李劍斌，譚賢四，王 紅，李志淮

(1.空軍預(yù)警學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，武漢 430019;2.空軍預(yù)警學(xué)院 二系，武漢 430019)

0 引言

臨近空間高超聲速飛行器可用于偵察監(jiān)視、兵力投送和全球打擊［1-2］，受到世界主要軍事強(qiáng)國(guó)的重視。美國(guó)、俄羅斯以及印度、韓國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)都投入了大量經(jīng)費(fèi)，積極開(kāi)展各類臨近空間高超聲速飛行試驗(yàn)［3-5］，對(duì)傳統(tǒng)的空防安全構(gòu)成了極大的威脅，急需建立相應(yīng)的防御系統(tǒng)。因此，預(yù)警系統(tǒng)作為NSHT 防御系統(tǒng)的重要組成部分，分析上升段NSHT攔截作戰(zhàn)對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的需求具有重要的意義。

1 上升段NSHT 攔截的優(yōu)勢(shì)及挑戰(zhàn)

NSHT 是一類飛行在距離地面20～100 km 空域的飛行器，能夠在1 h 內(nèi)對(duì)全球時(shí)間敏感目標(biāo)進(jìn)行精確打擊，具備飛行速度快(大于5 Ma）、巡航高度高(20～100 km）、突防能力強(qiáng)(RCS 可達(dá)0.01 m2）等特點(diǎn)［6］。航跡可以分為上升段、巡航段以及俯沖攻擊段。上升段攔截發(fā)生在NSHT 進(jìn)入超燃沖壓工作模式之前。

攔截上升段NSHT 具有很強(qiáng)的吸引力，因?yàn)樘幱谏仙蔚腘SHT 紅外特征明顯，易于探測(cè);同時(shí)，也不易釋放誘餌;上升段攔截發(fā)生在發(fā)射國(guó)境內(nèi)或邊境，對(duì)發(fā)射國(guó)可以造成極大的威懾;此外，由于飛行器尚未進(jìn)入超然沖壓工作，目標(biāo)速度較小。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作的條件大致為飛行馬赫數(shù)達(dá)到6，因此目標(biāo)上升段的平均速度為最大速度的一半［7］，即為3 Ma。

上升段攔截，有效的作戰(zhàn)時(shí)間十分有限，在50 km以下進(jìn)行攔截，攔截作戰(zhàn)時(shí)間在40 s左右;在90 km以下攔截，攔截作戰(zhàn)時(shí)間可以增加到80 s左右。在如此短的時(shí)間內(nèi)攔截彈需要加速到目標(biāo)速度的數(shù)倍，對(duì)攔截武器的推進(jìn)系統(tǒng)及機(jī)動(dòng)能力等提出了較高的要求，同時(shí)也對(duì)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)。

2 上升段NSHT 攔截模型

2.1 上升段攔截方案

上升段攔截方案包括陸基或?；鶆?dòng)能武器、機(jī)載動(dòng)能武器和機(jī)載激光武器等。美國(guó)物理學(xué)會(huì)認(rèn)為陸基動(dòng)能武器成功反助推段洲際彈道導(dǎo)彈是悲觀的，原因在于需要攔截彈具有極高的關(guān)機(jī)速度和橫向機(jī)動(dòng)過(guò)載［8］。因此，考慮通過(guò)機(jī)載動(dòng)能攔截彈對(duì)助推段NSHT 進(jìn)行攔截;一方面，使用載機(jī)可以把作戰(zhàn)位置推進(jìn)到發(fā)射國(guó)邊境，從而減小對(duì)攔截彈殺傷距離的要求，另一方面，作戰(zhàn)位置的向前延伸可以減小攔截彈的速度需求。對(duì)于激光武器等新概念武器，由于其可以快速照射到目標(biāo)對(duì)其實(shí)施作戰(zhàn)，使用新概念武器進(jìn)行攔截可以降低對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的要求，因此基于機(jī)載動(dòng)能武器分析預(yù)警系統(tǒng)的需求，其結(jié)果對(duì)于激光武器等新概念武器是適用的。

2.2 空基攔截模型

反NSHT 作戰(zhàn)，需要將指揮控制系統(tǒng)、攔截武器系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)有效地集成到一起，充分地一體化并相互深度鉸鏈，從而對(duì)來(lái)襲NSHT 進(jìn)行全程探測(cè)、跟蹤、識(shí)別和攔截。而分析預(yù)警系統(tǒng)的需求，必須充分考慮攔截武器的限制。因此，本文作以下假設(shè):(1）武器平臺(tái)飛行高度在20 km左右的高空，具備在指定時(shí)間內(nèi)飛抵距離發(fā)射點(diǎn)100 km 范圍之內(nèi)的能力;(2）攔截彈具有足夠的殺傷距離，即滿足式;(3）攔截彈的速度達(dá)到目標(biāo)速度的3 倍。發(fā)射攔截彈的條件是，預(yù)警系統(tǒng)在目標(biāo)飛抵ht高度時(shí)能夠?qū)⑵滏i定，并且跟蹤精度滿足發(fā)射攔截彈的要求，假設(shè)在目標(biāo)到達(dá)15 km 高度時(shí)，即可發(fā)射攔截彈攔截，建立空基攔截幾何如圖1所示。

