高超聲速飛行器精確制導對雷達技術(shù)的需求

陳安宏， 穆育強， 余 穎， 湯國建

（1.國防科技大學航天科學與工程學院，湖南 長沙410073；2.空間物理重點實驗室，北京100076）

0 引言

為滿足未來戰(zhàn)爭的需求，軍用飛行器正朝著體積小、射程遠、速度快、精度高、多用途、隱身等方向發(fā)展。提高精度指標可以有效提升飛行器的效能，于是精確制導技術(shù)得到迅速發(fā)展［1-2］。

以HTV-2為代表的高超聲速滑翔飛行器和以X-51為代表的高超聲速巡航飛行器，代表著未來高超聲速飛行器的兩大發(fā)展方向?？焖偻环滥芰εc精確打擊技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)快速精確打擊。

1 高超聲速飛行器的特點

高超聲速飛行器與傳統(tǒng)彈道導彈在氣動布局、飛行環(huán)境等方面存在極大差異［3］，高超聲速飛行器應注重系統(tǒng)設(shè)計和一體化設(shè)計。

（1）氣動布局

高超聲速飛行器為了獲得足夠高的升阻比進行滑翔飛行，通常采用面對稱、大翼展布局，其外形與飛機較相似。傳統(tǒng)的導彈一般采用軸對稱布局。

（2）飛行環(huán)境

高超聲速飛行器主要在臨近空間滑翔飛行。臨近空間高低空大氣密度變化顯著，不同地區(qū)不同季節(jié)風的特性差異較大，存在稀薄氣體效應、高溫氣體效應、氣動熱彈性效應，氣動參數(shù)存在較大不確定性，變化范圍較大。高馬赫數(shù)飛行帶來了嚴峻的隔熱設(shè)計問題。飛行末段高動壓帶來的鉸鏈力矩，增加了伺服系統(tǒng)設(shè)計的難度。大范圍機動帶來的高過載也對載荷強度提出較高的要求。飛行器高速飛行使得表面氣體發(fā)生電離現(xiàn)象，形成“等離子體鞘套”［4］，對電波的傳播產(chǎn)生折射、反射、散射及吸收等影響，從而導致信號延遲、多徑效應、信號衰減及閃爍等問題，影響衛(wèi)星導航定位精度及測控系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

該水源方案存在的主要缺點是：（1）結(jié)構(gòu)復雜，目前尚沒有與之相對應的取水機理研究成果，沒有成熟的取水模型，對影響輻射井的取水量影響因素不清，致使輻射井的勘察、設(shè)計、施工缺乏科學理論依據(jù)，導致達不到預期的取水效果。（2）取山泉水時，含水層的水量評估、論證困難，勘察難度高，必須進行多方討論，否則水量難以保證。（3）水平鉆進要求工藝水平高，施工難度大，且耗費時長。

（3）系統(tǒng)化設(shè)計

高超聲速飛行器的氣動布局設(shè)計受到總體、結(jié)構(gòu)、控制及隔熱等諸多專業(yè)的約束。為了保證一定的射程，需要確保升阻比及升重比的匹配設(shè)計。飛行過程中，需要適應過載、熱流、動壓等各類約束的影響，對飛行高度與馬赫數(shù)的匹配設(shè)計提出了較高要求。

（4）一體化設(shè)計

高超聲速飛行器的航程與升阻比、質(zhì)量與裝填比等指標之間存在矛盾，要求實現(xiàn)電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計。強調(diào)以功能為主導，模糊傳統(tǒng)意義上分系統(tǒng)設(shè)計的概念。實現(xiàn)能源的集約供給，統(tǒng)一調(diào)度。實現(xiàn)信息系統(tǒng)的SoC 化，將傳統(tǒng)GNC 系統(tǒng)的解算、末制導系統(tǒng)的信息處理、遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、慣組信息處理、舵系統(tǒng)的控制器等以IP核的形式高度集成，所有信息集中處理。

2 高超聲速飛行器精確制導技術(shù)

