薩德為啥要兜圈子？

張亦馳

前段時(shí)間，韓國正式宣布在韓部署美國“薩德”反導(dǎo)系統(tǒng)，“薩德”反導(dǎo)系統(tǒng)再次被置于聚光燈下。而在一些“薩德”攔截彈發(fā)射的圖片和視頻中有一點(diǎn)頗為與眾不同：其攔截彈在發(fā)射后不久便進(jìn)行機(jī)動，在“兜兩圈”進(jìn)行螺旋式上升之后，再以非常大的加速度直刺蒼穹。這種螺旋上升的現(xiàn)象在傳統(tǒng)的防空導(dǎo)彈中基本上沒有出現(xiàn)過。那么，為何有些 “薩德”攔截彈在發(fā)射后不久不是直線上升，而要“兜圈子”呢？

消耗動能的能量管理機(jī)動

實(shí)際上，“薩德”攔截彈發(fā)射后不久進(jìn)行的螺旋上升機(jī)動學(xué)名叫能量管理機(jī)動 （英文名為Energy Management Steering Maneuver，簡稱EMM）。這是在防空反導(dǎo)攔截彈上使用的一種“新技術(shù)”。1995年到1999年，“薩德”系統(tǒng)在其演示驗(yàn)證階段共進(jìn)行了11次飛行試驗(yàn)。其中明確報(bào)道的進(jìn)行了EMM的飛行試驗(yàn)共7次，5次成功。

從飛行軌跡看，EMM機(jī)動是一種三維折S機(jī)動。進(jìn)行EMM機(jī)動時(shí)，“薩德”攔截彈的推力矢量系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制，推力沿速度軸分量減小。同時(shí)導(dǎo)彈大側(cè)滑角、大攻角的機(jī)動，也導(dǎo)致阻力大增。通過上述綜合因素消耗能量，降低導(dǎo)彈的最大速度。需要注意的是，這個(gè)EMM是通過耗能減小導(dǎo)彈的最大飛行速度，但是在機(jī)動過程中應(yīng)該是仍然處于加速狀態(tài)，只不過加速度大大降低。EMM段的導(dǎo)彈通常工作在± 90°攻角以內(nèi)，超±90°攻角的彈體氣動特性與飛行控制問題更加復(fù)雜、難以確定。

那么，新的問題就來了，“薩德”攔截彈為什么要費(fèi)那么大勁耗費(fèi)動能、降低最大速度呢。要知道，別人的防空導(dǎo)彈還都在想方設(shè)法地提高其飛行速度呢。

以蘇聯(lián)防空導(dǎo)彈系統(tǒng)為例，從SA-3開始到SA-10（S-300），其防空導(dǎo)彈采用的固體火箭發(fā)動機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了至少三代，其最主要的目標(biāo)就是提高比沖和總沖，讓導(dǎo)彈獲得盡可能大的最大速度和平均速度。其采用固體火箭發(fā)動機(jī)的防空導(dǎo)彈的發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)速度從最初3馬赫左右增加到了S-300的6馬赫左右。

盡可能快的速度，對于傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈帶來至少兩點(diǎn)好處：首先是增大射程。傳統(tǒng)上，采用固體火箭發(fā)動機(jī)的防空導(dǎo)彈，決定其射程的最關(guān)鍵參數(shù)就是發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后的導(dǎo)彈速度。當(dāng)然，導(dǎo)彈升阻比、控制率、彈上儀器工作時(shí)間也對導(dǎo)彈的最大射程影響很大，但是速度是一個(gè)“總開關(guān)”，是最關(guān)鍵的決定因素，它決定了導(dǎo)彈具有的能量。

