煙幕遮蔽雷達型精確制導武器的作戰(zhàn)效果研究

田 浩, 榮 凱, 趙書敏

(中國空空導彈研究院, 河南 洛陽 471009)

0 引 言

隨著高科技的快速發(fā)展, 精確制導武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著越來越重要的角色, 世界各軍事強國都廣泛裝備了雷達末制導等高科技精確制導武器。 精確制導武器不僅能高精度的識別目標, 而且具有較強的抗干擾能力, 對重要的軍事目標產(chǎn)生了嚴重的威脅[1-2]。 目前針對精確制導武器有效的干擾措施分為有源干擾和無源干擾, 其中有源干擾針對性強、 效率高, 但通常成本高、 構成復雜; 而煙幕干擾是一種成本低、 效果明顯、 操作簡單的無源干擾技術。

目前, 煙幕干擾以紅外煙幕遮蔽領域釋放技術以及干擾材料研究為標志, 并且取得了顯著的作戰(zhàn)效果。 如何提高煙幕的干擾能力, 擴大其在毫米波、 厘米波等雷達制導領域的應用是未來研究和發(fā)展的趨勢[3]。 以仿真手段研究煙幕遮蔽作戰(zhàn)效能正成為當前研究熱點之一[4-6], 但對于煙幕遮蔽雷達型精確制導武器作戰(zhàn)的仿真研究未見開展。

本文在現(xiàn)有研究的基礎上分析煙幕用于雷達型精確制導武器的衰減原理, 以雷達型空空導彈為例, 建立煙幕對雷達型精確制導武器遮蔽作戰(zhàn)效果仿真模型, 在模擬實際戰(zhàn)場的基礎上分析煙幕遮蔽衰減能力、 煙幕遮蔽時長以及煙幕釋放時機對煙幕作戰(zhàn)效果的影響。

1 煙幕干擾原理

煙幕干擾在戰(zhàn)爭的應用具有悠久的歷史, 從古代戰(zhàn)爭中用自然煙霧遮蔽掩護軍隊行動和通訊; 到第一次世界大戰(zhàn)俄軍使用發(fā)煙罐釋放煙幕, 掩護部隊行動; 第二次世界大戰(zhàn)第聶伯河戰(zhàn)役、 諾曼底登陸戰(zhàn)役等多次戰(zhàn)役均使用煙幕干擾為戰(zhàn)役勝利奠定基礎[6]; 再到現(xiàn)代化戰(zhàn)爭如越南戰(zhàn)爭、 海灣戰(zhàn)爭、 俄烏戰(zhàn)爭中多次使用煙幕進行掩護、 干擾以及誘餌等軍事行動。 煙幕干擾在現(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭中將扮演越來越重要的角色。 煙幕干擾的材料及釋放方式隨著應用的擴大也在不斷改善, 從最初的針對窄波段的單一材料, 到多種材料混合的多波段干擾, 再到目前研究熱點的石墨烯纖維、 石墨烯微球等超寬波段的電磁波遮蔽新材料等, 新材料、 新技術的更新?lián)Q代將為煙幕未來的發(fā)展提供更為廣闊的空間[7]。

煙幕屬于一種典型的無源干擾技術, 根據(jù)煙幕對電磁波的作用原理不同可以將其分為輻射型干擾煙幕和消光型干擾煙幕[8]。 輻射型干擾煙幕是通過煙幕自身發(fā)生強烈化學反應產(chǎn)生大量的輻射以此掩蓋目標產(chǎn)生的特征輻射, 使探測器無法區(qū)分目標輻射和其他背景輻射, 以達到欺騙式干擾效果[9]。 消光型干擾煙幕是通過煙幕中物質(zhì)對入射的電磁波進行反射、 折射和吸收等方式降低電磁波在煙幕中的傳播能量, 使探測器無法區(qū)分目標和背景, 以達到消光式干擾效果。 其中根據(jù)煙幕材料的不同造成電磁波能量衰減的基本原理不同, 主要以散射和吸收入射的電磁波為主。

當雷達電磁波入射到煙幕中時, 煙幕材料對電磁波產(chǎn)生散射和吸收效應, 導致電磁波透過煙幕后的能量被衰減。 煙幕對雷達電磁波的影響機理, 如圖1所示。

圖1 煙幕對雷達電磁波的影響機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the impact mechanism of smoke screen on radar electromagnetic waves

依據(jù)電磁波衰減理論, 電磁波在煙幕介質(zhì)的單程透過率α1為

(1)

式中:P0為雷達發(fā)射路入射電磁波功率;P1為雷達發(fā)射路透過電磁波功率;P2為雷達接收路入射電磁波功率;P3為雷達接收路透過電磁波功率;β為煙幕材料的衰減系數(shù), 是材料本身固有的特性, 不受外界因素的影響;c為煙幕的濃度;L為電磁波在煙幕中的傳播路程(單程)。

