空空導彈空天高超聲速攻防對抗的優勢與挑戰

郭正玉，董 蒙, 杜苗苗

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009； 2.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009; 3. 空裝駐洛陽地區第一軍事代表室, 河南 洛陽 471009)

0 引 言

誰掌握了制空權，誰就掌握了戰爭的主動權。傳統空空導彈是由空基平臺發射、 打擊空中戰斗機等目標的導彈武器，其是奪取制空權的重要武器裝備，在打擊空中戰斗機目標時發揮了極其重要的作用。隨著技術的發展和裝備能力的進步，在傳統空域的目標性能提高的同時，出現了飛行高度更高、 飛行速度更快的臨近空間高超聲速目標和太空飛行目標，現有空空導彈武器裝備不具備打擊這些新目標的能力，其給制空權的爭奪帶來了新的挑戰。如何構建探測、 跟蹤和打擊空天高超聲速目標的新能力，突破飛行、 制導、 毀傷等關鍵技術是擺在技術研究人員面前的新難題。

1 國外空天攻防對抗發展和現狀

1.1 國外發展的空天高超聲速目標

美國和俄羅斯于20世紀50年代起，先后開展空天飛行器的研究和設計工作，典型代表項目的指標見表1。美國主要研究和發展的是空天往返飛行器、 臨近空間助推滑翔飛行器和吸氣式高超聲速飛行器，典型的代表型號和項目包括： 戰術助推滑翔(Tactical Boost Glide, TBG)、 先進高超聲速武器(Advanced Hypersonic Weapon, AHW)、 空射快速響應武器(Air-Launched Rapid Response Weapon, ARRW)、 常規快速打擊(Intermediate Range Conventional Prompt Strike, IRCPS)、 遠程高超聲速武器(Long Range Hypersonic Weapon, LRHW)、 吸氣式高超聲速武器概念(Hypersonic Air-Breathing Weapon Concept, HAWC)(如圖1所示)等。俄羅斯主要研究和發展的是空間軌道機動飛行器、 臨近空間助推滑翔飛行器和吸氣式高超聲速飛行器，典型的代表型號和項目包括： “匕首”(如圖2所示)、 “先鋒”、 “鋯石”、 “鋒利”、 “精靈”和“克列沃克-D2”等。目前俄羅斯高超聲速技術已居世界領先地位。這類目標飛行速度快、 高度范圍覆蓋廣，而且還具有一定的機動能力，給防御系統有效防御帶來了更大的困難。

表1 國外高超聲速目標的基本參數

圖1 美國HAWC導彈概念假想圖

圖2 俄羅斯“匕首”高超聲速導彈

1.2 國外發展的空天高超聲速目標防御系統

為了有效地防御和打擊空天高超聲速目標，世界各國不但在技術領域大力投入，通過不同種類的技術研究項目發展多種攔截手段，還通過組織機構調整和建設，從政策層面加強對于技術方向的把握和項目的管理。

技術和項目方面，美國自2017年以來，導彈防御局(MDA)和國防高級研究計劃局(DARPA)等機構從系統方案、 關鍵技術等多方面加強了關于空天領域高超聲速武器防御能力的建設。2018年9月26日，MDA簽署了21份合同，合作單位包括雷神公司、 洛克希德·馬丁公司、 諾斯羅普·格魯曼公司、 波音公司等美國傳統軍工企業，用于開展“高超聲速防御武器系統概念”研究，每份合同經費約100萬美元，合同周期平均5個月。2018年，DARPA啟動“滑翔破壞者”(Glide Breaker)項目，授予諾斯羅普·格魯曼公司1 800萬美元研究動能直接碰撞的方式在大氣層外攔截和摧毀來襲的高超聲速武器。2020和2021財年，MDA分別申請3.9億美元和2.1億美元開展滑翔段區域武器系統(Regional Glide Phase Weapon System, RGPWS)項目研究，發展高超聲速武器防御技術，研制攔截器原型并開展飛行測試，降低攔截器關鍵技術和集成的風險。

組織機構方面，美國于2019年10月批準2020財年國防授權法案，成立第六大軍種——太空軍。2020年6月頒布《太空防御戰略》，明確太空體系整合至作戰系統中，并把目標確定為空間段、 地面段和鏈路段三大類，有計劃、 有重點地發展相關能力。2022財年，美國國防部為太空軍的研究、 開發、 試驗與鑒定項目申請113億美元資金，同比增長7%。美國國防部2022財年計劃試射LRHW，爭取2023財年正式部署； ARRW預算為2.38億美元，中程常規快速打擊武器(IRCPS)預算為0.75億美元，高超聲速攻擊巡航導彈(HACM)預算為2億美元，空天高超聲速技術領域的投入持續增大。

