高低兩層抗擊高超音速巡航導(dǎo)彈作戰(zhàn)策略與部署方法研究

劉 健 管維樂 劉志航

空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051

高超音速巡航導(dǎo)彈(Hypersonic Cruise Missile，簡(jiǎn)稱HCM)的作戰(zhàn)距離可達(dá)數(shù)千公里，它擁有極快的飛行速度、精準(zhǔn)的到達(dá)能力及高速隱身的突防能力，巡航高度在介于低層反導(dǎo)武器和高層反導(dǎo)武器的火力空隙，是一種既不同于傳統(tǒng)巡航導(dǎo)彈，也不同于彈道導(dǎo)彈的新型武器［1－3］，將引起未來(lái)作戰(zhàn)的重大變革，使得防空系統(tǒng)面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，如何抗擊HCM，如何進(jìn)行攔截系統(tǒng)的部署規(guī)劃，是一個(gè)重要的研究課題。

1 抗擊HCM 作戰(zhàn)策略

HCM 飛行彈道包括彈機(jī)分離、加速爬升、高速巡航以及俯沖攻擊等階段，飛行速度可達(dá)5Ma 以上，巡航高度在海拔20km ～40km 之間，若不進(jìn)行機(jī)動(dòng)，巡航彈道可認(rèn)為是水平等速飛行，主要位于海拔高度25km ～30km 之間［4－5］。

目前，低層反導(dǎo)系統(tǒng)(如美軍的PAC-3)的最大作戰(zhàn)高度約為25km，從戰(zhàn)技指標(biāo)上看，低層反導(dǎo)系統(tǒng)［6－7］對(duì)俯沖階段的HCM 具備一定攔截能力，但對(duì)25km ～40km 高程的HCM 則無(wú)法攔截，因此，對(duì)25km 以上高度的HCM 必須選擇更大作戰(zhàn)高度的攔截系統(tǒng)，不妨稱為高層攔截系統(tǒng)。要特別說(shuō)明的是，這里的高層攔截系統(tǒng)，是指在比低層反導(dǎo)系統(tǒng)作戰(zhàn)高度更高的高程上對(duì)HCM 進(jìn)行抗擊的攔截系統(tǒng)，與一般意義上的高層反導(dǎo)系統(tǒng)(如美軍的THAAD)不是同一個(gè)概念，一般意義上的高層反導(dǎo)系統(tǒng)作戰(zhàn)高度的低限通常為40km，在HCM 的飛行高度之上，不能作為抗擊HCM 的攔截系統(tǒng)。

當(dāng)前，俄羅斯正在研制C-500 反導(dǎo)系統(tǒng)，其一項(xiàng)重要功能就是攔截臨近空間高超音速目標(biāo)，其最高可攔截40km ～50km 高的臨近空間高超音速飛行器。此外，俄羅斯的C-400 反導(dǎo)系統(tǒng)最大射高為30km，既可承擔(dān)低層攔截任務(wù)、也可承擔(dān)一定程度的高層攔截任務(wù)。因此，從攔截武器的作戰(zhàn)高程看，對(duì)HCM 可采用高低兩層分別進(jìn)行攔截，高層攔截系統(tǒng)可使用C-500、C-400 等，低層攔截系統(tǒng)可使用一般意義的低層反導(dǎo)系統(tǒng)如PAC-3 等。低層攔截系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在HCM 的俯沖段進(jìn)行攔截，高層攔截系統(tǒng)則負(fù)責(zé)在HCM 巡航段或俯沖段初期進(jìn)行攔截。由于HCM 巡航飛行段較長(zhǎng)，因此在巡航段可分段進(jìn)行多次攔截，提高攔截概率。

2 高低兩層抗擊HCM 的時(shí)間可行性分析

高層攔截系統(tǒng)射擊HCM 后，若HCM 沒有被成功攔截，那么，在時(shí)間上低層攔截系統(tǒng)是否來(lái)得及進(jìn)行后續(xù)射擊是一個(gè)必須討論的問題。

2.1 高低2 層抗擊HCM 的時(shí)間可行性分析方法

為了簡(jiǎn)便，如圖1 所示，設(shè)HCM 俯沖過(guò)程呈直線飛行，HCM 俯沖飛行的彈道傾角為θ，俯沖時(shí)平均速度為vfc，設(shè)高層攔截彈與HCM 的遭遇高度為h0，若攔截未成功，經(jīng)歷Δtpg秒的殺傷效果評(píng)估時(shí)間后目標(biāo)飛至高度h0－vfcsinθ·Δtpg，此時(shí)低層攔截系統(tǒng)發(fā)射攔截彈，設(shè)低層攔截彈平均速度為，則低層攔截彈從發(fā)射到遭遇經(jīng)歷的時(shí)間為