和沖壓發(fā)動機(jī)、液體火箭發(fā)動機(jī)相比，固體火箭發(fā)動機(jī)的一大問題就是在確定的裝藥藥型下，發(fā)動機(jī)的燃燒速度、推力和燃燒時(shí)間就基本確定了，在飛行過程中無法進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)，也很難進(jìn)行開關(guān)機(jī)控制以保證能量的均衡輸出，所以基本采用耗盡關(guān)機(jī)的模式。一旦發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，導(dǎo)彈就是一個(gè)不斷減速的過程，直到其速度小到一定程度。導(dǎo)彈有多大能量，取決于發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)的速度和高度，當(dāng)然關(guān)鍵還是速度。而像S-300和“愛國者-2”這類第三代防空導(dǎo)彈能夠達(dá)到150千米以上的射程，一個(gè)根本原因在于得到了大約6馬赫的最大速度。當(dāng)然，最新的防空導(dǎo)彈，例如“標(biāo)準(zhǔn)”-6采用了雙脈沖發(fā)動機(jī)，這是能量管理的另外一個(gè)高度了，我們會在后面談到。

對于傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈而言，高速帶來的第二大優(yōu)勢便是增大了最大過載。采用空氣舵的傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈，在相同的布局形式下，其最大可用過載取決于舵面的控制力，而舵面的控制力的大小則取決于當(dāng)時(shí)的導(dǎo)彈速度以及空氣密度，速度越大，空氣密度越大，其控制力就越高，可用過載就越大。當(dāng)然，最新型的采用側(cè)向直接力控制和推力矢量系統(tǒng)控制的直接碰撞動能殺傷戰(zhàn)斗部的防空導(dǎo)彈末段對空氣動力的依賴減小，其速度對其末段機(jī)動性能的影響也降低了（“薩德”就是這種情況）。但是在傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈中，速度仍然是一個(gè)決定因素。

正因?yàn)槿绱?，防空?dǎo)彈都在盡可能多地提高最大速度?！八_德”攔截彈也不能“免俗”，通過采用先進(jìn)的固體燃料發(fā)動機(jī)，其最大速度已經(jīng)達(dá)到了史無前例的8.2（也有稱8.4）馬赫，正是這個(gè)高速度才能支持其在大氣層外的攔截以及大約200千米的射程和180千米左右的射高。要知道，重量和“薩德”相當(dāng)?shù)亩砹_斯“山毛櫸”防空導(dǎo)彈射程只有區(qū)區(qū)45千米。當(dāng)然，由于“薩德”采用推力矢量系統(tǒng)和碰撞式動能殺傷戰(zhàn)斗部，其高速對增加導(dǎo)彈機(jī)動性的貢獻(xiàn)就大大降低了。

問題再次回到原點(diǎn)，既然“薩德”達(dá)到了8.2馬赫的最大速度，為什么要減小最大速度呢？

高速度的副作用

關(guān)于“薩德”進(jìn)行這種耗能減速機(jī)動的目的，筆者曾經(jīng)看到過很多猜測。有一種頗為有趣的說法是，發(fā)射時(shí)機(jī)過早，目標(biāo)尚未進(jìn)入殺傷區(qū)，攔截彈需要在空中耗能“等待目標(biāo)進(jìn)入殺傷區(qū)”。實(shí)際上，當(dāng)防空反導(dǎo)系統(tǒng)的火控雷達(dá)跟蹤上目標(biāo)后，便開始計(jì)算導(dǎo)彈和目標(biāo)的瞬時(shí)遭遇點(diǎn)，一旦這個(gè)瞬時(shí)遭遇點(diǎn)進(jìn)入殺傷區(qū)遠(yuǎn)界內(nèi)，理論上即可發(fā)射導(dǎo)彈。而瞬時(shí)遭遇點(diǎn)如果沒有進(jìn)入殺傷區(qū)，導(dǎo)彈就發(fā)射出去了，結(jié)果還不得不在空中繞圈“等目標(biāo)”，這樣的火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)師早就該被炒魷魚了。當(dāng)然，確實(shí)可能因?yàn)槟繕?biāo)突然機(jī)動轉(zhuǎn)向而脫離殺傷區(qū)最終導(dǎo)致脫靶的可能，但這不是導(dǎo)彈在天上繞圈“等會兒”能解決的。對付這類大機(jī)動的目標(biāo)，通常會待其進(jìn)入保險(xiǎn)殺傷區(qū)或者不可逃逸區(qū)再發(fā)射導(dǎo)彈。所以，從防空導(dǎo)彈系統(tǒng)誕生的那天起，人們就沒看到防空導(dǎo)彈發(fā)射后還要在天上繞圈等目標(biāo)的情況。而且“薩德”攔截彈的這種機(jī)動是導(dǎo)彈發(fā)射后立刻進(jìn)行的，這說明這種機(jī)動在發(fā)射前就已經(jīng)是裝定好了，而不是當(dāng)發(fā)射后才發(fā)現(xiàn)臨時(shí)實(shí)施的。

