掀起高超聲速對(duì)抗序幕：臨近空間預(yù)警監(jiān)視技術(shù)

張 凱 付婷婷

臨近空間高超聲速武器結(jié)合了航天器與航空器的特征，具有高速、高機(jī)動(dòng)、高精度、大航程等特點(diǎn)，是瓦解導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、實(shí)施遠(yuǎn)程快速打擊的革命性武器裝備。以美俄為代表的世界軍事強(qiáng)國(guó)投入巨資用于高超聲速武器研發(fā)，先后開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)演示飛行試驗(yàn)。鑒于高超聲速武器防御難度極大，優(yōu)先發(fā)展針對(duì)性的預(yù)警監(jiān)視能力，降低目標(biāo)打擊的突然性，是目前需要解決的首要問題。

臨近空間高超聲速武器

臨近空間，一般是指距離地面20～100千米的空域，包括大氣平流層、中間層和部分電離層區(qū)域，具有高輻射、低溫、干燥等特點(diǎn)。通常，20千米以下空域是傳統(tǒng)航空器的主要運(yùn)行空間，100千米以上空域是航天器的運(yùn)行空間，“飛機(jī)上不去，衛(wèi)星下不來”的臨近空間則是人類目前尚未有效利用的空域，是謀求未來空天一體聯(lián)合作戰(zhàn)、促進(jìn)作戰(zhàn)能力跨代躍升的新興作戰(zhàn)領(lǐng)域，具有重要的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

臨近空間高超聲速武器，一般是指在臨近空間內(nèi)執(zhí)行火力打擊、偵察監(jiān)視、電子壓制等軍事行動(dòng)為目的，以高超聲速（馬赫數(shù)5以上）滑翔/巡航的飛行器。根據(jù)高超聲速武器的動(dòng)力裝置不同，其主要分為無動(dòng)力助推滑翔式和有動(dòng)力巡航式兩大類。

無動(dòng)力助推滑翔式高超聲速飛行器，其利用助推火箭加速或直接從近地軌道離軌再入大氣層，在自身無動(dòng)力條件下，僅依靠氣動(dòng)升力克服自身重力進(jìn)行高超聲速（可達(dá)馬赫數(shù)20以上）滑翔飛行。典型代表有美國(guó)先進(jìn)高超聲速武器（AHW）、戰(zhàn)術(shù)助推滑翔（TBG）飛行器以及俄羅斯先鋒高超聲速導(dǎo)彈。

有動(dòng)力巡航式高超聲速飛行器，其自身攜帶以液態(tài)碳?xì)涞葹槿剂系臎_壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，通過飛機(jī)、助推火箭等載具爬升到一定高空后，彈體繼續(xù)加速至高超聲速（馬赫數(shù)5～8）進(jìn)行巡航飛行。典型代表有美國(guó)X-51A飛行器和俄羅斯匕首高超聲速導(dǎo)彈。

預(yù)警監(jiān)視發(fā)展態(tài)勢(shì)

美軍高超聲速防御項(xiàng)目為應(yīng)對(duì)高超聲速武器的潛在威脅，美國(guó)導(dǎo)彈防御局（MDA）在2016財(cái)年預(yù)算中首次提出“高超聲速防御”概念，認(rèn)為改造現(xiàn)有導(dǎo)彈防御系統(tǒng)是反高超聲速武器的有力手段。2018財(cái)年，MDA首次將“高超聲速防御”單列為專項(xiàng)，重點(diǎn)研究高超聲速武器預(yù)警以及攔截能力，這標(biāo)志著美軍在高超聲速防御領(lǐng)域走出重要一步。2019財(cái)年，該項(xiàng)目重點(diǎn)放在改進(jìn)現(xiàn)有導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的傳感器與指控、作戰(zhàn)管理與通信子系統(tǒng)。同時(shí)，項(xiàng)目明確指出美軍計(jì)劃在未來6年（2018年—2023年）投入約7.3億美元應(yīng)對(duì)高超聲速威脅。從最初的概念形成到技術(shù)研究，高超聲速防御逐漸成為美軍事科技重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

