天基紅外系統對滑翔式高超目標探測性能分析

劉曉磊,董小萌,王 通,王虎妹,王世濤

(中國空間技術研究院總體部,北京 100094)

1 引 言

臨近空間高超聲速飛行器是未來具有顛覆性的全球打擊武器。近年來,高超武器的連續試飛成功給防空反導系統帶來了嚴峻挑戰。高超武器是一種新研制的空天武器,其區別于彈道導彈以及空中目標,傳統防空反導系統難以實現對其有效預警探測,對高超目標探測技術研究意義重大。

天基系統具有“站得高、看得遠”特點,且不受國界限制,對此類高速目標探測相比于地基探測系統優勢明顯,據調研分析,美國早在20世紀60年代就提出并實施采用天基系統探測彈道導彈目標的計劃(天基紅外系統)。因此,天基探測是未來實現高速目標探測的有效途徑之一。本文以HTV-2助推滑翔類高超目標為探測對象,針對目標全程特性分析,以天基紅外系統為探測系統,開展了天基紅外系統對滑翔類高超目標全程探測的可行性分析工作。

2 高超目標特性分析

當前,臨近空間高超目標主要分為兩種類型,一種是類似HTV-2的助推滑翔類高超目標,其采用運載火箭發射到一定高度,后進入大氣層做類似“打水漂”的滑翔運動,該類目標速度最大可達20 Ma(即20倍聲速),后續將詳細介紹目標特性；另一種是主動巡航式高超目標,典型的是X-51A目標,該類目標具有超燃沖壓發動機,可主動巡航,速度為3～5 Ma[1]。本文的高超目標探測主要是針對速度達到20 Ma的助推滑翔類高超目標。

2.1 HTV-2目標運動特性分析

被動滑翔類臨近空間高超目標飛行全過程可分為助推段、再入段、滑翔段,圖1為HTV-2典型飛行剖面示意圖。

圖1 HTV-2飛行剖面示意圖Fig.1 The flight section of HTV-2

各階段運動特點如下:

(a)助推段

助推段指從運載火箭起飛至HTV-2與火箭分離的階段,此階段類似于衛星的發射階段,首先運載火箭點火起飛,當達到預定高度和速度后,與HTV-2分離,隨后HTV-2進入再入段。

根據美國開展試驗的HTV-2計劃情況,助推段特征:

分離點高度:約150 km

飛行距離:1000 km～1800 km

分離時間:約5 min

(b)再入段

再入段是指HTV-2與運載火箭分離后,由150 km高度再入大氣層內的階段,此階段目標為自由滑行狀態。該階段的特征為:

滑行高度:150 km(運載分離高度)至60 km(高超滑翔高度)之間；

滑行距離:1800 km～2600 km

滑行時間:6～9 min

(c)滑翔段

滑翔段是HTV-2的主要飛行階段,由于HTV-2特殊的升力體構型,保證了其能夠進行無動力滑翔,根據目前資料分析,其滑翔段的主要特征為:

滑翔高度:30 km～60 km

滑翔距離:3000 km至上萬千米

滑翔速度:約20 Ma

滑翔時間:10 min～50 min

2.2 HTV-2目標輻射特性分析

(a)助推段

由上面的分析可知,高超目標助推段由常規的火箭發動機推動飛行,其紅外特性與彈道導彈類似,發動機噴焰是主要的輻射源。根據調研結果,導彈主動段在2.7～2.95 μm波段輻射強度為50000 W/sr,4.2～4.45 μm波段為40000 W/sr。

(b)再入段

高超目標與運載火箭分離后,最初一段時間將延續在整流罩中狀態,沒有經過大氣摩擦生熱,屬于常溫目標。其溫度變化特性與常規彈頭類似,在太陽輻照、自身紅外輻射及地球輻照等綜合作用下溫度慢變,由于滑行時間短,溫度變化不大,紅外輻射以長波為主。

假定彈頭溫度300 K,以黑體輻射定律計算,其中心波長位于10 μm,根據中遠程彈頭發射率0.7,高超彈頭面積2 m2,可計算得出其再入段8～10 μm紅外輻射強度為39 W/sr,8～12 μm紅外輻射強度為77.2 W/sr。