圖1 空基攔截幾何

成功攔截，攔截彈應(yīng)滿足以下條件:

其中，Rm為攔截點(diǎn)與攔截彈發(fā)射點(diǎn)的距離，ht為目標(biāo)所在的高度，H 是攔截彈投放時(shí)刻攔截點(diǎn)與目標(biāo)的相對(duì)高度，h 是攔截彈投放時(shí)與目標(biāo)的相對(duì)高度，Rh為攔截彈與目標(biāo)的視線距離，Dm為攔截點(diǎn)與攔截彈發(fā)射點(diǎn)的水平距離，Hmmax和Hmmin分別是攔截彈殺傷距離的高界和低界。

3 預(yù)警系統(tǒng)能力需求分析

成功攔截NSHT的關(guān)鍵是預(yù)警系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)、跟蹤、識(shí)別。本節(jié)就上升段攔截對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的能力需求進(jìn)行分析。

3.1 作用距離需求

碰撞時(shí)目標(biāo)飛行距離Rt=Vt·t，攔截彈飛行距離Rm=Vm·t，成功攔截的條件為

目標(biāo)與攔截彈發(fā)射點(diǎn)(或者空基平臺(tái)的位置）的距離為

NSHT發(fā)射時(shí)，攔截平臺(tái)與NSHT發(fā)射點(diǎn)的水平距離應(yīng)滿足:

式中γ 是攔截彈發(fā)射前攔截平臺(tái)與目標(biāo)速度之比。因此，機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)的探測(cè)距離和跟蹤距離分別滿足式(6）和式(7）:

圖2 仿真了在50 km和90 km 攔截目標(biāo)時(shí)機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)所需滿足的作用距離?？紤]攔截彈速度達(dá)到目標(biāo)速度3 倍的情況，在50 km 以下進(jìn)行攔截，機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)的探測(cè)跟蹤制導(dǎo)距離需要達(dá)到150 km左右;在90 km 以下攔截，探測(cè)跟蹤距離需要達(dá)到300 km左右。圖3 是在50 km和90 km 高度實(shí)施攔截的仿真?？梢?jiàn)，隨著攔截高度的升高，在攔截彈殺傷距離允許的情況下，空中平臺(tái)可以在距離目標(biāo)發(fā)射點(diǎn)更遠(yuǎn)的距離發(fā)射攔截彈，因此機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)跟蹤距離需求將增加。

圖2 機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)作用距離需求

圖3 不同高度攔截時(shí)目標(biāo)和攔截彈運(yùn)動(dòng)情況

3.2 跟蹤精度需求分析

攔截彈發(fā)射前，需要對(duì)攔截點(diǎn)作出預(yù)測(cè)，由于對(duì)目標(biāo)狀態(tài)和意圖的估計(jì)不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致預(yù)測(cè)的攔截點(diǎn)與實(shí)際的攔截點(diǎn)存在誤差，攔截彈需要橫向機(jī)動(dòng)過(guò)載來(lái)修正航向誤差。攔截彈的機(jī)動(dòng)過(guò)載增加，將需要攜帶更多的燃料，從而導(dǎo)致攔截彈的成本增加，同時(shí)攔截彈的重量增加也不利于攔截彈快速加速。因此，預(yù)警系統(tǒng)需要提供高精度的跟蹤信息，以減小攔截彈的機(jī)動(dòng)過(guò)載需求。

考慮理想的情況，攔截彈航向誤差完全由目標(biāo)航向探測(cè)誤差導(dǎo)致。假設(shè)δ為目標(biāo)航向探測(cè)誤差，攔截彈航向誤差滿足下式:

航向誤差需要的加速度通過(guò)下式進(jìn)行估計(jì)［9］:

式中，N 是導(dǎo)航比，He是航向角(弧度）誤差，tf是修正航向誤差的機(jī)動(dòng)飛行時(shí)間。

考慮在50 km 以下高度進(jìn)行攔截，攔截作戰(zhàn)的時(shí)間大約為40 s，假設(shè)攔截彈勻加速運(yùn)動(dòng)，航向誤差導(dǎo)致的攔截彈機(jī)動(dòng)如圖3所示。仿真結(jié)果表明，在剩余飛行時(shí)間較多的情況下，只要能夠及時(shí)反饋航向誤差的信息，可以在目標(biāo)航向探測(cè)誤差較大的情況下發(fā)射攔截彈。圖4 是攔截彈所需的加速度隨機(jī)動(dòng)時(shí)間的變化曲線，仿真條件為目標(biāo)航向探測(cè)誤差2°。仿真結(jié)果表明，在修正相同航向誤差的情況下，所需的機(jī)動(dòng)加速度隨剩余機(jī)動(dòng)時(shí)間的減小而增大。因此，預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)盡早提供準(zhǔn)確的目標(biāo)航向，以減小所需機(jī)動(dòng)加速度。