國外媒體最初在報(bào)道“薩德”能量管理機(jī)動時(shí)聲稱，該機(jī)動通過發(fā)射后導(dǎo)彈的“迅速減速”來保證導(dǎo)彈飛行在靶場安全范圍內(nèi)。例如，薩德攔截彈在1999年6月10日的第10次飛行測試中完成了首次攔截，洛克希德·馬丁公司官方網(wǎng)站解釋稱，“這種螺旋狀的能量管理機(jī)動減少了導(dǎo)彈的速度，以符合白沙導(dǎo)彈靶場的安全限制。”這種解釋有一定的合理性，畢竟減小最大速度后，導(dǎo)彈的飛行范圍就大大縮小。但是筆者認(rèn)為，這很可能并非是主要原因，而是洛克希德·馬丁公司的一個(gè)障眼法而已。美國的陸基攔截彈、標(biāo)準(zhǔn)-3攔截彈的射程、射高都大于“薩德”，但是均未進(jìn)行EMM機(jī)動。而且，能量管理機(jī)動在實(shí)現(xiàn)上是比較復(fù)雜的，其中涉及到導(dǎo)彈在低速大攻角、大側(cè)滑角下的控制問題，而且導(dǎo)彈最終是要進(jìn)行全射程試驗(yàn)的，靶場必須滿足這個(gè)條件，不能讓導(dǎo)彈來將就靶場。

那么“薩德”究竟緣何進(jìn)行這種EMM機(jī)動呢。這還要從防空導(dǎo)彈的高速飛行帶來的副作用談起。同時(shí)，要考慮到“薩德”攔截大氣層外目標(biāo)和大氣層內(nèi)目標(biāo)面臨的矛盾。

導(dǎo)彈增加速度固然可以提高射程，但也帶來了新的問題。

速度過快，就給飛行控制帶來難題，特別是在稠密大氣層內(nèi)飛行。當(dāng)然，彈道導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭可以達(dá)到10倍、20倍以上的聲速，但是其高速飛行段主要在大氣層外，受到的空氣動力影響要比大氣層內(nèi)小得多。而在大氣層內(nèi)以高超聲速飛行，其控制就復(fù)雜得多。俄羅斯的S-300防空系統(tǒng)就不建議在導(dǎo)彈的主動段對目標(biāo)實(shí)施攻擊（這一點(diǎn)可能和很多人想象的不同），俄方資料稱在主動段的振動很大，但另外一個(gè)未說明的因素應(yīng)該控制問題，一旦攻角偏大，就可能造成全彈的失控解體。所以，通過能量管理機(jī)動降低最大速度，進(jìn)而減少大氣層內(nèi)高速飛行的控制難度。在發(fā)射初期的亞聲速段進(jìn)行能量消耗機(jī)動的優(yōu)勢在于，其速度較低，進(jìn)行大姿態(tài)變化時(shí)的過載較小，對彈體結(jié)構(gòu)和彈上儀器的影響相對較低。亞聲速段導(dǎo)彈的可用攻角可以達(dá)到或接近90°，導(dǎo)彈的控制穩(wěn)定性易保證。

當(dāng)然，通過增加低速階段的控制復(fù)雜度來降低高速階段的控制難度，畢竟是有得有失。僅僅這一點(diǎn)，筆者認(rèn)為還不足以讓“薩德”在低速階段進(jìn)行能量管理機(jī)動。這就涉及了高速飛行的第二個(gè)問題。