高超聲速飛行器精確制導技術(shù)涉及復合制導、精確打擊、體系作戰(zhàn)和智能控制等方面。

（1）復合制導與精確打擊

一般要求高超聲速飛行器具有一小時內(nèi)全球到達、大范圍機動、精確打擊的能力。長航程不僅需要高精度中段導航，還應確保中末交班。末端精確打擊，要求實施全程復合制導，具備目標定位、識別和跟蹤功能。制導體制應考慮主動段優(yōu)化、頭體分離條件、中段軌跡規(guī)劃、中末交班的一體化設(shè)計。中末段制導從單模向多模復合方向發(fā)展。

（2）體系作戰(zhàn)與智能控制

信息支持下的體系作戰(zhàn)將是未來戰(zhàn)爭的主要模式，將以信息鏈路為紐帶，將探測平臺（衛(wèi)星、無人機等）、作戰(zhàn)平臺（飛機、艦船）、武器系統(tǒng)（導彈、制導站）、指控系統(tǒng)等鏈接起來構(gòu)成一個大的體系。飛行器是網(wǎng)絡(luò)中的一個環(huán)節(jié)，在其他系統(tǒng)的支持下完成精確打擊任務。在信息保障條件下，飛行器中段導航的壓力將大大降低，末段搜索的壓力將由網(wǎng)絡(luò)中的其他部分承擔，飛行器將朝著智能化、低成本方向發(fā)展。武器系統(tǒng)的運作模式：天基、空基平臺（衛(wèi)星、無人機等）構(gòu)成偵察系統(tǒng)，實現(xiàn)對打擊目標的探測后，將目標信息傳送到武器平臺（地面發(fā)射陣地、飛機、艦船）指控系統(tǒng)；指控根據(jù)作戰(zhàn)需求發(fā)射導彈；導彈在飛行過程中通過數(shù)據(jù)鏈路實時接收目標信息，根據(jù)提供的目標位置引導飛行器飛向目標區(qū)域；進入末制導區(qū)域后，導引頭在小范圍內(nèi)探測、識別、跟蹤目標，實施尋的打擊。

3 高超聲速飛行器雷達技術(shù)的需求

雷達是飛行器的重要設(shè)備，飛行器上一般存在多種雷達，雖然它們工作在不同頻段、不同模式，但基本作用是實現(xiàn)探測和數(shù)據(jù)傳輸。常見的工作模式如表1所示。

表1 飛行器雷達的工作模式

在飛行的不同階段，飛行器通過雷達感知各種信息（根據(jù)GNC 需求），滿足定位、探測、制導等方面的要求。在飛行中段，用雷達輔助慣性導航系統(tǒng)，通過地形匹配／景象匹配等方式實現(xiàn)高精度導航；在飛行末段，用雷達實現(xiàn)目標探測、定位、分選，輔助飛行器完成精確打擊任務。雷達也可以作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，實現(xiàn)信息（遙測與導航信息）的傳輸。

（1）電氣系統(tǒng)一體化

高超聲速飛行器為了完成作戰(zhàn)使命，應根據(jù)導航制導系統(tǒng)的精度需求，確定雷達的工作模式及指標參數(shù)。根據(jù)電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計原則，多種功能應由同一單機實現(xiàn)。為了實現(xiàn)中段高精度自主導航，雷達應工作在SAR、測高等模式；為了實現(xiàn)對目標的識別、分選，雷達應工作在成像模式；為了實現(xiàn)對目標的精確打擊，雷達應工作在連續(xù)跟蹤模式。在信息化作戰(zhàn)時，雷達作為數(shù)據(jù)鏈路重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)寬帶、低延時的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)信息在飛行器之間、飛行器與其它系統(tǒng)之間的高速傳輸。

高超聲速飛行器一般采用面對稱外形，頭部的可用空間較小。當滑翔飛行器采用精確制導技術(shù)時，飛行器頭部位置需要放置導引頭，導引頭的布局受限于飛行器頭部艙體結(jié)構(gòu)限制，較小的安裝空間對導引頭的小型化設(shè)計提出了更高的要求。為了盡量增加有效載荷，可以采用共型天線，減少占用空間。采用相控陣天線可以避免復雜的機掃裝置較多占用較多空間。

