掀起高超聲速對抗序幕：臨近空間預警監視技術

張 凱 付婷婷

臨近空間高超聲速武器結合了航天器與航空器的特征，具有高速、高機動、高精度、大航程等特點，是瓦解導彈防御系統、實施遠程快速打擊的革命性武器裝備。以美俄為代表的世界軍事強國投入巨資用于高超聲速武器研發，先后開展了一系列關鍵技術演示飛行試驗。鑒于高超聲速武器防御難度極大，優先發展針對性的預警監視能力，降低目標打擊的突然性，是目前需要解決的首要問題。

臨近空間高超聲速武器

臨近空間，一般是指距離地面20～100千米的空域，包括大氣平流層、中間層和部分電離層區域，具有高輻射、低溫、干燥等特點。通常，20千米以下空域是傳統航空器的主要運行空間，100千米以上空域是航天器的運行空間，“飛機上不去，衛星下不來”的臨近空間則是人類目前尚未有效利用的空域，是謀求未來空天一體聯合作戰、促進作戰能力跨代躍升的新興作戰領域，具有重要的開發應用價值。

臨近空間高超聲速武器，一般是指在臨近空間內執行火力打擊、偵察監視、電子壓制等軍事行動為目的，以高超聲速（馬赫數5以上）滑翔/巡航的飛行器。根據高超聲速武器的動力裝置不同，其主要分為無動力助推滑翔式和有動力巡航式兩大類。

無動力助推滑翔式高超聲速飛行器，其利用助推火箭加速或直接從近地軌道離軌再入大氣層，在自身無動力條件下，僅依靠氣動升力克服自身重力進行高超聲速（可達馬赫數20以上）滑翔飛行。典型代表有美國先進高超聲速武器（AHW）、戰術助推滑翔（TBG）飛行器以及俄羅斯先鋒高超聲速導彈。

有動力巡航式高超聲速飛行器，其自身攜帶以液態碳氫等為燃料的沖壓發動機推進系統，通過飛機、助推火箭等載具爬升到一定高空后，彈體繼續加速至高超聲速（馬赫數5～8）進行巡航飛行。典型代表有美國X-51A飛行器和俄羅斯匕首高超聲速導彈。

預警監視發展態勢

美軍高超聲速防御項目為應對高超聲速武器的潛在威脅，美國導彈防御局（MDA）在2016財年預算中首次提出“高超聲速防御”概念，認為改造現有導彈防御系統是反高超聲速武器的有力手段。2018財年，MDA首次將“高超聲速防御”單列為專項，重點研究高超聲速武器預警以及攔截能力，這標志著美軍在高超聲速防御領域走出重要一步。2019財年，該項目重點放在改進現有導彈防御系統中的傳感器與指控、作戰管理與通信子系統。同時，項目明確指出美軍計劃在未來6年（2018年—2023年）投入約7.3億美元應對高超聲速威脅。從最初的概念形成到技術研究，高超聲速防御逐漸成為美軍事科技重點發展方向之一。

俄軍防空反導一體化地空導彈武器系統項目俄軍高度重視反高超聲速武器能力建設，俄羅斯總統普京在2019年5月的一場國防發展問題會議上發表講話稱，俄必須趕在其他國家擁有高超聲速武器前，擁有針對該類武器的防御手段。近年來，俄軍多部具備高超聲速武器預警能力的集裝箱超視距預警雷達、沃羅涅日戰略預警雷達先后投入戰斗值班，最新研制成功的S-500防空反導系統和59N6-TE機動式雷達也具備一定的反高超聲速武器能力。在此基礎上，俄正逐步完善具備攔截高超聲速武器的防空反導一體化地空導彈武器系統，該系統將配備新型多彈頭遠程空空導彈以及無線電電子戰系統。隨著俄軍不斷加大對反高超聲速項目的資助力度，其軍事對抗的戰場空間正有條不紊向臨近空間領域擴張。

