舷外高功率微波平臺作戰(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進行電磁反導(dǎo)作戰(zhàn),構(gòu)建了舷外高功率微波平臺反導(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影響有效輻射時間的作戰(zhàn)要素。仿真結(jié)果表明,舷外高功率微波平臺投射布設(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;反艦導(dǎo)彈

0 引言

2012年美國成功進行了先進反電子設(shè)備高功率微波導(dǎo)彈項目的首次作戰(zhàn)飛行試驗[1],作為一種新概念武器,在不久的將來高功率微波作戰(zhàn)平臺將成為海戰(zhàn)場攻防兩端的利器。利用艦載舷外高功率微波平臺作為有效的艦艇自衛(wèi)反導(dǎo)防御手段,將是傳統(tǒng)有源/無源軟干擾手段的重要補充。同傳統(tǒng)有源/無源干擾手段相比,舷外高功率微波平臺可實現(xiàn)軟/硬殺傷[2],實現(xiàn)硬殺傷和軟干擾相結(jié)合的反導(dǎo)機制,同時舷外高功率微波平臺可避免高功率微波武器容易誤傷友鄰單位雷達電子設(shè)備的缺陷。隨著高功率微波技術(shù)的不斷進步,利用舷外高功率微波平臺實現(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。文中運用仿真的方法,構(gòu)建舷外高功率微波平臺作戰(zhàn)仿真環(huán)境,為舷外高功率微波平臺的論證提供了有益的參考。

1 對抗反艦導(dǎo)彈的毀傷機理

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[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間工作失常;3)干擾:微波射頻接收器或雷達不能正常工作;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抗系統(tǒng),基于高功率微波的超級干擾機將徹底掌握主動權(quán),不給對方“燒穿”干擾的機會。隨著毀傷等級的升高,高功率微波主要毀傷的就是電子系統(tǒng)電子元器件的物理特性,也就是說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)電子對抗功率水平的話,可攻擊目標(biāo)就很確定,要實現(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)計難度。因此這里主要考慮對平臺自身性能參數(shù)要求較低的軟/硬殺傷的反導(dǎo)防御應(yīng)用。

基于上述毀傷機理,舷外高功率微波平臺的優(yōu)勢有以下幾點:一是遠離艦船,減少對艦載電子設(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,也能夠進行壓制性干擾;五是攻防兼?zhèn)?既可干擾敵方平臺,又可以電磁殺傷來襲導(dǎo)彈;六是殺傷目標(biāo)多元,目標(biāo)先驗信息需求少。當(dāng)然戰(zhàn)術(shù)使用過程中,為避免舷外高功率微波平臺對被保護艦船目標(biāo)電子設(shè)備造成誤傷,舷外高功率微波平臺在使用過程中要與被保護艦船保持一定距離,可稱為安全距離。

2 問題描述及數(shù)學(xué)模型

反艦導(dǎo)彈攻擊過程一般分為助推、下降、掠海飛行、躍升和俯沖等幾個階段[4]。反艦導(dǎo)彈由平臺發(fā)射并指向行進中的艦艇,至預(yù)定開機距離后,末制導(dǎo)雷達開機,對目標(biāo)進行搜索、捕獲和跟蹤。從導(dǎo)引頭開啟末制導(dǎo)雷達至正確鎖定目標(biāo)為止是導(dǎo)引頭的搜索階段,導(dǎo)引頭對預(yù)定區(qū)域同時進行角度和距離上的搜索,若波門內(nèi)判斷有目標(biāo)回波信號時,即被末制導(dǎo)雷達鎖定,進入跟蹤階段。

當(dāng)艦載電子偵察設(shè)備探測到有高速逼近的目標(biāo)時,根據(jù)作戰(zhàn)準(zhǔn)則,選擇合適時機,發(fā)射舷外高功率微波平臺,平臺飛行至預(yù)定位置,對反艦導(dǎo)彈進行電磁毀傷。若末制導(dǎo)雷達接收脈沖功率達到一定強度,將對反艦導(dǎo)彈造成電磁毀傷;若末制導(dǎo)雷達接收功率不夠,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)艦艇和誘餌的雷達回波能量中心(質(zhì)心點)[5],從而實現(xiàn)有源誘餌質(zhì)心干擾。

圖1 舷外高功率微波平臺保護艦船示意圖

2.1 反艦導(dǎo)彈運動模型

對于反導(dǎo)電子對抗仿真,其關(guān)鍵在于研究導(dǎo)彈質(zhì)心點位置的變化,通過運動學(xué)方程,利用導(dǎo)彈和目標(biāo)質(zhì)心運動的有關(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)、動力學(xué)模型[7]等可做相應(yīng)的簡化,在此基礎(chǔ)上導(dǎo)彈質(zhì)心運動的動力學(xué)方程未考慮過載。

由于距離、速度等因素,導(dǎo)彈航向與其切線方向相對變化率較小,可近似認(rèn)為導(dǎo)彈實際指向為其切線方向。

綜上所述,假定反艦導(dǎo)彈以恒定速度飛行,則t時刻反艦導(dǎo)彈質(zhì)心點坐標(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)雷達天線指向相同,始終指向水面艦艇;t-1時刻表示當(dāng)前時刻t的上一個仿真步長時間。