俄羅斯于2015年設立了由空軍、 太空部隊、 防空反導防御部隊組成的空天軍，并于2018～2019年期間大范圍地更換和列裝了俄軍新型現代化武器裝備，以增強防空反導能力。2021年7月20日，俄羅斯國防部首次公布了S-500“普羅米修斯”防空導彈空中靶試試驗視頻，并計劃將該系統優先配備俄羅斯空天軍空天防御兵。S-500系統中配備的攔截彈，具備攔截馬赫數10以上目標的“超高速、 超高空、 超遠程”的反高超聲速目標能力，增強了俄羅斯對于空天高超聲速目標的攔截打擊能力。2021年11月8日，俄羅斯網站對“鋯石”導彈研制原因、 關鍵指標等問題進行了分析和預測，導彈的技術路線逐步浮現。

隨著世界各國空天高超聲速飛行目標的出現和技術的不斷成熟，針對它的攔截系統也在不斷發展和完善。從美俄近幾年不斷加大對于空天高超聲速飛行目標攔截能力建設和資金投入的角度看，證明了空天高超聲速飛行目標對于傳統作戰概念的顛覆性、 挑戰性和威脅性，除了傳統地基導彈防御系統的攔截外，還需要有針對性地分析研究，并采取更加有針對性的措施進行防御。

2 空空導彈空天高超聲速攻防對抗的優勢

使用空基平臺發射空空導彈進行空天攻防對抗將在飛行彈道、 探測目標和打擊范圍三個方面具有獨特的優勢。首先，空基平臺與地基/海基發射平臺相比，其已經將導彈帶載到10 km以上的空中，距離空天目標更近，并且已經越過了阻力較大的低空空域，空空導彈的飛行彈道設計將更加自由，可充分利用發射條件下阻力小的優勢，采用滑翔、 高拋等彈道形式，選擇迎頭、 側向等多種攔截打擊模式。其次，空空導彈依靠導引頭探測、 鎖定和跟蹤目標。目前，空空導彈有雷達和紅外兩種體制，對于雷達導引頭，探測空天高超聲速目標的背景環境相對較為“干凈”，目標較少，沒有地面雜波等干擾，而且空天高超聲速目標通常沒有針對性的隱身設計，容易被探測； 對于紅外導引頭，空天高超聲速目標飛行速度快，目標蒙皮因氣動聲性摩擦產生強烈的氣動加熱現象，形成明顯區別于背景環境的紅外輻射源，容易被探測。第三，傳統地基/海基探測系統受到地球曲率、 大氣散射特性等因素影響，對空天高超聲速目標的探測范圍和反應速度產生影響，而使用空基平臺和空空導彈進行探測將能夠在800～1 000 km的距離上發現和跟蹤并摧毀目標。

世界各軍事強國均開展過或正在開展利用空中平臺發射導彈、 打擊攔截空天高超聲速目標的空對空導彈項目。美國早在2006年，就開展過網絡中心機載防御單元(Network Centric Airborne Defense Element, NCADE)項目。該方案是一個以AIM-120先進中距空空導彈為基礎、 安裝AIM-9X空空導彈的紅外成像導引頭的兩級構型機載攔截彈，第一級由AIM-120空空導彈的后彈體組成，第二級采用后向推進器和側向直接力推進器，最大射程約150 km，具有在大氣層外飛行的能力，尺寸、 重量與AIM-120相仿，掛載方式與AIM-120相兼容，其主要被用于對上升段和助推段的近/中程彈道導彈的攔截。該項目由于成本低廉并能夠在前沿快速機動部署，滿足了當時美國MDA反導作戰的需求。2007年末，雷神公司在美國白沙靶場進行了試驗，由一架F-16飛機發射，對上升/助推段的彈道導彈模擬火箭進行攔截，試驗取得了成功。此后，NCADE項目并未繼續研究，很可能是因為空基發射空空導彈攔截技術已經相對成熟并取得突破。除了NCADE項目外，美國洛克希德·馬丁公司還在2007年提出空射碰撞殺傷(ALHTK)方案，把“愛國者”PAC-3等陸基動能攔截彈集成到F-15C戰斗機平臺，形成空對空攔截能力。PAC-3飛行速度更快，但是其尺寸、 重量大，將限制飛機平臺的飛行能力和掛載能力。2020年2月，俄羅斯國防部開展了多用途遠程攔截導彈系統項目(MFRK DP)，這是一種包含兩級動力裝置的遠程空空導彈，被掛裝于米格-31和米格-41戰斗機上，由米格戰斗機發射空空導彈，導彈在固體火箭發動機的大推力下，將形成馬赫數5以上的飛行速度，抵近目標后導彈再發射所攜帶的子導彈，子導彈依靠自身導引頭鎖定、 跟蹤和毀傷目標。2019年11月，歐盟委員會批準了天基戰區監視實時預警攔截項目(Timely Warning and Interception with Space-Based Theater Surveillance)，該項目由法國牽頭負責，芬蘭、 意大利、 荷蘭和西班牙共同參與，2020年10月德國也加入了項目研究，其目標是研發一種沖壓動力、 傳統布局的多用途空對空攔截彈，用于在低大氣層攔截中程彈道導彈、 高超聲速巡航和助推滑翔導彈、 超聲速巡航導彈等各種導彈目標以及下一代戰斗機等常規目標。

