空基助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)總體方案研究*

董敏周, 趙　斌, 陳　凱

(西北工業(yè)大學航天學院, 陜西 西安　710072)

助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)[1-2]是多層反導(dǎo)防御系統(tǒng)的第一個攔截階段,由于發(fā)射平臺比較接近彈道導(dǎo)彈的發(fā)射點,因此通常采用飛機作為發(fā)射平臺。理論上,空基反導(dǎo)武器平臺具備彈道導(dǎo)彈的助推段、中段和再入段攔截能力,而且可以發(fā)揮航空平臺不受地域限制、活動范圍廣、快速機動等優(yōu)勢,產(chǎn)生“1+1>2”的效果?，F(xiàn)階段,受技術(shù)條件的限制,空基反導(dǎo)平臺距實戰(zhàn)能力尚有較大差距,本文著眼于未來支撐體系,立足我國周邊的彈道導(dǎo)彈威脅,以空基助推段和末段攔截為重點,進行空基反導(dǎo)的作戰(zhàn)模式和技術(shù)需求論證分析。

1　空基助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)需求和流程分析

彈道導(dǎo)彈的助推段是指以導(dǎo)彈離開發(fā)射架為起點,以最后一級火箭助推器熄火并與有效載荷分離為終點的飛行階段。該階段彈道導(dǎo)彈的特點是:1)火箭助推器產(chǎn)生的紅外特征明顯;2)因?qū)楏w積龐大而具有較大的雷達有效反射截面;3)導(dǎo)彈尾焰發(fā)出可見光和紫外線;4)大氣層飛行時由于氣動加熱所引起較大的熱輻射。

1.1　實施空基助推段攔截的特點分析

1)作戰(zhàn)時間有限

彈道導(dǎo)彈的助推段飛行時間有限,一般在幾十秒的時間范圍內(nèi),在如此短的時間內(nèi),空基反導(dǎo)武器系統(tǒng)要完成從接收彈道目標預(yù)警、目標截獲跟蹤、計算射擊諸元、發(fā)射攔截彈等作戰(zhàn)流程。作戰(zhàn)時間十分短暫,戰(zhàn)機可謂稍縱即逝。

2)目標特征明顯

由于彈道導(dǎo)彈處于助推段飛行,火箭發(fā)動機工作會帶來十分明顯的紅外特征,而且,由于助推器并未與彈艙分離,因而目標的雷達反射截面較大,因此,目標的紅外和雷達特征十分明顯,對目標的預(yù)警、截獲、跟蹤較為有利。

3)威懾作用明顯

空基助推段反導(dǎo)可將敵方發(fā)射的彈道導(dǎo)彈直接摧毀于發(fā)射地域的上空,彈道導(dǎo)彈母艙攜帶的彈頭也將全部落在發(fā)射國的領(lǐng)土上,可謂“搬起石頭砸自己的腳”。一旦空基反導(dǎo)攔截成功,將使敵方不敢貿(mào)然再次發(fā)射,對敵方的軍心、民心都將產(chǎn)生不可估量的威懾作用。

4)作戰(zhàn)效益較高

按照彈道導(dǎo)彈“三段四層”的攔截模式,助推段攔截的作戰(zhàn)效益最高,其次是中段攔截,最低的是末段攔截。助推段彈道導(dǎo)彈處于不斷地加速過程中,且并未提升到很高的速度,而且由于采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng),不可能做大幅的空間機動,因此,從攔截的難易程度上講是相對較低的,作戰(zhàn)效益明顯。

5)作戰(zhàn)距離受限

以空空導(dǎo)彈為攔截器的空基武器系統(tǒng)的作用距離主要受到攔截彈的射程限制,一般會在200km左右,這就意味著,空基反導(dǎo)平臺若實施助推段攔截,必須要做到“抵近攔截”。

6)作戰(zhàn)條件制約苛刻

受制于攔截彈的射程,以空空導(dǎo)彈為攔截器的空基反導(dǎo)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)距離有限,那么,要實施助推段攔截,則必須在完全掌握制空權(quán)的前提下,否則,載機的生存性將無法得到保證,這也是空基助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)最關(guān)鍵的制約因素。

