反臨近空間高速機動目標策略研究

劉曉慧,聶萬勝

(裝備學(xué)院，北京 101416)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

反臨近空間高速機動目標策略研究

劉曉慧,聶萬勝

(裝備學(xué)院，北京 101416)

臨近空間高速機動目標作為爭奪空間戰(zhàn)略優(yōu)勢的新型作戰(zhàn)領(lǐng)域的武器裝備，在世界軍事斗爭中發(fā)揮著重要作用；為應(yīng)對來自臨近空間的威脅，分析了高速機動目標特性，總結(jié)了各種反臨近空間策略的研究現(xiàn)狀，提出了一種使用高超聲速再入飛行器進行攔截的反臨近空間高速機動目標策略，分析該策略的優(yōu)勢，并詳細論述了該策略中探測、再入和制導(dǎo)控制等關(guān)鍵技術(shù)，分析了其技術(shù)可行性與難點。

空間防御；反臨近空間；高超聲速；機動目標；再入飛行器

臨近空間以其特殊優(yōu)勢逐漸成為空間力量競爭的焦點，近年來，以美、俄為代表的世界軍事強國已先后投入巨資用于有關(guān)臨近空間高超聲速飛行器的研究[1]，并開展了技術(shù)方案的相關(guān)論證試驗，爭取盡快占領(lǐng)這一戰(zhàn)略制高點，這更加劇了來自空天的威脅。因此，發(fā)展臨近空間高速機動目標攔截系統(tǒng)有著重要意義。目前，針對臨近空間高速機動目標的攔截方式，主要包括前置射擊導(dǎo)彈攔截、空射高超聲速導(dǎo)彈攔截以及使用激光武器或微波武器攔截等方式[1]。本文通過分析臨近空間高速機動目標特性和現(xiàn)有反臨近空間策略，提出一種使用高超聲速再入飛行器進行攔截的反臨近空間高速機動目標策略，與其他攔截方式相比具有“由上打下”、“發(fā)現(xiàn)即攔截”和“跟蹤打擊”的一體化優(yōu)勢。并詳細論述了該策略中的綜合探測技術(shù)、再入飛行器技術(shù)和制導(dǎo)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，分析了其可行性和面臨的問題與難點，對高速機動目標的攔截和臨近空間的防御具有重要意義。

1 臨近空間概念及其高速機動目標特性

1.1 臨近空間概念

臨近空間，通常定義為距地面20～100 km的空域，處于傳統(tǒng)航空器活動空域的上限與衛(wèi)星等航天器運行空間的下限之間的過渡空域[2]，因此部署在臨近空間的軍事裝備，既可以向下攻擊航空器和地面目標，又可以向上威脅到航天器，還可以進行通信偵察、快速運輸和發(fā)射運載等，是國家安全體系中的一個重要環(huán)節(jié)，對搶占臨近空間制高點具有重要的戰(zhàn)略意義。

1.2 臨近空間高速機動目標特性分析

臨近空間高速機動目標，主要是指以高馬赫數(shù)和強機動性在臨近空間(集中在30～60 km高度范圍內(nèi))做跳躍滑翔或巡航飛行的高超聲速飛行器[5]。其航速快，馬赫數(shù)通常高于5；響應(yīng)迅速，機動能力強，法向過載可達2～4倍的當?shù)刂亓铀俣萚1]；航程遠，打擊范圍廣，可以在1～2 h內(nèi)攻擊全球任何范圍[3]；打擊動能大、精度高，能夠精確打擊任何深層堅固目標，在特定條件下對于混凝土的侵徹深度可達18 m，因而適合攻擊地面加固目標、深入地下的指揮中心和工事等敵方堅固目標[3]。

2 反臨近空間策略的研究現(xiàn)狀

2.1 探測手段的研究現(xiàn)狀

對于臨近空間高速機動目標的探測，目前的研究中主要有以下幾種手段：

一是借助現(xiàn)有的防空預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，依靠預(yù)警機和地面雷達組網(wǎng)進行早期探測[4]。但是由于雷達的截獲距離有限、預(yù)警時間極短，而目標飛行速度極快，相對于雷達的視角速度較大，雷達需要較長的時間積累目標信號進行識別、解算，因此只能進行被動防御。

二是使用針對于彈道導(dǎo)彈的地面或艦載大型相控陣預(yù)警雷達，其功率大、分辨率高、作用距離遠，既可以探測彈道導(dǎo)彈彈頭這種小目標，也能發(fā)現(xiàn)高超聲速飛行器目標[4]。但是其機動能力有限，加上地球曲率的蔽擋作用，目標可以憑借其優(yōu)越的機動性能選擇雷達監(jiān)視盲區(qū)進入。