(c)滑翔段

滑翔段的高超目標進入高超音速飛行階段,在30～60 km高度高速飛行時,彈體與大氣摩擦生熱,致使彈體的溫度很高。圖2為飛行高度50 km,速度15 Ma的HTV-2流場分析結果,從圖中可以看出,彈體溫度為1000～2000 K左右。根據調研,HTV-2滑翔段3.7～4.8 μm輻射強度為4000～10000 W/sr(不同俯仰、方位角下目標特性不同)[2-4]。

圖2 HTV-2流場仿真分析結果Fig.2 HTV-2 flow emulation analysis result

3 天基紅外系統對高超目標探測可行性分析

3.1 天基紅外系統簡介

(1)高軌預警系統

天基紅外系統由高軌預警系統和低軌預警系統組成,根據資料調研,高軌預警系統包括4顆GEO衛星和2顆HEO衛星。GEO衛星主要實現全球中低緯度地區的覆蓋,HEO衛星主要實現對北極地區的覆蓋。由于資料有限,對于高軌預警衛星星座軌道詳細參數尚不清楚,只是一些研究文獻對其可能的星座構型進行了推測分析。尤其對于HEO衛星,其可能的軌道參數如表1所示。

表1 美國HEO預警衛星一種可能的軌道參數Tab.1 One possible orbit parameter of HEO satellites

高軌預警衛星配備大區域掃描載荷,其中GEO衛星載荷視場可達10°×20°,HEO載荷視場為15°×15°。兩類衛星載荷均采用大氣吸收波段(2.7 μm、4.3 μm)對彈道導彈主動段進行探測發現,采用此波段的原因是,一方面,此波段為導彈尾焰的發射峰波段,目標特性強；另一方面,此為大氣吸收波段,當導彈飛離地面一定高度時,大氣將地面復雜背景吸收,探測背景簡單,目標與背景形成較大對比度,信噪比高。

(2)低軌預警系統

美國的低軌預警系統,又稱STSS系統,STSS主要任務是對中段導彈進行跟蹤識別,提供技術情報。根據文獻[5-7]的研究,認為STSS采取的是Walker-Delta構型,由20～30顆衛星組成。一種假設的星座軌道為,低軌預警系統由3個軌道面的24顆衛星組成(每個軌道面8顆),均采用太陽同步極地近圓軌道,軌道傾角90°,軌道高度為1600 km,其架構可描述為24/3/1[5-7]。

STSS每顆衛星都配置大視場掃描的捕獲相機和帶有二維指向機構的凝視跟蹤相機,工作波段包括短波紅外、中波紅外和長波紅外等多個波長。捕獲相機可實現對助推段導彈和中段目標的初始捕獲,跟蹤相機主要實現目標持續跟蹤。根據資料調研,跟蹤相機本身視場為3°×3°,二維指向范圍為方位向360°,俯仰向60°(+15°～-45°)。

根據上述分析,結合高超目標與彈道導彈特性類比,天基紅外系統的高軌部分主要面向導彈主動段的早日預警,可擴展至對高超目標助推段的早期探測。低軌部分搭載指向跟蹤相機,且面向彈道導彈主動段初始捕獲和中段低溫彈頭探測跟蹤,可應用于高超目標再入段及滑翔段的探測及跟蹤。

3.2 天基紅外系統對高超目標探測覆蓋性分析

探測覆蓋性分析與觀測模式息息相關,而觀測模式需要綜合考慮目標背景特性及載荷能力。首先分析天基紅外系統對高超目標不同運動階段的觀測模式。

3.2.1 觀測模式

(1)助推段

基于高超目標特性分析,滑翔式高超目標助推段與導彈/火箭主動段相同,天基紅外系統對此階段目標觀測模式以地球為背景,采用大氣吸收波段(2.75～2.95 μm,4.2～4.45 μm)進行探測，其探測模式如圖3所示。

圖3 助推段目標探測模式示意圖Fig.3 Detection mode of launch phase

(2)再入段初期

再入段初期目標輻射強度較小,若以地球為背景進行探測,目標很可能會湮沒在地球較強的背景輻射中,因此再入段目標探測應以深空為背景進行探測。如圖4所示,根據再入段目標飛行高度,目標探測區域為以目標視線下界切90 km高度線,視線上界切150 km高度線之間的以深空為背景的區域。

