高超聲速/常規巡航導彈預警探測特征比較*

鄭建成，譚賢四，曲智國，何文琳，李志淮

（1.空軍預警學院，湖北 武漢 430019；2.中國人民解放軍95246 部隊，廣西 南寧 530007；3.中國人民解放軍聯勤保障部隊，湖北 武漢 430019）

0 引言

臨近空間高超聲速目標（near space hypersonic target，NSHT）因具備速度快（Ma5 以上）、攻擊距離遠、機動范圍廣的特點，使得遠程精確閃擊作戰成為現代戰爭新的作戰方式，對國土防御提出了新的更大挑戰。根據所提供動力方式的不同，NSHT 可分為2 類：高超聲速巡航導彈（hypersonic cruise missile，HCM）和高超聲速滑翔飛行器（hypersonic gliding vehicle，HGV）［1］。其中HGV 發展更為成熟且已列裝，而關于HCM 的研究較少，本文重點關注HCM類目標。

HCM 的動力方式和飛行過程與典型的亞聲速或超聲速巡航導彈（cruise missile，CM）類似，通常是在火箭助推器上加速爬升，然后使用發動機通過大氣層為自己提供動力進行巡航飛行，最后俯沖攻擊目標，兩者機動能力有限且射程相當［2-4］。不同的是，HCM 處于更高的臨近空間且速度更快。從美國的彈道導彈防御體系架構［5］可以看出，現有預警探測體系針對導彈的預警手段主要有紅外和雷達，其發展策略已比較明晰，但對HCM 的預警探測性能如何、存在什么問題以及與預警探測CM 有何區別還有待深入研究。

目前，國內外學者基于目標運動特性和紅外特性開展的HCM 與CM 可探測性問題研究已取得一系列成果，主要可分為4 類：一是對HCM 速度快與CM 低空突防能力強等運動性能所作的定性描述［6-7］，指出防御難點；二是針對目標紅外輻射特征明顯，通過建立目標紅外輻射工程模型計算其蒙皮、尾焰、尾噴口的紅外輻射強度［8］，參考美國天基紅外探測器的靈敏度參數構建天基紅外衛星探測模型［9-10］、臨空基飛艇載紅外探測模型［11］和空天紅外探測模型［12］，進而探討紅外系統對目標的探測能力和時空覆蓋性問題；三是針對目標飛行高度較低研究平流層飛艇載雷達［13］、地/海基組網雷達［14］等不同傳感器平臺對其探測與跟蹤性能；四是在分析目標運動特性和輻射特性的基礎上，設計不同平臺的紅外和雷達探測器構成的預警探測系統總體結構，分別探索2 類目標預警探測系統構建相關問題［12，15］。

上述研究成果對防御方認識HCM 與CM 的可探測性能具有積極作用。然而，這些研究或僅采取建模顆粒度過粗的定性分析使得防御方對目標性能認識不足，或僅針對目標巡航段特性開展定量分析，沒有立足目標的全任務剖面，從體系的角度對探測此2 類目標的特征進行量化評估和比較，不利于防御方實施體系化的預警探測策略。為此，基于HCM 與CM 目標特性的不同，通過建立紅外探測模型和雷達探測模型，詳細和定量評估目標紅外輻射強度、飛行速度和滯空高度對預警探測的影響，能夠厘清防御方對來襲目標性能的認識，進而為嚴格定量評估高超聲速武器系統的威脅和升級現有反導預警體系提供技術支撐。

1 目標性能建模

為比較紅外和雷達2 種探測手段對HCM 與CM預警探測特征的不同，需要在分析目標運動特性的同時，分別建立紅外探測模型和雷達探測模型。

1.1 運動模型

HCM 任務剖面如圖1 所示。根據推力類型的不同，其任務剖面分為固體火箭助推的助推段、超燃沖壓發動機推進的爬升段和巡航段以及無推力俯沖飛行的俯沖段。在固體火箭助推下，飛行器從一定的高空投射點處開始飛行上升至超燃沖壓發動機要求的點火窗口后，助推器分離，超燃沖壓發動機點火提供推力后快速爬升，當爬升至巡航要求的高度、速度和相應角度時，利用剩余燃料進行巡航飛行，巡航段結束后，飛行器開始無動力俯沖飛行，并最終實現對地面指定目標的打擊［16］。

