舷外高功率微波平臺(tái)作戰(zhàn)使用初探

翁 輝,周徐昌,毛 超

(海軍工程大學(xué),武漢 430033)

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舷外高功率微波平臺(tái)作戰(zhàn)使用初探

翁 輝,周徐昌,毛 超

(海軍工程大學(xué),武漢 430033)

針對(duì)水面艦艇反導(dǎo)防御作戰(zhàn)能力存在的短板,提出了利用舷外高功率微波平臺(tái)進(jìn)行電磁反導(dǎo)作戰(zhàn),構(gòu)建了舷外高功率微波平臺(tái)反導(dǎo)作戰(zhàn)基本流程,建立了其反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真模型,分析了舷外高功率微波平臺(tái)影響有效輻射時(shí)間的作戰(zhàn)要素。仿真結(jié)果表明,舷外高功率微波平臺(tái)投射布設(shè)方式優(yōu)于拖拽布設(shè)方式,且投射布設(shè)應(yīng)該依據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)確定最優(yōu)布設(shè)距離和布設(shè)方向。

高功率微波;舷外平臺(tái);反艦導(dǎo)彈

0 引言

2012年美國(guó)成功進(jìn)行了先進(jìn)反電子設(shè)備高功率微波導(dǎo)彈項(xiàng)目的首次作戰(zhàn)飛行試驗(yàn)[1],作為一種新概念武器,在不久的將來(lái)高功率微波作戰(zhàn)平臺(tái)將成為海戰(zhàn)場(chǎng)攻防兩端的利器。利用艦載舷外高功率微波平臺(tái)作為有效的艦艇自衛(wèi)反導(dǎo)防御手段,將是傳統(tǒng)有源/無(wú)源軟干擾手段的重要補(bǔ)充。同傳統(tǒng)有源/無(wú)源干擾手段相比,舷外高功率微波平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)軟/硬殺傷[2],實(shí)現(xiàn)硬殺傷和軟干擾相結(jié)合的反導(dǎo)機(jī)制,同時(shí)舷外高功率微波平臺(tái)可避免高功率微波武器容易誤傷友鄰單位雷達(dá)電子設(shè)備的缺陷。隨著高功率微波技術(shù)的不斷進(jìn)步,利用舷外高功率微波平臺(tái)實(shí)現(xiàn)反導(dǎo)防御作戰(zhàn),將是一種極具作戰(zhàn)潛力的反導(dǎo)作戰(zhàn)技術(shù)手段。文中運(yùn)用仿真的方法,構(gòu)建舷外高功率微波平臺(tái)作戰(zhàn)仿真環(huán)境,為舷外高功率微波平臺(tái)的論證提供了有益的參考。

1 對(duì)抗反艦導(dǎo)彈的毀傷機(jī)理

以靶目標(biāo)上的功率密度為序,高功率微波毀傷效應(yīng)的等級(jí)[3]如下:1)燒毀:電子系統(tǒng)的物理性破壞;2)擾亂:電子系統(tǒng)中的記憶或邏輯電路短時(shí)間工作失常;3)干擾:微波射頻接收器或雷達(dá)不能正常工作;4)迷惑:欺騙系統(tǒng)使其不能正確判斷。上述后兩類是相當(dāng)于高功率水平的電子對(duì)抗系統(tǒng),基于高功率微波的超級(jí)干擾機(jī)將徹底掌握主動(dòng)權(quán),不給對(duì)方“燒穿”干擾的機(jī)會(huì)。隨著毀傷等級(jí)的升高,高功率微波主要?dú)木褪请娮酉到y(tǒng)電子元器件的物理特性,也就是說(shuō)能夠毀傷不同類型目標(biāo)的電子元器件,增大了其攻擊目標(biāo)種類。反之,只具有常規(guī)電子對(duì)抗功率水平的話,可攻擊目標(biāo)就很確定,要實(shí)現(xiàn)有效攻擊還需要適當(dāng)?shù)闹貜?fù)頻率、幅度和頻率調(diào)制等,才能使電子干擾/迷惑的效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo),也就是提高了高功率微波系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)難度。因此這里主要考慮對(duì)平臺(tái)自身性能參數(shù)要求較低的軟/硬殺傷的反導(dǎo)防御應(yīng)用。