(3)再入段后期及滑翔段

目標再入大氣層后,與大氣層劇烈摩擦,目標本體溫度升高,滑翔段溫度可達2000 K左右,目標紅外輻射特性明顯。再入段后期及滑翔段可采取對地和對臨邊探測,如圖5所示,探測區域為以目標視線下界切30 km高度線,視線上界切80 km高度線的以地球和大氣臨邊為背景的區域。

圖4 再入段目標探測模式示意圖Fig.4 Detection mode of reentry phase

圖5 滑翔段目標探測模式示意圖Fig.5 Detection mode of glide phase

3.2.2 覆蓋性分析

(1)助推段

高軌預警系統對高超目標助推段早期探測,文獻[6-7]已經分析過,GEO可實現全球中低緯度地區的雙重覆蓋,HEO彌補對北極地區的覆蓋。也就是說,高軌預警系統可實現對全球(除南極)的覆蓋。

(2)再入段初期

再入段探測由低軌預警系統完成,根據調研的低軌預警系統星座及載荷參數,結合再入段初期觀測模式,分析低軌預警系統對目標不同運動高度的空間覆蓋性如圖6所示。

從圖中可以看出,低軌系統對高超目標再入段典型運動高度,北緯各緯度一重覆蓋性優于85%,二重覆蓋優于50%,部分緯度可實現100%覆蓋。

圖6 低軌系統對目標再入段覆蓋性分析Fig.6 Space coverage performance of reentry phase detection by STSS

(3)再入段后期及滑翔段

同樣,基于再入段后期及滑翔段觀測模式,分析低軌預警系統對目標不同運動高度的空間覆蓋性如下所示。

從圖7中可以看出,低軌系統對高超目標滑翔段運動高度,北緯全緯度可實現100%一重覆蓋,北緯40°以上可實現100%二重覆蓋。

圖7 低軌系統對目標滑翔段覆蓋性分析Fig.7 Space coverage performance of glide phase detection by STSS

3.3 天基紅外系統對高超目標探測能力分析

高超目標助推段與彈道導彈主動段目標特性相同,目前天基紅外系統高軌部分可實現對助推段的探測,信噪比滿足檢測處理要求。再入段目標與彈道導彈中段類似,屬常溫弱目標,輻射強度約幾十瓦每思,低軌跟蹤相機采用長波波段以深空弱輻射背景,可實現對再入段目標探測,探測信噪比滿足檢測要求。

對于滑翔段目標,對地探測時,為復雜背景下的點目標探測,信噪比計算分析公式如下:

相關參數說明如下:

調研的低軌預警衛星相關參數如表2所示。

基于低軌衛星相關參數,結合modtran仿真計算的背景輻射、大氣透過率結果,以及根據光學系統參數利用zemax計算分析的能量集中度,采用上述公式,計算了中波3.7～4.8 μm,不同觀測視角下的,對滑翔段高超目標的探測信噪比,如表3所示。

表2 低軌衛星相關參數Tab.2 The parameter of STSS satellites

表3 探測信噪比計算結果Tab.3 Analysis of SNR for space-based detection

從上表中可以看出,低軌預警衛星跟蹤相機采用3.7～4.8 μm時,對滑翔段高超目標探測信噪比較高。

4 結 論

根據調研的天基紅外系統相關參數,通過分析,可以得出以下結論:

(1)高軌預警系統可實現對全球(南極除外)助推段高超目標的預警探測；

(2)低軌預警系統可實現對目標再入段典型高度,北緯所有緯度85%以上一重覆蓋,50%以上二重覆蓋,部分區域100%覆蓋；對滑翔段典型高度,北緯所有緯度100%一重覆蓋,北緯40°以上100%二重覆蓋。

(3)低軌預警系統跟蹤相機對再入段及滑翔段高超目標具備一定探測能力。

本文僅從覆蓋性及探測能力角度分析了美國天基紅外系統對助推滑翔類高超目標的探測可行性。針對高超目標全程跟蹤性能未進行分析研究,后續將作為一項重點研究工作。