面對高超聲速挑戰的指揮信息系統發展架構

張 斌，夏淋淋，朱思宇，趙 磊，周 覲

（軍事科學院，北京 100091）

高超聲速導彈具有飛行速度快、突防能力強、打擊范圍廣、發射平臺多等優勢［1］，已經成為世界各國爭奪的制高點。2021年3月，美媒報道美國陸軍向新組建的“遠程高超聲速武器”（LRHW）導彈連交付訓練發射筒，為2022年開展實彈發射提供訓練準備。同月，美國導彈防御局（MDA）向武器制造商發布信息征詢書，意在建立一個針對高超聲速威脅的新型指揮控制系統。早在2018年，俄軍米格31戰機就已攜帶空射型的“匕首”高超聲速導彈進行戰備值班，艦射型的“鋯石”高超聲速反艦導彈于2020年10月成功完成試射。

面對高超聲速技術之“矛”的快速發展，現有防御體系帶來嚴峻挑戰，如預警反應和信息處理時間縮短、軌跡預測和攔截難度增大，需要慎重考慮指揮控制系統及防御體系之“盾”的全局發展，完善優化指揮系統的發展架構。

1 高超聲速技術現狀

高超聲速飛行器的最大特點在于“助推-滑翔”彈道，最早起源于Eugen S?nger構想“銀鳥”飛行器時提出的“S?nger彈道”，后來錢學森提出了一種火箭助推后再入大氣層滑翔的“錢學森彈道”。其與常規彈道導彈的區別如圖1所示。現階段，常見的高超聲速飛行器主要包括無動力的助推滑翔飛行器，如乘波體［2］，以及有動力飛行的高超巡航飛行器，如超燃沖壓發動機等技術。

圖1 高超聲速飛行器的“助推-滑翔”彈道Fig.1 The boost-glide trajectory of hypersonic vehicle

1.1 總體設計技術

高超聲速飛行器的優化設計是一個復雜的系統工程［3］，涉及氣動特性、氣動防熱、操穩特性、結構性能、動力推進等多個學科。為了在無動力滑翔條件下獲得較大的射程，高超聲速乘波體需要具備較好的氣動性能，但是只追求氣動性能最優不切實際，因為需要考慮多項總體性能的約束。其總體性能指標體系如圖2所示。

圖2 高超聲速總體設計的性能指標體系Fig.2 The performance index system of overall design for hypersonic vehicle

就當前研究而論，乘波體的升阻比優勢明顯，但受氣動防熱、內部裝填空間、飛行穩定性和可靠操縱性等因素限制，需要在滿足總體約束的前提下對氣動性能進行全局優化。

1.2 參數化建模技術

在飛行器氣動外形研究中，發展并應用了許多不同的參數化建模技術，可分為構造方法和變形方法，構造方法由一系列指定的參數來描述機翼外形，而變形方法根據已有的翼形，使其變形產生新的外形，如Kulfan提出的類別/形狀函數轉換（Class function/Shape Function Transformation，CST）方法［4］，構建的乘波體外形，如圖3所示。

圖3 基于CST方法的乘波體外形Fig.3 The configuration of wave-rider with CST methods

1.3 氣動特性分析技術

隨著計算科學的不斷發展，數值計算方法逐漸取代傳統的實驗設計方法，成為飛行器設計的主要分析手段。當前，高可信度分析方法的發展越發成熟，如Navier-Stokes（N-S）方程，Euler方程，以及各種湍流模型等，但是其目前消耗的計算資源和時間成本仍然較大，無法全部采用高可信度數值計算方法用于氣動外形設計，高可信度分析方法多用于精確定型階段、局部細節修改，以及配合低可信度分析方法的精度糾正等，圖4所示為典型乘波體在N-S方程計算下的壓力云圖［5］。考慮到氣動特性計算的精度與效率之間的矛盾，低可信度分析方法經常作為高可信度分析方法的輔助手段，如牛頓理論、切楔法、切錐法、Van Dyke方法等各種工程估算方法。

圖4 典型乘波體的氣動特性計算結果Fig.4 The aerodynamic calculation results of typical waverider vehicle