基于上述毀傷機(jī)理,舷外高功率微波平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn):一是遠(yuǎn)離艦船,減少對(duì)艦載電子設(shè)備造成的誤傷;二是輻射微波功率高,電磁毀傷范圍大;三是可全天候作戰(zhàn);四是既可軟/硬殺傷,也能夠進(jìn)行壓制性干擾;五是攻防兼?zhèn)?既可干擾敵方平臺(tái),又可以電磁殺傷來(lái)襲導(dǎo)彈;六是殺傷目標(biāo)多元,目標(biāo)先驗(yàn)信息需求少。當(dāng)然戰(zhàn)術(shù)使用過(guò)程中,為避免舷外高功率微波平臺(tái)對(duì)被保護(hù)艦船目標(biāo)電子設(shè)備造成誤傷,舷外高功率微波平臺(tái)在使用過(guò)程中要與被保護(hù)艦船保持一定距離,可稱為安全距離。

2 問(wèn)題描述及數(shù)學(xué)模型

反艦導(dǎo)彈攻擊過(guò)程一般分為助推、下降、掠海飛行、躍升和俯沖等幾個(gè)階段[4]。反艦導(dǎo)彈由平臺(tái)發(fā)射并指向行進(jìn)中的艦艇,至預(yù)定開(kāi)機(jī)距離后,末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、捕獲和跟蹤。從導(dǎo)引頭開(kāi)啟末制導(dǎo)雷達(dá)至正確鎖定目標(biāo)為止是導(dǎo)引頭的搜索階段,導(dǎo)引頭對(duì)預(yù)定區(qū)域同時(shí)進(jìn)行角度和距離上的搜索,若波門內(nèi)判斷有目標(biāo)回波信號(hào)時(shí),即被末制導(dǎo)雷達(dá)鎖定,進(jìn)入跟蹤階段。

當(dāng)艦載電子偵察設(shè)備探測(cè)到有高速逼近的目標(biāo)時(shí),根據(jù)作戰(zhàn)準(zhǔn)則,選擇合適時(shí)機(jī),發(fā)射舷外高功率微波平臺(tái),平臺(tái)飛行至預(yù)定位置,對(duì)反艦導(dǎo)彈進(jìn)行電磁毀傷。若末制導(dǎo)雷達(dá)接收脈沖功率達(dá)到一定強(qiáng)度,將對(duì)反艦導(dǎo)彈造成電磁毀傷;若末制導(dǎo)雷達(dá)接收功率不夠,可降功能使用,形成舷外大功率有源干擾誘餌,導(dǎo)彈將跟蹤目標(biāo)艦艇和誘餌的雷達(dá)回波能量中心(質(zhì)心點(diǎn))[5],從而實(shí)現(xiàn)有源誘餌質(zhì)心干擾。

圖1 舷外高功率微波平臺(tái)保護(hù)艦船示意圖

2.1 反艦導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型

對(duì)于反導(dǎo)電子對(duì)抗仿真,其關(guān)鍵在于研究導(dǎo)彈質(zhì)心點(diǎn)位置的變化,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,利用導(dǎo)彈和目標(biāo)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的有關(guān)信息描繪導(dǎo)彈與目標(biāo)間的關(guān)系[6]。相關(guān)的模型如飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)模型[7]等可做相應(yīng)的簡(jiǎn)化,在此基礎(chǔ)上導(dǎo)彈質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程未考慮過(guò)載。

由于距離、速度等因素,導(dǎo)彈航向與其切線方向相對(duì)變化率較小,可近似認(rèn)為導(dǎo)彈實(shí)際指向?yàn)槠淝芯€方向。

綜上所述,假定反艦導(dǎo)彈以恒定速度飛行,則t時(shí)刻反艦導(dǎo)彈質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)為:

(1)

式中:vm為反艦導(dǎo)彈的速度;βm為反艦導(dǎo)彈的跟蹤航向角,認(rèn)為反艦導(dǎo)彈跟蹤航向角與末制導(dǎo)雷達(dá)天線指向相同,始終指向水面艦艇;t-1時(shí)刻表示當(dāng)前時(shí)刻t的上一個(gè)仿真步長(zhǎng)時(shí)間。

2.2 艦艇運(yùn)動(dòng)模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)艦艇模型做如下處理:1)不考慮其高度、寬度和長(zhǎng)度,將其位置簡(jiǎn)化為質(zhì)心所對(duì)應(yīng)的點(diǎn);2)不考慮導(dǎo)彈不同來(lái)襲方向所對(duì)應(yīng)的艦艇雷達(dá)反射面積(RCS)的不同,并且假定雷達(dá)反射面積為定值。則t時(shí)刻艦艇的運(yùn)動(dòng)方程為:

(2)

式中:vw為我艦運(yùn)動(dòng)的速度值;βw為艦艇航向;