三是使用在彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中已經(jīng)實用化的紅外預(yù)警手段，利用目標的紅外輻射特征，既可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射的彈道導(dǎo)彈，也能發(fā)現(xiàn)巡航飛行的高超聲速目標[5]。其不足之處，就是無法提供目標精確的三維坐標。

總的來說，由于臨近空間目標的高超聲速和強機動性特點，存在一定的探測難度，應(yīng)綜合利用多種探測手段為攔截系統(tǒng)提供可靠的預(yù)警信息。

2.2 攔截方式的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈由于射高較低且速度也低于臨近空間目標速度，無法實現(xiàn)追蹤攔截；反導(dǎo)導(dǎo)彈雖然速度高射程遠，但對于彈道較彎曲的高速機動目標，阻力較大、過載加大、無法達到足夠的末端速度和理想的射程。借鑒防空反導(dǎo)的技術(shù)途徑，出現(xiàn)了多種攔截方式，其中比較有代表性的是前置射擊和空射反導(dǎo)兩種攔截方式。

前置射擊攔截，是將攔截導(dǎo)彈置于目標預(yù)測飛行彈道的前方，對目標進行迎擊攔截，這樣導(dǎo)彈飛行速度可以低于目標速度[6]。由于目標可以輕易進行機動，而要求的前置區(qū)會隨之發(fā)生劇烈變化，且迎擊相對速度極大，容易導(dǎo)致較大的誤差。

空射反導(dǎo)攔截，是通過載機將高超聲速導(dǎo)彈、激光武器或微波武器運送到空中攔截來襲目標，具有較大的機動范圍[7]。載機火控雷達必須足夠強勁，才能在數(shù)百乃至上千千米遠的距離截獲來襲目標。

3 再入攔截的反臨近空間策略

3.1 總體策略及其優(yōu)勢

通過對臨近空間目標特性和現(xiàn)有反臨近空間策略的分析，本文提出了基于高超聲速再入飛行器的反臨近空間高速機動目標的策略：

采用紅外探測系統(tǒng)對臨近空間進行大范圍實時連續(xù)的快速掃描，同時配合使用空中和地面雷達探測系統(tǒng)，當鎖定高速機動目標后，快速反饋給指揮中心，攔截系統(tǒng)進入預(yù)警狀態(tài)，對目標進行連續(xù)跟蹤，預(yù)測彈道軌跡。 收到作戰(zhàn)指令的高超聲速再入飛行器，憑借綜合探測系統(tǒng)提供的引導(dǎo)數(shù)據(jù)和高精確的復(fù)合制導(dǎo)控制技術(shù)以及自身良好的機動性能，從再入段開始就對目標進行同射向地跟蹤飛行。由于目標在滑翔過程中飛行時間較長、速度穩(wěn)定在2 000～3 000 m/s、高度維持在20～40 km，攔截窗口較大[7]，因此可以在滑翔段與目標保持較小的相對速度，尋找最佳時機最后直接攻擊目標或分離投放動能載荷進行攔截。

與其他反臨近空間策略相比，使用高超聲速再入飛行器攔截臨近空間高速機動目標的主要特點及優(yōu)勢有：以紅外探測系統(tǒng)為主，空地雷達相配合，由上向下預(yù)警監(jiān)測，探測范圍廣、探測速度快、跟蹤精確；高超聲速再入飛行器響應(yīng)迅速，一般不到10 min即可擊中1 000 km外的目標[7]，可以在很短時間內(nèi)實現(xiàn)覆蓋全球的對臨攻擊；對目標的同射向跟蹤從再入段就開始，增大了攔截末制導(dǎo)的作用距離，提高了攔截精度；在臨近空間空域飛行，高度自主，不受領(lǐng)空、領(lǐng)土的限制[8]；與目標保持較小的相對速度，并直至通過目標上空散開或外層燒毀后才會漏出動能載荷，具有良好的隱蔽性。該策略大大降低了防御臨近空間高速機動目標的難度，實現(xiàn)“由上打下”、“發(fā)現(xiàn)即攔截”和“跟蹤打擊”的探測打擊一體化效果。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.2.1 綜合探測技術(shù)及其可行性分析