根據(jù)雷達的工作原理, 雷達電磁波的發(fā)射路信號和接受路信號均會因穿過煙幕而能量產(chǎn)生衰減, 故煙幕對雷達電磁波會產(chǎn)生的是雙程衰減效應, 其相應的透過率α2為

(2)

目前對雷達型精確制導武器的煙幕干擾多以消光型干擾為主。 由圖1可知, 雷達型精確制導武器的基本探測原理為: 由雷達信號源發(fā)射特定的雷達電磁波, 電磁波在空間內(nèi)傳播遇到目標后部分信號能量被反射, 反射的回波信號被雷達接收單元收集, 雷達信號處理單元對回波信號進行解算處理以獲得目標的速度、 距離、 位置等一系列相關信息。 雷達型精確制導武器的目標檢測效能常用接收單元回波輸入信號的信噪比(SNR)來表征。 當回波信號的信噪比SNR高于單元信號檢測的最小閾值SNRmin時, 雷達能夠從回波中獲得目標的信息; 反之, 回波信號的信噪比SNR低于最小閾值SNRmin時, 可認為探測系統(tǒng)無法準確識別目標。 常見的雷達探測系統(tǒng)接收單元的信噪比SNR方程為[10]

(3)

式中:Pt為雷達發(fā)射的峰值功率;G為天線方向性增益;λ為雷達電磁波波長;σ為目標的雷達截面積;k為玻爾茲曼常數(shù), 取1.38×10-23J/K;Te為有效噪聲溫度;B為雷達工作帶寬;F為接收單元噪聲系數(shù);L為雷達系統(tǒng)損耗;R為雷達與探測目標之間的距離。

如圖2所示, 煙幕干擾通過在探測單元(如雷達導引頭)和目標(如戰(zhàn)機)之間施放煙幕以降低初始電磁波和回波的信號能量, 導致接收單元檢測雷達信號回波的信噪比降低, 對雷達探測目標產(chǎn)生干擾。 煙幕衰減后雷達接收單元檢測回波的信噪比SNR0為[11]:

圖2 煙幕遮蔽作戰(zhàn)效果Fig.2 Fighting effectiveness of smoke screen shielding

SNR0=SNR×α2

(4)

2 煙幕遮蔽作戰(zhàn)效果仿真模型構建

雷達型空空導彈作為一種典型的雷達型精確制導武器, 是一種作戰(zhàn)過程中由高速移動平臺發(fā)射打擊快速移動目標的高尖端精確制導武器, 對雷達末制導系統(tǒng)性能要求很高[12-13]。 本文以雷達型空空導彈為例, 建立煙幕對雷達型空空導彈遮蔽作戰(zhàn)效果仿真模型, 以評估煙幕干擾對雷達型高速精確制導武器干擾的可行性及對煙幕性能指標的要求。

雷達型空空導彈作為一種高速的精確制導武器, 其常規(guī)工作原理是導彈雷達導引頭探測系統(tǒng)發(fā)射電磁波并接收目標反射的回波, 完成對彈目之間角誤差、 相對速度等信息的測量, 制導與飛行控制系統(tǒng)結(jié)合雷達導引頭探測信息, 按照相應制導律和飛行控制算法驅(qū)動導彈舵面偏轉(zhuǎn)以改變彈體姿態(tài)和加速度, 從而控制導彈飛向目標完成作戰(zhàn)任務[14-16]。 在雷達型空空導彈工作過程中, 煙幕主要是通過衰減雷達導引頭發(fā)射信號和接收信號來干擾雷達導引頭探測系統(tǒng)對目標回波信號的獲取, 使導彈無法準確測量彈目視線角誤差、 相對速度等信息, 惡化導彈制導與飛行控制的品質(zhì), 令導彈無法精準飛向目標。 煙幕遮蔽雷達型空空導彈的工作原理如圖3所示。

圖3 煙幕遮蔽雷達型空空導彈的工作原理Fig.3 Working principle of shielding radar air-to-air missile by smoke screen

為了準確分析煙幕對雷達型空空導彈作戰(zhàn)的可行性及對煙幕性能指標的需求, 依據(jù)上述煙幕遮蔽雷達型空空導彈的工作原理, 本文建立煙幕遮蔽作戰(zhàn)效果仿真模型, 模型主要包括導彈飛行模塊和目標運動模塊。 其中, 導彈飛行模塊包括彈體運動子模塊、 雷達導引頭探測子模塊和制導與飛行控制子模塊。

彈體運動子模塊模擬導彈受力運動過程, 該子模塊以地面坐標系為基準, 利用彈道坐標系、 速度坐標系及地面坐標系之間的關系(攻角、 舵偏角、 彈道傾角等), 建立簡化的彈體六自由度運動模型, 涉及的主要運動方程包括[17]:

(5)

Zsinγv-mgcosθ

(6)

Ysinγv+Zcosγv

(7)

(8)

(9)

(10)

X=fx(Ma,α,y,δ)

(11)

Y=fy(Ma,α,δ)

(12)

式中:V為導彈速度;α為導彈攻角;β為導彈側(cè)滑角;γv為導彈速度傾斜角;Ma為馬赫數(shù);θ為彈道傾角;ψv為彈道偏角;δ為舵偏角;X為阻力;Y為升力;Z為側(cè)向力;P為推力。

雷達導引頭探測子模塊模擬雷達導引頭探測功能, 根據(jù)式(3)～(4)建立雷達導引頭對目標的探測模型和煙幕對雷達探測信號的遮蔽模型。

制導與飛行控制子模塊模擬制導律指令生成和彈體穩(wěn)定/控制等功能, 該模塊采用基于擴展比例導引律的制導模型。

目標運動模塊模擬目標飛行運動狀態(tài), 研究過程中設定目標初始狀態(tài)為沿水平固定方向恒速飛行, 自某一指定仿真時刻起, 目標做簡化的拉升機動(沿豎直向上方向)[18]。

基于上述煙幕遮蔽作戰(zhàn)效果仿真模型, 建立了煙幕遮蔽作戰(zhàn)效果仿真系統(tǒng), 如圖4所示。 利用該仿真系統(tǒng)可量化分析煙幕遮蔽衰減能力、 煙幕遮蔽時長以及煙幕釋放時機等指標參數(shù)對煙幕遮蔽作戰(zhàn)效果的影響。

圖4 煙幕遮蔽作戰(zhàn)效果仿真系統(tǒng)Fig.4 Simulation system for fighting effectiveness of smoke screen shielding

3 煙幕作戰(zhàn)效果性能仿真分析

在模擬實際戰(zhàn)場的基礎上, 對煙幕作戰(zhàn)效果性能進行仿真分析, 以雷達型空空導彈為例, 分析煙幕衰減能力、 煙幕遮蔽時長以及煙幕釋放時機對煙幕作戰(zhàn)效果的影響, 以評估煙幕對雷達型高速精確制導武器作戰(zhàn)干擾的可行性及對煙幕性能指標的要求。

3.1 煙幕衰減能力的影響

煙幕衰減能力是評價煙幕對電磁波遮蔽性能的重要指標, 與煙幕對雷達電磁波的反射、 折射和吸收能力有關, 會對煙幕的遮蔽效果產(chǎn)生重要的影響。 首先分析煙幕衰減能力對作戰(zhàn)遮蔽效果的影響。 煙幕單程衰減能力可用電磁波穿過煙幕前后的功率比來表征, 單位為dB。 進一步考慮雷達探測的工作特性, 以煙幕雙程衰減能力(單位為dB, 數(shù)值為單程的兩倍)進行分析更為合理。

現(xiàn)設定戰(zhàn)機目標坐標為(60 000, 10 000, 2 000), 其中x,y為水平方向,z為豎直方向。 戰(zhàn)機以速度100 m/s沿著x軸方向勻速飛行, 雷達型空空導彈坐標為(0, 11 000, 0), 發(fā)射后對戰(zhàn)機進行攔截。 戰(zhàn)機發(fā)現(xiàn)被空空導彈鎖定后適當?shù)臅r刻發(fā)射煙幕彈進行攔截, 在戰(zhàn)機被導彈雷達捕獲后延遲5 s形成干擾煙幕對空空導彈的探測信號進行干擾, 煙幕持續(xù)時間5 s。 戰(zhàn)機在剩余飛行時間10 s時刻以6g過載機動進行規(guī)避逃逸, 仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 煙幕衰減能力對導彈命中概率的影響Fig.5 The influence of smoke screen attenuation ability on missile hit probability

仿真結(jié)果表明:

(1) 當戰(zhàn)機被空空彈鎖定后, 在不釋放煙幕或者煙幕對雷達電磁波的遮蔽效果很小的情況下, 僅采取常規(guī)的機動躲避, 戰(zhàn)機被空空導彈成功攔截的概率在90%以上。 仿真條件下, 戰(zhàn)機通過常規(guī)的機動難以躲避導彈的攔截。 當戰(zhàn)機發(fā)現(xiàn)被導彈雷達鎖定后, 發(fā)射煙幕彈對來襲導彈的探測信號進行干擾, 并適時作機動躲避。 當煙幕的信號衰減能力大于23 dB時, 導彈對戰(zhàn)機攔截的脫靶量明顯增加, 命中概率大幅度降低。

