劉詩(shī)華 李德芳 申正義

(1.空軍預(yù)警學(xué)院二系 武漢 430019)(2.空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019)

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天波超視距雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈性能研究*

劉詩(shī)華1李德芳1申正義2

(1.空軍預(yù)警學(xué)院二系 武漢 430019)(2.空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019)

研究了天波雷達(dá)探測(cè)對(duì)彈道導(dǎo)彈的探測(cè)性能。研究從天波雷達(dá)探測(cè)火箭的機(jī)理和方式入手,分析了基于箭體、尾焰和人工電離層洞等三種探測(cè)方式。從雷達(dá)截面積(RCS)的角度對(duì)天波雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈和隱身飛機(jī)的性能進(jìn)行了比較。最后,基于天波雷達(dá)探測(cè)火箭的方式,研究了天波雷達(dá)探測(cè)潛射彈道導(dǎo)彈的探測(cè)性能。

天波超視距雷達(dá); 彈道導(dǎo)彈; 探測(cè)性能

Class Number TN958

1 引言

在早期的天波超視距雷達(dá)(簡(jiǎn)稱天波雷達(dá))應(yīng)用中,一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是監(jiān)視遠(yuǎn)程及超遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈的發(fā)射。隨著天波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、潛射彈道導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)群及艦隊(duì)的動(dòng)向,以便早期發(fā)現(xiàn)并攔截組織[1]。

彈道導(dǎo)彈是一類特殊的目標(biāo),它具有飛行距離遠(yuǎn)、飛行速度快、回波相干性差、相干積累效果不明顯等特點(diǎn)[2～3],對(duì)其觀測(cè)既與觀測(cè)常規(guī)的空中目標(biāo)有相似之處,又有其獨(dú)特的機(jī)理和方法。因此,對(duì)彈道導(dǎo)彈的觀測(cè)需要充分考慮彈體本身和天波雷達(dá)工作環(huán)境的特點(diǎn),采用多種途徑完成彈道導(dǎo)彈的探測(cè)任務(wù)。

由于數(shù)據(jù)來(lái)源有限,天波雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈的可行性和性能無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證。然而,天波雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈的原理和方式與探測(cè)運(yùn)載火箭相類似,并且據(jù)資料記載,中國(guó)電波傳播研究所早期利用26MHz高頻雷達(dá)在外場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了大型運(yùn)載火箭主動(dòng)段的觀測(cè)[1]?；诖?本文從天波雷達(dá)探測(cè)運(yùn)載火箭的原理和方式入手,圍繞彈道導(dǎo)彈觀測(cè)的可行性與性能重點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

2 天波雷達(dá)探測(cè)火箭的機(jī)理與方式

1) 基于箭體的探測(cè)

理論上,探測(cè)火箭的回波應(yīng)該由兩部分組成,一個(gè)是火箭本體的箭體回波,一個(gè)是火箭強(qiáng)大的噴焰回波。箭體可被看作空中目標(biāo)的一類,其散射截面積與尺寸、形狀、飛行姿態(tài)、雷達(dá)工作波長(zhǎng)以及極化方式有關(guān)?；诩w的探測(cè)與常規(guī)目標(biāo)探測(cè)原理相似,在此不多作贅述。

2) 基于火箭尾焰的探測(cè)

火箭在發(fā)射時(shí),會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的噴焰回波(即尾焰),高頻電波照射到這個(gè)尾焰上,會(huì)產(chǎn)生比照射火箭本體大得多的雷達(dá)散射截面?；鸺龂娧媸且环N特殊的傳播媒質(zhì),它們是推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴管噴出的一種高溫高速的湍動(dòng)氣流,是一種稠密不均勻的弱電離復(fù)雜等離子體(又稱為塵埃等離子體),呈現(xiàn)出氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)顆粒混合物,其中含有多種化學(xué)物質(zhì)成分,在一定的噴焰體積內(nèi),電子濃度可以超過(guò)10個(gè)/cm3?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)噴焰是一種電子濃度和碰撞頻率遠(yuǎn)比電離層高、湍動(dòng)起伏異常劇烈的不均勻等離子體?；鸺诟呖诊w行時(shí),噴焰將形成比彈體大幾倍、甚至幾十倍的等離子體區(qū)域。對(duì)高頻段的電波,這些等離子體團(tuán)是很好的散射體。因此,噴焰增大了主動(dòng)飛行段火箭的高頻雷達(dá)截面。