（2）熱約束

在大氣層內(nèi)長時間飛行時，面臨嚴酷的熱環(huán)境，防熱和隔熱的設(shè)計難度增大。雷達設(shè)備的功率器件的效率較低，工作時會產(chǎn)生較多的熱量。在密閉的空間內(nèi)，熱量無法散去。而且飛行時外部的氣動熱不斷向內(nèi)傳導，導致艙內(nèi)設(shè)備溫度持續(xù)升高，溫控設(shè)計面臨很大的壓力。提高雷達功率器件的效率，對于高超聲速飛行器具有特殊的意義。另一方面，氣動熱導致材料燒蝕等現(xiàn)象，雷達天線罩燒蝕使視線誤差增大、視線誤差斜率精度難以控制。長時間高溫對天線罩力學與電氣性能的影響，是高超聲速飛行器雷達探測制導技術(shù)不容忽視的問題，需要在雷達-天線罩耦合設(shè)計、視線誤差（BSE）自適應補償技術(shù)等方面開展深入研究。

（3）末端高精度打擊

為了實現(xiàn)電子對抗情況下的末端精確打擊，探測技術(shù)將向多模復合、成像方向發(fā)展。充分利用微波探測作用距離遠、抗煙霧效果好、可測距，光學探測成像分辨率高等優(yōu)點，實施微波和光學復合制導，實現(xiàn)對面目標、點目標的準確探測和精確打擊。目前，微波將向毫米波、亞毫米波（太赫茲譜段）發(fā)展，而光學則由可見光／中長波紅外向紫外、短波紅外、激光譜段發(fā)展。

以高功率小型有源相控陣技術(shù)為基礎(chǔ)的彈載相控陣雷達導引頭將成為高超聲速飛行器精確制導領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)常平架雷達導引頭相比，具有空間功率合成、捷聯(lián)數(shù)字穩(wěn)定、波束快速電掃、全固態(tài)高集成度等技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合多維高密度信息處理能力，相控陣雷達導引頭為精確制導武器應對未來戰(zhàn)場威脅提供了一種有效的解決途徑。

激光主動成像制導技術(shù)具有信息維數(shù)多（角度／距離／強度／速度／微動信息）、選擇能力強、測距測角精度高（厘米級距離精度、百微弧度級角度分辨率）等突出特點，通過與現(xiàn)有紅外成像或射頻制導體制復合，或者獨立應用，都能夠顯著提高彈載末制導探測和目標識別能力。對提升抗射頻拖曳等主瓣掩護式干擾、紅外煙障遮蔽等干擾，具有技術(shù)潛能。非掃描凝視成像是激光主動成像制導的發(fā)展趨勢，可以廣泛應用于對地、對海等作戰(zhàn)場合。

量子成像是一種全新的成像體制?；诠鈭龅牧孔有?，利用新型的輻射源、檢測方法及信號處理技術(shù)，實現(xiàn)對目標的高分辨、高靈敏度、高精度探測，并提供更多的目標信息，可克服現(xiàn)有探測系統(tǒng)的原理性瓶頸。美國羅切斯特大學研究所借助美國政府和軍方的大力資助，于2012年研制出一種能輕易探測到隱形飛機的量子雷達。國內(nèi)開展了相關(guān)的應用研究，從理論上證明了利用經(jīng)典熱光場進行量子成像，可大大減輕大氣散射、大氣湍流對成像質(zhì)量的影響，獲得了目標的超衍射極限量子成像結(jié)果。以量子光學和壓縮采樣理論為核心的量子成像應用理論可使現(xiàn)有精確制導領(lǐng)域光學探測能力得到大幅提升。

（4）復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境適應性

根據(jù)實戰(zhàn)的要求，武器系統(tǒng)應在復雜電磁環(huán)境下完成作戰(zhàn)任務。雷達系統(tǒng)應該在總體抗干擾指標約束下，在戰(zhàn)場的復雜電磁環(huán)境中實現(xiàn)既定的功能，在地海雜波中實現(xiàn)對目標的準確識別。這些都是末制導系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。與雷達相關(guān)的干擾及抗干擾技術(shù)，如指標體系建立、效能評估方法、仿真驗證技術(shù)等，都是需要研究的課題。

