高超聲速飛行器發(fā)展及作戰(zhàn)效能初探

邢繼娟，李偉，葉豐

(復雜系統(tǒng)仿真國家重點實驗室總體實驗室，北京100101)

1 高超聲速飛行器發(fā)展研究

高超聲速飛行器，是指飛行馬赫數(shù)等于或大于5、能在大氣層和跨大氣層中實現(xiàn)高速遠程飛行的飛行器。高超聲速飛行器所具有的全球實時偵察、快速部署、遠程精確打擊、攻擊目標范圍廣等能力，更能適應未來高節(jié)奏作戰(zhàn)的需要，有可能改變未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)樣式，具有極高的軍事應用價值，是當今世界各主要國家武器研制的熱點和焦點。

當前，高超聲速技術研究已從20世紀90年代的原理探索階段，進入了以高超聲速飛行器為應用背景的先期技術開發(fā)階段。按照美國提出的技術成熟度等級，美國超燃沖壓發(fā)動機的技術成熟度已經(jīng)達到第6級，計劃2015～2020年基本完成高超聲速巡航導彈的研制，從而達到武器裝備應用階段(TIL-9)。此后，以超燃沖壓發(fā)動機為動力的高超聲速飛機和空天飛機也將投入使用。

預計美國將在2015年前后開始部署使用高超聲速巡航導彈。高超聲速飛機可能在2025～2035年投入使用，空天飛機則可能在2040年后投入使用。

2 高超聲速巡航導彈的作戰(zhàn)特點

高超聲速巡航導彈(以下簡稱高超巡)具有高速度、高精度、隱形化的特點，一改目前亞音速巡航導彈(以下簡稱亞巡)飛行高度低、速度低，易被發(fā)現(xiàn)和攔截的現(xiàn)狀。慣以攔截亞巡的典型多層攔截防御系統(tǒng)，難以對高超巡奏效。高超巡將成為戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)術運用兼?zhèn)涞男滦瓦h程精確打擊武器。

相對于彈道導彈，高超巡的飛行彈道難以預測;相對于亞巡，高超巡具有更快速的打擊能力，更高的突防能力和穿透能力。再者，高超巡能夠攻擊亞巡難以奏效的目標，如深埋地下的戰(zhàn)略目標、航空母艦編隊、彈道導彈機動發(fā)射架等高價值目標，以及活動目標和時間敏感目標。

高超巡的典型飛行可分為助推段、高空巡航段、俯沖段，如圖1所示。空基發(fā)射方式下，高超巡下掛在超音速轟炸機或戰(zhàn)斗機上，當飛機達到速度1.5Ma、高度10km左右時，水平彈射高超巡，高超巡被助推并按預定方案加速爬升，至6Ma、30km高空時，助推器工作結束(陸基、?；l(fā)射方式，由火箭助推器直接發(fā)射高超巡)，進入巡航段。在高空巡航段，導彈一、二級分離，沖壓發(fā)動機點火，調(diào)整飛行姿態(tài)，進入高空巡航狀態(tài)，巡航飛行接近目標，進入俯沖段。在俯沖段，高超巡達到預定目標區(qū)域時，開始俯沖，目標進入導引頭探測距離范圍時開啟導引頭，通過導引不斷調(diào)整飛行彈道，直到實現(xiàn)對目標的精確打擊。

高超巡具有以下作戰(zhàn)特點:

(1)快速打擊能力強。高超巡憑借其高速度，在很短時間(10分鐘左右)內(nèi)就能夠打擊近千公里之外的目標，作戰(zhàn)時間可大幅縮短，提高武器進攻的突然性和有效性，加快戰(zhàn)爭進程。美國國防部認為，高超聲速巡航導彈，可在兩小時內(nèi)從本土直接打擊全球任何地點，將大幅提升美軍“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的軍事能力。

(2)突防概率高。高超巡的高速特性與隱身特性相結合，將縮短敵方雷達探測距離和防空武器系統(tǒng)的反應時間，使其有效攔截區(qū)域減小，常用的多層攔截技術難以奏效，只能以末端攔截或點防御攔截為主，攔截概率大幅下降。