圖4 初始航向誤差引起的攔截彈機(jī)動(dòng)過(guò)載

圖5 攔截彈的機(jī)動(dòng)過(guò)載需求

攔截彈的機(jī)動(dòng)過(guò)載不僅要用于修正預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)誤差導(dǎo)致的航向誤差，而且還要用于修正目標(biāo)機(jī)動(dòng)引起的航向誤差。由于目標(biāo)機(jī)動(dòng)所需的攔截彈機(jī)動(dòng)過(guò)載與制導(dǎo)方法及目標(biāo)的機(jī)動(dòng)能力有關(guān)，在優(yōu)化制導(dǎo)律的情況下，攔截彈所需的過(guò)載僅需比目標(biāo)的機(jī)動(dòng)過(guò)載稍大［10］。臨近空間飛行器尚處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，其可能的機(jī)動(dòng)過(guò)載為2～4 g［6］。因此，理論上，目標(biāo)機(jī)動(dòng)所需的攔截彈機(jī)動(dòng)過(guò)載將要達(dá)到4 g 以上。在50 km 以下攔截時(shí)，保守估計(jì)，攔截彈的末速度將要達(dá)到12 Ma，考慮攔截彈勻加速運(yùn)動(dòng)，沿視線方向的加速度需要達(dá)到11 g，即使攔截彈的機(jī)動(dòng)過(guò)載可以達(dá)到目標(biāo)的3 倍，即12 g，可用于應(yīng)對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)和探測(cè)誤差導(dǎo)致的航向誤差的機(jī)動(dòng)過(guò)載將小于5 g?？梢?jiàn)，用于修正預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)誤差的機(jī)動(dòng)過(guò)載將十分有限。因此，對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的探測(cè)跟蹤精度提出了更高的要求，尤其是末制導(dǎo)階段，對(duì)精度的要求將更加苛刻。

綜上所述，盡管假設(shè)預(yù)警系統(tǒng)在目標(biāo)飛抵15 km高度時(shí)即發(fā)射攔截彈對(duì)其進(jìn)行攔截，仍然對(duì)攔截武器提出了比較苛刻的要求。因此，實(shí)現(xiàn)上升段NSHT 攔截，預(yù)警系統(tǒng)需具備必要的能力。

(1）遠(yuǎn)距離快速預(yù)警探測(cè)能力

盡管假設(shè)目標(biāo)飛抵15 km 高度時(shí)預(yù)警系統(tǒng)能夠提供滿足精度要求的目標(biāo)信息，仍然對(duì)攔截武器提出了比較苛刻的要求，因此預(yù)警系統(tǒng)需要在NSHT發(fā)射后十幾秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行探測(cè)并發(fā)出預(yù)警信息。對(duì)可能發(fā)射NSHT的區(qū)域進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視是盡早發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵，高軌紅外預(yù)警衛(wèi)星覆蓋面廣，且NSHT 在上升段紅外特征明顯。因此，高軌紅外探測(cè)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離快速預(yù)警的主要裝備。

(2）快速精確跟蹤制導(dǎo)能力

在20－100 km的高度攔截彈需要采用氣動(dòng)力/直接力復(fù)合控制的方式，為了減少燃料的需求和控制的難度，預(yù)警系統(tǒng)需要盡早提供目標(biāo)的航向信息。此外，還需要盡快對(duì)目標(biāo)的機(jī)動(dòng)能力進(jìn)行估計(jì)。由于作戰(zhàn)地點(diǎn)遠(yuǎn)離本土，由于受地球曲率影響，地面大型相控陣?yán)走_(dá)可能無(wú)法滿足早期的跟蹤制導(dǎo)需求。高軌紅外探測(cè)設(shè)備探測(cè)精度過(guò)低，也不能滿足精確跟蹤需求。因此，可行的方法是通過(guò)機(jī)載的雷達(dá)、紅外等探測(cè)設(shè)備和低軌探測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)精確跟蹤制導(dǎo)。

(3）高精度目標(biāo)識(shí)別能力

由于NSHT 上升段的尾焰長(zhǎng)達(dá)幾百米，因此預(yù)警系統(tǒng)還需要具備高精度的目標(biāo)識(shí)別能力，能夠從幾百米長(zhǎng)的尾焰中準(zhǔn)確識(shí)別出NSHT 并引導(dǎo)攔截彈直接碰撞殺傷。為了完成對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別，需要對(duì)各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，需要先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理能力以及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別出目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立空基動(dòng)能武器攔截上升段NSHT的攔截模型，分析了預(yù)警系統(tǒng)的能力需求。本文的結(jié)果對(duì)NSHT 預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

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