛行高度之上，不能作為抗擊HCM 的攔截系統。

當前，俄羅斯正在研制C-500 反導系統，其一項重要功能就是攔截臨近空間高超音速目標，其最高可攔截40km ～50km 高的臨近空間高超音速飛行器。此外，俄羅斯的C-400 反導系統最大射高為30km，既可承擔低層攔截任務、也可承擔一定程度的高層攔截任務。因此，從攔截武器的作戰高程看，對HCM 可采用高低兩層分別進行攔截，高層攔截系統可使用C-500、C-400 等，低層攔截系統可使用一般意義的低層反導系統如PAC-3 等。低層攔截系統主要負責在HCM 的俯沖段進行攔截，高層攔截系統則負責在HCM 巡航段或俯沖段初期進行攔截。由于HCM 巡航飛行段較長，因此在巡航段可分段進行多次攔截，提高攔截概率。

2 高低兩層抗擊HCM 的時間可行性分析

高層攔截系統射擊HCM 后，若HCM 沒有被成功攔截，那么，在時間上低層攔截系統是否來得及進行后續射擊是一個必須討論的問題。

2.1 高低2 層抗擊HCM 的時間可行性分析方法

為了簡便，如圖1 所示，設HCM 俯沖過程呈直線飛行，HCM 俯沖飛行的彈道傾角為θ，俯沖時平均速度為vfc，設高層攔截彈與HCM 的遭遇高度為h0，若攔截未成功，經歷Δtpg秒的殺傷效果評估時間后目標飛至高度h0－vfcsinθ·Δtpg，此時低層攔截系統發射攔截彈，設低層攔截彈平均速度為，則低層攔截彈從發射到遭遇經歷的時間為

遭遇時刻目標斜距為

設低層攔截系統最小殺傷斜距為rmin，若遭遇時刻目標斜距大于攔截系統最小殺傷斜距，即

可認為對HCM 進行高低2 層攔截在時間上是可行的。

圖1 高低2 層抗擊HCM 的時間可行性分析方法示意圖

2.2 算例與結論

1)高層攔截系統在HCM 俯沖前發射、遭遇，低層攔截系統在HCM 俯沖后發射、遭遇。

設HCM 巡航高度h = 25km，俯沖過程中彈道傾角θ = 45°，俯沖時平均速度vfc= 6Ma=2.04km/s;設高層攔截系統在HCM 俯沖前進行攔截，即在h0=25km 高度與目標遭遇;設攔截不成功，殺傷效果評估時間Δtpg= 5s，經歷5s 的殺傷效果評估時間后，目標飛至高度h0－vfcsinθ·Δtpg=25－2.04×sin 45°×5 ≈17.7875km，此時低層攔截系統發射攔截彈，設低層攔截彈平均速度=1.5 km/s，則低層攔截彈從發射到遭遇經歷的時間為

遭遇時刻目標斜距為

一般情形下低層攔截系統最小殺傷斜距rmin約為5km，因此遭遇時刻目標斜距為10.659km，滿足r≥rmin，即對HCM 進行高低兩層攔截在時間上是可行的。

2)高層攔截系統在HCM 俯沖后發射、遭遇，低層攔截系統隨后攔截。

設高層攔截彈在HCM 俯沖剛開始時發射，即HCM 處于高度h = 25km 時發射，設高層攔截彈平均飛行速度= 2.0km/s，其它參數不變。這樣，高層攔截彈從發射到遭遇經歷的時間為

高層攔截彈與HCM 的遭遇高度為

將h0及相關參數代入式(1)，得低層攔截彈從發射到遭遇經歷的時間為

遭遇時刻目標斜距為

顯然，3.0943 小于低層攔截系統最小殺傷斜距5km，因此低層攔截系統不能進行第2 次攔截;即使低層攔截系統最小殺傷斜距rmin為3km，上述整個射擊過程已沒有任何時間余量，因此，低層攔截系統不能進行第2 次攔截。

上述2個算例中參數具有代表性，綜合2個算例結果，可以得到下面結論:在俯沖段無法對HCM進行2 次攔截;要對HCM 進行高低兩層攔截，高層攔截系統必須在HCM 的巡航段進行射擊、遭遇，低層攔截系統則負責俯沖段攔截。

3 抗擊HCM 攔截系統部署方法

3.1 抗擊HCM 攔截系統部署思路

由2.2 節可知，高層攔截系統主要負責HCM 的巡航段攔截，低層攔截系統負責俯沖段攔截。HCM在巡航段、俯沖段呈現不同的飛行狀態。飛行狀態的不同，使得攔截系統抗擊HCM 的部署方法亦有不同。為此，將攔截系統抗擊HCM 部署方法分為下面2 部分:1)低層攔截系統抗擊俯沖段HCM 部署方法;2)高層攔截系統抗擊巡航段HCM 部署方法。

低層攔截系統對俯沖段HCM 的攔截與低層反導系統抗擊TBM 的情形類似，因此低層攔截系統抗擊HCM 部署要求可參考低層反導系統抗擊TBM 部署方法［8－9］計算分析得到，限于篇幅本文暫不討論，只對高層攔截系統抗擊巡航段HCM 的部署方法進行探討。

