臨空高超聲速飛行器目標(biāo)特性分析*

孫文，王剛，姚小強(qiáng)，王晶晶

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

臨空高超聲速飛行器目標(biāo)特性分析*

孫文，王剛，姚小強(qiáng)，王晶晶

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

臨空高超聲速飛行器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從概念原理探索階段進(jìn)入到成果應(yīng)用階段，其軍事潛力和作戰(zhàn)效能日益凸顯。主要以美軍高超聲速無人飛行器、空天飛機(jī)和高超聲速巡航導(dǎo)彈為研究對象，從臨空高超聲速飛行器的運(yùn)動特性、電磁特性和紅外特性3個(gè)方面展開論述，同時(shí)結(jié)合典型目標(biāo)進(jìn)行建模仿真分析；著重探討了目標(biāo)特性對未來作戰(zhàn)性能的影響。臨空高超聲速飛行器目標(biāo)特性的分析研究，為新型防空體系的構(gòu)建提供了參考，為未來探測跟蹤攔截此類目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

臨空高超聲速飛行器，目標(biāo)特性，建模仿真，作戰(zhàn)性能

0 引言

臨近空間（Near Space）是指距地面20 km～ 100 km的空域，跨越電離層和非電離層，空氣稀薄、氣溫較低，沒有復(fù)雜多變的氣候現(xiàn)象，在情報(bào)搜集、偵察監(jiān)視、通信保障以及作戰(zhàn)方面具有重要的軍事價(jià)值［1-2］。臨近空間高超聲速飛行器（Near Space Hypersonic Vhicle，NSHV）是指在臨近空間飛行，速度大于5 Ma，執(zhí)行遠(yuǎn)程投送、作戰(zhàn)攻擊、戰(zhàn)略威懾等特定任務(wù)的飛行器，具有優(yōu)越的目標(biāo)特性，已經(jīng)成為軍事大國謀求空天優(yōu)勢，搶占戰(zhàn)爭先機(jī)的重要利器［3-4］。NSHV目標(biāo)特性主要是指內(nèi)在屬性特征和外部運(yùn)行規(guī)律，包括結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動特性、氣動特性、電磁特性和紅外特性等，受臨空環(huán)境和自身性能的影響，與傳統(tǒng)目標(biāo)相比，突出的特性主要是速度快、空域高、隱身性能好、突防攻擊能力強(qiáng)等［5-8］。

目前，美國在研制NSHV方面已經(jīng)取得了一系列成果，特別是X系列經(jīng)過了60多年的發(fā)展，形成了空天飛機(jī)（X-37B）和高超聲速巡航導(dǎo)彈（X-51A）等性能優(yōu)越的試驗(yàn)機(jī)型；FALCON計(jì)劃中的高超聲速無人飛行器（HTV-2）也已經(jīng)進(jìn)行了2次飛行試驗(yàn)，得到了重要的飛行數(shù)據(jù)，關(guān)于NSHV目標(biāo)特性特別是運(yùn)動特性和紅外特性的研究也取得了一定成果［9-11］，但是大多是在理論推理和數(shù)據(jù)整合階段，缺乏實(shí)質(zhì)性的論證分析。

1 NSHV運(yùn)動特性及建模仿真分析

1.1 典型NSHV運(yùn)動軌跡

到目前為止，美國已經(jīng)完成了多次試驗(yàn)，包括2次HTV-2、3次X-37B和4次X-51A飛行試驗(yàn)，并取得了重要的飛行數(shù)據(jù)。其中，HTV-2第1次飛行試驗(yàn)時(shí)，以17 Ma～20 Ma的速度飛行了139 s，第2次飛行試驗(yàn)時(shí)，以20 Ma的速度穩(wěn)定飛行了3 min；X-37B第3次飛行試驗(yàn)在軌飛行674 d，最高速度達(dá)25 Ma；X-51A第4次飛行試驗(yàn)時(shí)，以5.1 Ma飛行了240 s，依據(jù)試驗(yàn)情況，假定未來典型NSHV飛行過程如圖1所示。