俄軍防空反導(dǎo)一體化地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)項(xiàng)目俄軍高度重視反高超聲速武器能力建設(shè)，俄羅斯總統(tǒng)普京在2019年5月的一場(chǎng)國(guó)防發(fā)展問題會(huì)議上發(fā)表講話稱，俄必須趕在其他國(guó)家擁有高超聲速武器前，擁有針對(duì)該類武器的防御手段。近年來，俄軍多部具備高超聲速武器預(yù)警能力的集裝箱超視距預(yù)警雷達(dá)、沃羅涅日戰(zhàn)略預(yù)警雷達(dá)先后投入戰(zhàn)斗值班，最新研制成功的S-500防空反導(dǎo)系統(tǒng)和59N6-TE機(jī)動(dòng)式雷達(dá)也具備一定的反高超聲速武器能力。在此基礎(chǔ)上，俄正逐步完善具備攔截高超聲速武器的防空反導(dǎo)一體化地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，該系統(tǒng)將配備新型多彈頭遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈以及無線電電子戰(zhàn)系統(tǒng)。隨著俄軍不斷加大對(duì)反高超聲速項(xiàng)目的資助力度，其軍事對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)空間正有條不紊向臨近空間領(lǐng)域擴(kuò)張。

探測(cè)難點(diǎn)

不同于在大氣層內(nèi)運(yùn)行的航空器或空間運(yùn)行的彈道導(dǎo)彈與衛(wèi)星，高超聲速武器飛行速度快、飛行彈道低、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，且具有一定隱身性，對(duì)現(xiàn)有預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

探測(cè)目標(biāo)困難高超聲速武器飛行區(qū)域主要位于海拔20～50千米的扁平空域內(nèi)，與地面保持平行?，F(xiàn)有探測(cè)裝備多針對(duì)20千米以下的目標(biāo)，即使少數(shù)預(yù)警裝備能探測(cè)到20千米以上空域，但也不是針對(duì)高超聲速武器設(shè)計(jì)的。高超聲速武器飛行速度可達(dá)馬赫數(shù)20以上，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)飛行目標(biāo)，超出絕大多數(shù)雷達(dá)處理能力，被發(fā)現(xiàn)概率顯著降低。同時(shí)，其在臨近空間中飛行時(shí)，彈體會(huì)與空氣摩擦產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致大氣電離并形成等離子鞘套，使其雷達(dá)散射面積強(qiáng)烈起伏、若隱若現(xiàn)，也會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)裝備的威力。

難以穩(wěn)定跟蹤高超聲速武器沿非慣性彈道飛行，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，現(xiàn)有探測(cè)裝備即使能夠探測(cè)得到，也難以穩(wěn)定跟蹤。同時(shí)，由于地球曲率避擋帶來的低仰角探測(cè)問題，即使地面雷達(dá)具有足夠的威力，其對(duì)高超聲速武器的探測(cè)范圍也十分有限。目前，美俄等軍事大國(guó)致力于在更大范圍內(nèi)部署天基、空基和?；榷嗍侄翁綔y(cè)平臺(tái)，試圖對(duì)高超聲速武器實(shí)現(xiàn)全程實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)視。

預(yù)警時(shí)間有限美俄等軍事大國(guó)探測(cè)高超聲速武器的手段主要依賴于天基紅外預(yù)警衛(wèi)星和地（海）基反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)。天基紅外預(yù)警衛(wèi)星對(duì)高超聲速武器探測(cè)精度較低，僅能提供早期預(yù)警，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其飛行軌道。地（海）基反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)受地球曲率避擋的影響，探測(cè)距離約為數(shù)百千米，無法提供足夠的預(yù)警時(shí)間。如果無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速武器的穩(wěn)定跟蹤和軌道預(yù)測(cè)，目標(biāo)將會(huì)給后續(xù)攔截防御造成極大困難。

