高炮新型目標(biāo)攔截技術(shù)

丁天寶，吳子波，張　蕾，何　朝

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

作為最早的防空武器，高炮曾經(jīng)是奪取制空權(quán)的骨干裝備，尤其是低空近程防空不可或缺的武器。但是，隨著戰(zhàn)爭模式的變化，近程末端空襲方式發(fā)生了較大的變化，對反空襲作戰(zhàn)的目標(biāo)攔截概率(命中概率+毀傷概率)提出了更高的要求。一是空襲武器由飛機作戰(zhàn)平臺為主向精確制導(dǎo)彈藥為主轉(zhuǎn)變；二是空襲方的空面飽和攻擊成為主要空襲特點等。面對末端空襲目標(biāo)類型和特點的變化，傳統(tǒng)高炮對目標(biāo)的命中概率下降，因此，傳統(tǒng)防空高炮武器的作用受到挑戰(zhàn)，地位受到?jīng)_擊。

如何提高高炮武器抗擊精確制導(dǎo)彈藥類目標(biāo)的攔截概率、如何提高高炮武器抗擊飽和空襲攻擊能力，成為目前關(guān)系高炮武器系統(tǒng)發(fā)展的根本問題。國外專家在20世紀(jì)末首次提出了一種新型攔截技術(shù)——未來空域窗攔截技術(shù)的概念；21世紀(jì)初，國外學(xué)者對未來空域窗概念進行了進一步研究[1-2]；我國在此領(lǐng)域也進行了一定的研究，代表性的有：胡金春等研究了未來空域窗射擊體制下隨機穿越特征量的實現(xiàn)以及參數(shù)體系[3-4]；王福軍、劉恒、梅衛(wèi)等研究了分布式高炮火控系統(tǒng)空域窗射擊方法和相關(guān)技術(shù)[5-6]；盧秀慧、李強等研究了高射速武器對不同機動目標(biāo)的命中理論[7]；孟留成、張相炎等研究了高炮攔阻射擊新體制并建立了基本的數(shù)學(xué)模型[8]；單甘霖、劉恒等研究了空域窗射擊參數(shù)自尋優(yōu)射擊方法[9]；朱凱、陶德進等研究了未來空域窗下高炮武器系統(tǒng)的毀傷概率[10]。另外，還有很多學(xué)者開展了相關(guān)研究，篇幅所限在此不一一列舉。整體來說，前期已開展的大量研究為未來空域窗攔截技術(shù)概念明晰、技術(shù)細化做出了重要貢獻。

但是，如何將已有的研究成果進行梳理、歸納、提煉，特別是通過綜合、甄別，找到影響工程應(yīng)用的瓶頸問題并給予有效解決，從而促進此類技術(shù)在裝備上的工程應(yīng)用，是亟待解決的現(xiàn)實問題。筆者旨在通過綜合研究，探索該技術(shù)付諸工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并在部分關(guān)鍵技術(shù)有所突破，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1　防空高炮的歷史地位與新挑戰(zhàn)

1.1　傳統(tǒng)防空高炮戰(zhàn)績赫赫

高炮類防空武器在兩次海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭以及阿富汗戰(zhàn)爭中做出了很好的戰(zhàn)績。2011年利比亞戰(zhàn)爭中，由于其防空武器裝備相對過于落后，加上不能有效使用，未能很好發(fā)揮防空武器的作用，既無招架之力，又無還手之功。利比亞戰(zhàn)爭從反面充分證明了防空武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要作用。

傳統(tǒng)防空高炮的特長主要表現(xiàn)在以下幾方面：一是高炮射擊死界??；二是近距離反應(yīng)速度快；三是現(xiàn)代自行高炮可以行進間作戰(zhàn)；四是高炮生存能力強；五是作戰(zhàn)經(jīng)濟性較好。

1.2　傳統(tǒng)防空高炮面臨新挑戰(zhàn)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭典型現(xiàn)代空襲兵器可概括為：精確制導(dǎo)彈藥(巡航導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈等)、武裝直升機、固定翼飛機(殲擊機、轟炸機、強擊機等)、無人機、布撒器以及三彈(即火箭彈、榴彈和迫擊炮彈)等。野戰(zhàn)防空最大威脅目標(biāo)為武裝直升機與其發(fā)射的反坦克導(dǎo)彈，以及攻擊型無人機等；要地防空最大威脅目標(biāo)為巡航導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈與戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈等。