高速飛行另外一個(gè)副作用便是氣動加熱導(dǎo)致導(dǎo)彈頭部整流罩的溫度過高，這對于雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈來說不是個(gè)太大的問題，但對于而對于采用紅外成像制導(dǎo)的“薩德”來說，就是問題了。按照洛克希德·馬丁公司的說法，“薩德”是世界上唯一一種既能在大氣層外攔截，又能在大氣層內(nèi)攔截彈道導(dǎo)彈的反導(dǎo)系統(tǒng)。美國的“標(biāo)準(zhǔn)”-3和陸基攔截彈的攔截范圍都在大氣層以外，那里空氣稀薄，幾乎不會產(chǎn)生氣動加熱，便于紅外成像導(dǎo)引頭的搜索跟蹤。“薩德”的這種特性帶來的一大矛盾在于，射擊大氣層外目標(biāo)，要求導(dǎo)彈擁有很高的末速，以便能夠達(dá)到足夠的高度和距離。但是當(dāng)攔截大氣層內(nèi)目標(biāo)時(shí)，高速飛行的導(dǎo)彈彈頭與空氣摩擦產(chǎn)生氣動加熱使得頭部駐點(diǎn)溫度高達(dá)上千攝氏度，這就會嚴(yán)重干擾紅外導(dǎo)引頭的跟蹤。為了盡量降低這種干擾，“薩德”攔截彈率先采用了側(cè)窗紅外制導(dǎo)技術(shù)，也就是說在導(dǎo)彈彈頭頭錐側(cè)面開設(shè)窗口用于容納紅外制導(dǎo)系統(tǒng)，以避開導(dǎo)彈溫度最高的頭錐部。不僅如此，還在導(dǎo)彈頭部還罩上一個(gè)防護(hù)罩，用于隔絕導(dǎo)彈加速過程中的熱量，以至于導(dǎo)彈制導(dǎo)段的直徑（0.37米）要比動力段還要粗一些。而降低最大速度，則是減少攔截大氣層內(nèi)目標(biāo)時(shí)熱干擾的另外一種途徑。這種能量管理機(jī)動，有助于“薩德”系統(tǒng)將攔截范圍擴(kuò)大到低空。

此外，降低最大速度，也可以降低彈目交匯時(shí)的相對速度，有利于引信和戰(zhàn)斗部的配合。 “薩德”采用了直接碰撞的動能殺傷戰(zhàn)斗部，降低相對速度，也有利于提高撞擊的精度。

簡而言之，“薩德”攔截彈進(jìn)行能量管理機(jī)動，減小最大飛行速度，有利于在較為稠密的大氣層內(nèi)攔截目標(biāo)，讓“薩德”系統(tǒng)更好滿足大氣層內(nèi)攔截特性，也就是說將攔截范圍從大氣層外拓展到了大氣層內(nèi)。當(dāng)然，在攔截大氣層外目標(biāo)時(shí)，“薩德”就不必做這種耗能機(jī)動了，只有飛得更快，才能飛得更遠(yuǎn)，飛得更高。

應(yīng)用廣泛的“能量管理”

實(shí)際上，能量管理機(jī)動最初并非用于導(dǎo)彈起飛階段，而是用于航天器再入階段。通過這種較為復(fù)雜的機(jī)動，增加飛行距離，以降低再入速度，減少航天器的熱載荷。2014年，中國探月工程的“再入返回飛行試驗(yàn)器”以接近第二宇宙速度進(jìn)入大氣層，采用了“半彈道跳躍式”再入返回軌跡，這種類似于“打水漂”的機(jī)動設(shè)計(jì)實(shí)際上就是一種能量管理機(jī)動。