遭遇時(shí)刻目標(biāo)斜距為

設(shè)低層攔截系統(tǒng)最小殺傷斜距為rmin，若遭遇時(shí)刻目標(biāo)斜距大于攔截系統(tǒng)最小殺傷斜距，即

可認(rèn)為對(duì)HCM 進(jìn)行高低2 層攔截在時(shí)間上是可行的。

圖1 高低2 層抗擊HCM 的時(shí)間可行性分析方法示意圖

2.2 算例與結(jié)論

1)高層攔截系統(tǒng)在HCM 俯沖前發(fā)射、遭遇，低層攔截系統(tǒng)在HCM 俯沖后發(fā)射、遭遇。

設(shè)HCM 巡航高度h = 25km，俯沖過(guò)程中彈道傾角θ = 45°，俯沖時(shí)平均速度vfc= 6Ma=2.04km/s;設(shè)高層攔截系統(tǒng)在HCM 俯沖前進(jìn)行攔截，即在h0=25km 高度與目標(biāo)遭遇;設(shè)攔截不成功，殺傷效果評(píng)估時(shí)間Δtpg= 5s，經(jīng)歷5s 的殺傷效果評(píng)估時(shí)間后，目標(biāo)飛至高度h0－vfcsinθ·Δtpg=25－2.04×sin 45°×5 ≈17.7875km，此時(shí)低層攔截系統(tǒng)發(fā)射攔截彈，設(shè)低層攔截彈平均速度=1.5 km/s，則低層攔截彈從發(fā)射到遭遇經(jīng)歷的時(shí)間為

遭遇時(shí)刻目標(biāo)斜距為

一般情形下低層攔截系統(tǒng)最小殺傷斜距rmin約為5km，因此遭遇時(shí)刻目標(biāo)斜距為10.659km，滿足r≥rmin，即對(duì)HCM 進(jìn)行高低兩層攔截在時(shí)間上是可行的。

2)高層攔截系統(tǒng)在HCM 俯沖后發(fā)射、遭遇，低層攔截系統(tǒng)隨后攔截。

設(shè)高層攔截彈在HCM 俯沖剛開始時(shí)發(fā)射，即HCM 處于高度h = 25km 時(shí)發(fā)射，設(shè)高層攔截彈平均飛行速度= 2.0km/s，其它參數(shù)不變。這樣，高層攔截彈從發(fā)射到遭遇經(jīng)歷的時(shí)間為

高層攔截彈與HCM 的遭遇高度為

將h0及相關(guān)參數(shù)代入式(1)，得低層攔截彈從發(fā)射到遭遇經(jīng)歷的時(shí)間為

遭遇時(shí)刻目標(biāo)斜距為

顯然，3.0943 小于低層攔截系統(tǒng)最小殺傷斜距5km，因此低層攔截系統(tǒng)不能進(jìn)行第2 次攔截;即使低層攔截系統(tǒng)最小殺傷斜距rmin為3km，上述整個(gè)射擊過(guò)程已沒有任何時(shí)間余量，因此，低層攔截系統(tǒng)不能進(jìn)行第2 次攔截。

上述2個(gè)算例中參數(shù)具有代表性，綜合2個(gè)算例結(jié)果，可以得到下面結(jié)論:在俯沖段無(wú)法對(duì)HCM進(jìn)行2 次攔截;要對(duì)HCM 進(jìn)行高低兩層攔截，高層攔截系統(tǒng)必須在HCM 的巡航段進(jìn)行射擊、遭遇，低層攔截系統(tǒng)則負(fù)責(zé)俯沖段攔截。

3 抗擊HCM 攔截系統(tǒng)部署方法

3.1 抗擊HCM 攔截系統(tǒng)部署思路

由2.2 節(jié)可知，高層攔截系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)HCM 的巡航段攔截，低層攔截系統(tǒng)負(fù)責(zé)俯沖段攔截。HCM在巡航段、俯沖段呈現(xiàn)不同的飛行狀態(tài)。飛行狀態(tài)的不同，使得攔截系統(tǒng)抗擊HCM 的部署方法亦有不同。為此，將攔截系統(tǒng)抗擊HCM 部署方法分為下面2 部分:1)低層攔截系統(tǒng)抗擊俯沖段HCM 部署方法;2)高層攔截系統(tǒng)抗擊巡航段HCM 部署方法。