1.4 飛行軌跡控制技術

飛行軌跡優化是基于飛行條件和環境約束，尋找一條指標性能最優且滿足各種約束條件的最優彈道，高超聲速軌跡優化問題可歸結為強非線性、多階段、多約束的最優控制問題。與傳統飛行器相比，高超聲速飛行器的位置變化大、機動范圍廣。其獨特的乘波體構型導致控制難度大、姿態穩定難，以及其動力學特性呈現強烈的非線性、耦合性和復雜性［6］。

當前，偽譜法（Pseudospectral Method）具有較快的收斂速度和較高的求解精度，Timothy［7］針對美國CRV（Crew Return Vehicle）飛行器研究了考慮航路點和禁飛區約束的軌跡優化問題，雍恩米［8］采用Gauss偽譜法設計了一種高超聲速滑翔飛行器的快速軌跡優化方法，如圖5所示為四種不同再入角度下的飛行軌跡。

圖5 高超聲飛行器的再入軌跡Fig.5 The reentry trajectory of hypersonic vehicle

除了上述關鍵技術，高超聲速飛行器還需要考慮氣動防熱、結構性能、穩定性、操縱性等多學科、多指標的特性分析，在此不一一列舉。

2 指揮信息系統現實挑戰

隨著高超聲速技術的不斷發展，美俄等軍事強國的高超聲速項目呈現多“矛”齊發的特點，同時為了攻防兼備，美俄也在同步發展高超聲速防御系統，瞄準潛在的現實威脅和技術優勢，在指揮控制系統領域固“盾”筑基，應對現實挑戰。

2.1 美國應對措施

為應對全球彈道導彈的威脅，美國早在2004年就建立了彈道導彈防御體系（BMDS），其中最核心的模塊是指揮控制、作戰管理和通信（C2BMC）系統，將分散在世界各地的預警探測器、攔截平臺和通信節點整合為一個有機整體，統籌任務規劃和攔截行動，形成了“傳感器-指揮控制-末端攔截”的完整殺傷鏈［9］。

但是面對高超聲速的現實挑戰，現有的BMDS體系尚無法有效應對。美國升級現有的彈道導彈防御體系，主要改進其中的C2BMC系統，包括螺旋8.2-5版本的關鍵設計評審，完成對高超聲速防御能力的集成；設計、研發、集成高超聲速威脅數據跟蹤算法；開發基于Link16數據鏈的高超聲速威脅航跡數據轉發能力等。同步升級BMDS體系中的陸基識別雷達、攔截武器系統，使其對高超聲速威脅具備一定的預警探測和指控能力，逐步構建一整套主/被動防御相結合、涵蓋助推/中段/末段攔截的多層次防御體系。

除了對現有C2BMC系統的改造，美導彈防御局（MDA）在2020財年“先進概念與效能評估”專項科研中，新增了包括高超防御、人工智能、“發射前/發射后集成”等關鍵領域的研究。與此同時，導彈防御局正在研究如何將其現有的C2BMC體系架構與“聯合全域指揮控制”（JADC2）進行結合，計劃參與空軍“先進戰斗管理系統”（ABMS）的后續演習。美太空發展局（SDA）于2020年5月表示正在開發新一代的“國家安全太空架構”（NDSA），計劃依托該架構連接各軍種指揮控制系統，構建“聯合全域指揮控制”體系。該體系具備高超聲速武器跟蹤等能力，將增強美軍全域防護能力。

2.2 其他應對措施

類似于美國的天基紅外系統，俄羅斯在2015年著手建立了“穹頂”太空反導預警系統。截至2021年1月共發射了4顆“苔原”衛星，初步形成天基預警探測能力。“穹頂”系統具備彈道導彈預警能力，裝備有星載戰斗控制系統，可以連同陸基探測雷達計算導彈飛行軌跡，指揮實施攔截反應。

法國航空空間研究局（ONERA）也于2020年宣布研發超視距反導預警雷達（LTP）驗證機。該驗證機具備遠達3000 km的彈道導彈預警探測和跟蹤能力。同時法國ONERA對“預言家”（Nostradamus）天波超視距雷達進行重大改造，擴大預警探測范圍。