但是,在電離層以下的空域內(nèi)(電離層高度為60km～1000km),由于大氣濃度比較高,即使火箭噴焰回波使得空氣分子發(fā)生電離,也會(huì)迅速被周圍的大氣分子所吸收,無(wú)法形成有效的等離子體,因此該階段雷達(dá)基本無(wú)法發(fā)現(xiàn)火箭的尾焰回波。

3) 基于人工電離層洞的探測(cè)

運(yùn)載火箭進(jìn)入電離層后,雷達(dá)若無(wú)法直接觀測(cè)到火箭和噴焰,還可以利用人工電離層洞進(jìn)行觀測(cè)。火箭在飛行過(guò)程中,火箭噴焰中的大量氫和水分子引起電離層的大量電子復(fù)合,形成總電子含量比背景總電子含量低很多的一片區(qū)域,這片區(qū)域即為人工電離層洞。天波雷達(dá)可以探測(cè)到電離層洞,從而推測(cè)火箭目標(biāo)的存在。

3 天波雷達(dá)彈道導(dǎo)彈與隱身飛機(jī)探測(cè)性能比較

1) 隱身技術(shù)

以減小雷達(dá)截面積為目的的隱身技術(shù),包括以下四種基本方法,即外形隱身技術(shù)、雷達(dá)吸波材料隱身技術(shù)、無(wú)源對(duì)消技術(shù)和有源對(duì)消技術(shù),但目前最常用和最為有效的是外形隱身技術(shù)和雷達(dá)吸波材料隱身技術(shù)[4]。其中,外形隱身主要通過(guò)修改目標(biāo)的表面和邊緣,使其強(qiáng)散射方向偏離單站雷達(dá)來(lái)波方向?qū)崿F(xiàn)隱身目的;雷達(dá)吸波材料隱身主要通過(guò)雷達(dá)吸波材料吸收雷達(dá)能量,降低反射能量達(dá)到隱身效果。

2) 目標(biāo)特性

目前,國(guó)外典型隱身飛機(jī)的目標(biāo)特性(RCS)如表1所示。

表1 國(guó)外典型隱身飛機(jī)的目標(biāo)特性

從表1中可以看出,目前國(guó)外典型隱身飛機(jī)的RCS主要在0.001m2～1m2(-30dBm2～0dBm2)的范圍內(nèi)。

作為天波雷達(dá)的探測(cè)對(duì)象之一,國(guó)外典型潛射彈道導(dǎo)彈的目標(biāo)特性如表2所示。

表2 國(guó)外典型潛射彈道導(dǎo)彈的目標(biāo)特性[5～9]

在高頻波段,具有如表2所示類似尺寸的彈道導(dǎo)彈其RCS大約在10m2～100m2(10dBm2～20dBm2)的范圍內(nèi)[1]。與表1中隱身飛機(jī)的RCS相比,彈道導(dǎo)彈彈體的RCS要遠(yuǎn)大于隱身飛機(jī),因此,但從RCS的數(shù)據(jù)本身來(lái)看,在其它條件相同的情況下,雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈的性能要優(yōu)于探測(cè)隱身飛機(jī)的性能。