抗擊HCM 攔截系統部署方法與攔截系統的殺傷區密切相關，為此，首先對攔截系統的殺傷區進行說明。

3.2 攔截系統的殺傷區

攔截系統殺傷區［10］是一個有限的空間區域，一般采用右手直角坐標系OPSH 表示。原點O 為攔截系統配置點，也就是攔截系統的制導雷達所在點;S軸位于水平面，指向目標來襲方向;P 軸位于水平面，表示目標航路捷徑;H 軸為鉛垂方向，向上為正。攔截系統殺傷區通常采用水平殺傷區、垂直殺傷區2個剖面來表示。水平殺傷區常用的參數有遠界Dsy、近界Dsj、最大航路角βmax和最大航路捷徑pmax，一般情形下高層攔截系統水平殺傷區如圖2，水平殺傷區的遠、近界與水平剖面所在高度相關。垂直殺傷區常用參數有:高界Hmax，低界Hmin，遠界斜距Rmax，近界斜距Rmin，最大高低角εmax和最小高低角εmin等，垂直殺傷區一般常指航路捷徑等于0 的鉛垂平面的殺傷區剖面，一般情形下高層攔截系統垂直殺傷區如圖3 所示，其中AB 線段稱為高近界，BC 弧段稱為低近界。

圖2 一般情形下高層攔截系統水平殺傷區

圖3 一般情形下高層攔截系統垂直殺傷區

3.3 高層攔截系統抗擊巡航段HCM 的部署方法

3.3.1 高層攔截系統最優配置點計算方法

3.3.1.1 高層攔截系統最優配置點位置分析

為了方便研究，在接近要地的區域，設HCM 俯沖段為傾斜直線飛行，巡航段為水平直線飛行，如圖4 所示，俯沖與巡航的轉折處不妨稱為彈道轉折點。當然，HCM 彈道在俯沖前后彈道是光滑的，不會有明顯的彈道轉折點，但通過HCM 的巡航速度、高度、基本的彈道方程和空氣動力特性可大致估算出HCM 的俯沖開始點。

建立直角坐標系SO'H，O' 為HCM 突擊的要地，S 軸、H 軸意義同前，見圖4。

高層攔截系統配置點O 不宜離要地O'很近，如圖4 中O2點，因為HCM 彈道在O2的殺傷區內拐彎，高層攔截系統若在HCM 俯沖段攔截，則遭遇后低層攔截系統已來不及進行后續射擊;若高層攔截系統在HCM 巡航段攔截，則殺傷縱深短淺，射擊窗口小，并且在此階段目標拐彎機動，跟蹤射擊不便。

高層攔截系統配置點O 亦不宜離要地O'很遠，如圖4 中O1點，該點在巡航段攔截HCM，可以獲得較大的殺傷縱深，但卻不是高層攔截系統最好的配置點，因為HCM 來襲方向可能為一個范圍，而不是一個確定的方向，離落點越遠，需要火力覆蓋的范圍越大，所需的火力單位越多，如圖5。

圖4 高層攔截系統部署分析示意圖

圖5 攔截系統火力應覆蓋HCM 可能來襲方位范圍

綜合上面分析可知，當高層攔截系統近界與HCM 彈道轉折點相交時，此時的攔截系統配置點是最優的配置點，如圖4 中O 點，高層攔截系統部署在這一點，既能在巡航段對HCM 進行攔截，使之具有較大的殺傷縱深，又使得所需火力單位數量最少。

3.3.1.2 高層攔截系統最優配置點的計算

設高層攔截系統配置于O 點，O 點坐標(SO，0)待定;設俯沖飛行的HCM 彈道傾角為θ，HCM 巡航高度為h，即圖6 中圖7 中

由于HCM 巡航高度的不同，HCM 彈道轉折點與高層攔截系統殺傷區的相交可能出現下面2 種情形(見圖6 和7):1)HCM 彈道轉折點與高層攔截系統殺傷區高近界相交，該情形發生的條件為:Rminsinεmax≤h ≤Hmax;2)HCM 彈道轉折點與高層攔截系統殺傷區低近界相交，該情形發生的條件為:Hmin≤h ＜Rminsinεmax。當h ＜Hmin或h ＞Hmax時，高層攔截系統對HCM 不構成攔截條件。

圖6 HCM 彈道轉折點與殺傷區高近界相交

圖7 HCM 彈道轉折點與殺傷區低近界相交

下面分2 種情形，分別討論高層攔截系統最優配置點O 的確定方法。

1)HCM 彈道轉折點與高層攔截系統殺傷區高近界相交圖6 中，

從而高層攔截系統最優配置點O 在S 軸的坐標SO為

當θ ＜εmax時，SO= hcotθ －hcotεmax＞0 ，即高層攔截系統O 應配置在要地的前方;

當θ ＞εmax時，SO= hcotθ －hcotεmax＜0 ，即高層攔截系統O 應配置在要地的后方;