攔截臨近空間高速機動目標，前提就是探測系統(tǒng)必須盡早發(fā)現(xiàn)目標，為攔截系統(tǒng)爭取時間。由于目標以高馬赫數(shù)在高層大氣中飛行時，表面與空氣劇烈摩擦產(chǎn)生大量熱，使其表面溫度隨馬赫數(shù)的增加急劇升高至1 600～2 400 ℃，釋放出強烈的紅外輻射，在海陸空天背景下紅外輻射特征顯著(圖1)[3]。因此，可以首先采用紅外探測系統(tǒng)，搭載先進高靈敏的可見光學(xué)電視像機、紅外掃描探測器和凝視探測器等探測設(shè)備，對目標進行早期預(yù)警[5]。平時工作時使用掃描探測器對地球背景進行快速陣列掃描，探測到異常信號后，鎖定目標并調(diào)用凝視探測器放大分辨率，繼續(xù)進行跟蹤，預(yù)測出目標的彈道軌跡和攻擊落點位置，直接向再入飛行器提供目標導(dǎo)引數(shù)據(jù)[9]，尤其針對飛行中段和再入段的目標。在目標脫離紅外探測范圍后，可以配合使用空中預(yù)警雷達接力和地面相控陣雷達組網(wǎng)進行補盲，形成全方位立體網(wǎng)絡(luò)化探測。對于臨近空間高速機動目標要想“早看見”“早打到”，需要綜合利用各種探測手段，為攔截系統(tǒng)提供更加可靠靈活的預(yù)警信息。

圖1 高超聲速目標表面氣動加熱現(xiàn)象

在紅外探測技術(shù)的應(yīng)用上，美國和俄羅斯已擁有實用型的紅外預(yù)警衛(wèi)星，其中較有代表性的是美國的天基紅外系統(tǒng)(Space-Based Infrared System，SBIRS)預(yù)警衛(wèi)星。據(jù)報道該系統(tǒng)的高軌部分已投入使用并成功在戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈上升到15～18 km時探測到其尾焰的高分辨率紅外圖像[6]。另外該系統(tǒng)在建的低軌部分完成后能夠在15 min內(nèi)將南北緯65°范圍內(nèi)的任何目標圖像直接傳給指揮中心[10]。

3.2.2 再入飛行器技術(shù)及其可行性分析

雖然傳統(tǒng)的彈道式再入方式也能實現(xiàn)遠程高速打擊，但是其機動能力差，無法適用于臨近空間高速機動目標的攔截。隨著航天科技的不斷進步，出現(xiàn)了采取非彈道式再入的高超聲速飛行器，其氣動外形結(jié)構(gòu)特殊，一般采取尖前緣和大后掠的“乘波體”構(gòu)型[11]，具有高升阻比特性，再入后可以通過調(diào)整自身傾側(cè)角進行較長時間的無動力滑翔飛行，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍機動飛行，其外殼還可以用來隱蔽攜帶的動能載荷，直到指定位置才釋放載荷，射程遠且具有很好的突防能力，適用于全球范圍的遠程高速精確打擊[12]。

在眾多的高超聲速再入飛行器概念中，以美國提出的通用航空飛行器(Common Aero Vehicle,CAV) 概念最具代表性。2011年8月美國成功進行了CAV驗證機HTV-2的試飛試驗，如圖2所示，米諾陶IV運載火箭將HTV-2發(fā)射升空，與運載火箭分離后進入再入飛行段，成功拉起并進入到了滑翔段，實現(xiàn)了在穩(wěn)定控制下以馬赫數(shù)20的速度飛行[13]，為再入飛行器技術(shù)提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。

3.2.3 制導(dǎo)控制技術(shù)及其可行性分析

探測系統(tǒng)一旦截獲高速機動目標，即可利用攔截系統(tǒng)進行攔截，高精度制導(dǎo)控制技術(shù)的實現(xiàn)是影響攔截臨近空間高速機動目標可行性的關(guān)鍵技術(shù)。如圖3的制導(dǎo)控制流程所示，首先需要在飛行器計算機內(nèi)生成相應(yīng)的參考軌跡坐標，再實時解算探測系統(tǒng)獲得的目標數(shù)據(jù)并與參考軌跡進行比較求出誤差，根據(jù)這一誤差進行實時修正，滿足熱流密度、機動過載和動壓的約束條件[14-15]，為了與目標保持較小的相對速度，需要對飛行器的速度進行約束，為了實現(xiàn)以最佳碰撞角擊中目標，還需增加終端狀態(tài)約束，最終轉(zhuǎn)換為控制指令輸入到計算機中，按照規(guī)定的導(dǎo)引規(guī)律對飛行器的姿態(tài)進行復(fù)合控制，改變升力方向以控制飛行軌跡，實現(xiàn)對目標的攔截[16-17]。