3) 天波雷達(dá)探測(cè)隱身飛機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

如前所述,目前隱身飛機(jī)的隱身手段主要是材料隱身和外形隱身。對(duì)于材料隱身來(lái)說(shuō),吸波材料只對(duì)一定頻率范圍的電磁波有效,亦即,對(duì)一定頻率范圍的電磁波吸收效果較好,頻率越低,吸收效果越差。米波雷達(dá)和高頻雷達(dá)的工作頻率在吸波材料的有效頻率范圍之外,因此,它們可以有效地探測(cè)隱身飛機(jī)。天波雷達(dá)屬于高頻雷達(dá)的一種,它的工作頻率很低,材料隱身對(duì)其影響不大。以上分析主要針對(duì)基于目標(biāo)RCS探測(cè)目標(biāo)的雷達(dá)而言,無(wú)源雷達(dá)是一種特殊的雷達(dá)體制,它不是靠目標(biāo)RCS探測(cè)目標(biāo),而是偵收機(jī)載電子設(shè)備輻射的電磁波來(lái)探測(cè)目標(biāo)。因此,它對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)也有一定的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于外形隱身而言,當(dāng)飛機(jī)以正常姿態(tài)飛行時(shí),陸基雷達(dá)的電磁波主要照射的是飛機(jī)底部和頭部,因此,為了減小反射能量,達(dá)到隱身目的,隱身飛機(jī)外形隱身的設(shè)計(jì)主要是在飛機(jī)的底部和頭部,以及將其設(shè)計(jì)成較為復(fù)雜的外形,使雷達(dá)電磁波形成散射,減小反射的能量,雷達(dá)無(wú)法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。天波雷達(dá)主要是通過(guò)電離層的折射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)的探測(cè),飛機(jī)以正常姿態(tài)飛行時(shí),雷達(dá)電磁波照射的是飛機(jī)的頂部(背部),而隱身飛機(jī)的頂部通常沒(méi)有進(jìn)行外形隱身處理,對(duì)于天波超視距雷達(dá)來(lái)說(shuō),探測(cè)隱身飛機(jī)和探測(cè)非隱身飛機(jī)的前提條件是相同的,外形隱身也對(duì)天波雷達(dá)影響不大。

圖1給出了某典型隱身強(qiáng)擊機(jī)RCS的頻率響應(yīng)估計(jì)曲線。在圖中,極化方式為水平極化,θ為入射波俯視角(即入射射線與水平面的夾角),φ為水平方位角。從圖中可以看出,由于天波雷達(dá)的工作頻段和探測(cè)方式,使得對(duì)于常規(guī)陸基微波雷達(dá)而言的較好隱身性能完全失效,飛機(jī)的RCS從-30dBm2～0dBm2變?yōu)?3dBm2～30dBm2,目標(biāo)發(fā)現(xiàn)的概率大大增加。綜上所述,隱身飛機(jī)的材料隱身和外形隱身等手段都不能影響天波雷達(dá)的探測(cè),雷達(dá)對(duì)隱身飛機(jī)的具有獨(dú)特的探測(cè)優(yōu)勢(shì),其探測(cè)性能要優(yōu)于對(duì)彈道導(dǎo)彈的探測(cè)性能。

圖1 某典型隱身飛機(jī)RCS的頻率響應(yīng)估計(jì)曲線

4 基于火箭探測(cè)機(jī)理的天波雷達(dá)彈道導(dǎo)彈探測(cè)

如前所述,天波超視距雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈的原理和方式與運(yùn)載火箭的原理和方式相同,亦即,包括基于彈體本身的探測(cè),基于尾焰的探測(cè)和基于人工電離層洞的探測(cè)。

1) 基于彈體的探測(cè)

從理論上看,天波雷達(dá)可以通過(guò)彈體實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道導(dǎo)彈的探測(cè),結(jié)合現(xiàn)有的資料分析,天波雷達(dá)僅通過(guò)彈體RCS來(lái)探測(cè)彈道導(dǎo)彈的效果并不理想,通常情況下要結(jié)合尾焰的強(qiáng)RCS對(duì)彈道導(dǎo)彈進(jìn)行探測(cè)。

2) 基于尾焰的探測(cè)

從前面的分析可以得知,天波雷達(dá)只有在電離層中才能有效地對(duì)彈道導(dǎo)彈的尾焰進(jìn)行探測(cè),這就要求彈道導(dǎo)彈在火箭關(guān)機(jī)點(diǎn)之前的飛行高度必須達(dá)到60km以上,即彈道導(dǎo)彈在關(guān)機(jī)點(diǎn)之前應(yīng)飛入電離層中。

對(duì)于美國(guó)的D5(三叉戟Ⅱ)型潛射彈道導(dǎo)彈,其工作過(guò)程如下[10]:當(dāng)發(fā)射導(dǎo)彈程序的倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí),操作手按下發(fā)射按鈕,發(fā)射系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)射器開(kāi)始工作,將導(dǎo)彈彈射出發(fā)射筒;導(dǎo)彈依靠出筒初速向水面前行;躍出水面一定高度時(shí),導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作,熄火后被拋離;然后二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作,同樣熄火后被拋離;飛出大氣層(90km高度以上)后,整流罩分離;接著按預(yù)定的要求逐個(gè)釋放子彈頭;最后子彈頭奔向各自擬攻擊的目標(biāo)。