低層攔截系統(tǒng)對(duì)俯沖段HCM 的攔截與低層反導(dǎo)系統(tǒng)抗擊TBM 的情形類似，因此低層攔截系統(tǒng)抗擊HCM 部署要求可參考低層反導(dǎo)系統(tǒng)抗擊TBM 部署方法［8－9］計(jì)算分析得到，限于篇幅本文暫不討論，只對(duì)高層攔截系統(tǒng)抗擊巡航段HCM 的部署方法進(jìn)行探討。

抗擊HCM 攔截系統(tǒng)部署方法與攔截系統(tǒng)的殺傷區(qū)密切相關(guān)，為此，首先對(duì)攔截系統(tǒng)的殺傷區(qū)進(jìn)行說(shuō)明。

3.2 攔截系統(tǒng)的殺傷區(qū)

攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)［10］是一個(gè)有限的空間區(qū)域，一般采用右手直角坐標(biāo)系OPSH 表示。原點(diǎn)O 為攔截系統(tǒng)配置點(diǎn)，也就是攔截系統(tǒng)的制導(dǎo)雷達(dá)所在點(diǎn);S軸位于水平面，指向目標(biāo)來(lái)襲方向;P 軸位于水平面，表示目標(biāo)航路捷徑;H 軸為鉛垂方向，向上為正。攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)通常采用水平殺傷區(qū)、垂直殺傷區(qū)2個(gè)剖面來(lái)表示。水平殺傷區(qū)常用的參數(shù)有遠(yuǎn)界Dsy、近界Dsj、最大航路角βmax和最大航路捷徑pmax，一般情形下高層攔截系統(tǒng)水平殺傷區(qū)如圖2，水平殺傷區(qū)的遠(yuǎn)、近界與水平剖面所在高度相關(guān)。垂直殺傷區(qū)常用參數(shù)有:高界Hmax，低界Hmin，遠(yuǎn)界斜距Rmax，近界斜距Rmin，最大高低角εmax和最小高低角εmin等，垂直殺傷區(qū)一般常指航路捷徑等于0 的鉛垂平面的殺傷區(qū)剖面，一般情形下高層攔截系統(tǒng)垂直殺傷區(qū)如圖3 所示，其中AB 線段稱為高近界，BC 弧段稱為低近界。

圖2 一般情形下高層攔截系統(tǒng)水平殺傷區(qū)

圖3 一般情形下高層攔截系統(tǒng)垂直殺傷區(qū)

3.3 高層攔截系統(tǒng)抗擊巡航段HCM 的部署方法

3.3.1 高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)計(jì)算方法

3.3.1.1 高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)位置分析

為了方便研究，在接近要地的區(qū)域，設(shè)HCM 俯沖段為傾斜直線飛行，巡航段為水平直線飛行，如圖4 所示，俯沖與巡航的轉(zhuǎn)折處不妨稱為彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)然，HCM 彈道在俯沖前后彈道是光滑的，不會(huì)有明顯的彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但通過(guò)HCM 的巡航速度、高度、基本的彈道方程和空氣動(dòng)力特性可大致估算出HCM 的俯沖開始點(diǎn)。

建立直角坐標(biāo)系SO'H，O' 為HCM 突擊的要地，S 軸、H 軸意義同前，見圖4。

高層攔截系統(tǒng)配置點(diǎn)O 不宜離要地O'很近，如圖4 中O2點(diǎn)，因?yàn)镠CM 彈道在O2的殺傷區(qū)內(nèi)拐彎，高層攔截系統(tǒng)若在HCM 俯沖段攔截，則遭遇后低層攔截系統(tǒng)已來(lái)不及進(jìn)行后續(xù)射擊;若高層攔截系統(tǒng)在HCM 巡航段攔截，則殺傷縱深短淺，射擊窗口小，并且在此階段目標(biāo)拐彎?rùn)C(jī)動(dòng)，跟蹤射擊不便。

高層攔截系統(tǒng)配置點(diǎn)O 亦不宜離要地O'很遠(yuǎn)，如圖4 中O1點(diǎn)，該點(diǎn)在巡航段攔截HCM，可以獲得較大的殺傷縱深，但卻不是高層攔截系統(tǒng)最好的配置點(diǎn)，因?yàn)镠CM 來(lái)襲方向可能為一個(gè)范圍，而不是一個(gè)確定的方向，離落點(diǎn)越遠(yuǎn)，需要火力覆蓋的范圍越大，所需的火力單位越多，如圖5。