由圖1分析可知，在飛行高度方面，NSHV跨越對流層、平流程和熱層，介于空氣動力學(xué)目標(biāo)最高飛行高度和彈道目標(biāo)最低飛行高度之間；在機(jī)動性能方面，HTV-2可以進(jìn)行滑翔跳躍，X-37B可以進(jìn)行機(jī)動變軌，X-51A可以進(jìn)行俯沖攻擊，所以，NSHV普遍具有較強(qiáng)的機(jī)動性能。

1.2 運(yùn)動特性建模分析

不同類型的NSHV具有各自的運(yùn)動特性，HTV-2滑翔跳躍特性明顯，返程飛行能夠攜帶大量原始數(shù)據(jù)，并且各飛行段有一定的規(guī)律性，有利于實(shí)現(xiàn)分段建模，所以本節(jié)重點(diǎn)對HTV-2進(jìn)行建模分析。假定，其未來詳細(xì)的飛行過程如圖2所示。

假定，控制系統(tǒng)是理想無誤差無延遲工作的，不考慮發(fā)射時(shí)姿態(tài)的影響，僅研究運(yùn)載器質(zhì)心的運(yùn)動［12-13］，其上升段和滑翔跳躍段的運(yùn)動模型如下：

1.2.1 上升段質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動模型式中，L、D分別為升力、阻力，CL、CD分別為升力、阻力系數(shù)，V為速度，r為地心距，m是飛行器的質(zhì)量，是航跡傾角。

1.2.2 滑翔跳躍段質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動模型

式中，θ和φ分別是經(jīng)度和緯度，V為速度，r為地心距，γ為航跡角，ψ為航向角，β為側(cè)傾角，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，gr為地球引力常數(shù)。假定式（1）和式（2）中的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 建模參數(shù)設(shè)置

得到飛行過程中速度、高度和航跡角變化情況如圖3和圖4所示。

由圖分析可知，HTV-2高度和航跡角的變化充分表明其橫向和縱向具有較強(qiáng)的機(jī)動特性；速度和高度的變化表明其速度快、速域變化范圍大、空域跨度寬等特性。

依據(jù)HTV-2、X-37B和X-51A的試驗(yàn)飛行情況，得到運(yùn)動特性如表2所示。

表2 典型NSHV的運(yùn)動特性

由上述分析可知，結(jié)合對作戰(zhàn)的影響，未來NSHV的運(yùn)動特性主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：

①飛行速度快。NSHV的飛行速度在5 Ma～ 25 Ma，能夠快速投放有效作戰(zhàn)載荷，具備在1 h～2 h打遍全球的能力。

②機(jī)動性能好。NSHV能夠進(jìn)行滑翔跳躍，橫、縱向機(jī)動，軌道的可預(yù)測性低，難以進(jìn)行有效的探測跟蹤。

③飛行空域高。NSHV飛行空域主要在20 km ～100 km，相對于空氣動力學(xué)目標(biāo)具備更大的作戰(zhàn)空間。

2 NSHV電磁特性及建模仿真分析

2.1 電磁特性分析

NSHV的電磁特性主要是指目標(biāo)雷達(dá)散射截面積（RCS），主要由飛行器本體、周圍流場、尾跡流場的散射特性以及飛行器結(jié)構(gòu)本身的運(yùn)動特性所決定［14］。

NSHV具有極快的飛行速度、超強(qiáng)的機(jī)動能力，并且本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。當(dāng)以高超聲速進(jìn)入大氣層后，由于強(qiáng)烈的激波壓縮和粘性摩擦作用，使飛行器周圍的溫度迅速升高，高溫足以使空氣發(fā)生離解和電離，也使防熱材料被燒蝕，這樣在飛行器周圍形成十分復(fù)雜的、由幾十種化學(xué)組分組成的電離層即等離子體鞘套，造成電磁特性的劇烈變化。同時(shí)，飛行器的尾部將形成較長的等離子體尾流，等離子體是由大量的自由電子、離子和中性粒子（包括不帶電荷的粒子，如原子、分子以及原子團(tuán)）組成且在宏觀上表現(xiàn)為近似電中性的非凝聚系統(tǒng)，等離子運(yùn)動和電磁運(yùn)動的緊密耦合，存在極其豐富的集體效應(yīng)和運(yùn)動模式，對雷達(dá)波束的散射產(chǎn)生了復(fù)雜的作用［15-16］。等離子體湍流尾跡造成的電磁特性與飛行狀態(tài)密切相關(guān)，在某些飛行條件下，尾跡對雷達(dá)波造成強(qiáng)烈的散射，形成雷達(dá)電磁特性突增現(xiàn)象。