圖2 CAV技術(shù)驗證機HTV-2飛行試驗示意圖

圖3 制導(dǎo)控制流程

有關(guān)制導(dǎo)律的理論研究在20世紀八九十年代就已經(jīng)取得了很大的進展，比例導(dǎo)引律作為經(jīng)典的制導(dǎo)律之一，對于弱機動目標的攔截具有良好的制導(dǎo)性能，在彈道式導(dǎo)彈中得到廣泛工程實際應(yīng)用。隨著臨近空間高速機動目標的出現(xiàn)，比例導(dǎo)引攔截的終端視線角速率將不再穩(wěn)定，脫靶量較大[18-19]。于是為改善其缺陷，各種新型的制導(dǎo)律相繼出現(xiàn)：引入優(yōu)化性能指標的最優(yōu)制導(dǎo)律，可以更好地控制脫靶量為零[20]；增加目標加速度補償項的擴展比例導(dǎo)引律，可以應(yīng)對常值機動的目標[21]；添加時變偏置項的偏置比例導(dǎo)引律，可以有效消除視線方向的偏差以約束碰撞角，實現(xiàn)最佳角度命中目標[22-24]；引入變結(jié)構(gòu)理論或編寫模糊原則的非線性導(dǎo)引律，增強了抗不確定性和抗外界干擾能力[25-26]。這些都為攔截高速機動目標提供了行之有效的理論研究基礎(chǔ)。

3.3 面臨的問題及難點分析

對于紅外探測技術(shù)，目前面臨的主要難點是，紅外探測器的靈敏性極高，會受到激光束的干擾和紅外誘餌的誤導(dǎo)。

對于制導(dǎo)控制技術(shù)，一方面由于高超聲速條件下極小的制導(dǎo)誤差就可能造成極大的脫靶量，因而需要極高的制導(dǎo)精度預(yù)測目標軌跡；另一方面在高速復(fù)雜大氣環(huán)境下存在直接力與攔截器流場互相干擾，需要使用火箭控制和氣動力控制相結(jié)合的復(fù)合控制技術(shù)滿足需要的過載能力，提供快速響應(yīng)[1]。這都給制導(dǎo)控制技術(shù)的實現(xiàn)帶來一定難度。

4 結(jié)論

臨近空間高超聲速飛行器作為新型軍事裝備，在軍事斗爭和空間防御中具有至關(guān)重要的作用。以美國為代表的一些軍事強國積極研發(fā)臨近空間高超聲速飛行器，對各國空間安全形成新的威脅，因此探索反臨近空間高速機動目標策略，建立臨近空間防御系統(tǒng)，具有重要的意義。

本文分析了臨近空間高速機動目標的特性，總結(jié)了現(xiàn)有反臨近空間策略中探測手段和攔截方式的研究成果，分析了各自的優(yōu)勢和局限性，提出了一種使用高超聲速再入飛行器進行攔截的反臨近空間策略，分析了該策略的優(yōu)勢，詳細論述了該策略中探測、再入、制導(dǎo)控制等關(guān)鍵技術(shù)的可行性與面臨的難點，為臨近空間高速機動目標防御技術(shù)的發(fā)展提供了一種思路。

[1] 許惠麗,李軍顯.臨近空間高超聲速飛行器防御技術(shù)研究[J].飛航導(dǎo)彈,2014(5):43-47.

[2] 趙杰,王君,張大元,等.反臨近空間高超聲速飛行器中末交接視角研究[J].飛行力學(xué),2015,33(3):253-256.

[3] 白宏,張廷政,周亞紅.抗擊臨近空間高超聲速飛行器對策研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2014,4(6):22-26.

[4] 劉彬,李為民,別曉峰,等.高超聲速巡航導(dǎo)彈目標的攔截策略探析[J].飛航導(dǎo)彈,2014(1):22-27.

[5] 梁海燕.反臨近空間高超聲速飛行器導(dǎo)引頭及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].飛航導(dǎo)彈,2013(3):61-63.

[6] 王還鄉(xiāng),李為民,上官強,等.高超聲速飛行器巡航段攔截作戰(zhàn)需求分析[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2012(2):36-40.

[7] 劉旭,李為民,任曉虹.高超聲速巡航導(dǎo)彈及其攔截策略研究[J].飛航導(dǎo)彈,2011(4):47-50.

[8] 張曉嵐,張云,王海濤,等.臨近空間高超聲速目標及其防御[J].上海航天,2013,30(1):48-52.