圖4 高層攔截系統(tǒng)部署分析示意圖

圖5 攔截系統(tǒng)火力應(yīng)覆蓋HCM 可能來(lái)襲方位范圍

綜合上面分析可知，當(dāng)高層攔截系統(tǒng)近界與HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)相交時(shí)，此時(shí)的攔截系統(tǒng)配置點(diǎn)是最優(yōu)的配置點(diǎn)，如圖4 中O 點(diǎn)，高層攔截系統(tǒng)部署在這一點(diǎn)，既能在巡航段對(duì)HCM 進(jìn)行攔截，使之具有較大的殺傷縱深，又使得所需火力單位數(shù)量最少。

3.3.1.2 高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)的計(jì)算

設(shè)高層攔截系統(tǒng)配置于O 點(diǎn)，O 點(diǎn)坐標(biāo)(SO，0)待定;設(shè)俯沖飛行的HCM 彈道傾角為θ，HCM 巡航高度為h，即圖6 中圖7 中

由于HCM 巡航高度的不同，HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)與高層攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)的相交可能出現(xiàn)下面2 種情形(見圖6 和7):1)HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)與高層攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)高近界相交，該情形發(fā)生的條件為:Rminsinεmax≤h ≤Hmax;2)HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)與高層攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)低近界相交，該情形發(fā)生的條件為:Hmin≤h ＜Rminsinεmax。當(dāng)h ＜Hmin或h ＞Hmax時(shí)，高層攔截系統(tǒng)對(duì)HCM 不構(gòu)成攔截條件。

圖6 HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)與殺傷區(qū)高近界相交

圖7 HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)與殺傷區(qū)低近界相交

下面分2 種情形，分別討論高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)O 的確定方法。

1)HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)與高層攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)高近界相交圖6 中，

從而高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)O 在S 軸的坐標(biāo)SO為

當(dāng)θ ＜εmax時(shí)，SO= hcotθ －h(huán)cotεmax＞0 ，即高層攔截系統(tǒng)O 應(yīng)配置在要地的前方;

當(dāng)θ ＞εmax時(shí)，SO= hcotθ －h(huán)cotεmax＜0 ，即高層攔截系統(tǒng)O 應(yīng)配置在要地的后方;

當(dāng)θ = εmax時(shí)，SO= hcotθ －h(huán)cotεmax= 0 ，此時(shí)高層攔截系統(tǒng)O 應(yīng)配置在要地所在地。

2)HCM 彈道轉(zhuǎn)折點(diǎn)與高層攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)低近界相交圖7 中，

從而高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)O 在S 軸的坐標(biāo)SO為

3.3.2 相鄰高層攔截系統(tǒng)配置間距確定方法

3.3.2.1 相鄰高層攔截系統(tǒng)左右配置間距確定方法

設(shè)相鄰的高層攔截系統(tǒng)左右配置間隔為dp，高層攔截系統(tǒng)對(duì)HCM 殺傷區(qū)的最大航路捷徑為pmax。為了保證殺傷區(qū)左右銜接，顯然dp應(yīng)滿足dp≤2pmax;若要獲得較大的重疊殺傷區(qū)，dp最好滿足dp＜pmax。

為避免電磁互擾，或?yàn)楸髡归_需要等，2 套攔截系統(tǒng)一般都有配置的最小間距。設(shè)相鄰2 套攔截系統(tǒng)配置的最小間距為dmin，dp應(yīng)滿足dp≥dmin。

因此，相鄰高層攔截系統(tǒng)左右配置間距dp應(yīng)滿足:dmin≤dp≤2pmax;若要獲得較大的重疊殺傷區(qū)，左右配置間距dp最好滿足:dmin≤dp＜pmax。

3.3.2.2 相鄰高層攔截系統(tǒng)前后配置間距計(jì)算方法

相鄰高層攔截系統(tǒng)前后配置間距并非越大越好。圖8 中，若O1點(diǎn)離O 點(diǎn)距離很遠(yuǎn)，為了覆蓋HCM 可能的來(lái)襲方位范圍，在離要地距離O'O1的弧段，必須部署很多的攔截系統(tǒng)，如圖5 所示，從而增加兵力數(shù)量需求。