2.2 電磁特性建模仿真分析

目前，關(guān)于NSHV電磁散射特性計(jì)算主要采用高頻電磁散射方法，計(jì)算流程如圖5所示。

由于X-37B的體積相對較大，在軌運(yùn)行時(shí)周期長、飛行穩(wěn)定，有利于電磁特性的研究分析，所以本節(jié)主要以X-37B為例進(jìn)行建模分析。其電磁計(jì)算模型如圖6所示。

由于不同波段的探測效果是不同，P波段頻率較低，其中心頻率約為435 MHz，適合遠(yuǎn)距離探測，以P波段為例，得到X-37B在俯仰角為-45°、0°和45°的電磁散射特性，如圖7～圖9所示。

由圖分析可知，在0°俯仰面內(nèi)機(jī)頭正前向RCS為7 dB，尾部為28 dB，尾部RCS較大的原因是發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道口用金屬堵住了，造成尾部反射較大；在45°俯仰面內(nèi)，機(jī)頭方向RCS為-4 dB；在-45°俯仰面內(nèi)，機(jī)頭方向RCS為-7.5 dB，其RCS較小。

同樣的方法，得到HTV-2和X-51A的RCS曲線如圖10、圖11所示。

由圖分析可知，HTV-2由于該飛行器采用流線型的隱身設(shè)計(jì)，其前向RCS最小，大約在-20 dB（0.01 m2），其側(cè)向RCS也較小，其次為飛行器上方，最大RCS區(qū)域集中在飛行器下腹部。對X-51A，在0°俯仰面內(nèi)機(jī)頭正前向RCS為-8 dB，尾部為3 dB，相對X-37B而言大大減少。

所以，NSHV的RCS較小，一般在0.01 m2～0.1 m2之間，屬于高度隱身目標(biāo)，對現(xiàn)役的探測跟蹤體系提出了巨大的挑戰(zhàn)，可以通過增大探測頻率，采用P波段或頻率更低的超視距雷達(dá)等方式，提高對其探測范圍和精度。

3 NSHV紅外特性及建模仿真分析

3.1 紅外特性分析

NSHV的紅外輻射源主要有發(fā)動機(jī)尾焰、尾噴管和氣動加熱造成的蒙皮及其鄰域高溫氣體［17-19］，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1.1 目標(biāo)發(fā)動機(jī)及尾噴管紅外輻射

尾噴管或發(fā)動機(jī)外罩輻射，長時(shí)間受熱氣流加熱，使這部分金屬在高溫氧化后形成氧化膜，金屬氧化膜的輻射率一般都高于金屬本身的輻射率；輻射溫度一般在600 K～1 100 K之間。

3.1.2 尾焰輻射

尾焰是指發(fā)動機(jī)噴管熾熱的火球，目標(biāo)的速度越大，尾焰的火球越大，溫度也越高，目標(biāo)尾焰的輻射強(qiáng)度與發(fā)動機(jī)推力、燃料種類等直接相關(guān)；尾焰的輻射溫度在800 K～2 000 K。

3.1.3 蒙皮輻射

隨著目標(biāo)速度的增加，其溫度呈指數(shù)上升，蒙皮的紅外輻射溫度與飛行速度的平方成正比，因而紅外輻射能量急劇增加；目標(biāo)在大氣中高速飛行時(shí)，蒙皮由于氣動加熱使溫度升高，通過駐點(diǎn)溫度求蒙皮輻射，駐點(diǎn)溫度是貼近蒙皮表面的空氣氣流變?yōu)殪o止點(diǎn)時(shí)的溫度。