世界范圍內，第四代空空導彈已經廣泛裝備部隊，導彈飛行性能穩定，飛行速度快、 機動能力強，紅外和雷達兩種制導體制各具特點，具備攔截空中各類目標的飛行和毀傷能力。從發展趨勢看，空空導彈為了實現打擊目標更多、 覆蓋范圍更廣，攻擊距離和打擊范圍不斷提高。制約空空導彈進一步提高攻擊距離和打擊范圍的一個重要因素是，在發動機化學能技術沒有革命性突破的前提下，載機平臺對于空空導彈的尺寸、 重量的嚴格限制，制約了空空導彈的飛行距離和飛行速度的提高。如果放開尺寸和重量限制，采用多級推力裝置或者增大單級動力的體積重量，空空導彈的飛行距離可大幅提高，可實現覆蓋更大的打擊范圍。美國空軍于2019年披露的其最新型空空導彈AIM-260，攻擊距離較AIM-120D有了大幅提升，再加上美國擁有強大的空中態勢感知系統，其空空導彈的打擊能力得到了較大的增強。

從世界各國的技術項目發展情況看，利用空空導彈的特點和優勢，以現有空空導彈平臺為基礎，進行動力、 探測、 制導、 引戰等方面的適應性改進設計，將能夠快速形成空天攻防打擊能力，解決目前探測難、 跟蹤難和攔截難的困境。

3 空空導彈空天高超聲速攻防對抗的難點

使用傳統的空空導彈進行空天高超聲速目標攻防對抗存在技術難點和挑戰，具體包括作戰體系、 發射平臺和導彈本身三個方面。

3.1 作戰體系角度的難點

制空作戰包含OODA多個環節，需要作戰體系中的探測、 指揮和控制系統的支援，才能對空天高超聲速目標進行觀察、 判斷、 決策后發射導彈，進行打擊。目前，制空作戰體系中包含著衛星、 預警機等探測節點，其覆蓋的探測范圍較傳統飛機平臺更大，但是這些探測節點在設計之初大多并沒有考慮對于空天高超聲速目標的探測和跟蹤，因而無法滿足對于如此快速目標的連續探測和跟蹤，從而導致OODA循環無法閉合。

3.2 發射平臺角度的難點

目前空空導彈均由戰斗機裝載、 戰斗機發射，對于發射高度、 發射速度都有著嚴格的限制。由于戰斗機的飛行高度相對于空天高超聲速目標來說十分有限，從當前的飛行高度發射空空導彈來打擊空天高超聲速目標，需要對發射方式和導彈飛行彈道進行針對性設計，使導彈能夠覆蓋更大的攻擊范圍，才有可能完成攔截打擊任務。如果直接采用空天高超聲速飛行器平臺發射導彈進行攔截，導彈的搭載方式、 安裝方式和分離方式都將是全新的技術挑戰。

3.3 導彈本身的難點

目前美國最先進的空空導彈飛行距離大約在100 km以上，高度上可以覆蓋空天類目標，但是空天類目標覆蓋的飛行距離遠，能夠達到千公里量級，導致空空導彈僅能在一定的有限范圍內進行被動防御攔截。如果對動力系統改裝，增大空空導彈飛行距離，會增大彈體飛行過程的氣動熱積累，使得局部溫度超過2 000 ℃，氣動熱通過殼體傳遞到導彈內部，造成內部電子器件電性能漂移、 電路失穩，影響正常功能; 同時，導彈殼體長時間承受氣動壓力，會導致導彈整流罩、 導引頭頭罩等局部變形，造成殼體整體損壞。目前的導彈導引頭探測距離和探測角度限制了導彈的探測空域范圍。以雷達型空空導彈攻擊戰斗機目標為例，導彈依靠發射載機提供的目標信息，對較為確定的區域進行探測，完成中末制導交接班后對目標進行自主探測和攻擊。空天高超聲速目標飛行高度和距離覆蓋范圍大，給導彈導引頭探測范圍和制導律設計帶來挑戰。