圖1 HCM 任務剖面Fig.1 Mission profile of HCM

在不考慮地球自轉引起的離心力和哥式慣性力的條件下并忽略側向運動，其質心運動方程為［16］式中：v為速度；γ為航跡傾角；κ為航向角；Ψ為經度；Ω為緯度；h為目標高度；R為地球半徑；g=g0R2/(R+h)2為離地面h處的重力加速度，g0=9.8 m/s2為海平面處重力加速度；α，σ分別為飛行器的攻角和傾側角；D=12ρv2CdA為 氣動阻力，L=12ρv2ClA為氣動升力，ρ=ρ0exp(-h/H)為大氣密度［17］，ρ0=1.752 kg/m3，H=6 700 m；A為飛行器的有效橫截面積；Cd，Cl分別為升力系數和阻力系數；m為飛行器的質量；T為發動機提供的推力。

1.2 紅外探測模型

根據熱量守恒定律，大氣層內高速飛行的飛行器在大氣阻力作用下失去的部分動能會轉移到飛行器周圍的空氣中，使其產生強烈的氣動熱，部分熱量沉積到飛行器表面導致其溫度急劇升高，引起大量的紅外光譜熱輻射，其輻射強度I在溫度為T時的計算公式［17］為

式中：ε為表面輻射率；λ為波長；c為光速；h=(6.625 6 ± 0.000 5) × 10-34(W · s2)為普朗克常數；k=(1.380 54 ± 0.000 18) × 10-23(W · s · K-1) 為 玻爾茲曼常數；θ為飛行器表面面元與表面法線方向的夾角；A為對飛行器表面觀測面積；溫度T的單位為K。

導彈飛行過程中，其紅外輻射強度I超過一定數值，紅外探測器就能探測到其飛行。考慮地面背景輻射和低空大氣背景輻射的影響，紅外探測器在探測波段內對輻射強度為It的飛行器的探測距離［12］可表示為

式中：δ為信號提取因子；Ib為探測波段內的背景輻射強度；A0=πd2/4，d為光學系統的有效通光孔徑；τa為目標與傳感器間的大氣透過率；τ0為光學系統的透射率；D為探測器的探測度；SNR為探測到目標所需的最小信噪比；Δf為探測系統的噪聲等效帶寬；Ad為探測單元面積。

1.3 雷達探測模型

作為導彈防御系統中關鍵的傳感器，雷達的預警探測能力受到自身探測威力和地球曲率等因素的制約。其搜索距離方程［18］為

式中：Pav為平均發射功率；A為天線有效反射面積；σ為目標RCS；ts為雷達探測距離為Rmax時完成空域Ω的搜索任務所需時間；Ls為雷達系統損耗；k為玻爾茲曼常數；Te為等效噪聲溫度；SNR為回波信噪比。

為研究雷達搜索時間資源使用情況，式（4）可寫為

式中：a=，對 于特定的雷達和 目 標而言，a是已知且固定的。

雷達在觀測目標時，可用目標位置參數描述雷達觀測模型。設雷達到目標的距離為R，雷達與目標連線在雷達當地水平面內投影與正北向夾角為α，雷達—目標連線與雷達當地水平面的夾角為β，雷達位置坐標為(x，y，z)，則雷達觀測模型［19］為

式中：NR，Nα和Nβ為觀測噪聲。

同時，考慮地球曲率的影響，雷達探測視距計算公式［20］為

式中：雷達平臺高度h1和目標高度h2的單位為m，計算出的雷達視距L的單位為km。

2 預警探測特征比較

HCM 的戰略意義取決于其相對于CM 的性能優勢，關鍵的性能參數有縱向射程、飛行高度、滯空時間和紅外輻射強度等，這些參數表征了其低空突防和快速打擊能力，直接影響著防御方對該類目標的預警探測策略。根據導彈飛行任務時序和作戰距離相當與否，可分別對HCM 與CM 的紅外和雷達預警特征進行量化對比分析，從而評估反臨預警探測的性能。HCM 的典型型號有美國的X-51A［21］（驗證機）和俄羅斯的Tsirkon［22］，CM 的典型型號有美國的BGM-109，AGM-86C，AGM-129 和俄羅斯 的SA-15，KH-55，BrahMos［22-24］。為便于分析，表1總結了HCM 和CM 的典型性能指標。

2.1 紅外預警探測特征比較

2 類巡航導彈均在大氣層內飛行，紅外探測背景均為低空大氣背景和地面背景，紅外探測器對其最佳探測波段為中波波段［8-12］。不同的是，2 類導彈不同的巡航速度將使其產生不同的輻射能量，由表1 可知，HCM 巡航速度是CM 巡航速度的近10 倍。為量化評估這2 類目標紅外預警探測的差異，根據表2 和表3 給出的紅外探測器在中波波段的性能參數和彈體最大輻射溫度［8，11-12］，通過式（2）和式（3）計算HCM 和CM 在典型巡航高度時的最大輻射強度、最大探測距離，表3 給出了空基紅外探測器探測巡航段HCM 和CM 的性能對比情況。