3.1.4 尾后羽狀廢氣柱的紅外輻射

目標(biāo)尾后羽狀廢氣柱也是一種紅外輻射源。高溫、運(yùn)動的廢氣柱主要輻射波段在3 μm～5 μm和8 μm～14 μm，隨著廢氣在空氣中不斷擴(kuò)散，溫度急劇下降，輻射能量很快下降，而且輻射曲線的峰值波長也迅速向波長方向移動。尾后羽狀廢氣柱的溫度一般在500 K～1 000 K。

3.2 紅外特性建模仿真分析

由于NSHV紅外輻射源的類型多，各階段的特性也不相同，所以對其進(jìn)行建模分析時(shí)，具體思路：首先對紅外輻射源的輻射特性進(jìn)行綜合分析，建立模型；運(yùn)用模型和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得目標(biāo)各運(yùn)動階段各輻射源若干關(guān)鍵狀態(tài)的紅外特性；綜合得到目標(biāo)的紅外特性。計(jì)算思路如圖12所示。

目前，關(guān)于巡航導(dǎo)彈紅外特性的研究相對深入，計(jì)算的方式算法較為成熟，而NSHV中X-51A隸屬于巡航導(dǎo)彈類型，所以本節(jié)主要以X-51A為例進(jìn)行建模分析。其紅外輻射主要來自于發(fā)動機(jī)尾焰、尾噴口和蒙皮，計(jì)算公式為：

3.2.1 蒙皮輻射強(qiáng)度（J蒙皮）

考慮到環(huán)境溫度對蒙皮溫度的影響，目標(biāo)在對流層和平流層時(shí)，其蒙皮溫度變化規(guī)律如圖13所示。

3.2.2 尾焰輻射強(qiáng)度（J尾焰）

假設(shè)噴管中流動是理想的絕熱等熵流動，對于渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，取P3/P2=0.5，對于超燃沖壓發(fā)動機(jī)，取P3/P2=0.8，則有

在尾焰流中，主要是燃燒后生成的CO2和H2O，這兩種氣體是典型的選擇性輻射體，經(jīng)過大氣的吸收后，主要剩下2.4μm～3.1μm和4.3 μm～4.55 μm兩個(gè)窗口的紅外輻射，計(jì)算公式為：

式中，L尾焰是尾焰的輻射亮度，A尾焰為尾焰的投影面積，ε尾焰為尾焰的有效輻射率（ε尾焰=0.5），T尾焰為尾焰溫度。在2.4 μm～3.1 μm和4.3 μm～4.55 μm兩個(gè)波段下輻射通量與波段尾焰溫度的三維關(guān)系圖及輻射亮度與尾焰溫度的二位關(guān)系圖，如圖14、圖15所示。3.2.3尾噴口輻射強(qiáng)度（J尾噴口）

依據(jù)X-51A的試驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)，按照不同的飛行階段對其尾噴管的溫度進(jìn)行假定。

助推段尾噴管平均溫度在1 000 K；動力飛行段尾噴管平均溫度在1 200 K；無動力飛行段尾噴管平均溫度在400 K，無尾焰。

依據(jù)紅外輻射與溫度、波段的關(guān)系，如圖16所示，進(jìn)行紅外輻射計(jì)算，得出X-51A在4種狀態(tài)下的紅外輻射強(qiáng)度量級如表3所示。

表33 種階段下X-51A的紅外輻射強(qiáng)度量級

由表3分析可知，X-51A的動力飛行段的紅外輻射強(qiáng)度最大，此時(shí)速度較大，蒙皮由于空氣摩擦劇烈升溫，尾噴管的溫度也達(dá)到1 000°以上；側(cè)視觀察的效果最好，因?yàn)閭?cè)視能較好地捕捉到尾噴管和尾焰的紅外輻射。