3 發展架構設計

根據世界范圍內高超聲速攻防的建設現狀和發展趨勢，高超聲速已初步形成實戰能力，迫切需要對未來指控系統的發展提前謀劃，統籌布局，長遠思考，具體架構如圖6所示。

3.1 敏捷極簡的聯合指揮架構

高超聲速導彈具有多域、多維和非線性的特征，指揮控制系統必須迅捷反應、協同聯動、全域指揮，如美軍的C2BMC系統采用分布式指控架構，主要包含國家指揮、戰略司令部、戰區/區域作戰司令部和BMD防御要素四級結構。

面對高超聲速導彈，應盡量簡化層級提高效率，提高應對高超目標信息處理和作戰指揮的靈活性和時效性。一是反應要迅捷，即時生成高超專題態勢；二是處置要全面，具備敏捷處理預警探測、信息處理、目標識別、任務規劃、協同攔截和效果評估等環節的能力；三是體系應閉環，在指揮架構中，完善“預警探測-指揮控制-實施攔截”主要環節，構成閉環的立體防御體系。如圖6所示。

圖6 面對高超聲速挑戰的指揮信息系統發展架構Fig.6 The development architecture of the command information system facing the challenge of hypersonic technology

3.2 多域泛在的預警探測體系

高超聲速導彈的飛行速度處于5～20馬赫的高速狀態，飛行高度位于30～80 km的臨近空間，且具有較強的橫向機動能力，對預警探測能力帶來嚴峻考驗。

面對高超聲速探測難的問題，需要“廣視距，早發現”，一是發展天、臨空、空、海、陸等多域空間探測能力，綜合獲取紅外、雷達、光學等多種探測數據，特別是天基紅外和臨空探測（如平流層飛艇、太陽能無人機）能力；二是提高泛在情報收集能力，通過多種渠道盡可能掌握信息，特別是開源動向新聞，提前介入情況；三是增強目標識別和威脅分析能力，快速形成專題動態、精準研判定位。

3.3 自主智能的動態任務規劃

高超聲速導彈的飛行區間廣，參與力量涵蓋陸、海、空、天、網多種資源，需要在最短的時間內分配最優的信息資源、裝備資源、指令資源和人力資源。

一方面參考C2BMC系統預設方案集的思路，將多個空間、多種力量和多套系統融合為一個有機整體，依托智能算法、戰法規則和指揮模型，探索“機器輔助+人工核準”的智能化任務規劃模式，高效統籌資源；另一方面建立自主運行的信息處理中心，盡量簡化行政層級和減少人為干涉，實時分析大量多源信息，“自組織”各類作戰資源，“自生成”即時任務規劃，“自實現”動態研判評估。

3.4 協同聯動的攔截防御手段

高超聲速導彈采用扁平式的乘波體布局，具有“跳躍-滑翔”式的飛行軌跡，基于現有防空反導體系，對高超聲速目標實施攔截的成功率較低。

針對高超聲速威脅，美軍發展了四個專項防御項目，旨在構建覆蓋中段到末段、外太空到稠密大氣層等各種高度層的反導體系，包括動能攔截的RPGWS武器系統，“女武神”、“滑翔破壞者”等殺傷攔截器，以及非動能攔截的高功率微波武器。一方面，在多域空間分布式部署攔截平臺，充分利用臨近空間“長航時全天候”的駐空特點，作為現有防空反導體系的補充，如在平流層飛艇、高空無人機上放置攔截平臺，形成多維立體的攔截防御體系；另一方面，發展管理攔截平臺的協同控制算法，統籌調動全域戰場資源，構建過飽和、多梯隊、復合體的攔截區間。

4 結 論

高超聲速導彈是一款“核常兼備”的戰略/戰術武器，理論上具備1小時全球打擊能力，其最大威脅在于“唯快不破”。本研究從總體設計、參數化建模、氣動特性和飛行軌跡控制等方面綜述了高超聲速技術的發展現狀。

面對高超聲速挑戰，美國建立了彈道導彈防御體系及C2BMC系統，俄羅斯建立了“穹頂”太空反導預警系統，日本等其他國家也提出了應對措施，但是當前舉措主要是對現有防御體系的局部增強，不能提升防御體系的全局效能。