與過去飛機類空襲武器相比，以精確制導(dǎo)彈藥為典型代表的下一代空襲兵器外形尺寸更小、速度更高，機動能力發(fā)生了很大變化。因此，給傳統(tǒng)高炮的目標(biāo)探測、跟蹤、火控和火力攔截提出了新的要求，針對未來防空反導(dǎo)形勢，傳統(tǒng)防空高炮面臨新挑戰(zhàn)。

2　未來空域攔截技術(shù)

傳統(tǒng)高炮通常采用連續(xù)搜索跟蹤目標(biāo)，連續(xù)計算射擊提前量以及在有效作戰(zhàn)距離內(nèi)多次發(fā)射彈丸的跟蹤射擊方式。但是，當(dāng)高炮面對高機動、小目標(biāo)時，目標(biāo)跟蹤困難、未來點的預(yù)測和火控解算精度下降，難以獲得高精度的射擊諸元，命中概率會大幅度下降。為克服傳統(tǒng)高炮反機動小目標(biāo)時跟蹤射擊命中概率低的局限性，國外專家首次提出了一種新型攔截技術(shù)——未來空域窗攔截技術(shù)的概念。該技術(shù)將傳統(tǒng)高炮火控對目標(biāo)未來點的預(yù)測轉(zhuǎn)換成數(shù)個在空間上成一定排列的命中點，多個命中點組成空域(即未來空域窗)，通過控制高炮使彈丸在未來空域內(nèi)的散布近似均勻分布，以提高攔截概率。

實際上，從攔截區(qū)域講，未來空域窗是一個二維的概念。筆者及其團隊對未來空域攔截技術(shù)進行了多年的研究，首次提出未來空域攔截概念，“未來空域”的基本內(nèi)涵是一個三維或四維的概念。

未來空域攔截技術(shù)的基本內(nèi)涵：三維是指將目標(biāo)看成三自由度質(zhì)點，描述其運動規(guī)律可用三維坐標(biāo)XYZ或βαD；四維是在原三維坐標(biāo)基礎(chǔ)上加時間維，即XYZt或βαDt；該攔截技術(shù)是通過控制高炮射擊過程，使彈丸與目標(biāo)形成最大交匯區(qū)域，從而提高對目標(biāo)的毀傷概率。

未來空域攔截技術(shù)的擴展內(nèi)涵：引入六維概念是針對目標(biāo)而言，主要為了對目標(biāo)與未來空域的交匯過程進行精確建模計算；即在目標(biāo)三自由度基礎(chǔ)上，考慮姿態(tài)的另外三個自由度，目標(biāo)運動規(guī)律可用六維坐標(biāo)XYZφθk或βαDφθk；七維是在原六維坐標(biāo)基礎(chǔ)上加時間維，即XYZφθkt或βαDφθkt；該攔截技術(shù)是通過控制高炮射擊過程，使彈丸與目標(biāo)形成最大交匯區(qū)域，同時交匯模型中考慮了目標(biāo)的易損性，從而進一步提高對目標(biāo)的毀傷概率。

從表面看，未來空域攔截技術(shù)原理比較簡單，但是其技術(shù)細化和工程實施卻是有相當(dāng)?shù)墓こ碳夹g(shù)難度。筆者在對未來空域攔截技術(shù)初步研究的基礎(chǔ)上，對其進行了綜述。

2.1　基于目標(biāo)機動特性和毀殲概率的未來空域攔截技術(shù)

2.1.1抗擊小機動目標(biāo)的單空域攔截技術(shù)

抗擊小機動目標(biāo)的單空域目標(biāo)攔截技術(shù)是未來空域攔截技術(shù)的基本模式。該攔截技術(shù)在預(yù)測的空襲目標(biāo)迎彈面以預(yù)測目標(biāo)未來點為中心，形成一個具有均勻或近似均勻分布密度的射彈或破片散布區(qū)域；當(dāng)目標(biāo)發(fā)生有限機動時，使其盡可能覆蓋目標(biāo)運動區(qū)域。未來空域飽和目標(biāo)攔截射擊體制與傳統(tǒng)射擊體制的主要區(qū)別在于傳統(tǒng)射擊體制始終瞄準(zhǔn)目標(biāo)未來點射擊，而未來空域射擊體制瞄準(zhǔn)目標(biāo)未來特定區(qū)域射擊。

2.1.2抗擊大機動目標(biāo)的多空域攔截技術(shù)