(xw(0),yw(0))為艦艇初始位置坐標(biāo)。

2.3 舷外高功率微波平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型

借鑒現(xiàn)有舷外有源誘餌的基本布設(shè)方式,舷外高功率微波平臺(tái)可以有艦艇拖拽和投射布設(shè)兩種方式。采用艦艇拖拽方式布設(shè),舷外高功率微波平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程和我艦運(yùn)動(dòng)方程相同,區(qū)別是初始位置不同;采用投射方式布設(shè),舷外高功率微波平臺(tái)在海面穩(wěn)定后,其運(yùn)動(dòng)主要受洋流影響,由于反艦導(dǎo)彈在視距內(nèi)攻擊飛行時(shí)間較短,這里不考慮洋流流速及方向的改變對(duì)作戰(zhàn)的影響。則t時(shí)刻舷外高功率微波平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方程為:

(3)

式中:Rd為舷外高功率微波平臺(tái)初始布設(shè)位置,φ為布設(shè)角度;vf為洋流速度,βf為洋流方向。

2.4 高功率微波前門耦合模型

反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)鎖定本艦后,將舷外高功率微波平臺(tái)發(fā)射或預(yù)置于離艦合適位置,進(jìn)行高功率微波電磁毀傷,末制導(dǎo)雷達(dá)接收高功率微波平臺(tái)的信號(hào)功率為P1:

(4)

式中:Ph為舷外高功率微波平臺(tái)發(fā)射脈沖功率;Gh為舷外高功率微波天線的增益;Gm(α)為偏離末制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣最大方向α角的雷達(dá)天線接收增益;Rh為末制導(dǎo)雷達(dá)與誘餌的距離。

由于來(lái)襲導(dǎo)彈的末制導(dǎo)雷達(dá)天線參數(shù)未知,對(duì)Gm(α)利用經(jīng)驗(yàn)公式近似表示:

(5)

式中:k為與制導(dǎo)雷達(dá)天線相關(guān)的常數(shù),取0.04～0.10;θ0.5為制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣寬度;α為制導(dǎo)雷達(dá)與目標(biāo)連線和制導(dǎo)雷達(dá)與誘餌連線之間的夾角。根據(jù)反艦導(dǎo)彈攻擊態(tài)勢(shì),如圖1所示,應(yīng)用三角形余弦定理可以得到任意時(shí)刻反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)天線接收舷外高功率微波平臺(tái)輻射電磁脈沖微波功率。

舷外高功率微波平臺(tái)要完成對(duì)反艦導(dǎo)彈高功率微波電磁毀傷一般需要滿足兩個(gè)條件:1)反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī);2)高功率微波輻射天線輻射方向位于末制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣內(nèi)。由此可以定義舷外高功率微波平臺(tái)的有效輻射時(shí)間te為:

(6)

3 仿真算例分析

仿真參數(shù)基本設(shè)置:我艦初始位置(0,0),航速30kn,航向-30°,反艦導(dǎo)彈初始位置(20 000m,5 000m),飛行速度300m/s;不考慮洋流的影響,假定舷外高功率微波平臺(tái)位置(4 000m,1 000m)?；緦?duì)抗態(tài)勢(shì)如圖2所示。

圖2 舷外高功率微波平臺(tái)作戰(zhàn)基本態(tài)勢(shì)

1)基本態(tài)勢(shì)分析

首先分析基本作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)舷外高功率微波平臺(tái)輻射指向偏離末制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣方向角度的影響因素,如圖3所示。由圖可以看出,假定末制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣寬度為10°,當(dāng)反艦導(dǎo)彈與艦艇之間距離小于我艦6.8km后,舷外高功率微波平臺(tái)輻射信號(hào)將處于末制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣之外,將大幅降低舷外高功率微波平臺(tái)的作戰(zhàn)效能;其次是末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)距離的影響,假定末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)距離為10km,前述作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)下舷外高功率微波平臺(tái)在末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)后的有效輻射時(shí)間約為10s。因此,末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)距離增大,將有效提高舷外高功率微波平臺(tái)有效輻射時(shí)間;反艦導(dǎo)彈飛行速度增加,則壓縮了舷外高功率微波平臺(tái)有效輻射時(shí)間。在實(shí)際作戰(zhàn)中應(yīng)根據(jù)電子偵察預(yù)警系統(tǒng)提供的來(lái)襲反艦導(dǎo)彈速度和開(kāi)機(jī)距離合理確定舷外高功率微波平臺(tái)的輻射時(shí)機(jī)。

圖3 舷外高功率微波平臺(tái)偏離角度

2)拖拽布設(shè)方式分析

顯然拖拽布設(shè)方式能夠影響有效輻射時(shí)間的因素僅為拖拽距離,如圖4所示。隨著拖拽距離的增大,舷外高功率微波平臺(tái)有效輻射時(shí)間將迅速減小。但舷外高功率微波平臺(tái)距離我艦距離越近,其輻射高功率微波旁瓣對(duì)我艦電子設(shè)備影響越大。因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)舷外高功率微波平臺(tái)過(guò)程中應(yīng)確定其輻射安全距離,確保我艦電子設(shè)備安全。

