艦載激光武器反導作戰仿真分析

羅 磊,譚碧濤,張 鵬,聶恒輝

(航天工程大學,北京 101400)

1 引 言

艦載激光武器作為一種新概念武器,作戰中具有光速打擊、反應快、精度高、抗電磁干擾、無限載彈量等明顯優勢[1]。歐美等軍事強國先后研究艦載激光武器用于抗擊無人機、水面小艇、各類反艦火箭彈、炸彈等,最終目標是要實現反導作戰[2]。美軍對艦載激光武器的反導作戰研究分為短期、中期、長期三個階段。短期目標研發功率為十萬瓦到十五萬瓦的戰術級艦載激光武器用于對導彈導引頭進行干擾致盲；中期目標研發功率為三十千瓦到五十千瓦的高能戰術級艦載激光武器,用于近距離抗擊反艦巡航導彈；長期目標是研發出功率為兆瓦級的艦載戰略級激光武器,用于遠距離摧毀超音速反艦巡航導彈甚至彈道導彈[3]。當前短期目標已經實現。在激光反導作戰試驗方面,美軍推出ABL項目,開發兆瓦級機載激光武器用于助推段反導,并在2010年成功進行過50 km內的攔截試驗[4],最終因為資金以及技術難題,項目被迫取消。近年來,隨著激光武器相關技術的不斷成熟,艦載激光武器反導問題再次成為相關領域的研究焦點。

2 典型反艦導彈特性分析

反艦導彈結構組成包括導彈殼體、制導系統、戰斗部裝藥以及推進系統,其中制導系統的各類傳感器是艦載激光武器的重點打擊對象。導彈攻擊航路一般分為初始段、自控段和自導段,其自控段飛行高度比較高,飛行時間較長,飛行姿態相對穩定,該階段最利于艦載激光武器在遠距離實施打擊。

遠程反艦導彈LRASM被稱為“航母殺手”,是美國當前研制的最新反艦導彈,具有隱身、抗干擾、高智能化和通用化等特點[5],目前已成功發展了空射和艦射型,潛射型還處于研制當中。LRASM導彈的顯著優勢在于其采用智能化復合制導,能夠在缺乏引導的條件下自主規劃航跡,自主識別目標并規避威脅[6]。同時導彈表面采用先進的雷達吸波材料,使其兼具高隱身性能。其主要的戰技術性能如表1[7]所示。

表1 LRASM導彈性能概況

LRASM導彈是美軍空海一體戰和分布式殺傷理念下的產物,其典型的攻擊模式為:遠程預警探測系統獲取艦艇的位置信息后將其傳遞給機載作戰平臺,空射型LRASM導彈在敵防區外超遠程發射,并按照預先規劃的航跡接近目標；導彈打開雙翼與己方飛控平臺建立雙向數據鏈,實現目標信息的實時更新；導彈進入中空巡航,GPS提供中段自控飛行的中繼引導數據,如果GPS信號受到干擾,由其內置的INS進行制導；接近敵艦艇防區后,導彈降高突防,通過被動雷達搜索目標；接近目標后導彈掠海飛行,利用紅外傳感器鎖定目標,并自主規劃航跡,規避威脅,直至命中目標[8]。

3 激光對導彈的毀傷分析

3.1 毀傷機理分析

艦載激光武器鎖定目標后以光速實施打擊,其對導彈的毀傷作用主要包括熱破壞效應、力學破壞效應以及輻射破壞效應[9]。高能激光輻照導彈,在其表面產生極高的功率密度,短時間內通過能量的快速疊加和累積造成目標表面結構以及材料特性發生不可逆的變化[10],從而形成有效殺傷。因此,激光毀傷導彈取決于兩個主要因素:一是激光的到靶功率密度門限,二是激光與導彈的相互作用時間。其中到靶功率密度達到對導彈干擾、破壞的閾值是武器實現有效打擊的前提,如果激光的打靶功率密度太小,作用時間再長也無法對目標造成毀傷。而作用時間是武器實現有效打擊的關鍵,如果激光的到靶功率密度滿足要求,但作用時間太短,能量累積無法達到對導彈破壞的能量閾值,同樣無法對目標形成毀傷。

3.2 毀傷能力分析

由艦載激光武器的毀傷機理可知,其對導彈的毀傷能力與激光作用于目標的到靶功率密度直接相關。設激光輻照導彈的到靶功率密度為Im,表示為[11]:

(1)