預(yù)警監(jiān)視手段

高超聲速武器的飛行過程可分為3個(gè)階段：助推段、巡航/滑翔段和俯沖攻擊段，可將其分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，A區(qū)和B區(qū)是主要的預(yù)警監(jiān)視階段。當(dāng)前，利用地、海、空、天等多維探測(cè)平臺(tái)對(duì)高超聲速武器進(jìn)行組網(wǎng)探測(cè)是實(shí)現(xiàn)預(yù)警監(jiān)視的有效途徑。

高超聲速武器典型作戰(zhàn)過程圖

爬升段預(yù)警探測(cè)手段高超聲速武器爬升段是指從助推火箭/運(yùn)載飛機(jī)啟動(dòng)開始，高超聲速武器進(jìn)入臨近空間巡航/滑翔階段為止。

發(fā)射征候情報(bào)偵察發(fā)射征候情報(bào)是指高超聲速武器發(fā)射前有關(guān)情報(bào)，包括助推火箭發(fā)射架狀態(tài)、運(yùn)載飛機(jī)狀態(tài)以及起飛信息等。獲取來源包括人力、信號(hào)、雷達(dá)以及衛(wèi)星偵察情報(bào)等。發(fā)射征候情報(bào)偵察是發(fā)射階段探測(cè)發(fā)現(xiàn)的重要保證。

天基高軌紅外預(yù)警衛(wèi)星預(yù)警探測(cè)在爬升段，助推火箭噴射高溫火焰，具有顯著的紅外效應(yīng)。利用高軌衛(wèi)星搭載的紅外預(yù)警系統(tǒng)可以較快地確定目標(biāo)發(fā)射區(qū)域，從而為巡航/滑翔段連續(xù)跟蹤提供預(yù)警。天基高軌紅外預(yù)警衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、全天候工作的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是定位精度不高。目前在役裝備主要包括美國(guó)天基紅外探測(cè)系統(tǒng)（SBIRS）、俄羅斯凍土（Tundra）系列預(yù)警衛(wèi)星。

空基紅外預(yù)警探測(cè)空基探測(cè)系統(tǒng)可有效拓展高超聲速武器預(yù)警監(jiān)視范圍，大幅增加預(yù)警時(shí)間。這類系統(tǒng)以高空無人機(jī)、平流層飛艇等為平臺(tái)，通過搭載紅外探測(cè)系統(tǒng)的方式進(jìn)行預(yù)警探測(cè)。由于這類平臺(tái)部署高度比衛(wèi)星低，有利于紅外特征的獲取。受駐空時(shí)間和載荷能力限制，目前這類裝備還處于研究探索階段。

地基天波超視距雷達(dá)預(yù)警探測(cè)天波超視距雷達(dá)主要依靠大氣電離層向下反射電磁波探測(cè)空中或海面目標(biāo)。這種工作方式使雷達(dá)能夠減少地球曲率遮擋的影響，有效拓展探測(cè)范圍，缺點(diǎn)是背景噪聲很強(qiáng)，無法準(zhǔn)確定位。目前在役裝備主要包括美國(guó)AN/TPS-71、俄羅斯集裝箱、澳大利亞JORN等雷達(dá)系統(tǒng)。

巡航/滑翔段探測(cè)跟蹤巡航/滑翔段是指高超聲速武器從進(jìn)入臨近空間穩(wěn)定平飛到向下攻擊階段為止，是目標(biāo)最主要的飛行階段。

天基中低軌紅外預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)跟蹤在巡航/滑翔段，高超聲速武器飛行速度極快，彈體會(huì)與空氣摩擦產(chǎn)生高溫，產(chǎn)生較強(qiáng)的紅外效應(yīng)。當(dāng)紅外預(yù)警衛(wèi)星在中低軌道運(yùn)行時(shí)，其定位精度有一定程度的改善，通過星座組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)巡航/滑翔段進(jìn)行“粗”跟蹤。目前在役裝備主要包括美國(guó)空間跟蹤和監(jiān)視系統(tǒng)（STSS）系列預(yù)警衛(wèi)星。