圖4 拖拽布設(shè)距離對(duì)偏離角度影響

3)投射布設(shè)方式分析

首先分析布設(shè)距離對(duì)投射布設(shè)方式偏離末制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣方向角度的影響,投射方位為我艦右舷60°方向,洋流速度0.5m/s,洋流方向與我艦航向相同。仿真結(jié)果如圖5所示。與拖拽布設(shè)方式相比,顯然投射布設(shè)方式中投射距離對(duì)有效輻射時(shí)間影響要小,也就是說(shuō)采用投射布設(shè)方式可以將舷外高功率微波平臺(tái)布設(shè)至離我艦更遠(yuǎn)的距離,更加有利于向反艦導(dǎo)彈輻射更高功率,同時(shí)造成我艦電子設(shè)備誤傷的可能性更低。其次分析布設(shè)角度對(duì)投射布設(shè)方式偏離末制導(dǎo)雷達(dá)天線主瓣方向角度的影響,投射距離為2.5km,洋流速度0.5m/s,洋流方向與我艦航向相同。仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?仿真區(qū)間為40°～80°,按20°仿真步長(zhǎng),其最優(yōu)布設(shè)角度為60°,此時(shí)舷外高功率微波平臺(tái)有效輻射時(shí)間最長(zhǎng)。

圖5 距離對(duì)偏離角度影響

圖6 方向?qū)ζx角度影響

4)有效輻射時(shí)間分析

由以上分析可知,投射布設(shè)方式優(yōu)于拖拽布設(shè)方式。依據(jù)投射布設(shè)方式仿真結(jié)果可知,影響舷外高功率微波平臺(tái)有效輻射時(shí)間的因素主要為布設(shè)距離和布設(shè)角度。首先分析布設(shè)距離對(duì)有效輻射時(shí)間的影響,設(shè)定反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)距離為10km,雷達(dá)天線主瓣寬度為10°,洋流速度0.5m/s,洋流方向與我艦航向相同。

仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?隨著布設(shè)角度的增大,布設(shè)距離越遠(yuǎn)其下降趨勢(shì)更平緩;而布設(shè)角度小,則存在最佳布設(shè)距離,最佳布設(shè)距離隨著布設(shè)角度的減小而縮小。其次分析布設(shè)角度對(duì)有效輻射時(shí)間的影響,仿真條件同上。仿真結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?隨著布設(shè)角度增大,特定布設(shè)距離上存在最佳布設(shè)角度。在實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用中,應(yīng)該根據(jù)舷外高功率微波平臺(tái)的安全距離,合理選擇布設(shè)距離并在最優(yōu)布設(shè)方向上布置舷外高功率微波平臺(tái),以達(dá)到最佳作戰(zhàn)效果。

圖7 距離對(duì)有效輻射時(shí)間影響

圖8 方向?qū)τ行л椛鋾r(shí)間影響

4 結(jié)論

高功率微波武器作為一種新型的電子作戰(zhàn)技術(shù)手段,隨著高功率微波技術(shù)不斷發(fā)展,水面艦艇在利用高功率微波武器對(duì)抗反艦導(dǎo)彈,提高水面艦艇反導(dǎo)防御能力,極具作戰(zhàn)潛力。舷外高功率微波平臺(tái)是水面艦艇利用高功率微波對(duì)抗反艦導(dǎo)彈的潛在技術(shù)手段,文中所建立的舷外高功率微波平臺(tái)作戰(zhàn)仿真流程能夠在一定程度上預(yù)見(jiàn)未來(lái)海上高功率微波武器的作戰(zhàn)樣式并評(píng)估其作戰(zhàn)能力,為今后研制高功率微波平臺(tái)和更深層次的作戰(zhàn)使用分析提供理論基礎(chǔ)。

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Preliminary Application on the Operational of High Power Microwave Outboard Platform

WENG Hui,ZHOU Xuchang,MAO Chao

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Chian)

In view of short slab of anti-ship missile defense, application of outboard high power microwave (HPM) in antimissile defense operation was proposed. The basic anti-missile operational flow of HPM outboard platform was constructed. The anti-missile operational simulation model was built. The influencing factors of effectiveness radiation operational time of the HPM outboard platform were analyzed. Simulation experiments demonstrate that the projecting distribution is better than the dragging distribution for the HPM outboard platform and the projecting distribution should be based on operational environment to choose optimal distribution distance and distribution direction.

high power microwave; outboard platform; anti-ship missile

2014-07-19

翁輝(1975-),男,湖北咸寧人,副教授,碩士,研究方向:艦炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用研究。

TP391;N94

A