式中,P為艦載激光器的發射功率;θ為激光傳輸過程中的光束遠場發射角；η為介質傳播透射率,主要受大氣傳輸影響,真空條件下η=1；λ為發射激光束波長;β為光束質量因子；L為目標與激光武器的相對距離；D為激光武器發射主鏡的直徑。理論上當激光與導彈相互作用的能量密度達到3280 J/cm2,即Im=1093 W/cm2時,作用時間t=3 s,激光可以對導彈形成硬摧毀[12]。而當激光與導彈相互作用的能量密度為900 J/cm2,即Im=300 W/cm2時,作用時間t=3 s,激光可以對導彈造成軟殺傷[13]。

考慮激光在大氣傳輸中的衰減,假定海上作戰環境中η=0.85。當艦載激光武器的發射口徑D=1.5 m,作戰激光的波長λ=1.064 μm時,通過對艦載激光武器作戰關鍵指標仿真得到圖1～圖3所示結果。

圖1 P=1000 kW,I與L的關系

圖2 β=2,I與L的關系

圖3 I=1093 W/cm2,P與L的關系

根據仿真結果進行分析:艦載激光武器的發射口徑和激光波長固定時,打擊距離與激光的光束質量和武器的作戰功率成正比。當發射口徑D=1.5 m,大氣傳播透射率η=0.85,光束質量因子β=2時,要在50 km處實現對導彈的硬摧毀,艦載激光武器的作戰功率需要達到三十萬瓦以上；而要在100 km內實現對導彈的硬摧毀則需要武器的作戰功率達到兆瓦級以上。此外,該作戰條件下兆瓦級艦載激光武器同時具備在200 km內對導彈進行軟殺傷的能力。

4 典型作戰場景仿真分析

4.1 場景構建

為分析實戰條件下艦載激光武器抗擊敵反艦導彈LRASM的飽和攻擊情況,構建以下典型作戰場景:某次紅藍對抗中,紅方航母編隊在遠海執行任務時遭到藍方某航母戰斗群50架艦載機以及某空軍基地的4架戰略轟炸機飽和攻擊。藍方每架艦載機掛載4枚LRASM導彈,每架戰略轟炸機滿掛24枚相同型號的導彈。為最大限度占用紅方航母編隊的火力通道,同時擊沉紅方航母,所有藍方敵機在紅方防區外距離航母縱深800 km時開始齊射296枚LRASM導彈,使得導彈幾乎能同一時間抵達紅方航母。此時紅方航母編隊由于遠離海岸,缺乏岸基火力支持,只能依靠自身火力作戰。紅方作戰艦艇除裝備常規防空反導武器外還配備有5座兆瓦級艦載激光武器用于反導作戰。紅方編隊預警機前出200 km預警,但由于藍方LRASM隱身性極強,預警機對導彈的發現距離不超過150 km。紅方艦艇編隊的具體作戰編成如圖4所示。其中內層防御的驅護艦距離航母約20 km,外層防御的驅護艦距離航母縱深約100 km。艦載激光武器分別部署于戰艦A、B、C、D、E上,發現導彈來襲后,紅方編隊指揮所命令5座艦載激光武器負責抗擊藍方180枚目標。

圖4 紅方航母編隊戰斗隊形示意圖

4.2 模型建立

為了確保研究的科學性同時方便運用模型描述,對艦載激光武器的反導作戰條件進行進一步明確:

(1)初始狀態設定,由于所有來襲導彈皆采用高空發射,其主要攻擊目標為紅方航母,因此,初始時刻設定所有來襲導彈相對于紅方航母的航路捷徑均為0(即所有導彈攻擊目標均為航母,其運動方向正對航母)。若以紅方航母為空間坐標原點,則所有藍方反艦導彈在距離航母斜距為300 km里處的球面隨機分布,如果不進行航路規劃,所有導彈幾乎能同一時刻抵達紅方航母。該狀態為初始狀態,對應的時刻為初始時刻。由于藍方作戰飛機從不同高度進行投彈,因此,假定所有來襲導彈初始時刻的飛行高度處于3000～7000 m之間,其進入方向在海平面上相對于紅方航母為-90°到90°。圖5為初始時刻導彈飽和攻擊示意圖。

圖5 初始時刻反艦導彈攻擊示意圖

(2)由于LRASM導彈具有高智能化,制導方式靈活,因此,在該作戰場景中將其攻擊模式簡化如圖6所示,圖中實線表示反艦導彈的航路。初始時刻,導彈始終以320 m/s的速度飛向紅方航母的位置(0,0,0),飛行高度為3000～7000 m,在距離目標100 km內,飛行高度降低為15 m進行掠海突防,并在水平面內機動規避風險,最終從正面、側面甚至后方對航母進行打擊。