2.2 艦艇運動模型

為簡化計算,對艦艇模型做如下處理:1)不考慮其高度、寬度和長度,將其位置簡化為質(zhì)心所對應(yīng)的點;2)不考慮導(dǎo)彈不同來襲方向所對應(yīng)的艦艇雷達反射面積(RCS)的不同,并且假定雷達反射面積為定值。則t時刻艦艇的運動方程為:

(2)

式中:vw為我艦運動的速度值;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運動模型

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運動方程和我艦運動方程相同,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在海面穩(wěn)定后,其運動主要受洋流影響,由于反艦導(dǎo)彈在視距內(nèi)攻擊飛行時間較短,這里不考慮洋流流速及方向的改變對作戰(zhàn)的影響。則t時刻舷外高功率微波平臺的運動方程為:

(3)

式中:Rd為舷外高功率微波平臺初始布設(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)雷達鎖定本艦后,將舷外高功率微波平臺發(fā)射或預(yù)置于離艦合適位置,進行高功率微波電磁毀傷,末制導(dǎo)雷達接收高功率微波平臺的信號功率為P1:

(4)

式中:Ph為舷外高功率微波平臺發(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)雷達天線主瓣最大方向α角的雷達天線接收增益;Rh為末制導(dǎo)雷達與誘餌的距離。

由于來襲導(dǎo)彈的末制導(dǎo)雷達天線參數(shù)未知,對Gm(α)利用經(jīng)驗公式近似表示:

(5)

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

舷外高功率微波平臺要完成對反艦導(dǎo)彈高功率微波電磁毀傷一般需要滿足兩個條件:1)反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達開機;2)高功率微波輻射天線輻射方向位于末制導(dǎo)雷達天線主瓣內(nèi)。由此可以定義舷外高功率微波平臺的有效輻射時間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位置(4 000m,1 000m)?；緦箲B(tài)勢如圖2所示。

圖2 舷外高功率微波平臺作戰(zhàn)基本態(tài)勢

1)基本態(tài)勢分析

首先分析基本作戰(zhàn)態(tài)勢舷外高功率微波平臺輻射指向偏離末制導(dǎo)雷達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輻射信號將處于末制導(dǎo)雷達天線主瓣之外,將大幅降低舷外高功率微波平臺的作戰(zhàn)效能;其次是末制導(dǎo)雷達開機距離的影響,假定末制導(dǎo)雷達開機距離為10km,前述作戰(zhàn)態(tài)勢下舷外高功率微波平臺在末制導(dǎo)雷達開機后的有效輻射時間約為10s。因此,末制導(dǎo)雷達開機距離增大,將有效提高舷外高功率微波平臺有效輻射時間;反艦導(dǎo)彈飛行速度增加,則壓縮了舷外高功率微波平臺有效輻射時間。在實際作戰(zhàn)中應(yīng)根據(jù)電子偵察預(yù)警系統(tǒng)提供的來襲反艦導(dǎo)彈速度和開機距離合理確定舷外高功率微波平臺的輻射時機。

圖3 舷外高功率微波平臺偏離角度

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有效輻射時間將迅速減小。但舷外高功率微波平臺距離我艦距離越近,其輻射高功率微波旁瓣對我艦電子設(shè)備影響越大。因此在設(shè)計實現(xiàn)舷外高功率微波平臺過程中應(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)距離對投射布設(shè)方式偏離末制導(dǎo)雷達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)方式中投射距離對有效輻射時間影響要小,也就是說采用投射布設(shè)方式可以將舷外高功率微波平臺布設(shè)至離我艦更遠的距離,更加有利于向反艦導(dǎo)彈輻射更高功率,同時造成我艦電子設(shè)備誤傷的可能性更低。其次分析布設(shè)角度對投射布設(shè)方式偏離末制導(dǎo)雷達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,其最優(yōu)布設(shè)角度為60°,此時舷外高功率微波平臺有效輻射時間最長。

圖5 距離對偏離角度影響

圖6 方向?qū)ζx角度影響

4)有效輻射時間分析

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有效輻射時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)距離對有效輻射時間的影響,設(shè)定反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達開機距離為10km,雷達天線主瓣寬度為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)距離越遠其下降趨勢更平緩;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)角度對有效輻射時間的影響,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。在實際作戰(zhàn)應(yīng)用中,應(yīng)該根據(jù)舷外高功率微波平臺的安全距離,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,以達到最佳作戰(zhàn)效果。

圖7 距離對有效輻射時間影響

圖8 方向?qū)τ行л椛鋾r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是水面艦艇利用高功率微波對抗反艦導(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作戰(zhàn)仿真流程能夠在一定程度上預(yù)見未來海上高功率微波武器的作戰(zhàn)樣式并評估其作戰(zhàn)能力,為今后研制高功率微波平臺和更深層次的作戰(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