上升段高超聲速目標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)需求分析

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，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國的重視。美國、俄羅斯以及印度、韓國、日本、歐洲等國家和地區(qū)都投入了大量經(jīng)費，積極開展各類臨近空間高超聲速飛行試驗［3-5］，對傳統(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)對全球時間敏感目標(biāo)進行精確打擊，具備飛行速度快(大于5 Ma）、巡航高度高(20～100 km）、突防能力強(RCS 可達0.01 m2）等特點［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 進入超燃沖壓工作模式之前。

攔截上升段NSHT 具有很強的吸引力，因為處于上升段的NSHT 紅外特征明顯，易于探測;同時，也不易釋放誘餌;上升段攔截發(fā)生在發(fā)射國境內(nèi)或邊境，對發(fā)射國可以造成極大的威懾;此外，由于飛行器尚未進入超然沖壓工作，目標(biāo)速度較小。超燃沖壓發(fā)動機工作的條件大致為飛行馬赫數(shù)達到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)時間十分有限，在50 km以下進行攔截，攔截作戰(zhàn)時間在40 s左右;在90 km以下攔截，攔截作戰(zhàn)時間可以增加到80 s左右。在如此短的時間內(nèi)攔截彈需要加速到目標(biāo)速度的數(shù)倍，對攔截武器的推進系統(tǒng)及機動能力等提出了較高的要求，同時也對預(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?；鶆幽芪淦鳌C載動能武器和機載激光武器等。美國物理學(xué)會認(rèn)為陸基動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)機速度和橫向機動過載［8］。因此，考慮通過機載動能攔截彈對助推段NSHT 進行攔截;一方面，使用載機可以把作戰(zhàn)位置推進到發(fā)射國邊境，從而減小對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)對其實施作戰(zhàn)，使用新概念武器進行攔截可以降低對預(yù)警系統(tǒng)的要求，因此基于機載動能武器分析預(yù)警系統(tǒng)的需求，其結(jié)果對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，從而對來襲NSHT 進行全程探測、跟蹤、識別和攔截。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）武器平臺飛行高度在20 km左右的高空，具備在指定時間內(nèi)飛抵距離發(fā)射點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15 km 高度時，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為攔截點與攔截彈發(fā)射點的距離，ht為目標(biāo)所在的高度，H 是攔截彈投放時刻攔截點與目標(biāo)的相對高度，h 是攔截彈投放時與目標(biāo)的相對高度，Rh為攔截彈與目標(biāo)的視線距離，Dm為攔截點與攔截彈發(fā)射點的水平距離，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)對目標(biāo)進行有效探測、跟蹤、識別。本節(jié)就上升段攔截對預(yù)警系統(tǒng)的能力需求進行分析。

3.1 作用距離需求

碰撞時目標(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(或者空基平臺的位置）的距離為

NSHT發(fā)射時，攔截平臺與NSHT發(fā)射點的水平距離應(yīng)滿足:

式中γ 是攔截彈發(fā)射前攔截平臺與目標(biāo)速度之比。因此，機載預(yù)警系統(tǒng)的探測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)時機載預(yù)警系統(tǒng)所需滿足的作用距離?？紤]攔截彈速度達到目標(biāo)速度3 倍的情況，在50 km 以下進行攔截，機載預(yù)警系統(tǒng)的探測跟蹤制導(dǎo)距離需要達到150 km左右;在90 km 以下攔截，探測跟蹤距離需要達到300 km左右。圖3 是在50 km和90 km 高度實施攔截的仿真?？梢?，隨著攔截高度的升高，在攔截彈殺傷距離允許的情況下，空中平臺可以在距離目標(biāo)發(fā)射點更遠的距離發(fā)射攔截彈，因此機載預(yù)警系統(tǒng)探測跟蹤距離需求將增加。

圖2 機載預(yù)警系統(tǒng)作用距離需求

圖3 不同高度攔截時目標(biāo)和攔截彈運動情況

3.2 跟蹤精度需求分析

攔截彈發(fā)射前，需要對攔截點作出預(yù)測，由于對目標(biāo)狀態(tài)和意圖的估計不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致預(yù)測的攔截點與實際的攔截點存在誤差，攔截彈需要橫向機動過載來修正航向誤差。攔截彈的機動過載增加，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，以減小攔截彈的機動過載需求。

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

航向誤差需要的加速度通過下式進行估計［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動飛行時間。

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

圖4 初始航向誤差引起的攔截彈機動過載

圖5 攔截彈的機動過載需求

攔截彈的機動過載不僅要用于修正預(yù)警系統(tǒng)探測誤差導(dǎo)致的航向誤差，而且還要用于修正目標(biāo)機動引起的航向誤差。由于目標(biāo)機動所需的攔截彈機動過載與制導(dǎo)方法及目標(biāo)的機動能力有關(guān)，在優(yōu)化制導(dǎo)律的情況下，攔截彈所需的過載僅需比目標(biāo)的機動過載稍大［10］。臨近空間飛行器尚處于試驗驗證階段，其可能的機動過載為2～4 g［6］。因此，理論上，目標(biāo)機動所需的攔截彈機動過載將要達到4 g 以上。在50 km 以下攔截時，保守估計，攔截彈的末速度將要達到12 Ma，考慮攔截彈勻加速運動，沿視線方向的加速度需要達到11 g，即使攔截彈的機動過載可以達到目標(biāo)的3 倍，即12 g，可用于應(yīng)對目標(biāo)機動和探測誤差導(dǎo)致的航向誤差的機動過載將小于5 g。可見，用于修正預(yù)警系統(tǒng)探測誤差的機動過載將十分有限。因此，對預(yù)警系統(tǒng)的探測跟蹤精度提出了更高的要求，尤其是末制導(dǎo)階段，對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高度時即發(fā)射攔截彈對其進行攔截，仍然對攔截武器提出了比較苛刻的要求。因此，實現(xiàn)上升段NSHT 攔截，預(yù)警系統(tǒng)需具備必要的能力。

(1）遠距離快速預(yù)警探測能力

盡管假設(shè)目標(biāo)飛抵15 km 高度時預(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)射后十幾秒的時間內(nèi)進行探測并發(fā)出預(yù)警信息。對可能發(fā)射NSHT的區(qū)域進行持續(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，高軌紅外探測是實現(xiàn)遠距離快速預(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，還需要盡快對目標(biāo)的機動能力進行估計。由于作戰(zhàn)地點遠離本土，由于受地球曲率影響，地面大型相控陣?yán)走_可能無法滿足早期的跟蹤制導(dǎo)需求。高軌紅外探測設(shè)備探測精度過低，也不能滿足精確跟蹤需求。因此，可行的方法是通過機載的雷達、紅外等探測設(shè)備和低軌探測設(shè)備實現(xiàn)精確跟蹤制導(dǎo)。

(3）高精度目標(biāo)識別能力

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

4 結(jié)束語

本文通過建立空基動能武器攔截上升段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NSHT 預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的參考價值。

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