圖6 LRASM反艦導彈進攻過程航路模擬主視圖

(3)紅方編隊預警探測系統和艦載激光武器能夠同時探測識別并追蹤多批目標。綜合考慮艦載激光武器的跟蹤精度、轉火速度、打擊能力,以及反艦導彈的飛行速度、航路捷徑等,設定艦載激光武器對目標的有效打擊斜距為0.3～200 km,而且在打擊范圍內可直接對目標進行有效毀傷(即艦載激光武器在打擊目標時對目標的單次照射毀傷概率為1)。考慮反艦導彈掠海飛行和地球曲率的影響,艦載激光武器不能實施超視距打擊。因此,當導彈掠海飛行高度為15 m時,艦載激光武器在海平面上對導彈的打擊斜距不超過30 km。

(4)艦載激光武器采用點防御的方式對來襲反艦導彈進行抗擊。即一座艦載激光武器一次只能單獨打擊一個目標。應對飽和攻擊時,為提升打擊效率,同一目標在同一時間內也僅由一座艦載激光武器對其進行打擊。艦載激光武器具有無限彈容量,在打擊窗口內可以對來襲目標進行持續打擊,打擊方位角為360°,俯仰角為-10°到90°,其轉移火力到完成一次目標打擊所需要的總時間為14 s。

(5)打擊目標選擇。打擊目標選擇主要根據導彈的威脅度進行判定。由于所有導彈進入艦載激光武器的打擊范圍時相對于航母的航路捷徑均為0,而且所有導彈為同一型號導彈,其戰技術指標完全相同,對航母的威脅度主要與導彈相對于航母的斜距有關。因此,艦載激光武器首先打擊距離航母斜距最近的目標。

(6)打擊火力分配。艦艇編隊內艦載激光武器能夠協同分配火力,目標進入艦載激光武器的打擊范圍時,首先由與之斜距最近的艦載激光武器進行打擊,若該武器處于打擊狀態,則由相對斜距次之的艦載激光武器進行打擊,以此類推；其余艦載激光武器選擇打擊有利度最佳的目標進行打擊,打擊窗口內,打擊有利度主要由導彈相對于艦載激光武器的斜距判定。斜距較小,打擊有利度較佳。

(7)在所有反艦導彈來襲過程中,由于編隊機動速度相對于導彈攻擊速度很小,假定艦艇編隊相對于反艦導彈保持靜止(即反導作戰中艦艇都不進行機動),且編隊內各作戰艦艇相對于航母,以及各作戰艦艇相互之間的位置保持相對固定(即艦艇編隊的作戰隊形不進行調整)。

(8)由于該反艦導彈戰斗部采用高爆彈藥,且裝藥量巨大,一枚導彈擊中就可能給艦艇造成致命打擊。因此,當第一枚反艦導彈抵達紅方航母時,意味著反艦導彈成功突防,艦載激光武器的打擊時刻終止。

(2)

(3)

紅方艦載激光武器的位置坐標分別為:P1(0,100,0)、P2(70.7,70.7,0)、P3(100,0,0)、P4(70.7,-70.7,0)、P5(0,-100,0),公式中數值單位皆為千米。

4.3 仿真分析

運用MATLAB仿真。以艦載激光武器的打擊目標數作為分析重點,對紅方編隊艦載激光武器抗擊反艦導彈LRASM飽和攻擊的過程進行模擬。根據反艦導彈攻擊航路將艦載激光武器對目標的打擊過程分為三個階段:打擊中空巡航目標階段、打擊降高突防目標階段以及打擊掠海飛行目標階段。反艦導彈的進攻總數為296枚,初始時刻在導彈進入曲面隨機296個坐標,并對所有來襲目標進行編號,此后根據導彈的運動狀態設置方向向量每秒進行1次迭代。用0、1矩陣表示每枚導彈的打擊狀態,1表示該枚導彈正處于被打擊中,0表示導彈沒有被打擊。若導彈狀態為1,則對打擊導彈的時間進行判斷,如時間大于14 s,則表示艦載激光武器有效完成了對目標的鎖定、跟瞄和照射,判定導彈被擊毀。5座艦載激光武器一次最多同時打擊5個不同的目標,在打擊窗口內艦載激光武器每成功打擊1個目標則將其剔除。同理,用0、1矩陣表示每座艦載激光武器的打擊狀態,1表示艦載激光武器正對目標實施打擊,0表示武器處于閑置狀態。每次進行火力分配時先對艦載激光武器的打擊狀態進行判定,若其狀態為1則不對其分配打擊目標,并且對狀態為1的艦載激光武器在打擊時間為14 s時自動將其狀態調整為0。