1.2　空基助推段反導(dǎo)的條件分析

空空導(dǎo)彈實施助推段攔截必須滿足的技術(shù)條件有:1)因目標的紅外特征明顯,因此攔截彈的導(dǎo)引頭應(yīng)采用紅外導(dǎo)引頭;2)攔截彈的戰(zhàn)斗部應(yīng)采用直接碰撞技術(shù);3)受攔截彈速度的限制,只能迎擊攔截,無法進行尾追攔截;4)攔截彈的發(fā)動機采用直氣復(fù)合技術(shù);5)載機平臺具有較長的滯空能力,該條件可通過空中加油、多機交替值班或長航時無人機的方式加以滿足;6)需要彈道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星或臨近空間預(yù)警設(shè)備的預(yù)警信息支持。

通過以上分析不難看出,空空導(dǎo)彈執(zhí)行助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)的武器系統(tǒng)內(nèi)部制約條件可以滿足,在技術(shù)上沒有瓶頸,但外部制約因素必須得到保障,即奪取制空權(quán),保證載機的空中安全。

2　空基反導(dǎo)預(yù)警探測系統(tǒng)分析

目標預(yù)警探測的主要任務(wù)是及時探測并跟蹤來襲彈道導(dǎo)彈,為指揮控制系統(tǒng)提供早期預(yù)警信息,通過對目標進行持續(xù)跟蹤與監(jiān)視,為機載反導(dǎo)武器提供相應(yīng)數(shù)據(jù)。

對一般的中近程彈道導(dǎo)彈目標,助推段飛行時間較短,攔截高度范圍低,因此要實現(xiàn)助推段攔截,預(yù)警、指揮、控制網(wǎng)絡(luò)必須具有快速響應(yīng)能力。

目標預(yù)警系統(tǒng)對彈道導(dǎo)彈的探測時間和跟蹤時間是影響攔截窗口的主要因素,長時間對目標探測和跟蹤將導(dǎo)致較大的攔截彈發(fā)射延遲。

2.1　攔截時刻選擇

對彈道導(dǎo)彈的攔截時刻通常選擇在彈道導(dǎo)彈助推發(fā)動機燃燒時間TBurnout的95%再減去5s,即攔截時刻TPIP如式(1)所示。

TPIP=TBurnout×0.95-5

(1)

這是由于發(fā)動機燃燒存在一些不確定性;同時也為攔截彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)留一些裕量,確保在發(fā)動機關(guān)機前擊中目標。如果直接碰撞摧毀了彈道導(dǎo)彈的動力系統(tǒng),而未對其彈頭產(chǎn)生毀傷,此時彈頭還沒有獲取足夠的速度,不具有飛到被攻擊區(qū)域的能力。

2.2　探測時間TDetect

可用于助推段的預(yù)警方式只有天基紅外系統(tǒng)和空基預(yù)警雷達兩種方式。由于探測方式的不同,探測延遲也有所不同。

空基紅外系統(tǒng)的探測延遲,通常認為進攻彈道導(dǎo)彈上升到一定高度(云層以上)后,空基紅外系統(tǒng)就可以看到導(dǎo)彈的尾焰,從而發(fā)現(xiàn)目標。根據(jù)美國應(yīng)用物理協(xié)會APS[3]的報告,這一高度取7km。實際上,由于空基紅外系統(tǒng)軌道高度的關(guān)系,即使采用紅外焦平面成像器件陣列的探測方式進行天基預(yù)警,瞬時視場也很小,需要采用掃描的方式以擴大監(jiān)測范圍。當目標高度達到7km時,探測概率取決于掃描頻率。

空基預(yù)警雷達對目標的探測延遲:當目標速度相對于預(yù)警機雷達的徑向速度大于150km/h時,滿足預(yù)警機雷達的多普勒頻移要求,才能被探測到。由于彈道導(dǎo)彈在助推段通常采用垂直發(fā)射,因此與預(yù)警機的徑向速度較小;當進入程序轉(zhuǎn)彎飛行時,徑向速度才逐漸增大。

2.3　跟蹤時間TTrack

預(yù)警機的有源相控陣雷達可以在1s內(nèi)控制波束回掃到發(fā)現(xiàn)方向,經(jīng)過3～6個脈沖周期即可跟蹤目標,雷達跟蹤到目標的時間應(yīng)該在5s之內(nèi)。

天基紅外預(yù)警衛(wèi)星建立跟蹤需要的時間的計算方法有兩種,兩種方法的結(jié)果類似。一是進攻導(dǎo)彈尾焰在衛(wèi)星探測器的紅外成像探測器上移動10個像素;二是采用濾波方法使進攻導(dǎo)彈彈道方向的估計精度達到7°以內(nèi)。