表1 2 類巡航導彈目標典型性能指標Table1 Typical performance indexes of the two kinds of cruise missile targets

從以上分析可知，根據HCM 與CM 所處飛行環境即紅外探測背景的特點，空基紅外探測器在中波波段對該2 類目標均具備較好的持續探測捕獲能力。由于HCM 與CM 巡航速度、巡航高度和背景輻射強度差距較大，且大氣透過率隨著海拔高度升高而增大，導致HCM 的最大紅外輻射強度雖然遠大于CM 的最大紅外輻射強度，但是紅外探測器對HCM的最大探測距離僅為對CM 最大探測距離的約7 倍。由此可見，探測平臺類型相同時，巡航速度更快、高度更高的HCM 將使得紅外探測器對其探測距離大大增加，同時紅外探測器對HCM 的預警時間較CM僅僅多了23 s，這就使得紅外探測器在距防御方相同距離處同時發現2 類目標時，其探測HCM 的性能優勢并不明顯。

從表3 可知，當導彈的射程在1 000 km 左右時，空基紅外探測器可對HCM 提供良好的持續預警探測能力，但對CM 的最大探測距離僅238 km，不足以對其持續跟蹤探測；當導彈的射程超過1 100 km時，空基紅外探測器無法對HCM 進行持續跟蹤探測，且對CM 的探測能力更加不足。但此時可考慮采用其他類型平臺的紅外探測器對目標進行探測。根據表2 給出的紅外探測器參數，與表3 空基紅外探測器探測性能的計算方法類似，表4 給出了不同平臺搭載紅外探測器［8-11］對2 類目標的探測性能。從表4 可見，紅外探測器對目標的探測能力將隨著紅外搭載平臺高度的增加而顯著提升。因此，當導彈的射程在1 000 km 以內時，對HCM 可采用浮空氣球、預警機等空基平臺搭載紅外探測器進行紅外探測，對CM 則需采用天基紅外探測器進行紅外探測；當導彈的射程超過1 100 km 時，對HCM 可采用飛艇載紅外系統組網或天基紅外探測器進行紅外探測，而對CM 即使采用天基紅外探測器進行探測也仍顯能力不足，此時需考慮采用不同探測平臺搭載紅外探測器進行組網聯合探測。

表2 紅外探測器參數Table 2 Performance parameter of infrared detection system

表3 紅外探測性能對比Table 3 Comparison of infrared detection performance

表4 不同平臺紅外探測器探測距離對比Table 4 Comparison of detection range for infrared detectors on different platforms km

2.2 雷達預警探測特征比較

盡管理論上紅外探測器對巡航類導彈目標具備探測能力，但其發展并不完備，很有必要對相對發展成熟的地基雷達系統預警探測2 類巡航導彈目標的差異進行比較分析。

隨著電子科學和軍事技術的飛速發展，反導雷達普遍具備數百千米甚至上千千米的探測威力。以美國“薩德”反導系統中的AN/TPY-2 X 波段固體有源多功能相控陣雷達［25］為例，通過雷達方程計算其對雷達散射截面積（radar cross section，RCS）為0.004 m2的目標探測距離可達1 000 km，而HCM 與CM 在不同探測角度時的RCS 取值情況如表5 所示［26-28］。從表5 可知，HCM 的RCS 平均值為0.01～0.1 m2，CM 的RCS 典 型 值 約0.1 m2，HCM 的RCS 起伏較大是由于受等離子鞘套的影響，在特定觀測視角（正側視、前視或后視）時其影響（衰減或增強）可達20 dB，而CM 不受等離子鞘套的影響，其RCS 波動并不明顯，但正側視時2 類目標的RCS 均較大。可見典型參數條件下雷達探測威力滿足對2 類巡航導彈目標的探測要求，此時對目標探測的影響更多受限于雷達視距，因而需重點分析雷達視距問題。

表5 目標RCS 對比Table 5 Comparison of RCS dBsm

與CM 相比，HCM 最大的優勢就是速度快，能夠削弱敵人的反應時間。然而，CM 更低的飛行高度又大大降低了地基雷達系統對其探測距離。根據式（7），不考慮地形特征（假設地球表面是光滑的）和雷達架高時，對不同飛行高度的目標，雷達探測視距隨目標高度的變化如圖2 所示。顯然，目標飛行高度越高，雷達視距越遠。