若前一攔截系統(tǒng)與后一攔截系統(tǒng)的距離很小，也不是好的決策。圖8 中，攔截系統(tǒng)O1與HCM 的最后可能遭遇點(diǎn)為L(zhǎng) 點(diǎn)。經(jīng)過(guò)殺傷效果評(píng)估時(shí)間后，HCM 飛至Q 點(diǎn)。若評(píng)定沒有殺傷，則此刻攔截系統(tǒng)O 發(fā)射攔截彈，若要在O 的殺傷區(qū)遠(yuǎn)界W 點(diǎn)與HCM 遭遇，則HCM 在的飛行時(shí)間應(yīng)等于O的攔截彈飛至遠(yuǎn)界點(diǎn)W 的時(shí)間。若HCM 在的飛行時(shí)間小于O 的攔截彈飛至遠(yuǎn)界點(diǎn)W的時(shí)間，則O 的攔截彈與目標(biāo)遭遇時(shí)HCM 已越過(guò)O的殺傷區(qū)遠(yuǎn)界，這樣就縮小了攔截系統(tǒng)O 對(duì)目標(biāo)的殺傷縱深。因此，圖8 中所示為高層攔截系統(tǒng)前后配置間距的理想距離。

圖8 相鄰高層攔截系統(tǒng)前后配置間距計(jì)算方法示意圖

設(shè)HCM 巡航高度為h，巡航飛行的平均速度為vxh，攔截系統(tǒng)殺傷效果評(píng)估時(shí)間為Δtpg，高層攔截系統(tǒng)O 的殺傷區(qū)遠(yuǎn)界斜距為Rmax，O 的攔截彈平均飛行速度為，則O 的攔截彈飛至遠(yuǎn)界時(shí)間為故

又

故高層攔截系統(tǒng)前后配置間距的理想距離為

由于地形、交通等因素，難以保持理想的間距，則相鄰的高層攔截系統(tǒng)前后配置間隔ds一般應(yīng)滿足

3.3.3 算例

1)高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)的計(jì)算

設(shè)HCM 巡航高度h =25km，俯沖飛行HCM 彈道傾角θ =45°，攔截系統(tǒng)高界Hmax=40km，低界Hmin= 8 km，近界斜距Rmin=10 km，最大高低角εmax=70°。

Rminsinεmax= 10sin70°≈9.397 ，此時(shí)下面條件成立:

因此，情形(1)發(fā)生，即HCM 俯沖前與高層攔截系統(tǒng)殺傷區(qū)高近界相交。

采用式(3)進(jìn)行計(jì)算，得

即高層攔截系統(tǒng)應(yīng)配置在要地前方15.9km。

2)相鄰高層攔截系統(tǒng)前后配置間距的計(jì)算

設(shè)HCM 巡航飛行的平均速度vxh= 5Ma =1.7km/s，攔截系統(tǒng)殺傷效果評(píng)估時(shí)間Δtpg=5s，高層攔截系統(tǒng)O 的殺傷區(qū)遠(yuǎn)界斜距Rmax=50km，O 的攔截彈平均飛行速度為=2.0 km/s，則高層攔截系統(tǒng)前后配置間距的理想距離為

綜合算例(1)和(2)可知，要在HCM 巡航段部署前后2 層攔截帶，則在上述參數(shù)假設(shè)下，里層攔截帶的最優(yōu)配置距離為要地前方15.9km，外層攔截帶的最優(yōu)配置距離為要地前方15.9 +85.2 =101.1 km，里外兩層攔截帶的前后間隔不得小于85.2km。

4 結(jié)語(yǔ)

在分析HCM 目標(biāo)特性的基礎(chǔ)上，提出了抗擊HCM 的分段分層攔截策略，并從時(shí)間角度對(duì)高低兩層抗擊HCM 的可行性進(jìn)行了分析，得到了有益的結(jié)論:在俯沖段無(wú)法對(duì)HCM 進(jìn)行2 次攔截;要對(duì)HCM 進(jìn)行高低兩層攔截，高層攔截系統(tǒng)必須在HCM 的巡航段進(jìn)行射擊、遭遇，低層攔截系統(tǒng)則負(fù)責(zé)俯沖段攔截。同時(shí)，還對(duì)抗擊HCM 攔截系統(tǒng)的部署方法進(jìn)行了研究，建立了高層攔截系統(tǒng)最優(yōu)配置點(diǎn)的計(jì)算方法和理想配置間隔的確定方法，并采用上述方法進(jìn)行了案例計(jì)算。

目前HCM 尚處于研制試驗(yàn)階段，對(duì)HCM 的抗擊作戰(zhàn)研究也處在起步階段，因此，抗擊HCM 作戰(zhàn)是一個(gè)嶄新的、極具挑戰(zhàn)性的研究課題，本文提出的思路方法對(duì)抗擊HCM 的作戰(zhàn)運(yùn)用具有指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

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