探測難點

不同于在大氣層內運行的航空器或空間運行的彈道導彈與衛星，高超聲速武器飛行速度快、飛行彈道低、機動能力強，且具有一定隱身性，對現有預警監視系統構成的嚴峻挑戰主要表現在以下幾個方面。

探測目標困難高超聲速武器飛行區域主要位于海拔20～50千米的扁平空域內，與地面保持平行。現有探測裝備多針對20千米以下的目標，即使少數預警裝備能探測到20千米以上空域，但也不是針對高超聲速武器設計的。高超聲速武器飛行速度可達馬赫數20以上，遠大于傳統飛行目標，超出絕大多數雷達處理能力，被發現概率顯著降低。同時，其在臨近空間中飛行時，彈體會與空氣摩擦產生高溫，導致大氣電離并形成等離子鞘套，使其雷達散射面積強烈起伏、若隱若現，也會嚴重影響探測裝備的威力。

難以穩定跟蹤高超聲速武器沿非慣性彈道飛行，具有較強的機動能力，現有探測裝備即使能夠探測得到，也難以穩定跟蹤。同時，由于地球曲率避擋帶來的低仰角探測問題，即使地面雷達具有足夠的威力，其對高超聲速武器的探測范圍也十分有限。目前，美俄等軍事大國致力于在更大范圍內部署天基、空基和海基等多手段探測平臺，試圖對高超聲速武器實現全程實時預警監視。

預警時間有限美俄等軍事大國探測高超聲速武器的手段主要依賴于天基紅外預警衛星和地（海）基反導預警雷達。天基紅外預警衛星對高超聲速武器探測精度較低，僅能提供早期預警，難以實現穩定跟蹤，無法準確預測其飛行軌道。地（海）基反導預警雷達受地球曲率避擋的影響，探測距離約為數百千米，無法提供足夠的預警時間。如果無法實現對高超聲速武器的穩定跟蹤和軌道預測，目標將會給后續攔截防御造成極大困難。

預警監視手段

高超聲速武器的飛行過程可分為3個階段：助推段、巡航/滑翔段和俯沖攻擊段，可將其分為A區、B區和C區，A區和B區是主要的預警監視階段。當前，利用地、海、空、天等多維探測平臺對高超聲速武器進行組網探測是實現預警監視的有效途徑。

高超聲速武器典型作戰過程圖

爬升段預警探測手段高超聲速武器爬升段是指從助推火箭/運載飛機啟動開始，高超聲速武器進入臨近空間巡航/滑翔階段為止。

發射征候情報偵察發射征候情報是指高超聲速武器發射前有關情報，包括助推火箭發射架狀態、運載飛機狀態以及起飛信息等。獲取來源包括人力、信號、雷達以及衛星偵察情報等。發射征候情報偵察是發射階段探測發現的重要保證。

天基高軌紅外預警衛星預警探測在爬升段，助推火箭噴射高溫火焰，具有顯著的紅外效應。利用高軌衛星搭載的紅外預警系統可以較快地確定目標發射區域，從而為巡航/滑翔段連續跟蹤提供預警。天基高軌紅外預警衛星具有覆蓋范圍廣、全天候工作的優點，缺點是定位精度不高。目前在役裝備主要包括美國天基紅外探測系統（SBIRS）、俄羅斯凍土（Tundra）系列預警衛星。

空基紅外預警探測空基探測系統可有效拓展高超聲速武器預警監視范圍，大幅增加預警時間。這類系統以高空無人機、平流層飛艇等為平臺，通過搭載紅外探測系統的方式進行預警探測。由于這類平臺部署高度比衛星低，有利于紅外特征的獲取。受駐空時間和載荷能力限制，目前這類裝備還處于研究探索階段。