空基紅外/雷達(dá)探測(cè)跟蹤與爬升段空基預(yù)警手段類似，高空無人機(jī)和預(yù)警機(jī)等平臺(tái)通過搭載紅外/雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的方式，可對(duì)巡航/滑翔段飛行的高超聲速武器進(jìn)行探測(cè)跟蹤。紅外預(yù)警探測(cè)定位精度較低，主要用于巡航/滑翔段前期“粗”跟蹤；雷達(dá)探測(cè)范圍受空基平臺(tái)載荷限制，主要用于待目標(biāo)抵近時(shí)進(jìn)行跟蹤。

地（海）基相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)跟蹤地（海）基相控陣?yán)走_(dá)具有發(fā)射功率大、跟蹤精度高的特點(diǎn)，是對(duì)高超聲速武器進(jìn)行中末段跟蹤與攔截的關(guān)鍵裝備。受地球曲率遮擋的影響，單部雷達(dá)探測(cè)距離有限，通過雷達(dá)組網(wǎng)的方式可實(shí)現(xiàn)中末段連續(xù)穩(wěn)定跟蹤。目前在役裝備主要有美國(guó)鋪路爪、眼鏡蛇、俄羅斯沃羅涅日戰(zhàn)略預(yù)警雷達(dá)。

關(guān)鍵技術(shù)

為適應(yīng)臨近空間復(fù)雜環(huán)境的要求，高超聲速武器預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)需要具備大空域、遠(yuǎn)距離、低仰角、高精度探測(cè)等能力，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括3個(gè)方面：探測(cè)技術(shù)、搭載平臺(tái)技術(shù)以及傳感器組網(wǎng)技術(shù)。

探測(cè)技術(shù)第一，凝視探測(cè)技術(shù)。凝視探測(cè)技術(shù)通過發(fā)射寬波束，接收時(shí)采用多窄波束來覆蓋探測(cè)區(qū)域，可有效提高發(fā)現(xiàn)概率，是提高探測(cè)跟蹤穩(wěn)定性的有效手段。第二，太赫茲探測(cè)技術(shù)。太赫茲作波長(zhǎng)介于毫米波與紅外光之間，對(duì)微波吸收材料具有很好的透過率，對(duì)高超聲速武器具有較好的反隱身性能。目前最大的難題是功率有限，短期內(nèi)難以突破。第三，低仰角目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)。地基雷達(dá)在探測(cè)高超聲速武器的過程中，將長(zhǎng)期處于低仰角工作狀態(tài)，跟蹤精度會(huì)顯著變差。目前，采用偏軸跟蹤、頻率分集、減小天線旁瓣電平等低仰角目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有望提高跟蹤精度。

搭載平臺(tái)技術(shù)第一，平流層飛艇。平流層飛艇是一種輕于空氣、依靠浮力駐空并具有自主飛行能力的臨近空間低動(dòng)態(tài)浮空器，具有滯空時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。目前，平流層飛艇攜帶能力多為數(shù)百千克，且機(jī)動(dòng)性能較差，還難以滿足作戰(zhàn)需求。第二，星載雷達(dá)。星載雷達(dá)具有探測(cè)精度高、覆蓋范圍廣、全天候工作的特點(diǎn)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ奶綔y(cè)裝備。目前困難主要是載荷和功率偏小，短期內(nèi)難以突破。

傳感器組網(wǎng)技術(shù)單一探測(cè)手段無法對(duì)高超聲速武器實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定預(yù)警監(jiān)視，合理地部署天基、空基、地基和海基傳感器，形成綜合紅外、雷達(dá)等多重覆蓋的預(yù)警監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速武器遠(yuǎn)程預(yù)警和穩(wěn)定跟蹤的有效途徑。由于全方位大縱深的預(yù)警探測(cè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，需要考慮如何將不同體制的傳感器按照一定的要求進(jìn)行優(yōu)化部署，涉及的難點(diǎn)包括組網(wǎng)補(bǔ)盲、多平臺(tái)系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)協(xié)同處理、費(fèi)效比等。