(3)可有效摧毀高價值目標。高超巡巨大的動能有很強的穿透力，在命中目標時，能有效地提高對重要目標(加固目標、深埋地下目標)的殺傷能力。

3 高超巡的攻防對抗仿真系統(tǒng)構建

在當前日益復雜的作戰(zhàn)環(huán)境下，建立高超巡防對抗仿真系統(tǒng)，對作戰(zhàn)過程的預警、攔截、突防等環(huán)節(jié)進行建模，選取典型的作戰(zhàn)環(huán)境以及武器裝備的戰(zhàn)技術指標，基于仿真評估高超巡在對抗作戰(zhàn)環(huán)境下的突防能力，為高超巡作戰(zhàn)效能評估以及攻擊策略等作戰(zhàn)運用研究提供支撐。

3.1 作戰(zhàn)想定

為了便于研究高超巡的作戰(zhàn)效能，以高超巡攻擊相距600km遠的敵方某地面目標為算例(不考慮發(fā)射平臺)，其巡航速度為5Ma、巡航高度30km。敵方防御系統(tǒng)在上級統(tǒng)一指揮下，有預警衛(wèi)星、遠程預警雷達的信息支援，對高超巡進行預警探測，并采用先進防空導彈進行攔截。

設置武器系統(tǒng)的典型參數(shù)如下:

高超巡:RCS≤0.2m2，CEP為5m，巡航段橫向過載6g，俯沖段橫向過載15g。

防空導彈:參照PAC-II相關參數(shù)，最大攔截高度20km，最小攔截高度300m，最大攔截距離50km，最小攔截距離500m，最大飛行速度6～7Ma，機動過載能力A攔為14g。

預警衛(wèi)星:參照天基紅外預警衛(wèi)星(SBIRS-H)相關參數(shù)，飛行高度35860km，掃描型探測器周期為9s，凝視型探測器周期為2s，紅外探測器波長(λ)為2.7μm和4.3μm，虛警概率1×10-6。

雷達:參照鋪路爪雷達(FPS-115出口型)相關參數(shù)，探測距離1100km(RCS=0.1m2)，虛警概率1×10-6。雙陣面覆蓋范圍240°，陣面夾角60°，仰角覆蓋3°～85°，掃描周期6s、跟蹤周期2s。

對于600km的距離，亞巡飛行時間約36min，高超巡的飛行時間約為6min，彈道導彈的飛行時間大約是10min。

3.2 預警模型

3.2.1 預警衛(wèi)星模型

在同步衛(wèi)星紅外探測器與目標距離較遠且背景充滿視場面源的情況下，將目標看成一個點源，用探測距離、大氣衰減、探測視場角和探測概率四個指標衡量從復雜強背景下檢測出點目標的效果。(1)探測距離。目標到衛(wèi)星的距離應小于衛(wèi)星的最大紅外探測距離Rs0。

式(1)中，γ為脈沖能見度系數(shù)，C為單個探測器元件的數(shù)目，Ω'為搜索速率，T為等效幀時間。

(2)大氣層高度門限。由于紅外探測器與目標距離遠，在幾萬公里高空，目標的紅外特征經(jīng)大氣有衰減，模型難以建立，數(shù)據(jù)難以獲取，所以通常以稠密大氣層高度(30km)為門限。

(3)探測視場角。探測器的視場角為A，由于探測器的光軸與紅外探測器望遠鏡軸線不重合，存在夾角B，會形成一個視場盲區(qū)C，如圖2所示，當目標與衛(wèi)星軸線的夾角處于(C、(A+C))之間時，才可能被發(fā)現(xiàn)。

(4)目標探測概率。紅外成像系統(tǒng)對點目標的探測可以近似作為窄帶系統(tǒng)處理，從信號檢測理論角度考慮，可利用二元信號檢測理論建立探測概率計算模型。探測概率是n次掃描有m次及m次以上發(fā)現(xiàn)目標的概率，探測概率Pd表達式為:

式(2)中，Pg為每次掃描發(fā)現(xiàn)目標的概率，稱為瞥概率。

3.2.2 遠程預警雷達模型

式(3)中，Pt為雷達發(fā)射功率(150kw)，Gt(θ，φ)為雷達天線增益(38.4db)，為最小信噪比(2)，λ為雷達波長(0.7m)，K1為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23W·S/K)，BN為濾波器噪聲帶寬(1×105Hz)，TS為接收系統(tǒng)噪聲溫度(290K)，L為系統(tǒng)的損耗系數(shù)。

由于地表表面彎曲，雷達會產(chǎn)生一個探測盲區(qū)，該盲區(qū)的高界即為雷達探測的最低可見高度。對應于目標距離d的最低可見高度為:

式(4)中，R為地球半徑，β0為雷達下盲角，ho為雷達天線架高，顯然，當目標高度低于h1就不通視。同樣，由于地球曲率影響，雷達會因此產(chǎn)生一個最大通視距離，當目標飛行高度為H時，用雷達偵察通視的最大距離可以按式(5)計算:

經(jīng)過仿真計算，得到預警衛(wèi)星、預警雷達、預警機對亞巡、高超巡、戰(zhàn)術導彈的預警情況見表1。

表1 預警衛(wèi)星、預警雷達、預警機對亞巡、高超巡、戰(zhàn)術導彈的預警時間

3.3 突防模型

由于超高巡飛行速度快，其突防能力主要與攔截次數(shù)、突防概率有關。這里重點討論攔截次數(shù)、突防概率的建模。

3.3.1 被攔截次數(shù)模型

超高巡的巡航段和俯沖段是敵方防空導彈實施攔截的最佳時機。超高巡巡航段的攔截示意圖如圖3所示。經(jīng)推導，敵方防空導彈在超高巡巡航段對其的攔截次數(shù)為:

式(6)中，Vd=VD·cosθ1表示防空導彈平均飛行速度的水平分量，λv=表示防空導彈平飛速度與高超巡的速度比。Nm是防空導彈殺傷區(qū)的覆蓋范圍和防空導彈與高超巡兩者速度比的函數(shù)，Nm隨著速度比λv的變小，亦即高超巡速度的增加而下降。

仿真結果數(shù)據(jù)如圖4所示，如果高超巡在20～25km巡航，被攔截的次數(shù)小于2次，隨著高度的增加，被攔截次數(shù)在減少。

通常，在超高巡巡航段，由于其高速，防空導彈只能實施1次攔截?，F(xiàn)假設高超巡在巡航段、俯沖段內(nèi)各遭受1次攔截。

3.3.2 突防模型

巡航段高超巡的突防概率P巡航段=1-Kt

式(7)中，Kt為防空導彈對超高巡的殺傷概率，Dt為搜索跟蹤雷達對超高巡的探測概率，It為截擊引導雷達的引導概率，Ct為敵方指控系統(tǒng)的指揮效率，αt為防空導彈的可靠發(fā)射概率，γt為防空導彈的飛行可靠率，ωt為防空導彈的單發(fā)殺傷概率，nt為防空導彈一次發(fā)射彈的數(shù)量，βt為防空導彈相對高超巡的命中概率。

其中，βt是影響高超巡突防的主要因素，從概率上講，βt是在非機動條件下的命中概率βt0和機動時的捕獲概率βt1的乘積，即為βt=βt0·βt1，依據(jù)國外資料參考文獻介紹βt0=0.8～0.85。高超巡實施機動的原則有二:一是機動時刻選擇在距離可能被攔截的時刻盡量短，以使得攔截導彈不能多次機動;二是選擇在能離開預計命中點足夠的距離，以確保不被命中。βt1與高超巡、攔截導彈的速度、過載等有很大關系，建立βt1與高超巡方向轉角、攔截彈方向轉角、攔截彈機動過載因素的模型(略)，經(jīng)仿真計算得到捕獲概率βt1與攔截彈過載等的關系統(tǒng)計圖如圖5所示。最佳機動捕獲概率為βt1=0.1。

(1)巡航段突防概率。Dt、It、Ct取值0.9，αt、γt取值0.98。ωt取值0.8，nt取值2，βt0取值0.8，βt1為0.1，因此βt取值0.08，得Kt=0.087。