由以上分析可知，NSHV在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火、速度較大時(shí)，紅外輻射強(qiáng)度較高；在助推段時(shí)，一般選用紅外傳感對NSHV進(jìn)行預(yù)警探測，在末端飛行時(shí)，紅外特征不明顯，需要雷達(dá)進(jìn)行探測跟蹤。對NSHV紅外特性的研究有利于未來對此類目標(biāo)的探測跟蹤。

4 NSHV目標(biāo)特性對未來作戰(zhàn)性能的影響

4.1 戰(zhàn)場空間更廣，全球作戰(zhàn)勢在必行

NSHV的作戰(zhàn)高度在20 km～100 km的臨近空間，飛行速度極快，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)地球上任意一點(diǎn)，迅速打擊數(shù)千或上萬公里外的任何實(shí)質(zhì)性目標(biāo)，大大拓展了戰(zhàn)場空間，使得全球作戰(zhàn)成為可能。因此，必須要確立超遠(yuǎn)距快速打擊的全球作戰(zhàn)理念。

4.2 作戰(zhàn)節(jié)奏更快，空防任務(wù)艱巨

NSHV可以更快地投送有效載荷，預(yù)計(jì)美軍的高超聲速飛行器從本土起飛，完成一次全球作戰(zhàn)任務(wù)后，再回到本土只需1 h～2 h，探測預(yù)警體系難以及時(shí)捕捉到運(yùn)動軌跡并進(jìn)行有效識別，空防體系面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，必須大力建設(shè)空防體系，適應(yīng)快速作戰(zhàn)的節(jié)奏。

4.3 突防能力更強(qiáng)，制空權(quán)唾手可得

NSHV憑借其超快的飛行速度、極好的隱身性能和超強(qiáng)的打擊能力，使得武器系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間更短、攔截概率更低，同時(shí)提高了自身的生存能力?，F(xiàn)有的防空武器和攔截武器沒有足夠的反應(yīng)時(shí)間和實(shí)施攔截的飛行速度，從而可以輕易奪取戰(zhàn)場控制權(quán)。

4.4 戰(zhàn)略威懾效果顯著

NSHV具有高速、高空、高隱身和強(qiáng)機(jī)動等特性，必將使其成為新型強(qiáng)大戰(zhàn)略威懾力的空天利器，使得傳統(tǒng)的作戰(zhàn)樣式發(fā)生革命性的變化，成為“后核武時(shí)代”的戰(zhàn)略“殺手锏”，有利于軍事強(qiáng)國獲取有決定意義的戰(zhàn)略籌碼。

5 結(jié)論

NSHV的高速、高空、高隱身等目標(biāo)特性給防空系統(tǒng)有效探測跟蹤攔截帶來了巨大的挑戰(zhàn)，對空天安全形成了極大的威脅。通過對NSHV運(yùn)動特性、電磁特性和紅外特性的建模仿真分析研究，加深了對其作戰(zhàn)性能的認(rèn)識，有利于未來對其防御對策和手段的提升。下一步研究的重點(diǎn)將是NSHV目標(biāo)特性在未來作戰(zhàn)中的具體應(yīng)用。

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Target Characteristics Analysis of Near Space Hypersonic Vehicle

SUN Wen，WANG Gang，YAO Xiao-qiang，WANG Jing-jing
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

After several decades of development，the near space hypersonic vehicle has entered to the stage of achievement application from exploring concept and principle，the military potential and combat efficiency are growing.The hypersonic unmanned aerial vehicle，aerospace plane and hypersonic cruise missile are considered in this paper，the NSHV is discussed from kinetic characteristic，electromagnetic property and infrared characteristic，the typical target is analysed by modeling and simulating.The influence of target characteristic to the future combat performance is mainly discussed.The analytic study of NSHV can provide reference to build the new air defense system and establish foundation of detecting，tracking and intercepting.

near space hypersonic vehicle，target characteristic，modeling and simulating，combat performance

TJ761.5；TP212

A

1002-0640（2017）01-0014-07

2015-10-05

2016-01-30

國家自然科學(xué)基金（612742011）；國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（61102109）

孫文（1992-），男，山東青州人，碩士研究生。研究方向：臨空高超聲速飛行器多傳感器探測跟蹤。