能量管理機(jī)動還被用于時(shí)下最時(shí)髦的助推-滑翔式高超聲速飛行器。而且在助推段和滑翔段能量管理機(jī)動均可得到運(yùn)用。

助推-滑翔型的高超聲速飛行器進(jìn)行能量管理機(jī)動的目的也是通過調(diào)整速度來調(diào)整射程。這種導(dǎo)彈通常采用助推器和滑翔飛行器組成，而固體火箭發(fā)動機(jī)又是最主要的助推器形勢。由于固體火箭發(fā)動機(jī)通常采用耗盡關(guān)機(jī)方式，無法有效控制發(fā)動機(jī)推力和燃燒時(shí)間，所以在小射程飛行時(shí)會出現(xiàn)能量過剩的問題，就有必要采用能量管理。在助推段，可采取姿態(tài)機(jī)動飛行，按照一定的俯仰、偏航程序進(jìn)行機(jī)動飛行，實(shí)現(xiàn)能量管理，進(jìn)而影響滑翔段的最大射程、最小射程。這一點(diǎn)和“薩德”在起飛后不久的能量管理機(jī)動有異曲同工之妙。

當(dāng)滑翔飛行器與助推器分離后開始無動力滑翔時(shí)，則進(jìn)入能量消耗的過程，能量消耗方式?jīng)Q定了滑翔段的射程以及終端能量的大小。因此，對滑翔段的能量管理，也可實(shí)現(xiàn)對滑翔段射程的控制。在滑翔段，可通過阻力加速度剖面的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)能量管理，阻力加速度剖面設(shè)計(jì)是一種給出傾側(cè)角指令的方式。通過阻力加速度剖面的設(shè)計(jì)，調(diào)整滑翔過程中能量耗散速率，以實(shí)現(xiàn)射程調(diào)節(jié)。

盡管“薩德”是首先在發(fā)射初期運(yùn)用能量管理技術(shù)的防空反導(dǎo)系統(tǒng)，但其實(shí)防空導(dǎo)彈的能量管理不是到“薩德”才出現(xiàn)的。在以“愛國者”、S-300為代表的第三代防空導(dǎo)彈上，就已經(jīng)初步擁有能量管理技術(shù)了。

傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈，引導(dǎo)規(guī)律主要采用三點(diǎn)法、固定系數(shù)法以及比例引導(dǎo)法。其重要弊端是彈道過于彎曲，導(dǎo)彈會隨著目標(biāo)的機(jī)動而大幅度機(jī)動，這就無意中消耗了導(dǎo)彈的能量，減小了射程。在S-300的改進(jìn)型以及“愛國者”-2上都采用修正的比例引導(dǎo)法，運(yùn)用了大量模糊控制技術(shù)，彈道只有在目標(biāo)機(jī)動到一定范圍外才進(jìn)行一定的機(jī)動，減少了能量的損失。而且導(dǎo)彈發(fā)射后首先爬升，在攻擊遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，彈道頂點(diǎn)在萬米左右，在這個(gè)高度可積蓄勢能，又減小阻力。在飛行末段降低高度，勢能化為動能，以便獲取足夠的機(jī)動能力。這種彈道呈拋物線形狀，俄羅斯人將其稱為準(zhǔn)最佳彈道。這種高拋彈道和修正的比例導(dǎo)引，實(shí)際上也是能量管理在防空導(dǎo)彈上運(yùn)用的典范。

另外，更廣泛的能量管理概念還被運(yùn)用在最新型的防空導(dǎo)彈中。導(dǎo)彈的速度過大，將導(dǎo)致空氣阻力大幅提升。導(dǎo)彈的總沖一定，過高的速度會導(dǎo)致空氣阻力做功更大，因而能量損失也更大。所以，最新型的防空導(dǎo)彈開始采用脈沖發(fā)動機(jī)，導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)第一次點(diǎn)火先賦予其較高的速度和能量，將其保持在一個(gè)比較合適的區(qū)域——這個(gè)速度即有利于機(jī)動，也不至于帶來那么大的阻力。導(dǎo)彈飛行末段再次點(diǎn)火，使得導(dǎo)彈有足夠的動力進(jìn)行最后的機(jī)動。這樣使得固體燃料發(fā)動機(jī)更合理的釋放能量。正是這種技術(shù)的運(yùn)用，加之高能固體燃料以及網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)技術(shù)的運(yùn)用，才讓美國標(biāo)準(zhǔn)-6的最大射程猛增到了近400千米。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)