地基天波超視距雷達預警探測天波超視距雷達主要依靠大氣電離層向下反射電磁波探測空中或海面目標。這種工作方式使雷達能夠減少地球曲率遮擋的影響，有效拓展探測范圍，缺點是背景噪聲很強，無法準確定位。目前在役裝備主要包括美國AN/TPS-71、俄羅斯集裝箱、澳大利亞JORN等雷達系統。

巡航/滑翔段探測跟蹤巡航/滑翔段是指高超聲速武器從進入臨近空間穩定平飛到向下攻擊階段為止，是目標最主要的飛行階段。

天基中低軌紅外預警衛星探測跟蹤在巡航/滑翔段，高超聲速武器飛行速度極快，彈體會與空氣摩擦產生高溫，產生較強的紅外效應。當紅外預警衛星在中低軌道運行時，其定位精度有一定程度的改善，通過星座組網可實現對巡航/滑翔段進行“粗”跟蹤。目前在役裝備主要包括美國空間跟蹤和監視系統（STSS）系列預警衛星。

空基紅外/雷達探測跟蹤與爬升段空基預警手段類似，高空無人機和預警機等平臺通過搭載紅外/雷達探測系統的方式，可對巡航/滑翔段飛行的高超聲速武器進行探測跟蹤。紅外預警探測定位精度較低，主要用于巡航/滑翔段前期“粗”跟蹤；雷達探測范圍受空基平臺載荷限制，主要用于待目標抵近時進行跟蹤。

地（海）基相控陣雷達探測跟蹤地（海）基相控陣雷達具有發射功率大、跟蹤精度高的特點，是對高超聲速武器進行中末段跟蹤與攔截的關鍵裝備。受地球曲率遮擋的影響，單部雷達探測距離有限，通過雷達組網的方式可實現中末段連續穩定跟蹤。目前在役裝備主要有美國鋪路爪、眼鏡蛇、俄羅斯沃羅涅日戰略預警雷達。

關鍵技術

為適應臨近空間復雜環境的要求，高超聲速武器預警探測系統需要具備大空域、遠距離、低仰角、高精度探測等能力，涉及的關鍵技術主要包括3個方面：探測技術、搭載平臺技術以及傳感器組網技術。

探測技術第一，凝視探測技術。凝視探測技術通過發射寬波束，接收時采用多窄波束來覆蓋探測區域，可有效提高發現概率，是提高探測跟蹤穩定性的有效手段。第二，太赫茲探測技術。太赫茲作波長介于毫米波與紅外光之間，對微波吸收材料具有很好的透過率，對高超聲速武器具有較好的反隱身性能。目前最大的難題是功率有限，短期內難以突破。第三，低仰角目標檢測技術。地基雷達在探測高超聲速武器的過程中，將長期處于低仰角工作狀態，跟蹤精度會顯著變差。目前，采用偏軸跟蹤、頻率分集、減小天線旁瓣電平等低仰角目標檢測技術有望提高跟蹤精度。

搭載平臺技術第一，平流層飛艇。平流層飛艇是一種輕于空氣、依靠浮力駐空并具有自主飛行能力的臨近空間低動態浮空器，具有滯空時間長、經濟性好等特點。目前，平流層飛艇攜帶能力多為數百千克，且機動性能較差，還難以滿足作戰需求。第二，星載雷達。星載雷達具有探測精度高、覆蓋范圍廣、全天候工作的特點，是極具發展潛力的探測裝備。目前困難主要是載荷和功率偏小，短期內難以突破。

傳感器組網技術單一探測手段無法對高超聲速武器實現連續穩定預警監視，合理地部署天基、空基、地基和海基傳感器，形成綜合紅外、雷達等多重覆蓋的預警監視網絡，是實現對高超聲速武器遠程預警和穩定跟蹤的有效途徑。由于全方位大縱深的預警探測網絡規模龐大，需要考慮如何將不同體制的傳感器按照一定的要求進行優化部署，涉及的難點包括組網補盲、多平臺系統配置、數據協同處理、費效比等。