此外,彈道導(dǎo)彈的一些主要飛行參數(shù)如表3所示。

表3 國(guó)外典型潛射彈道導(dǎo)彈的目標(biāo)特性[11]

由表2可知,美俄潛射彈道導(dǎo)彈的射程均在7000km以上。結(jié)合美國(guó)D5型潛射彈道導(dǎo)彈的工作過(guò)程和表3可以看出,在關(guān)機(jī)點(diǎn)之前,美俄主流潛射彈道導(dǎo)彈的飛行高度基本上可以超過(guò)60km的高度,進(jìn)入電離層中,從而滿足天波雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈的條件。因此,利用彈道導(dǎo)彈的尾焰,天波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛射彈道導(dǎo)彈的探測(cè)。

3) 基于人工電離層洞的探測(cè)

基于人工電離層洞對(duì)彈道導(dǎo)彈進(jìn)行探測(cè)的條件同樣是要求彈道導(dǎo)彈在關(guān)機(jī)點(diǎn)前的飛行高度要進(jìn)入電離層中,通過(guò)基于尾焰的探測(cè)分析可知,彈道導(dǎo)彈關(guān)機(jī)點(diǎn)前的飛行高度滿足條件,天波雷達(dá)可以基于人工電離層洞對(duì)彈道導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)探測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

在彈道導(dǎo)彈的主動(dòng)段,根據(jù)導(dǎo)彈飛行高度的不同,天波雷達(dá)對(duì)其實(shí)現(xiàn)探測(cè)有三種途徑: 1) 電離層以下,基于彈體的探測(cè); 2) 電離層中,基于尾焰的探測(cè); 3) 電離層中,基于人工電離層洞的探測(cè)。由于對(duì)尾焰探測(cè)過(guò)程中包含了對(duì)彈體的探測(cè),其RCS是兩者的總和,嚴(yán)格的講,第二種方式是對(duì)彈體加尾焰的探測(cè)。

探測(cè)彈道導(dǎo)彈與探測(cè)隱身飛機(jī)相比較。目前,隱身飛機(jī)采用的隱身手段主要是材料隱身和外形隱身,這兩種隱身方式對(duì)天波超視距雷達(dá)來(lái)說(shuō)效果不明顯,因此,盡管隱身飛機(jī)對(duì)其它常規(guī)地基雷達(dá)具有較好的隱身性能,RCS非常小,但對(duì)于天波雷達(dá)來(lái)說(shuō),和其它非隱身飛機(jī)是一樣的,其RCS也大于彈道導(dǎo)彈的RCS。因此,從理論上講,對(duì)于天波雷達(dá)而言,彈道導(dǎo)彈比隱身飛機(jī)更加難以探測(cè)。

基于火箭探測(cè)機(jī)理的彈道導(dǎo)彈探測(cè)。天波雷達(dá)探測(cè)彈道導(dǎo)彈的原理和途徑與探測(cè)火箭相類似,也是從彈體、尾焰和人工電離層洞去探測(cè)?；趶楏w的探測(cè)性能不佳,而彈道導(dǎo)彈在主動(dòng)段可以進(jìn)入到電離層中,因此利用尾焰和人工電離層洞可以實(shí)現(xiàn)彈道導(dǎo)彈的探測(cè)。

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Study of Detection Performance of Skywave OTHR on Ballistic Missile

LIU Shihua1LI Defang1SHEN Zhengyi2

(1. Department 2, Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019) (2. Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019)

The detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is studied. The study is based on the detection mechanism and methods of skywave OTHR on rocket. The three detection methods, which based on rocket body, plume and artificial ionosphere hole, are analyzed. As viewed from the RCS, the detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is compared to the performance of skywave OTHR on stealth aircraft. Finally, based on the methods of skywave OTHR on rocket, the detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is researched.

skywave OTHR, ballistic missile, detection performance

2015年2月12日,

2015年3月23日

劉詩(shī)華,男,博士,講師,研究方向:戰(zhàn)略預(yù)警裝備關(guān)鍵技術(shù)。李德芳,女,碩士,講師,研究方向:戰(zhàn)略預(yù)警裝備關(guān)鍵技術(shù)。申正義,男,碩士,講師,研究方向:預(yù)警裝備模擬器開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。

TN958

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.022