4 空空導彈空天高超聲速攻防對抗的關鍵技術

使用空空導彈進行空天攻防對抗，需要結合具體的作戰打擊場景和導彈特性，在發射安全、 結構、 探測、 動力、 制導、 毀傷等關鍵技術方面進行針對性設計和研究。

4.1 導彈新型發射分離技術

安全發射分離是導彈平穩飛行的前提條件。空空導彈攔截空天高超聲速目標，可以考慮采用體系中其他節點發射空空導彈，需要結合具體發射平臺的結構特性、 飛行特性和作戰場景，研究并設計新型發射分離方法，如基于復雜氣流環境下的發射分離參數智能柔性輸出，高馬赫數、 激波、 氣動熱以及電離環境下的平臺一體化發射等新型發射分離方法，在確保發射平臺安全的基礎上，使導彈能以最適合的分離態勢進行預設彈道，滿足攔截目標的速度、 彈道等需求。

4.2 新型氣動熱防護結構設計技術

空空導彈穩定飛行需要保證結構完整性。使用空空導彈進行空天高超聲速攻防對抗，需要提高空空導彈的飛行距離和飛行高度，因此，要針對具體的飛行條件和環境特性，研究氣動熱環境精確預測技術。如利用新材料、 新工藝、 新結構等，改變空空導彈的表面熱物理性質，在長距離、 跨空域飛行氣動加熱過程中，有效控制彈體表面溫度，阻礙熱傳導，保證彈體內部工作溫度低于允許范圍，保證導彈殼體結構材料不產生較大的強度和剛度損失。

4.3 導彈協同探測技術

有效的目標探測和跟蹤是完成攻防對抗的前提條件，空天高超聲速目標的飛行空域廣，需要較寬的探測視場、 較遠的探測距離。傳統空空導彈受到功耗、 體積等因素限制，擴大導彈搜索探測范圍有著局限性。可采用多枚導彈協同探測技術擴大整體搜索探測范圍，需要研究多源多目標作戰場景下目標識別虛警漏警問題、 多源多目標信息融合問題、 傳感器信息分發技術、 分布式的信息融合技術等，實現對空天高超聲速目標的大范圍、 寬角度和遠距離探測。

4.4 跨域飛行導彈動力技術

為了實現空天攻防對抗，空空導彈不但要飛得更高、 還要飛得更遠，形成大范圍的覆蓋能力和大機動的打擊能力，提高打擊范圍和打擊精度。空空導彈的飛行域將從空域擴展到臨近空間域甚至太空域，需要研究新型組合動力技術、 寬適應長工時動力技術、 推力可調/可變動力技術等支持導彈跨域飛行的新型動力技術，形成空空導彈空天攻防對抗的動力基礎。

4.5 高精度快響應導彈姿態控制技術

由于攔截打擊的空天高超聲速目標飛行速度快，需要空空導彈有著極高的響應速度，因此，需要研究提高空空導彈控制系統響應速度的控制方法。此外，空空導彈飛行速度快，再加上攔截目標的飛行速度，彈目交匯的時間窗口將極為短暫，對導彈打擊精度的要求高，需要研究高精度軌跡預測技術、 極高精度的導彈控制系統設計技術，匹配探測、 動力、 毀傷等性能的需求。

4.6 網絡化制導技術

使用空空導彈對空天高超聲速目標攔截會擴大導彈飛行域，將不局限于使用戰斗機等傳統平臺進行目標探測，因此，需要研究戰場多源信息時空匹配性設計和融合技術、 網絡架構和通信節點設計技術等，利用作戰體系中的預警機、 衛星、 海基探測平臺等信息節點，對目標進行探測后直接與導彈通信，傳遞目標信息。導彈可在較遠距離處接收目標信息，預測目標的飛行軌跡，提高跟蹤打擊精度和攔截效率。

4.7 新型定制毀傷技術

空天高超聲速目標與傳統戰斗機目標相比，體積、 重量較大，需要在提高導彈戰斗部重量的同時，研究新型聚能爆破戰斗部技術、 定向燃燒戰斗部技術、 高強高密度活性合金結構材料等新型毀傷機理和毀傷材料，并針對具體的高速交會場景和攔截方式進行針對性引戰配合設計，提高毀傷概率和毀傷效能。

5 結 論

作為未來一體化戰場的重要組成部分，臨近空間和太空潛在的軍事應用價值越來越值得關注。目前，世界各國都在空天高超聲速飛行技術方面進行了探索和研究，并希望占領先機。這對國內空天防御提出了極大的挑戰，開展針對性的攻防對抗技術研究已經迫在眉睫。利用空空導彈進行空天高超聲速目標攻防對抗有著較多優勢，雖然目前還存在著較多技術難點，但是隨著智能技術、 網絡技術、 材料技術的發展和牽引，導彈結構、 氣動、 控制、 毀傷等技術將會不斷發展和進步，結合空空導彈的作戰使用特點，在作戰模式、 飛行方式、 毀傷方式等方面進行大膽創新和技術探索，將能夠形成新型空天攻防對抗技術。