(2) 煙幕遮蔽能力超過一定值后, 雷達型空空導彈受煙幕干擾命中概率急劇降低, 且煙幕濃度越高, 導彈探測信號受煙幕干擾越嚴重, 探測模塊測量誤差越大, 最終導致導彈脫靶。 煙幕對攔截彈的干擾主要是降低探測回波信號的信噪比, 煙幕衰減能力越高會造成探測信號的信噪比越低, 導致導彈探測模塊更大的測量誤差。 當回波信號的信噪比低于閾值以后, 使得探測系統(tǒng)難以從回波中檢測出目標信號, 致使攔截能力急劇降低。

3.2 煙幕遮蔽時長的影響

煙幕遮蔽時長是煙幕對探測信號干擾的持續(xù)時間, 是影響煙幕作戰(zhàn)效果的重要指標之一, 其與煙幕材料沉降速率、 煙幕施放環(huán)境以及煙幕釋放初始速度等因素有關。 現(xiàn)設定在相同位置發(fā)射空空導彈對戰(zhàn)機進行攔截, 戰(zhàn)機發(fā)現(xiàn)被導彈雷達鎖定后, 適當?shù)臅r刻發(fā)射煙幕彈進行攔截, 在戰(zhàn)機被雷達導引頭捕獲后延遲5 s形成干擾煙幕對導彈雷達的探測信號進行干擾, 煙幕的衰減能力為23 dB (5/1 000)。 戰(zhàn)機在剩余飛行時間10 s時刻以6g過載機動進行規(guī)避逃逸, 仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 煙幕持續(xù)時間對導彈命中概率的影響Fig.6 The influence of smoke screen duration on missile hit probability

仿真結(jié)果表明: 隨著煙幕持續(xù)時間的增加, 導彈對戰(zhàn)機的攔截能力迅速降低。 仿真條件下, 煙幕對雷達信號的遮蔽時長大于5 s時, 導彈對戰(zhàn)機攔截的脫靶量明顯增加, 攔截能力大幅度降低。 導彈探測信號受到煙幕干擾后, 雷達探測的回波信號信噪比降低, 隨著煙幕遮蔽時長的增加, 持續(xù)的低信噪比回波信號使得制導控制回路中存在長時間的制導控制誤差, 使導彈制導的脫靶量增加, 命中能力降低, 導致導彈的攔截能力顯著降低。

3.3 煙幕釋放時機的影響

煙幕釋放時機對煙幕的遮蔽作戰(zhàn)效果有顯著的影響, 適時釋放煙幕可有效提高煙幕對雷達探測信號的干擾能力。 現(xiàn)設定在相同位置發(fā)射空空導彈對戰(zhàn)機進行攔截, 戰(zhàn)機發(fā)現(xiàn)被導彈雷達鎖定后, 適當?shù)臅r刻發(fā)射煙幕彈進行干擾攔截, 煙幕的衰減能力為23 dB, 戰(zhàn)機在剩余飛行時間10 s時刻以6g過載機動進行規(guī)避逃逸。 導彈的探測雷達捕獲戰(zhàn)機時刻為煙幕對探測信號干擾的起始時刻, 以此時刻為延遲的開始時刻, 仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 煙幕施放時機對導彈命中概率的影響Fig.7 The influence of smoke screen release timing on missile hit probability

仿真結(jié)果表明: 隨著煙幕釋放延遲時間的減小, 煙幕的干擾能力逐漸增加, 導彈的攔截能力逐漸降低。 煙幕干擾的本質(zhì)是對導彈探測電磁波進行衰減, 隨著煙幕釋放延遲時間的減小, 導彈與戰(zhàn)機的相對距離大, 目標回波信噪比更小, 此時對探測信號進行煙幕干擾會導致目標回波信噪比減小比例相對更大, 導彈的探測模塊產(chǎn)生較大的測角誤差, 導彈制導脫靶量增加, 命中概率急劇降低。

4 結(jié) 論

本文主要探討了煙幕對抗精確制導武器的干擾原理, 并在此基礎上以雷達型空空導彈為例, 建立了煙幕對雷達型精確制導武器作戰(zhàn)遮蔽效果仿真模型, 對煙幕的作戰(zhàn)遮蔽效果及煙幕衰減能力的影響、 煙幕遮蔽時長以及煙幕釋放時機等性能指標進行仿真研究。

仿真結(jié)果表明, 煙幕衰減能力、 煙幕遮蔽時長、 煙幕釋放時機等性能指標對煙幕的作戰(zhàn)遮蔽效果具有明顯的影響。 通過提高煙幕的衰減能力, 提高煙幕作戰(zhàn)的遮蔽時長, 適當?shù)臅r機釋放煙幕可以有效提高煙幕對雷達型精確制導武器的作戰(zhàn)遮蔽效果。 戰(zhàn)機被雷達型精確制導武器攔截時, 通過釋放煙幕干擾可以有效降低被攔截的概率, 提高戰(zhàn)場生存能力。