抗擊大機動目標(biāo)的多空域目標(biāo)攔截技術(shù)是未來空域攔截技術(shù)的增強模式。相對于跟蹤射擊攔截體制，空域攔截技術(shù)提高了對機動目標(biāo)的攔截概率，能夠抗擊有限機動目標(biāo)，但難以抗擊具有高度機動能力的目標(biāo)，如目標(biāo)在彈丸飛行時間內(nèi)進行拐彎、爬升、俯沖等強機動。為了進一步提高對目標(biāo)的攔截概率，采用多空域射擊體制是一個很好的思路。多空域目標(biāo)攔截技術(shù)在傳統(tǒng)火控系統(tǒng)中增加目標(biāo)多自由度實時狀態(tài)估計功能，實時預(yù)測目標(biāo)在射彈飛行時間內(nèi)的可能機動變化，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果進行多個未來空域射擊，攔截目標(biāo)。

2.1.3最優(yōu)毀殲概率自適應(yīng)空域攔截技術(shù)

自適應(yīng)空域目標(biāo)攔截技術(shù)是對未來空域攔截技術(shù)應(yīng)用于近程防空反導(dǎo)的具體應(yīng)用和提升。自適應(yīng)空域目標(biāo)攔截技術(shù)是指火控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)運動參數(shù)估計結(jié)果，識別目標(biāo)的運動模式并估計出其機動規(guī)律，實時計算毀殲概率，并求解出能產(chǎn)生最大毀殲概率攔截空域技術(shù)參數(shù)，自適應(yīng)的選擇合適的空域，綜合計算出射擊諸元提供給高炮武器，實現(xiàn)對空中目標(biāo)的射擊攔截。自適應(yīng)空域攔截技術(shù)的核心是通過毀殲概率尋優(yōu)確定射擊空域技術(shù)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)火控技術(shù)相比，采用自適應(yīng)空域攔截技術(shù)抗擊高機動巡航導(dǎo)彈的毀傷效能可提高約18%～90%，且增加了有效射擊時間。

2.2　基于火力應(yīng)用模式的未來空域攔截技術(shù)

2.2.1多炮集火單空域攔截技術(shù)

多炮集火單空域目標(biāo)攔截技術(shù)是通過火控、火力應(yīng)用來控制未來空域攔截技術(shù)的另一模式。多炮集火單空域目標(biāo)攔截技術(shù)是火控同時控制多門火炮射擊，根據(jù)各門火炮不同彈道，在極短的時間內(nèi)發(fā)射足夠多的彈丸使射擊區(qū)域飽和，即以預(yù)測目標(biāo)未來點為中心，在三維空間內(nèi)，形成具有均勻或近似均勻分布密度的射彈或破片散布區(qū)域(即未來空域)，期望目標(biāo)穿越該區(qū)域時即遭毀傷。

2.2.2多炮集火多空域攔截技術(shù)

多炮集火多空域目標(biāo)攔截技術(shù)是通過火控、火力應(yīng)用來控制未來空域攔截技術(shù)的增強型。由于目標(biāo)運動狀態(tài)估計存在誤差, 預(yù)計的單個未來空域鎖定目標(biāo)的概率達不到規(guī)定要求時, 可按設(shè)計的間隔設(shè)置多個未來空域，并進行飽和射擊以毀傷目標(biāo)，稱為多炮集火多空域目標(biāo)攔截技術(shù)。通常多空域目標(biāo)攔截需要的射彈數(shù)較多，作戰(zhàn)成本相對較高，因此只有當(dāng)通過目標(biāo)實時狀態(tài)預(yù)測其機動性相當(dāng)高的情況下，才實施多個空域射擊。因此,目標(biāo)實時機動狀態(tài)預(yù)測是實現(xiàn)多空域射擊的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

2.2.3“金屬風(fēng)暴”多空域攔截技術(shù)

“金屬風(fēng)暴”是一種利用多身管并行發(fā)射整體串式彈藥的彈幕攔截技術(shù)。在單個身管內(nèi)裝填串式彈藥，串式彈藥主要由若干個彈丸和發(fā)射裝藥交替排列在彈藥筒中構(gòu)成，在計算機和電子裝置的控制下，按發(fā)射速率和順序依次點燃每個彈丸的發(fā)射裝藥，使彈丸依次進行發(fā)射?！敖饘亠L(fēng)暴”武器可在短時間內(nèi)向目標(biāo)發(fā)射大量的多層彈丸，產(chǎn)生多個空間密集彈幕，形成未來目標(biāo)攔截空域，實施面對點多次攔截快速機動目標(biāo)。

2.3　基于彈目交會模式的未來空域攔截技術(shù)

2.3.1空間域射擊攔截技術(shù)