減小雷達天線RCS，可降低被發(fā)現(xiàn)的概率，頻率選擇表面技術(shù)（FSS）是一個較好的方法［5］。頻率選擇表面技術(shù)通過大量相同單元電磁周期結(jié)構(gòu)和器件加載，實現(xiàn)對不同工作頻率、極化狀態(tài)和入射角度電磁波的頻率選擇?？梢孕纬膳c飛行器外形相匹配的電磁波空間濾波器，適用于彈上精確制導系統(tǒng)的抗高功率微波應用。2010年，美國空軍技術(shù)研究所提出了將頻率選擇表面技術(shù)應用于高功率微波技術(shù)的設(shè)想，并開展了相關(guān)概念的研究工作。目前，國內(nèi)已開展了經(jīng)典頻率選擇表面和基于半導體器件加載的改進型頻率選擇表面天線罩原理樣機研制和驗證試驗，未來將進一步突破彈上條件適應性和帶內(nèi)能量選擇等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)工程應用。

（5）信息化體系作戰(zhàn)

在未來的信息化作戰(zhàn)體系中，所有的作戰(zhàn)平臺、偵查平臺、武器系統(tǒng)等都將通過數(shù)據(jù)鏈路連接。數(shù)據(jù)鏈路包括傳輸設(shè)備、通信協(xié)議和消息標準三大要素［6-7］。雷達作為傳輸設(shè)備，是信息鏈路中的重要環(huán)節(jié)。

飛行器在空間以高超聲速飛行時，無線電信號會呈現(xiàn)出一定程度的衰減。如果飛行器的速度繼續(xù)提高達到十幾馬赫或者幾十馬赫時，飛行器與大氣強烈作用，在頭部形成弓形激波，波后氣體溫度、壓強急劇升高，使大氣離解、電離，在飛行器周圍形成等離子體鞘套，使電磁波產(chǎn)生反射、折射及散射，同時吸收電磁波能量，使地面站與飛行器間通信受擾，如果中斷的時間太長，導致目標可能消失。為了有效地識別和跟蹤飛行器，必須研究飛行器表面等離子體鞘套對電磁波傳播的影響。能否在等離子環(huán)境下實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠的傳輸將是一個重要的研究方向。

總之，為了滿足高超聲速飛行器精確制導需求，雷達技術(shù)將從單一體制向多功能、多模復合發(fā)展，將由單一微波探測體制向光電復合探測體制發(fā)展，由傳統(tǒng)的機掃方式向電掃方式發(fā)展?？梢钥闯鰸M足多功能、快速掃描、波束靈活控制的微波／光學相控陣雷達將是重要的發(fā)展方向。同時，較強的熱約束，將促進天線熱設(shè)計、微波功率器件、熱控等技術(shù)的進步。信息化體系作戰(zhàn)的需求，要求雷達系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸、信號處理等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。

4 結(jié)束語

本文從高超聲速飛行器的特點入手，分析了高超聲速飛行器精確制導技術(shù)面臨的問題。針對約束條件，從滿足電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計、滿足末端高精度打擊、特殊的熱約束、適應復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境、滿足信息化體系作戰(zhàn)需求等方面對雷達技術(shù)的需求面進行了分析。結(jié)合雷達系統(tǒng)新體制、新技術(shù)、新材料和新器件方面的進步，推動彈載多功能微波／光學相控陣導引頭、頻率選擇表面（FSS）頭罩功能材料、等離子環(huán)境寬帶通信等專題的研究，才能支撐高超聲速飛行器精確制導技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

［1］ 陳定昌，袁起，范金榮.精確制導武器發(fā)展趨向［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2000，28（4）：41-48.

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［3］ 穆育強，王軍權(quán)，沈海濱，等.高超聲速飛行器精確制導的發(fā)展思考［J］.臨近空間科學與工程，2012，4（1）：15-19.

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［5］ 盧俊，高勁松，孫連春.頻率選擇表面及其在隱身技術(shù)中的應用［J］.材料科學與技術(shù)，2003，（9）.

［6］ 孫義明，楊麗萍.信息化戰(zhàn)爭的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈［M］.北京：北京郵電大學出版社，2005.

［7］ 李云茹.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈及其應用技術(shù)［J］.中國電子科學究院學報，2007，2（2）：211-217.