根據(jù)上述三個時間的關(guān)系,可計算出攔截彈的最大飛行時間TFlymax為攔截時刻減去探測時間TDetect和跟蹤時間TTrack之差,如式(2)所示。

TFlymax=TPIP-TDetect-TTrack

(2)

根據(jù)式(2),在不同射程的彈道導(dǎo)彈各選一個典型目標,分別以天基紅外預(yù)警系統(tǒng)和空基雷達為預(yù)警探測系統(tǒng),經(jīng)計算可得到如表1和表2所示的攔截彈最大飛行時間。

表1　以空基雷達為預(yù)警探測系統(tǒng)的攔截彈最大飛行時間計算數(shù)據(jù)表

表2　以預(yù)警機為預(yù)警探測系統(tǒng)的攔截彈最大飛行時間計算數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù),針對中近程彈道導(dǎo)彈的助推段反導(dǎo)攔截,只能采用空基雷達,即預(yù)警機作為預(yù)警探測系統(tǒng);天基預(yù)警系統(tǒng)適合于對遠程彈道導(dǎo)彈進行預(yù)警。

3　空基助推段反導(dǎo)的有效性分析

空基助推段反導(dǎo)攔截為三段四層的反導(dǎo)作戰(zhàn)過程增加了一次攔截機會,提高了射擊次數(shù)。對此,通過對彈道導(dǎo)彈的攔截效率和掩護目標范圍等兩個方面,分析說明空基助推段反導(dǎo)的有效性。

3.1　攔截效率

空基助推段攔截等于在傳統(tǒng)末段攔截的基礎(chǔ)上增加了一次攔截機會。在此,我們假定末段具備高層、低層兩次攔截機會,再輔之以空基助推段攔截,那么,總的攔截次數(shù)可以視為3次。

假設(shè)防御方不具備彈道導(dǎo)彈的中段攔截能力,令Pz、Pg、Pd分別表示空基助推段、末段高層和末段低層的反導(dǎo)攔截成功概率。顯然,整個反導(dǎo)射擊過程的攔截成功概率為:

P=1-(1-Pz)(1-Pg)(1-Pd)

(3)

不失一般性,令Pg=0.6、Pd=0.5,P0=1-(1-Pg)(1-Pd)=0.8表示不實施空基助推段攔截時的總體攔截成功率,考查Pz對整體攔截成功率P的影響。

令η表示攔截成功概率的增長率：

取空基攔截概率為0.1～0.9,將上述計算數(shù)據(jù)歸納如表3。從表中可以看出,即便空基助推段反導(dǎo)攔截的成功概率很低,也能在一定程度上提升整體反導(dǎo)攔截成功概率,更不用說空基助推段反導(dǎo)的攔截成功率達到一個較高的水平上。

表3　空基助推段反導(dǎo)攔截對多層攔截系統(tǒng)的貢獻

特別是,在末段高層和低層反導(dǎo)攔截成功率較低的情況下,設(shè)Pg=0.4、Pd=0.2,P0=0.52,空基助推段反導(dǎo)加入后,攔截成功概率的增長率更高,即作戰(zhàn)效益增長更明顯,如表4所示。

表4　整體攔截概率低情況下空基反導(dǎo)攔截分析

3.2　反導(dǎo)兵器數(shù)量對比

假定,某小縱深敵對國的固定和機動彈道導(dǎo)彈反射裝置數(shù)為N,可射擊其射程范圍內(nèi)的防空方掩護目標M個,通常情況下N?M,并設(shè)防空方掩護目標范圍為Skm2,令單個高層反導(dǎo)武器系統(tǒng)可掩護面積為Rkm2。

按照末段低層反導(dǎo)武器系統(tǒng)的部署原則(一般以一個戰(zhàn)術(shù)單位部署在掩護目標周圍較近的范圍)。只從掩護目標所需兵力部署的兵力數(shù)量上來看,若要掩護面積為S的目標區(qū)內(nèi)的M個目標,共需高層反導(dǎo)火力單元數(shù)為:S/R;需要末段低層反導(dǎo)火力單元數(shù)為要W×M,W為一個戰(zhàn)術(shù)單位配置的火力單元數(shù),一般為3～5。那么,共需要高低兩層反導(dǎo)火力單元數(shù)為