當θ = εmax時，SO= hcotθ －hcotεmax= 0 ，此時高層攔截系統O 應配置在要地所在地。

2)HCM 彈道轉折點與高層攔截系統殺傷區低近界相交圖7 中，

從而高層攔截系統最優配置點O 在S 軸的坐標SO為

3.3.2 相鄰高層攔截系統配置間距確定方法

3.3.2.1 相鄰高層攔截系統左右配置間距確定方法

設相鄰的高層攔截系統左右配置間隔為dp，高層攔截系統對HCM 殺傷區的最大航路捷徑為pmax。為了保證殺傷區左右銜接，顯然dp應滿足dp≤2pmax;若要獲得較大的重疊殺傷區，dp最好滿足dp＜pmax。

為避免電磁互擾，或為兵器展開需要等，2 套攔截系統一般都有配置的最小間距。設相鄰2 套攔截系統配置的最小間距為dmin，dp應滿足dp≥dmin。

因此，相鄰高層攔截系統左右配置間距dp應滿足:dmin≤dp≤2pmax;若要獲得較大的重疊殺傷區，左右配置間距dp最好滿足:dmin≤dp＜pmax。

3.3.2.2 相鄰高層攔截系統前后配置間距計算方法

相鄰高層攔截系統前后配置間距并非越大越好。圖8 中，若O1點離O 點距離很遠，為了覆蓋HCM 可能的來襲方位范圍，在離要地距離O'O1的弧段，必須部署很多的攔截系統，如圖5 所示，從而增加兵力數量需求。

若前一攔截系統與后一攔截系統的距離很小，也不是好的決策。圖8 中，攔截系統O1與HCM 的最后可能遭遇點為L 點。經過殺傷效果評估時間后，HCM 飛至Q 點。若評定沒有殺傷，則此刻攔截系統O 發射攔截彈，若要在O 的殺傷區遠界W 點與HCM 遭遇，則HCM 在的飛行時間應等于O的攔截彈飛至遠界點W 的時間。若HCM 在的飛行時間小于O 的攔截彈飛至遠界點W的時間，則O 的攔截彈與目標遭遇時HCM 已越過O的殺傷區遠界，這樣就縮小了攔截系統O 對目標的殺傷縱深。因此，圖8 中所示為高層攔截系統前后配置間距的理想距離。

圖8 相鄰高層攔截系統前后配置間距計算方法示意圖

設HCM 巡航高度為h，巡航飛行的平均速度為vxh，攔截系統殺傷效果評估時間為Δtpg，高層攔截系統O 的殺傷區遠界斜距為Rmax，O 的攔截彈平均飛行速度為，則O 的攔截彈飛至遠界時間為故

又

故高層攔截系統前后配置間距的理想距離為

由于地形、交通等因素，難以保持理想的間距，則相鄰的高層攔截系統前后配置間隔ds一般應滿足

3.3.3 算例

1)高層攔截系統最優配置點的計算

設HCM 巡航高度h =25km，俯沖飛行HCM 彈道傾角θ =45°，攔截系統高界Hmax=40km，低界Hmin= 8 km，近界斜距Rmin=10 km，最大高低角εmax=70°。

Rminsinεmax= 10sin70°≈9.397 ，此時下面條件成立:

因此，情形(1)發生，即HCM 俯沖前與高層攔截系統殺傷區高近界相交。

采用式(3)進行計算，得

即高層攔截系統應配置在要地前方15.9km。

2)相鄰高層攔截系統前后配置間距的計算

設HCM 巡航飛行的平均速度vxh= 5Ma =1.7km/s，攔截系統殺傷效果評估時間Δtpg=5s，高層攔截系統O 的殺傷區遠界斜距Rmax=50km，O 的攔截彈平均飛行速度為=2.0 km/s，則高層攔截系統前后配置間距的理想距離為

綜合算例(1)和(2)可知，要在HCM 巡航段部署前后2 層攔截帶，則在上述參數假設下，里層攔截帶的最優配置距離為要地前方15.9km，外層攔截帶的最優配置距離為要地前方15.9 +85.2 =101.1 km，里外兩層攔截帶的前后間隔不得小于85.2km。

4 結語

在分析HCM 目標特性的基礎上，提出了抗擊HCM 的分段分層攔截策略，并從時間角度對高低兩層抗擊HCM 的可行性進行了分析，得到了有益的結論:在俯沖段無法對HCM 進行2 次攔截;要對HCM 進行高低兩層攔截，高層攔截系統必須在HCM 的巡航段進行射擊、遭遇，低層攔截系統則負責俯沖段攔截。同時，還對抗擊HCM 攔截系統的部署方法進行了研究，建立了高層攔截系統最優配置點的計算方法和理想配置間隔的確定方法，并采用上述方法進行了案例計算。

目前HCM 尚處于研制試驗階段，對HCM 的抗擊作戰研究也處在起步階段，因此，抗擊HCM 作戰是一個嶄新的、極具挑戰性的研究課題，本文提出的思路方法對抗擊HCM 的作戰運用具有指導意義和實用價值。

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