圖7為紅方艦艇編隊艦載激光武器的作戰區域。

圖7 紅方編隊艦載激光武器作戰區域

通過仿真,根據反艦導彈的運動狀態,第一階段打擊時間625 s,5座艦載激光武器成功擊毀了從不同方向同時來襲的156枚反艦導彈。將擊毀目標剔除,艦載激光武器對剩余的140枚反艦導彈繼續抗擊,第二、三階段打擊總時間為322 s,由于反艦導彈降高掠海突防,艦載激光武器對處于該階段的目標打擊能力受限,這兩個階段艦載激光武器僅成功擊毀了27個目標。因此,綜合導彈的目標特性和艦載激光武器的打擊能力,該特定作戰場景下艦載激光武器對296枚飽和攻擊的反艦導彈總體毀傷數量為183,大于180,足以完成紅方上級分配的任務。

如果作戰場景不變,打擊條件不變,改變艦載激光武器單次抗擊單個目標的作戰時間,得到如圖8所示的仿真結果。其中橫坐標表示擊毀單個目標的作戰時長,縱坐標表示擊毀目標總量。

圖8 艦載激光武器打擊單個目標時間和毀傷目標數量的關系

由仿真結果可知:艦載激光武器抗擊導彈的數量與系統反應時間成反比。如果武器系統平均反應時間為24 s,則紅方編隊編成內5座艦載激光武器只能有效抗擊124枚反艦導彈；如果武器系統作戰平均反應時間縮短為8 s,則5座艦載激光武器將能夠有效抗擊208枚反艦導彈。要完成紅方上級的任務,則艦載激光武器單次抗擊單個目標的時間不得超過14.2 s。

作戰場景不變,打擊條件不變。改變艦載激光武器的最大作戰距離,通過多次仿真,得到圖9所示艦載激光武器對反艦導彈的最大作用距離和毀傷目標數量的關系。

圖9 艦載激光武器最大打擊距離和毀傷目標數量的關系

從仿真結果可知:艦載激光武器的最大作用距離越遠,在滿足打擊條件時,武器系統將獲得對目標更多的抗擊時間,從而有效毀傷更多的目標。本場景中如果艦載激光武器最大作戰距離只有50 km,艦載激光武器將只能夠抗擊80枚反艦導彈；而當艦載激光武器的最大打擊達到200 km時,5座艦載激光武器可以有效抗擊183枚反艦導彈。要完成上級的任務,艦載激光武器的最大打擊距離不得低于198 km。

作戰場景不變,打擊條件不變,改變紅方作戰艦艇與航母之間的相對距離,通過仿真,得到圖10不同狀態下5座艦載激光武器的毀傷目標數量情況。

圖10 作戰艦艇與航母相對距離同毀傷目標數量的關系

從仿真結果可以得出,該作戰場景下如果各作戰艦艇距離航母縱深為80 km左右時能夠獲得最佳的打擊效果,此時艦載激光武器可以有效抗擊的反艦導彈數量為最大值196枚。因此,艦載激光武器在作戰過程中要根據作戰能力選擇最佳的配置位置從而獲取最佳打擊效能。

5 結 語

隨著激光武器技術的不斷成熟,艦載激光武器在未來反導作戰中必將發揮出日益重要的作用。本文根據反艦導彈的目標特性,結合艦載激光武器的打擊能力,構建典型的作戰運用場景對多座艦載激光武器抗敵反艦導彈飽和攻擊情況進行了深入分析。通過仿真得出了艦載激光武器的不同作用距離,不同系統反應時間以及作戰艦艇與航母相對位置不同時,與作戰目標毀傷數量之間的定量關系,為實戰中艦載激光武器的部署和運用提供了理輪支撐。提高艦載激光武器的毀傷能力是其實戰化運用的關鍵,而其毀傷導彈的能力與武器的作戰功率和激光光束質量密切相關。因此,研究適合于艦載平臺搭載、出光功率更高、光束質量更佳的高能激光器仍然是今后艦載激光武器技術研究的重點。此外,作戰過程中艦載激光武器與艦載常規武器協同運用的火力分配問題也有待下一步深入探討。