空間域射擊攔截技術(shù)是通過彈目交會模式來控制未來空域攔截技術(shù)的基本模式。即基于空域射擊原理計算，按照其火力單元賦予的射擊諸元，同時刻發(fā)射的彈丸經(jīng)過各自不同的彈丸飛行時間飛行后，達到預(yù)測的散布中心點，形成未來攔截空域毀傷目標(biāo)，稱之為空間域射擊目標(biāo)攔截技術(shù)?？臻g域射擊目標(biāo)攔截技術(shù)在實現(xiàn)空域射擊、提高攔截概率的同時，增加了射擊機會。

2.3.2時空域射擊攔截技術(shù)

時空域射擊攔截技術(shù)是通過彈目交會模式來控制未來空域攔截技術(shù)的另一基本模式。即火炮按照所賦予的射擊諸元射擊，各炮發(fā)射的彈丸經(jīng)過其飛行時間后，于同一時刻抵達空域內(nèi)的各預(yù)定區(qū)域，對目標(biāo)同一未來點實施包圍，即在空間域和時間域上同時均滿足未來空域約束條件，稱之為時空域射擊目標(biāo)攔截技術(shù)。通過選擇射擊時機，時空域射擊目標(biāo)攔截技術(shù)實現(xiàn)了彈丸同時刻對目標(biāo)同未來點的彈丸有效分布，提高了攔截目標(biāo)的概率。

2.3.3多重命中體制攔截技術(shù)

多重命中體制目標(biāo)攔截技術(shù)是跟蹤攔阻射擊模式的改進, 它通過改變裝藥、改變射角、改變發(fā)射初速或改變其他彈道或射擊參數(shù)，使所發(fā)射的彈幕在目標(biāo)航路上同時達到預(yù)定位置。但是，多重命中體制通常使不同速度的彈丸匯聚同一距離、在固定距離上攔截目標(biāo)，因此對非機動目標(biāo)的攔截概率較高，而抗擊機動目標(biāo)的靈活性不足。

3　未來空域攔截技術(shù)可行性

從理論上講，未來空域攔截技術(shù)可以彌補傳統(tǒng)高炮跟蹤射擊方式的不足，是解決傳統(tǒng)高炮攔截小目標(biāo)毀傷概率偏低問題的可行技術(shù)途徑；但是，未來空域攔截技術(shù)的應(yīng)用涉及很多工程技術(shù)問題需要研究和解決。

實際上，在未來空域攔截技術(shù)概念提出后，許多學(xué)者對其進行了理論探索和研究，為其概念的界定、理論的細化和完善做了大量工作，對原理念進行了擴展和提升，取得了很多相關(guān)的研究成果。但遺憾的是，迄今為止該理論還沒有真正完全用于實際武器裝備，其原因分析如下：

1)需求牽引不足。早期防空的主要目標(biāo)是作戰(zhàn)飛機，因為目標(biāo)較大、速度慢，常規(guī)的攔截方法即可滿足要求，所以對未來空域攔截技術(shù)沒有強烈的需求。當(dāng)防空目標(biāo)從作戰(zhàn)飛機轉(zhuǎn)變?yōu)榫_制導(dǎo)彈藥后，因為目標(biāo)小、速度快，有時伴有規(guī)避機動，常規(guī)的攔截方法已不能適應(yīng)時，才會產(chǎn)生較強的需求。

2)研究難度大。一方面，未來空域攔截技術(shù)理論上涉及高炮火控與火力、外彈道、彈藥與毀傷等多個學(xué)科，比較復(fù)雜；另一方面，未來空域攔截技術(shù)的工程實現(xiàn)需要借助目標(biāo)探測與跟蹤、數(shù)據(jù)濾波、信息處理與傳輸、高實時測控等相關(guān)技術(shù)支持，缺一不可。

為了提高未來空域攔截技術(shù)的可行性，還需要從理論體系上進一步深入研究，完善其不同分支的數(shù)學(xué)描述、特征參數(shù)族等，形成完整的理論體系；其次，要解決數(shù)據(jù)濾波、信息處理與傳輸、高實時測控中的工程技術(shù)問題；再次，應(yīng)將作戰(zhàn)成本核算和體系貢獻率評估納入體系論證，使應(yīng)用未來空域攔截技術(shù)的高炮末端防空反導(dǎo)武器成為高性價比的武器。

4　結(jié)束語

提高高炮武器抗擊精確制導(dǎo)彈藥類目標(biāo)的毀傷概率，提高高炮武器抗擊飽和空襲攻擊能力是未來信息化戰(zhàn)場對高炮近程末端防空反導(dǎo)提出的新需求。日新月異的信息技術(shù)可為未來空域攔截技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。創(chuàng)新目標(biāo)攔截模式，開創(chuàng)高炮末端防空反導(dǎo)武器發(fā)展的新輝煌，時不我待。

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