圖2 雷達視距隨目標高度的變化情況Fig.2 Variation of radar LOS with target altitude

根據式（1）所建立的HCM 運動模型和文獻［23］給出的CM 運動模型，假設防御方雷達部署于導彈落點附近且探測威力足夠，當目標與雷達之間的距離小于雷達視距時認為目標可探測，圖3 給出了HCM 和CM 縱向射程均為900 km 時的雷達視距可探測情況，圖中“◇”標示雷達視距可探測首點，加粗的彈道部分意為雷達可探測。

圖3 視距可探測性對比Fig.3 Comparison of LOS detectability

防御方必須收到來襲導彈的預警才能采取有效的對策，對來襲導彈的預警時間取決于目標的特性和防御方的預警探測能力。由圖3 可知，HCM 與CM 最顯著的區別就是飛行高度的不同，這將直接影響雷達探測視距。根據對彈道數據的相應分析，其對射程均為900 km 的2 類目標的首點發現距離、目標速度、高度和可持續探測時間如表6 所示。

由圖3 和表6 可知，CM 飛行高度較HCM 飛行高度低直接制約著對其的雷達可探測性性能。對部署在導彈落點附近的地基雷達，由于視距限制，雷達可探測到CM 時其飛行高度僅1.2 km，而HCM 在28.5 km 的高度時雷達就已可探測到其飛行，這使得雷達對HCM 的首點發現距離達到其任務航程的69%，而對CM 首點發現距離僅約為其任務航程的16%。雖然HCM 的飛行速度是CM 飛行速度的3.7倍，但由于CM 飛行高度低、可探測距離近，雷達對其提供的可持續探測時間仍然比速度是其數倍的HCM 要少32 s。若考慮地雜波的影響，則雷達探測CM 受地雜波的影響更大，將導致雷達對其可探測距離更近，可持續探測時間更短。此時從進攻方的角度看，CM 暴露給防御方的時間更晚、突防能力更強。但是，若防御方在同一距離處同時提前2 min發現HCM 和CM，則速度較慢的CM 目標留給防御方的反應時間將相對充足。

表6 雷達探測性能對比Table 6 Comparison of radar detection performance

綜合上述分析，從雷達視距限制上看，地基雷達系統對HCM 預警作戰可采用威力1 000 km 左右的新型多功能相控陣雷達（如AN/TPY-2），而預警探測CM 采用低空探測性能好的日常防空雷達即可，若采用遠程預警雷達反而達不到物盡其用的軍事效益。目前，對CM 探測可采用塔樓、系留浮空器、預警機、高空長航時無人機和近地衛星等平臺搭載雷達系統來進一步增加視距和對目標的預警時間［24］，但是對HCM 的雷達探測手段除了地基雷達外其他雷達平臺則比較匱乏，可發展平流層飛艇載雷達提高對其探測能力。由此可見，從雷達探測平臺上看，目前對CM 的探測手段較多，但對HCM 的探測手段較少。

3 結論

本文對可達相同射程的HCM 與CM 紅外探測性能和雷達探測性能進行了定量比較與評估分析，主要研究了2 類目標紅外輻射、滯空高度和飛行速度對防御方預警探測的影響，分析結果表明：

（1）紅外可探測性方面，由于HCM 的輻射溫度更高、紅外輻射強度更大，空基紅外探測器對HCM的持續覆蓋和可探測能力更強，且隨著紅外探測器所搭載平臺高度的增加（臨空基、天基），其探測能力將進一步提升。

（2）雷達可探測性方面，相比HCM，雖然CM 飛行速度慢，但更低的飛行高度導致地基雷達對其首點發現距離更近，增加了盡早發現的難度，此時可采用系留浮空器、預警機等多種高空雷達平臺增加對其探測能力。針對HCM 的高空雷達平臺發展還不夠完備，目前對CM 的雷達探測手段較HCM要多。

（3）預警時間方面，由于HCM 的飛行速度更快，其紅外輻射特征較CM 更明顯，紅外系統對其穩定跟蹤探測的距離更遠，可持續探測時間更長。同時由于飛行高度相對較高，使得雷達對其預警時間較視距近的CM 要長，此時HCM 的優勢并不明顯。

上述分析結果有助于防御方深入思考預警體系探測HCM 與CM 之間的區別，從而進一步分析應對HCM 的預警探測策略，即首先利用紅外探測器覆蓋范圍大、作用距離遠的特點對HCM 進行捕獲與持續跟蹤，同時將捕獲跟蹤信息傳輸給地面雷達系統，當HCM 進入雷達視距內時交由地基雷達系統進行接力探測與跟蹤。衛星對地基雷達的信息提示技術和如何減小交接誤差將是下一步需要研究的課題。