(2)俯沖段突防概率。經(jīng)計算，得出高超巡在俯沖段的被殺傷概率Ktt=0.085。

4 仿真結果分析

4.1 高超巡對目標的毀傷能力

高超巡突防概率為P高超巡=(1-Kt)(1-Ktt)=(1-0.087)×(1-0.085)=0.835，計算得亞巡的突防概率為P亞巡=0.37，高超巡突防概率是亞巡的2.25倍。

高超巡對目標的擊毀概率，有:P擊毀=P發(fā)現(xiàn)·P指揮·P可靠·P突防·P毀傷·P反干擾，其中，P發(fā)現(xiàn)是高超巡對目標的發(fā)現(xiàn)概率，P指揮是高超巡指揮成功概率，P可靠是高超巡可靠概率，P突防是高超巡的突防概率，P反干擾是高超巡反干擾概率，P毀傷是高超巡命中目標時對目標的毀傷概率。參照有關專家的建議，P發(fā)現(xiàn)取值0.95，P指揮取值0.95，P可靠取值0.98，P反干擾取值1.0，P毀傷取值0.98。計算P突防得0.835，P擊毀=0.95×0.95×0.98×0.835×1.0×0.98=0.723。

分析得出以下結論:

(1)防御系統(tǒng)對高超巡的攔截時間短、攔截次數(shù)有限，高超巡對目標的毀傷能力強。受防空導彈射程、射高的限制，通常在高超巡的巡航段只有1次攔截機會;而亞巡由于速度慢、巡航高度較低，防空導彈對其防御時間較長，被攔截次數(shù)幾乎是高超巡的7倍。高超巡的突防概率較高，是亞巡的5～7倍。

(2)防御系統(tǒng)可攔截高超巡的武器較少。飛機、地空導彈、高炮等組成的多層防御系統(tǒng)能對亞巡奏效;僅有PAC-II、PAC-III、標準-III(SA-3)等較先進的防空導彈具有攔截高超巡的可能性。

4.2 預警系統(tǒng)對高超巡的預警能力

防御系統(tǒng)對高超巡的探測能力按概率值已體現(xiàn)在P高超巡中，并做了分析。這里詳細對比分析預警衛(wèi)星、遠程預警雷達、預警機對高超巡、亞巡、戰(zhàn)術彈道導彈的預警探測能力。

根據(jù)表1分析結果如下:

(1)預警機的飛行高度通常小于10km，只能對亞巡進行預警，高超巡、戰(zhàn)術彈道導彈的飛行高度大于10km，無法預警高超巡、戰(zhàn)術彈道導彈。

(2)防御系統(tǒng)對高超巡預警時間短。只有亞巡預警時間的1/7～1/6，且預警系統(tǒng)不能預報高超巡軌跡，不能判斷其攻擊目標，造成防御范圍較大，對高超巡的攔截較困難。

因此，得出以下主要結論:

(1)預警衛(wèi)星對高超巡的預警能力(預警類型、預警時間)遠遠超過預警機、預警雷達，特別是目前戰(zhàn)略威懾武器的有效預警手段，如果科學規(guī)劃預警衛(wèi)星的部署、提高載荷性能，預警目標的類型、精度、時間等都將提高。

(2)隨著進攻導彈速度的增加，傳統(tǒng)的多層防御系統(tǒng)幾近失效，應該針對高超巡等高速進攻武器，研究先進防空導彈(如PAC-II、PAC-III、標準-III(SA-3)等的攔截技術。

這些數(shù)據(jù)和結論是在設定的條件下得到的，必然存在一定的局限性和不足，懇請批評指正。

1 閻代維，谷良賢，管千山，等.高超聲速巡航導彈作戰(zhàn)效能建模與評估［J］.兵工學報，2007，28(6):725-729.

2 孫平.空射高超聲速巡航導彈對地作戰(zhàn)效能分析［D］.西安:西北工業(yè)大學，2006.

3 閻代維，谷良賢，徐宏林，等.高超聲速巡航導彈攻防對抗仿真研究［J］.飛行力學，2007，25(3):92-95.