[9] 張樂偉,陳桂明,薛冬林.導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星概述[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2011(4):117-121.

[10]聶萬勝,馮必鳴.高速再入精確打擊飛行器及其發(fā)展趨勢[J].裝備學(xué)院學(xué)報,2013,24(4):1-4.

[11]甄華萍,蔣崇文.高超聲速技術(shù)驗證飛行器HTV-2綜述[J].飛航導(dǎo)彈,2013(6):7-13.

[12]祝彬,陳萱.基于天基信息系統(tǒng)的遠程精確打擊(下)[J].中國航天,2007(4):35-40.

[13]陳洪波,楊滌.升力式再入飛行器離軌制動研究[J].飛行力學(xué),2006,24(2):35-39.

[14]馮必鳴,聶萬勝,李柯.再入飛行器多約束預(yù)測-修正末導(dǎo)引律研究[J].彈道學(xué)報,2013,25(1):5-9.

[15]DARBY C L,HAGER W W,RAO A V.A Preliminary Analysis of a Variable-Order Approach to Solving Optimal Control Problems Using Pseudo Spectral Method [C]//AIAA.Astrodynamics Specialist Conference.Toronto,Canada:AIAA,2010:2010-8272.

[16]張海林,周林,張琳,等.臨近空間高超聲速導(dǎo)彈彈道特性分析[J].飛航導(dǎo)彈,2015(3):18-21.

[17]張大元,雷虎民,邵雷,等.臨近空間高超聲速目標攔截彈彈道規(guī)劃[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2015,37(3):91-96.

[18]張建偉,黃樹彩,韓朝超.基于Matlab的比例導(dǎo)引彈道仿真分析[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2009(3):60-64.

[19]黃烽,王坤,于衛(wèi)剛.比例導(dǎo)引率三維模型實現(xiàn)方法[J].電子信息靶場,2013,23(4):36-39.

[20]韋宏強,闞虎,吳紅權(quán),等.地空導(dǎo)彈增量式比例導(dǎo)引彈道仿真研究[J].兵器試驗,2014(3):14-18.

[21]任鵬杰,侯明善,楊文學(xué).模糊擴展比例導(dǎo)引研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2010,30(3):5-7.

[22]馬冬柏,張頔.基于偏置比例導(dǎo)引的模型研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2015(3):90-94.

[23]閆梁,趙繼廣,沈懷榮,等.帶碰撞角約束的三維聯(lián)合偏置比例制導(dǎo)律設(shè)計[J].航空學(xué)報,2014,35(7):1999-2009.

[24]周魯,宋建梅,黃嵐.帶落角約束的圓弧比例導(dǎo)引律和偏置比例導(dǎo)引律的研究[J].導(dǎo)航定位與授時,2014,1(3):11-17.

[25]王華吉,簡金蕾,雷虎民,等.攔截機動目標的模糊變結(jié)構(gòu)導(dǎo)引律[J].電光與控制,2014,21(10):42-46.

[26]楊昆,吳慶憲,姜長生.比例導(dǎo)引原理的三維模糊導(dǎo)引律設(shè)計[J].電光與控制,2007,14(6):48-52.

[27]董鵬曙，向龍， 謝幼才，等.高速機動目標信號多普勒頻移補償方法[J].探測與控制學(xué)報，2016(3):66-70.

(責(zé)任編輯周江川)

Strategy for Interception of Near Space High-Speed Maneuvering Target

LIU Xiao-hui，NIE Wan-sheng

(Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

Near space and high speed maneuvering target are new operation field and new weaponry equipment of the space attack-defense confrontation in the future, playing an important role in the military struggle in the world. To deal with the threat of near space, the characteristics of the high-speed maneuvering target were analyzed, and the research status of other anti-near-space strategies was summarized, and a strategy for its interception using the hypersonic reentry vehicle was provided. The advantages of the strategy were analyzed, and the key technologies, such as detection, reentry, guidance and control were discussed in detail, and the feasibilities and difficulties of this strategy were analyzed.

space defense; anti-near-space; hypersonic; maneuvering target; maneuvering target

2016-08-23；

2016-09-30

劉曉慧(1991—)，女，碩士研究生，主要從事高超聲速飛行器總體技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.01.018

劉曉慧,聶萬勝.反臨近空間高速機動目標策略研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(1):75-78.

format:LIU Xiao-hui，NIE Wan-sheng.Strategy for Interception of Near Space High-Speed Maneuvering Target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):75-78.

TJ765；E926

A