對于空基助推段反導(dǎo)而言,則只需要監(jiān)視N個發(fā)射裝置即可,而且,一套空基助推段反導(dǎo)平臺可以監(jiān)視目標區(qū)域內(nèi)多個發(fā)射裝置(包括機動發(fā)射裝置)，因此,滿足作戰(zhàn)需要的武器平臺數(shù)量會小于N。

顯然,Y?N,這就意味著,掩護相同面積的目標區(qū),所需空基助推段反導(dǎo)平臺的數(shù)量遠遠小于末段攔截火力單元的數(shù)量。即從單個火力單元的掩護面積上看,空基平臺遠遠大于地基末段攔截武器系統(tǒng)。

4　空基反導(dǎo)攔截彈總體方案

空基反導(dǎo)攔截彈借助于有人戰(zhàn)斗機等發(fā)射平臺將其運送到指定高度發(fā)射,尺寸和重量都會受到運載工具的限制。

由于大多數(shù)戰(zhàn)斗機為增加巡航半徑,都會攜帶油箱,以Su27為例,載彈量7000kg,外掛副油箱最大4100L(1500×2、1100×1)。一個1500L油箱的長度大概為6m,直徑75cm,油的比重大約為0.8,那么裝滿油的油箱大約為1200kg,因此反導(dǎo)導(dǎo)彈的尺寸和重量就可以以此為界限,滿足載機掛裝的尺寸和重量要求。

一般來說,超聲速導(dǎo)彈的長度與最大直徑之比大約為10～12。如果反導(dǎo)攔截彈長度為6m,它的最佳直徑應(yīng)介于50cm～60cm。所以初步估計導(dǎo)彈長度6m,直徑55cm。如,美國早期用于空基反衛(wèi)的導(dǎo)彈的長度為5.4m,直徑為50.8cm。

利用超聲速有翼導(dǎo)彈近似質(zhì)量的統(tǒng)計經(jīng)驗公式(4):

M=826.4×(LD2)exp(0.895)

(4)

其中:M為導(dǎo)彈總質(zhì)量;L為導(dǎo)彈總長度;D為導(dǎo)彈直徑。

將L=6m和D=0.55cm代入式(4),計算得到的導(dǎo)彈總質(zhì)量為1400kg。為將空基反導(dǎo)攔截彈掛在油箱的位置上,那么導(dǎo)彈的初始質(zhì)量必須限制在1200kg以內(nèi),相應(yīng)的導(dǎo)彈長度縮減為5.6m,根據(jù)前面提到的長度與直徑的比例最好為11,所以導(dǎo)彈的直徑為0.51m。代入經(jīng)驗公式,得到總質(zhì)量為1157kg,滿足質(zhì)量的限制條件。

空基反導(dǎo)導(dǎo)彈作戰(zhàn)過程類似空空導(dǎo)彈,需要采用傳遞對準、空中發(fā)射和數(shù)據(jù)鏈修正等方式;又類似地基反導(dǎo)導(dǎo)彈,采用直接碰撞方式殺傷高速運動的彈道導(dǎo)彈?？栈磳?dǎo)導(dǎo)彈綜合了地基反導(dǎo)導(dǎo)彈和空空導(dǎo)彈兩類導(dǎo)彈的特點,技術(shù)上更加復(fù)雜。開展空基反導(dǎo)導(dǎo)彈的研究可采用兩種思路,即以地基防空導(dǎo)彈為設(shè)計原型的重型空基攔截彈和以中遠程空空導(dǎo)彈為設(shè)計原型的輕型空基攔截彈。美國兩大軍火公司分別采用上述兩種思路各自展開研究。美國Lockhed-Martin公司以地基“愛國者PAC-3”防空導(dǎo)彈為原型,擬將它適應(yīng)性改進,掛裝在F15戰(zhàn)斗機上進行反導(dǎo)攔截[4];而美國Rathon公司則以AIM-120中程空空導(dǎo)彈為設(shè)計原型,進行動力系統(tǒng)和導(dǎo)引頭部件的升級,形成無人機、戰(zhàn)斗機等多平臺發(fā)射的反導(dǎo)作戰(zhàn)能力。

本文根據(jù)美國雷神公司NCADE[5]的技術(shù)方案,以某型中距空空導(dǎo)彈為設(shè)計原型,進行反導(dǎo)攔截彈的設(shè)計。

有人戰(zhàn)斗機/無人機作為發(fā)射平臺,接收反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的指令,通過機動飛行滿足指控系統(tǒng)裝訂的導(dǎo)彈初始發(fā)射條件,作用相當于攔截彈的“第一級”。為降低系統(tǒng)復(fù)雜性,空基反導(dǎo)導(dǎo)彈設(shè)計為兩級導(dǎo)彈,第一級為固體火箭發(fā)動機,燃燒完畢后分離。第二級為動能攔截器,具有液體動力系統(tǒng),包括軸向、軌控和姿控系統(tǒng)?？栈磳?dǎo)武器工作過程如下:防御方雷達或衛(wèi)星探測、跟蹤助推段飛行的近程、中程彈道導(dǎo)彈目標,然后將預(yù)警信息傳輸?shù)椒磳?dǎo)武器載機平臺上,載機進行發(fā)射決策。反導(dǎo)武器發(fā)射后,第一級點火,根據(jù)指令進行制導(dǎo),并拉高爬升;第一級燃燒完畢后,與第二級分離,并釋放頭罩,導(dǎo)引頭開機,跟蹤彈道導(dǎo)彈的尾焰,識別彈體點,并引導(dǎo)攔截器采用動能碰撞方式摧毀目標。彈上的數(shù)據(jù)鏈能夠接收載機信號進行修正。

根據(jù)上述分析,空基反導(dǎo)導(dǎo)彈氣動外形采用空空導(dǎo)彈常見的正常式布局、圓柱形彈體,舵、翼在同一平面,呈×-×形布置。主要由頭罩、電子艙、液體發(fā)動機、分離機構(gòu)、固體發(fā)動機、舵機艙和舵、翼面組成。如圖1所示。該彈外形及重量滿足發(fā)射平臺的掛裝要求。

圖1　空基反導(dǎo)攔截彈示意圖

根據(jù)導(dǎo)彈攻擊目標的全過程,空基攔截彈大致可分為探測段、助推段、中制導(dǎo)段、末制導(dǎo)段和末端控制等幾個飛行階段。其中探測段包括天基/空基雷達對目標的探測和跟蹤、導(dǎo)彈參數(shù)裝訂,助推段包括機彈分離段、助推工作段、助推分離段;中制導(dǎo)段是指從助推段分離到導(dǎo)引頭截獲目標之間的飛行階段;末制導(dǎo)段指從導(dǎo)引頭截獲目標后到導(dǎo)引頭可對彈體清晰成像之間的飛行階段;末端機動控制段指瞄準點從發(fā)動機尾焰調(diào)整到彈道導(dǎo)彈彈頭位置的制導(dǎo)控制階段。

在初始助推段,采用正常式布局氣動力控制,利用捷聯(lián)慣導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)鏈信息,通過規(guī)劃彈道,助推發(fā)動機將動能殺傷攔截器推至25km～80km高度,基本涵蓋臨近空間(距地面20km～100km),滿足反導(dǎo)要求。在助推器分離后的中制導(dǎo)段,采用RCS直接力控制方式,完成在高空情況下的彈體姿態(tài)控制以及達到一定的軸向速度,同時利用數(shù)據(jù)鏈和捷聯(lián)慣導(dǎo)信息形成制導(dǎo)指令控制導(dǎo)彈飛向?qū)б^可以截獲目標的空域,并控制紅外成像導(dǎo)引頭截獲目標,完成中末制導(dǎo)交接。在末制導(dǎo)階段,根據(jù)紅外成像導(dǎo)引頭所提供的目標信息形成制導(dǎo)指令,啟動直接力軌控發(fā)動機不斷修正變軌,姿控發(fā)動機修正攔截器姿態(tài)。在末段控制段(離目標2s～3s),通過制導(dǎo)和控制算法將攔截器姿態(tài)由瞄準尾焰中心轉(zhuǎn)至彈體中心,直至實現(xiàn)對目標的直接碰撞。

5　結(jié)束語

以地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為主的末段反導(dǎo)防御仍是世界各國當前反導(dǎo)作戰(zhàn)的主要樣式。鑒于我國廣闊的幅員,各主要戰(zhàn)略方向上均有需要重要程度很高的要害目標,在這種作戰(zhàn)模式下,掩護目標眾多與兵力數(shù)量不足的矛盾十分突出。空基末段反導(dǎo)武器的研發(fā)將是解決這一問題的有效途徑之一。

參考文獻:

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